УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ВОДЫ И ГЕНЕРАЦИИ ПАРА
DEVICE FOR HEATING WATER AND GENERATING STEAM

Изобретение относится к устройствам для нагрева воды и генерации пара, а именно к устройствам для преобразования электрической энергии в тепловую, а также для создания теплообмена. Оно может быть использовано при нагреве жидкостей, например, в системах отопления и паро-, а также горячего водоснабжения производственных и жилых объектов, а также в других областях, где требуется нагрев и испарение текучих сред. Изобретение также может быть использовано для нагрева воды и других текучих сред в системах с естественной и принудительной циркуляцией нагреваемой среды как в промышленных, так и в бытовых условиях.
Известно устройство для нагрева воды и генерации пара (US 1999446). Это устройство включает электрический однофазный трансформатор, который имеет наборный металлический сердечник, предназначенный для создания замкнутого магнитного поля, первичную обмотку, расположенную на сердечнике и электрически изолированную от него. Кроме этого, устройство включает трубчатую вторичную обмотку, расположенную изолированно в магнитном поле. Это устройство включает также перемычку, соединенную наружно с витками трубчатой вторичной обмотки и предназначенную для создания короткого замыкания витков трубчатой вторичной обмотки. Вместе с тем, устройство содержит необходимые средства для принудительной подачи жидкости через внутреннюю полость трубчатой вторичной обмотки. Но описанное устройство для нагрева воды и генерации пара не позволяет вырабатывать достаточное количество тепловой энергии в единицу времени для нагрева воды и преобразования ее в пар. Объясняется это тем, что при такой конструкции первичная и вторичная обмотки находятся на разных участках магнитопровода, в результате чего при работе устройства наблюдается значительное рассеяние энергии магнитного потока, что влияет на коэффициент мощности cos ϕ, который в данном случае является пониженным. Кроме этого, скобообразная перемычка в устройстве, соединенная наружно с витками трубчатой вторичной обмотки и предназначенная для создания короткого замыкания витков трубчатой вторичной обмотки, в данном случае работает неэффективно и большое количество магнитной энергии расходуется вхолостую, что также влияет на коэффициент мощности cos ϕ.
Наиболее близким из известных является устройство для нагрева воды и генерации пара, включающее электрический трансформатор, имеющий магнитопровод в виде металлических сердечников, предназначенных для создания замкнутого магнитного поля в них, первичные обмотки, расположенные на стойках сердечников и электрически изолированные от них, трубчатую вторичную обмотку, расположенную в магнитном поле изолированно, средства для принудительной подачи жидкости через внутреннюю полость вторичной трубчатой обмотки, при этом вторичная трубчатая обмотка смонтирована поверх первичных обмоток и охватывает каждую стойку металлических сердечников, при этом трансформатор выполнен многофазным (RU 138284 U1, 10.03.2014).
Известному устройству присущи те же недостаткти и при его работе наблюдается значительное рассеяние энергии магнитного потока, что влияет на коэффициент мощности cos ϕ, который в данном случае является пониженным.
Задача, которую поставил перед собой разработчик нового устройства для нагрева воды и генерации пара, состояла в создании такого устройства, которое позволило бы увеличить выработку тепловой энергии в единицу времени для нагрева воды и преобразования ее в пар, а также повысить коэффициент полезного действия устройства.
