УСТАНОВКА И СПОСОБ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПАРА
STEAM GENERATION PLANT AND METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
В общем, настоящее изобретение относится к парогенераторной установке и к способу регулирования давления пара в парогенераторной установке. В частности, изобретение относится к парогенераторной установке, имеющей улучшенные теплофизические свойства, и к способу регулирования давления пара в парогенераторном устройстве на основании этих теплофизических свойств.
Предпосылки создания изобретения
Подогрев воды, например, для генерации пара можно выполнять в установках подогрева воды или котлах. С помощью нагревательного устройства и датчика температуры в этих системах температура воды может регулироваться в пределах определенного диапазона температур следующим образом: когда сигнал значения температуры с датчика температуры свидетельствует о том, что температура воды упала ниже определенного уровня, нагревательное устройство включается, и вода подогревается. Если сигнал значения температуры свидетельствует о том, что температура воды поднялась выше определенного уровня, нагревательное устройство отключается.
Для подогрева воды с целью генерации пара требуется средство подогрева воды под давлением и регулирования давления пара. Регулирование давления пара может быть выполнено непосредственно путем использования датчика давления или косвенно путем использования датчика температуры. При регулировании давления по измерению температуры воды используют взаимосвязь давления пара и температуры в котле, поскольку во время подогрева воды давление пара повышается, и оно снижается, когда вода в котле охлаждается.
Для регулирования давления в котле на основании измеряемой температуры необходимо точно измерять температуру воды. В частности, особо важным является расположение датчика температуры. Датчик может быть прикреплен к боковой стенке обшивки котла или к нижней части обшивки котла.
При расположении датчика температуры на боковых стенках требуется плоский участок для надлежащего закрепления датчика, что, в свою очередь, усложняет образование обшивки. В некоторых из этих компоновок между датчиком температуры и обшивкой котла наносят теплопроводную пасту. При этом возникает необходимость в дополнительных операциях по установке.
Прикрепление датчика температуры к нижней части обшивки котла также невыгодно. Некоторые котлы содержат нагревательную плиту со встроенным нагревательным элементом. Нагревательную плиту обычно прикрепляют к нижней части обшивки котла посредством болтов или винтов. Слой теплопроводного материала, например графита, может быть помещен между котлом и нагревательной плитой для заполнения воздушного зазора и улучшения теплопередачи. Однако теплопередача между обшивкой котла и нагревательной плитой не является оптимальной. Температура воды и температура нагревательной плиты значительно различаются, особенно во время включения электропитания. Это является причиной задержки во времени кривой температура-время в месте измерения по сравнению с кривой температура-время воды, поскольку теплопередача от нагревательного элемента к воде значительно задерживается. Кроме того, распределение температур по пространству и во времени в котлах не является равномерным. Например, вода в пределах области измерения датчика, прикрепленного на расстоянии от нагревательного устройства, может нагреваться позднее, чем вода в пределах области нагревательного устройства. Это ведет к чрезмерному повышению давления пара или к противоположному явлению.
Задача изобретения заключается в создании установки и способа генерации пара, обеспечивающих улучшенную способность регулирования давления пара.