Техническим результатом, достигнутым в процессе решения поставленной перед разработчиком задачи, явилась возможность существенного сокращения энергии магнитного потока рассеяния, что позволяет значительно повысить коэффициент мощности cos ϕ.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что в устройстве для нагрева воды и генерации пара, включающем электрический трансформатор, имеющий магнитопровод в виде металлических сердечников, предназначенных для создания замкнутого магнитного поля в них, первичные обмотки, расположенные на стойках сердечников и электрически изолированные от них, трубчатую вторичную обмотку, расположенную в магнитном поле изолированно, электрические перемычки поверхностей общей вторичной трубной обмотки в плоскости параллельной ее оси, а также средства для принудительной подачи жидкости через внутреннюю полость вторичной трубчатой обмотки, вторичная трубчатая обмотка выполнена (согласно фиг. 2) в плане с S-образными участками, расположенные параллельно друг над другом элементы которой в средней ее части, прижаты друг к другу скобообразной перемычкой, при этом S-образные участки охватывают каждую стойку металлических сердечников, выполненных витыми ленточными, и только на противоположных концах устройства объединены по высоте в зазорах между участками трубы электрическими межтрубными перемычками и надтрубными перемычками, а в средней в плане части устройства - только надтрубными перемычками с образованием короткозамкнутых витков, причем трансформатор выполнен, по меньшей мере, трехфазным. При этом, надтрубные электрические перемычки соединяют наиболее удаленные точки вторичной трубчатой обмотки в плоскости параллельной ее оси, а его межтрубные электрические перемычки соединяют ближайшие точки поверхностей каждой вторичной трубной обмотки в плоскости параллельной ее оси. При этом, вторичная трубчатая обмотка каждой фазы состоит из трех трубчатых витков, представляющих собой электрически один короткозамкнутый виток. На отдельных участках короткозамкнутых витков могут быть установлены датчики температуры. Надтрубные перемычки могут быть изготовлены в виде металлических полуколец и выполнены шириной от одной пятой до четверти диаметра соединяемых труб. Как вариант, надтрубные перемычки могут быть изготовлены в виде металлических дуг или в виде металлических скоб. А межтрубные перемычки могут быть изготовлены в виде металлических сфер или в виде металлических полых цилиндров или в виде металлических сплошных цилиндров.
Доказательства возможности осуществления нового устройства для нагрева воды и генерации пара с реализацией указанного назначения и достижением заявленного технического результата приводятся ниже на конкретном примере устройства для нагрева воды и генерации пара. Этот характерный пример реализации конкретного устройства для нагрева воды и генерации пара согласно предлагаемому изобретению ни в коей мере не ограничивает объем его правовой защиты. В этом примере дана лишь конкретная иллюстрация нового устройства для нагрева воды и генерации пара.
Изобретение поясняется графически, где:
на фиг. 1 показан общий вид устройства для нагрева воды и генерации пара (аксонометрия);
на фиг. 2 - трубчатая вторичная обмотка (аксонометрия);
на фиг. 3 - сечение А-А фиг. 2.
В данном конкретном примере устройство для нагрева воды и генерации пара состоит из трехфазного трансформатора 1, который включает витой магнитопровод в виде витых ленточных металлических сердечников 2, имеющих горизонтальную и вертикальную части. Вертикальная часть витых ленточных металлических сердечников 2 сконструирована в виде стоек 3. На стойках 3 витых ленточных металлических сердечников 2 трехфазного трансформатора 1 расположены изолированные от них первичные обмотки 4. Вторичная трубчатая обмотка 5 смонтирована поверх первичных обмоток 4 и выполнена из сплошной медной трубы и имеет подводящий 6 и отводящий 7 патрубки. Вторичная трубчатая обмотка 5 устройства для нагрева воды и генерации пара изолирована и свернута так, что охватывает каждую стойку 3 витого ленточного металлического сердечника 2 трехфазного трансформатора 1 в виде змеевика, а именно - вторичная трубчатая обмотка выполнена (согласно фиг. 2) в плане с S-образными участками, при этом S-образные участки охватывают каждую стойку металлических сердечников. Вместе с тем, вторичная трубчатая обмотка 5 снабжена датчиками температуры 8 и электрическими перемычками: надтрубными 9 и межтрубными 10. Вторичная трубчатая обмотка 5 охватывает каждую стойку 3 витых ленточных металлических сердечников 2 трехфазного трансформатора 1.