Сущность изобретения
Такая задача решается совокупностью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Дальнейшие развития и предпочтительные осуществления изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому объекту изобретения предложена парогенераторная установка, содержащая корпус для размещения воды, подлежащей подогреву, имеющий первый участок, содержащий первый металл, и нагревательное устройство, имеющее второй участок, содержащий второй металл, в которой нагревательное устройство содержит нагревательную плиту, соединенную с корпусом посредством образования межметаллического слоя между первым участком и вторым участком, и датчик температуры для измерения температуры, которая указывает на давление внутри корпуса, расположенный в тепловом контакте с нагревательным устройством снаружи корпуса. Межметаллический слой обеспечивает механическое и тепловое соединение между первым и вторым участками нагревательного устройства и корпуса парогенераторной установки. Этим гарантируется прочное механическое прикрепление нагревательного устройства к корпусу и в то же самое время хорошая теплопроводная способность между двумя участками на основе одноэтапного процесса. Межметаллический слой может содержать доли первого металла, второго металла и/или третьего металла, например мягкого припоя. Обычные способы крепления, подобные болтовому соединению или соединению на винтах, создают неравномерно распределенные, большей частью локальные контактные поверхности. Межметаллический слой обеспечивает большую и сплошную контактную поверхность, позволяющую получить более высокую и более равномерную теплопередачу. Свойства двух металлов могут быть выбраны в соответствии с потребностями корпуса и нагревательного элемента соответственно. Каждый из первого металла и второго металла может быть смесью, содержащей два или большее количество элементов металлов или элементов металлов и неметаллов, и может быть независимо оптимизирован в части, касающейся их теплофизических свойств. Поэтому металл первого участка корпуса может быть определен из условия соответствия требованиям к подогреву воды и аккумулированию пара, тогда как второй металл может быть оптимизирован в части, касающейся требований относительно выработки и передачи теплоты. Имеются несколько способов образования межметаллического слоя, которые будут рассмотрены ниже. Датчик температуры может быть термистором или другим датчиком, формирующим сигнал, связанный с измеряемой температурой. Вследствие повышенной теплопроводности датчик температуры может быть расположен вблизи нагревательного устройства или может быть непосредственно прикреплен к нагревательному устройству, или встроен в него. Поскольку между корпусом, нагревательным устройством и точкой измерения датчика температуры происходит быстрая передача теплоты, то изменение температуры может быть измерено датчиком температуры почти без задержки.
При этом предпочтительно, чтобы первый металл был нержавеющей сталью. Нержавеющая сталь и аналогичный материал удовлетворяет требованиям относительно слабой коррозии в условиях влажного тепла.
Аналогично этому второй металл представляет собой алюминий или сплав алюминия. Эти материалы сочетают хорошую теплопроводность с хорошей обрабатываемостью.
Согласно конкретному осуществлению настоящего изобретения межметаллический слой образуют пайкой мягким припоем и/или пайкой твердым припоем, и/или сваркой. На одном из этих или на объединенных технологических этапах создают межметаллический слой между первым участком и вторым участком, рассмотренными выше, и они представляют собой хорошо проверенные способы соединения различных металлов. Кроме того, для получения стыков, демонстрирующих высокую теплопроводность и хорошее качество механического соединения, также могут быть использованы клеящие материалы с металлическим наполнителем.
Согласно осуществлению изобретения нагревательная плита содержит нагревательный элемент. Нагревательный элемент может быть прикреплен к нагревательной плите заливкой, пайкой мягким припоем, пайкой твердым припоем, сваркой или аналогичными способами.
Согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения нагревательное устройство содержит управляющее средство для регулирования температуры воды. Как рассматривалось выше, для генерации пара требуется точная регулировка давления пара. Благодаря использованию повышенной теплопроводной способности от корпуса к нагревательному устройству и обратно может быть достигнуто точное регулирование температуры воды и, следовательно, давления пара. Кроме того, при повышенной теплопроводной способности межметаллического стыка уменьшается время обратной связи в системе и обеспечивается более быстрое и более точное регулирование температуры воды.
Согласно второму объекту изобретения предложен способ регулирования давления пара в парогенераторной установке, содержащей корпус для размещения воды, подлежащей подогреву, имеющий первый участок, содержащий первый металл, нагревательное устройство, имеющее второй участок, содержащий второй металл, при этом корпус соединен с нагревательной плитой нагревательного устройства благодаря образованию межметаллического слоя между первым участком и вторым участком, и датчик температуры для измерения температуры, которая указывает на давление внутри корпуса, при этом датчик температуры расположен в тепловом контакте с нагревательным устройством снаружи корпуса, причем, согласно способу, задают целевую температуру воды для первого периода времени, равную первой заданной температуре, задают целевую температуру воды для второго периода времени, равную второй заданной температуре, более высокой, чем первая заданная температура, и задают целевую температуру воды для третьего периода времени, равную третьей заданной температуре, более низкой, чем вторая заданная температура. Корректировкой целевой температуры воды, подлежащей подогреву, до различных уровней температуры в течение нескольких периодов времени создается гибкий способ регулирования давления пара парогенераторного устройства путем измерения температуры воды. Например, уровень давления пара может быть задан в соответствии с номинальным давлением, соответствующим первой заданной температуре. В течение второго периода времени задают более высокую температуру и поэтому также задают более высокий уровень давления пара. Это можно использовать для временного повышения давления пара с целью обеспечения выпуска пара при более высоком расходе без необходимости создания компонентов, связанных с созданием более высокого давления. Это может быть осуществлено в течение заданных периодов времени или в ответ на сигнал или событие. Еще одним примером является возможность компенсации снижения давления пара, которое может быть спрогнозировано в определенной временной точке соответствующими сигналами, но не может быть обнаружено с помощью датчика температуры, что будет рассмотрено подробно ниже.
Согласно предпочтительному осуществлению изобретения начало второго периода времени и/или продолжительность второго периода времени, и/или вторая заданная температура является по меньшей мере одним из следующего: заранее заданного, функции выпуска пара из парогенераторного устройства и функции впуска воды в парогенераторное устройство. Корректировка целевой температуры воды до более высокого уровня по сравнению с начальной номинальной заданной температурой в течение заданного периода времени позволяет заблаговременно осуществлять компенсацию регулярно возникающих паровых нагрузок. Начало второго периода времени и его продолжительность могут быть гибко скорректированы так, чтобы они соответствовали ожидаемому расходу пара. Кроме того, конфигурация второго периода времени и соответствующая заданная температура могут быть взаимосвязаны с текущим выпуском пара. Например, второй период времени может отражать текущий расход пара и его продолжительность. В соответствии с этим поддерживается неизменным количество воды, впускаемой в парогенераторное устройство. Инициирование выпуска пара или впуска воды может осуществляться подачей соответствующих сигналов с помощью кнопки, приводимой в действие пользователем, или электрическим сигналом, включающим водяной насос.
Согласно дополнительному осуществлению настоящего изобретения продолжительность второго периода времени равна продолжительности выпуска пара или продолжительности впуска воды. К тому же начало второго периода времени может совпадать с началом выпуска пара и началом впуска воды соответственно. Это является простым способом улучшения регулирования давления пара путем добавления дополнительной теплоты в соответствующие периоды времени.
В частности, второй период времени продлевают на период времени, являющийся функцией по меньшей мере одного из следующего: продолжительности выпуска пара и продолжительности впуска воды. В соответствии с количеством тепловой мощности, передаваемой в воду, и в соответствии с другими аспектами парогенераторного устройства подходящие периоды подогрева могут быть выбраны для компенсации тепловых потерь, обусловленных выпуском пара и впуском воды соответственно.
Также предпочтительно, чтобы при регулировании температуры воды около второй температуры осуществляли включение нагревательного устройства в случае по меньшей мере одного из следующего: текущая температура воды ниже, чем вторая температура; запрашивается выпуск пара; и выполняется впуск воды. В течение второго периода времени нагревательное устройство передает теплоту в воду всякий раз, когда происходит одно из упомянутых событий. Даже в случае, если текущая температура воды все еще выше, чем вторая температура, нагревательное устройство включают для предотвращения или смягчения будущего падения давления.
Согласно конкретному осуществлению настоящего изобретения при регулировании температуры воды около второй температуры осуществляют отключение нагревательного устройства, если текущая температура воды выше, чем максимальная температура. Чтобы предотвратить излишнее повышение давления пара, текущую температуру воды ограничивают максимальной температурой.