Это увеличивает путь движения испаряемой жидкости и поверхность теплообмена, что приводит к повышению температуры пара. Надтрубные 9 электрические перемычки соединяют наиболее удаленные точки, а межтрубные 10 соединяют ближайшие точки поверхностей каждой вторичной трубной обмотки 5 в плоскости параллельной ее оси, а расположенные параллельно друг над другом элементы трубчатой обмотки 5 в средней ее части прижаты друг к другу скобообразной надтрубной 9 электрической перемычкой, которые изготовлены в виде, например, металлических дуг или полуколец, или скоб, а межтрубные 10, в виде, например, металлических сфер или имеющих форму цилиндров, сплошных или полых, изготовленных медными. Межтрубные 10 электрические перемычки в виде металлических сфер предназначены для точечного контакта с замыкаемыми трубами. А межтрубные 10 электрические перемычки в виде имеющих форму сплошных или полых цилиндров предназначены для линейчатого контакта между трубами. Таким образом, надтрубные 9 электрические перемычки соединяют наиболее удаленные точки вторичной трубчатой обмотки в плоскости параллельной ее оси, а межтрубные 10 электрические перемычки соединяют ближайшие точки поверхностей каждой вторичной трубной обмотки в плоскости параллельной ее оси.
Как показали экспериментальные исследования, такой способ замыкания общей вторичной трубчатой обмотки 5 позволяет наводить индукционные токи большой величины от 4000 А и выше. Токи такой величины необходимы для получения пара для промышленных целей в количестве от 100 кг в час. до 2-х тонн в час. В этом случае в качестве материала вторичной трубчатой обмотки 5 необходимо использовать материал максимальной электропроводности, например, медь и ее сплавы.
В данном конкретном случае конструктивно надтрубная 9 перемычка выполнена в виде медной скобы шириной от одной пятой до четверти диаметра соединяемых труб. Это наиболее оптимальные размеры для конкретного примера. Эксперименты показали, что только такой способ замыкания общей вторичной трубчатой обмотки 5 позволяет наводить индукционные токи такой величины, которые необходимы для создания тока плотностью свыше 60 А/мм. И в этом случае возможно получение в камере парообразования пара в количестве, необходимом для промышленных целей. Благодаря надтрубным 9 и межтрубным 10 перемычкам вторичная трубчатая обмотка 5 разделена на участки, представляющие собой короткозамкнутые витки, которые охватывают стойки 3 витых ленточных металлических сердечников 2. Таким образом, каждый участок вторичной трубчатой обмотки 5, охватывающий каждую стойку 3 витых ленточных металлических сердечников 2 трехфазного трансформатора 1 от подводящего 6 до отводящего 7 патрубков разделен на контуры электрическими перемычками 9 и 10. Если рассматривать вторичную трубчатую обмотку 5 от подводящего 6 до отводящего 7 патрубков в виде пакета, то этот пакет на каждой фазе многофазного трансформатора можно рассматривать как единый короткозамкнутый виток. Благодаря этому, а также благодаря применению трехфазного трансформатора 1 внутренняя полость вторичной трубчатой обмотки 5 от подводящего 6 до отводящего 7 патрубков будет представлять собой собственно камеру нагрева воды или камеру парообразования в зависимости от того в каком режиме работает устройство.