В частности, при регулировании температуры воды около второй температуры осуществляют отключение нагревательного устройства после периода времени, являющегося функцией по меньшей мере одного из следующего: продолжительности выпуска пара и продолжительности впуска воды.
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными из приведенного ниже описания, сделанного со ссылками на осуществления.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 - схематический вид сборки парогенераторного устройства согласно настоящему изобретению;
фиг.2 - блок-схема температурного цикла;
фиг.3 - иллюстрация первого осуществления способа регулирования давления пара согласно изобретению;
фиг.4 - иллюстрация второго осуществления способа регулирования давления пара согласно изобретению; и
фиг.5 - иллюстрация варианта второго осуществления способа регулирования давления пара согласно изобретению.
Описание предпочтительных осуществлений
На фиг.1 показан схематический вид сборки парогенераторного устройства согласно настоящему изобретению. Парогенераторное устройство 10 содержит водогрейный котел 12, изготовленный путем соединения по меньшей мере двух фасонных металлических оболочек из нержавеющей стали. Котел 12 имеет плоский нижний участок 16 и установлен внутри пластиковой обшивки в горизонтальной компоновке. Другие ориентации, отличающиеся от горизонтальной компоновки, также являются возможными. Плоский нижний участок 16 котла 12 прикреплен к нагревательному устройству 14, содержащему нагревательную плиту 15 и нагревательный элемент 22. Нагревательную плиту изготавливают из алюминия, также может быть использован сплав алюминия или другие материалы с высокой удельной теплопроводностью. Нагревательная плита 15 содержит плоский верхний участок 18 и ее прикрепляют плоским верхним участком 18 к плоскому нижнему участку 16 корпуса 12 путем образования межметаллического слоя 20. Межметаллический слой 20 может быть образован сваркой, пайкой твердым припоем, пайкой мягким припоем и т.п. Чтобы гарантировать хорошую теплопередачу, нагревательный элемент 22 прикрепляют к нагревательной плите 15, также образуя межметаллический слой сваркой, пайкой твердым припоем, пайкой мягким припоем, аналогичным способом соединения или заливкой. Кроме того, нагревательное устройство 14 содержит датчик 24 температуры и датчик 30 уровня воды. Котел 12 парогенераторного устройства 10 также снабжен предохранительным клапаном 32, электрическим клапаном 34 выпуска пара и патрубком 36 подвода воды. Патрубок 36 подвода воды котла 12 соединен с электрическим водяным насосом 38, соединенным с водяным баком 40. Между водяным насосом 38 и патрубком 36 подвода воды предусмотрен вакуумный клапан 42, позволяющий осуществлять соединение котла 12 с водяным баком 40, открытым в окружающую среду. Кроме того, котел 12 соединен через электрический клапан 34 выпуска пара и шланг 44 подачи пара с паровым утюгом 46. Паровой утюг 46 содержит кнопку 48 выпуска пара. Электронный блок 26 управления соединен с водяным насосом 38, нагревательным элементом 22, датчиком 24 температуры, датчиком 30 уровня воды, электрическим клапаном 34 выпуска пара и с кнопкой 48 выпуска пара парового утюга 46.