Работает описанное устройство для нагрева воды и генерации пара следующим образом. Вначале обеспечивают движение воды путем подачи ее под давлением через подводящий патрубок 6 во внутреннюю полость вторичной трубчатой обмотки 5. Затем на первичные обмотки 4 трехфазного трансформатора 1 подают сетевое напряжение. В результате этого первичные обмотки 4 индуцируют в витых ленточных металлических сердечниках 2 переменный магнитный поток. Под действием переменного магнитного потока участки общей вторичной трубчатой обмотки 5, которые ограничены короткозамкнутыми электрическими надтрубными 9 и межтрубными 10 перемычками становятся короткозамкнутыми электромагнитными контурами, которые охватывают магнитный поток в витых ленточных металлических сердечниках 2. Надтрубные электрические перемычки в виде, например, металлических полуколец или скоб 9 и межтрубные электрические перемычки в виде, например, металлических полых цилиндров 10 создают безопасное короткое замыкание в каждом независимом контуре витков общей вторичной трубчатой обмотки 5, способное проводить переменный ток большой величины. В общей вторичной трубчатой обмотке 5 возникает электрический ток величиной от 4000 А и выше, достаточной для нагрева воды и превращения ее в пар. Электрический ток такой величиной необходим для эффективной работы устройства для нагрева воды и генерации пара и выработки им промышленно необходимого количества пара. Под действием электрического тока такой величины происходит нагрев короткозамкнутых участков, представляющих собой короткозамкнутые витки вторичной трубчатой обмотки 5. В данном случае это дает возможность удлинить общую вторичную трубчатую обмотку 5. Вместе с тем, трехфазный трансформатор 1 при прочих одинаковых показателях равномерно нагружает электрическую сеть и имеет провода меньшего сечения по сравнению с однофазными. Кроме этого, трехфазный трансформатор 1 имеет первичные обмотки меньших размеров по сравнению с первичной обмоткой однофазного трансформатора такой же мощности. А удлинение вторичной трубчатой обмотки 5 дает увеличение ее теплоаккумулирующей способности. И как следствие дает увеличение площади теплообмена внутренней полости за счет удлинения вторичной трубчатой обмотки 5 и приводит к уменьшению относительного количества отложений в пароводяном тракте вторичной трубчатой обмотки 5. Одновременно тепловая энергия переходит к воде, движущейся во внутренней полости общей вторичной трубчатой обмотки 5. Здесь же происходит испарение воды и полученный пар выходит через отводящий патрубок 7.
Дополнительные доказательства того, что задача, которую поставил перед собой разработчик нового устройства для нагрева воды и генерации пара решена, а именно, что новое устройство позволяет увеличить производительность пара при одновременном снижении его габаритных размеров и металлоемкости по сравнению с прототипом приводятся ниже на конкретном эксперименте, проведенном автором изобретения. Кроме того, нижеприведенный эксперимент доказывает, что технический результат, в процессе решения поставленной перед разработчиками задачи достигнут, а именно, что увеличивается выработка тепловой энергии в единицу времени для нагрева воды и преобразования ее в пар по сравнению с прототипом. Были разработаны и испытаны два устройства для нагрева воды и генерации пара, оба состоящие из трансформаторов с вторичной трубчатой обмоткой из медной трубы диаметром 22 мм, охватывающей все стойки обоих трансформаторов. Оба устройства работали в режиме генерации пара. Оба устройства для нагрева воды и генерации пара потребляли от сети одинаковый ток 75 А с одинаковым напряжением в 380 В. Первое устройство для нагрева воды и генерации пара имело в своей конструкции однофазный трансформатор, а другой трехфазный, согласно технической сущности, отображенной в формуле изобретения. Первое устройство для нагрева воды и генерации пара имело мощность 25 КВт и его габаритные размеры составляли в мм. 650×280×330, причем его первичные обмотки были из медной шины S32. А второе устройство согласно технической сущности, отображенной в формуле изобретения, имел мощность 33 КВт. Его габаритные размеры составляли в мм. 600×220×280, а обмотки первичных катушек были из шины S16. Давление воды на входном патрубке у обоих устройств для нагрева воды и генерации пара составляло 15 бар, а температура входной воды 20°C. Результаты испытаний показали, что первое устройство для нагрева воды и генерации пара мощностью 25 КВт произвело 100 кг пара/час с коэффициентом сухости пара 30%, а второе устройство для нагрева воды и генерации пара, работающее в режиме генерации пара мощностью 33 КВт произвело 150 кг пара/час с коэффициентом сухости 40%, при этом второе устройство для нагрева воды и генерации пара занимает объем в 1,62 раза меньше, чем первый, являющийся прототипом. При этом удельная мощность второго устройства по сравнению с первым возросла в 2,14 раза. Таким образом, вторичная трубчатая обмотка, как змеевик, охватывает каждую стойку вертикальной части витого ленточного металлического сердечника и максимально приближена к магнитопроводу. Это же уменьшает магнитный поток рассеяния и как следствие увеличивает коэффициент мощности cos ϕ. Из этих экспериментальных исследований видны преимущества нового устройства для нагрева воды и генерации пара, работающего в режиме генерации пара.