Парогенераторное устройство 10 пригодно для использования в бытовых приборах, представляющих собой вдобавок к паровому гладильному устройству, показанному в качестве предпочтительного осуществления, пароварку, пароочиститель, активную гладильную доску, сауну для лица, устройство для тепловой обработки паром, кофеварку и т.п. Датчик 30 уровня воды используется для обнаружения изменений уровня воды в котле 12. Когда уровень воды ниже определенного уровня или котел 12 пустой, с датчика 30 уровня воды посылается сигнал на электронный блок 26 управления. Электронный блок 26 управления включает насос 38, чтобы вода подавалась в котел 12 для повышения уровня воды. Когда уровень воды в котле 12 выше определенного уровня, с датчика 30 уровня воды посылается соответствующий сигнал на электронный блок 26 управления. Электронный блок 26 управления отключает насос 38, чтобы закачивание прекратилось. Таким путем уровень воды в котле 12 поддерживается в пределах определенного диапазона. Вакуумный клапан 42 обеспечивает соединение котла 12 с окружающей средой для предотвращения переполнения котла 12 водой в случае, если во время остывания после использования внутри котла 12 образуется вакуум. В зависимости от используемого способа измерения датчик 30 уровня воды может быть установлен на нагревательной плите 15 (как показано) или в качестве варианта на оболочке котла, на боковых стенках котла 12 или даже внутри котла 12. Если обнаружение уровня воды осуществляют на основании температуры, получаемой от датчика 24 температуры, то датчик 24 температуры может быть использован как датчик уровня воды.
Датчик 24 температуры установлен на нагревательной плите 15. Таким образом, датчик 24 температуры расположен вблизи области, находящейся в хорошем тепловом контакте с водой внутри котла 12, чтобы температура воды измерялась надлежащим образом. Поскольку давление пара воды внутри котла 12 непосредственно связано с температурой воды, датчик 24 температуры используют для регулирования давления воды. Если измеряемая температура ниже, чем заданное значение температуры, давление также ниже требуемого уровня. В этом случае электронный блок 26 управления включает нагревательный элемент 12. Если датчик 24 температуры сигнализирует о том, что температура воды достигла заданного значения температуры или превысила его, нагревательный элемент 22 отключается электронным блоком 26 управления. Это является простым способом регулирования давления пара внутри котла 12. Более сложные способы описываются применительно к фиг.2-5. Преимущество изобретения заключается в возможности изменения заданного значения температуры для воды внутри котла 12. Поэтому можно задавать различные уровни давления в котле, улучшая подачу пара при различных расходах пара во время нормального использования. Кроме того, во время холодного пуска котла с воздухом вместо пара внутри котла 12 существует тенденция повышения давления. Поэтому более низкое заданное значение может быть использовано для гарантии того, что во время пуска давление будет под контролем. После приведения в действие кнопки 48 выпуска пара воздух будет выпускаться вместе с паром. После этого могут быть использованы более высокие заданные значения температуры.
В дальнейшем упрощенном осуществлении изобретения содержится простая котловая система, например котел 12 без водяного бака 40, электрического насоса 38, вакуумного клапана 42 и патрубка 36 подвода воды. В качестве датчика 24 температуры может быть использован термостатический переключатель. Включение и выключение питания нагревательного устройства 22 может быть осуществлено непосредственно термостатическим переключателем без необходимости в дополнительном электронном блоке 26 управления. Поэтому, если термостатический переключатель работает только при одном уровне температуры, давление регулируется около одного уровня.
curr
nom
curr
nom
curr
nom
curr
nom
curr
nom
curr
На фиг.2 показана блок-схема температурного цикла. На этапе S10 текущую температуру T воды, подлежащей подогреву, сравнивают с номинальной заданной температурой T. Если текущая температура T воды ниже, чем номинальная температура T, включают (S11) нагревательный элемент для подогрева воды. Если текущая температура T выше номинальной температуры T или равна ей, процесс продолжают для контроля текущей температуры на этапе S10. После включения на этапе S11 нагревательного элемента на этапе S12 снова сравнивают текущую температуру T воды с номинальной температурой T. Сравнение температур на этапе S11 может быть осуществлено с иной частотой, чем на этапе S10. Если текущая температура T выше, чем номинальная температура T, нагревательный элемент отключают на этапе S13. В противном случае контроль текущей температуры T продолжают на этапе S12. После отключения на этапе S13 нагревательного элемента процесс продолжают на этапе S10, и температурный цикл заканчивают. Это представляет собой простой способ регулирования температуры воды, подлежащей подогреву. Этапы с S10 по S13 могут быть определены как цикл регулирования температуры с использованием включения и отключения нагревательного элемента в качестве критерия.
nom
1
nom
2
2
1
2
nom
3
3
2
2
На фиг.3 показано первое осуществление способа регулирования давления пара согласно изобретению. На этапе S20 номинальную температуру T воды, подлежащей подогреву, задают в соответствии с первой температурой Т. На этапе S21 выполняют N температурных циклов, описанных применительно к фиг.2. На этапе S22 номинальную температуру T задают в соответствии со второй температурой Т, при этом вторая температура Т выше, чем первая температура Т. На этапе S23 выполняют М температурных циклов при более высокой номинальной температуре Т. После этого на этапе S24 номинальную температуру T понижают до третьей температуры Т, при этом третья температура Т ниже, чем вторая температура Т. После выполнения K температурных циклов процесс продолжают с этапа S20 или, как вариант, с этапа S22. Следовательно, более высокий уровень температуры Т обеспечивается в течение М температурных циклов, что позволяет получать диапазон более высоких давлений.
nom
1
curr
max
curr
max
На фиг.4 показано второе осуществление способа регулирования давления пара согласно изобретению. На этапе S30 номинальную температуру T воды, подлежащей подогреву, задают в соответствии с первой температурой Т. После этого на этапе S31, как определено выше, выполняют ряд температурных циклов, число которых, предпочтительно, заранее не определено. Во время этих температурных циклов контролируют (S32) приведение в действие кнопки выпуска пара, то есть инициирование выпуска пара, и включение водяного насоса. Если одно из упомянутых событий происходит, процесс продолжают на этапе S33. В противном случае контроль продолжают на этапе S32. На этапе S33 нагревательный элемент включают и подогревают воду. Во время этого подогрева контролируют несколько событий. Если одно из событий происходит, нагревательный элемент отключают. Во-первых, на этапе S34 текущую температуру T воды сравнивают с максимальной температурой T. Если текущая температура T превышает максимальную температуру T, нагревательный элемент отключают, а процесс продолжают на этапе S36. Во-вторых, контролируют состояния кнопки подачи пара и водяного насоса. Если возникает один из двух сигналов, то есть кнопка подачи пара находится в состоянии «выключено» или водяной насос уже не работает, процесс продолжают на этапе S36. В противном случае контроль событий продолжают на этапе S34. На этапе S36 нагревательный элемент отключают и продолжают процесс на этапе S31. С помощью этого способа тепловые потери, обусловленные выпуском пара и/или поступлением воды, немедленно компенсируются включением нагревательного элемента. Нагревательный элемент снабжает теплотой воду до тех пор, пока тепловые потери не прекращаются или не достигается максимальная температура. Следовательно, время обратной связи устройства регулирования может быть уменьшено.
curr
max
curr
max
max
На фиг.5 показан вариант второго осуществления способа регулирования давления пара согласно изобретению. В этом альтернативном способе этапы S34 и S35 с фиг.4 заменены этапами S44 и S45. На этапе S44 текущую температуру T воды, подлежащей подогреву, сравнивают с максимальной температурой T. Если текущая температура T превышает максимальную температуру T, процесс продолжают на этапе S36. На этапе S45, в зависимости от температуры выходящего пара и/или поступающей воды, определяют время t, на которое нагревательный элемент оставляют включенным. Поэтому в течение этого периода времени t нагревательный элемент снабжает теплотой воду. После этого периода времени способ продолжают с этапа S36. Кроме того, в течение этапа S45 непрерывно контролируют текущую температуру воды, принимая во внимание максимальную температуру T. С помощью этого способа компенсация тепловых потерь может быть скорректирована в соответствии с тепловой мощностью, передаваемой в воду.
Эквиваленты и модификации, не описанные выше, также могут быть использованы без отступления от объема изобретения, который определяется сопровождающей формулой изобретения.