ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПАРОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H05B6/10 F22B1/28 F22G1/16 

Изобретение относится к электpотехнике, в частности к конструкциям парогенераторов и испарителей с электронагревом и может быть использовано в легкой и пищевой промышленности, сфере услуг, сельском хозяйстве и бытовой технике.

Известны электрические паронагреватели различного назначения с генераторами пара, в которых для парообразования используются трубчатые электронагреватели (ТЭНы), например отопительный прибор (заявка N 4038695, Германия, МКИ F 28 D 1/00).

Основными недостатками подобных электропаронагревателей являются:
повышенная тепловая инерционность и, как следствие, увеличенное время разогрева испаряемой воды из-за малой поверхности соприкосновения трубчатых электронагревателей (ТЭНов) и испаряемой воды;
практическая невозможность реализации кондуктивного нагрева испаряемой воды из-за невозможности реализовать непосредственный контакт этой воды с греющим резистором (температура которого в ТЭНах составляет сотни градусов Цельсия), а также из-за появления в этом случае электрического потенциала питающей сети (220/380 В) непосредственно на воде, существенно снижающего электробезопасность устройства;
накипеобразование на поверхности ТЭНов, существенно увеличивающее термическую напряженность греющего резистора из-за повышения его температуры (при наличии накипи) на 20-30% и более, что уменьшает долговечность подобных электропарогенераторов, а при авариях (например появление трещин в оболочке ТЭНов) приводит к резкому снижению электробезопасности устройства.

Известны также электрические паронагреватели на основе электродных устройств с прямым нагревом испаряемой воды при протекании по ней электрического тока под воздействием напряжения сети (в т.ч. высокого, в несколько кВ) между электродами, находящимися в испаряемой воде и выполняющими роль токоподвода, одновременно формируя в воде заданные параметры электрического поля проводимости. Например паровой электродный котел струйного типа фирмы "Sulzer" или отечественный электродный паровой котел ЭЭП-160 и 1 конструкция ВНИИТО и др. (рис. 2 и 9, Винокуров М. Х. Романов В. Ф. Хрущева Т. П. Яневский Г. Д. Электрические паровые и водогрейные котлы, Обзор ЦНИИТЭНтяжмаш, М. 1991, Энергетическое машиностроение, серия 3, выпуск 3).

В этих устройствах обеспечивается достаточное термическоеи быстродействие (малое время разогрева), однако:
остаются и усиливаются недостатки, связанные с электробезопасностью, поскольку испаряемая и нагревая вода находится все время под потенциалом сети низкого (220/380 В) или высокого напряжения (больше 1000 В). Именно поэтому устройства с электродным нагревом воды действующими правилами запрещено использовать в животноводческих фермах, банях, прачечных, душевых, в быту и т. д. а в других случаях рекомендуется устанавливать их в отдельных помещениях;
имеет место коррозионный износ элементов электродной группы и усиленное электрически полем накипеобразоание на внутренних поверхностях в зоне электродного нагрева воды, что снижает долговечность конструктивных элементов подобных электропарогенераторов;
усложнена эксплуатация парогенераторов и водогрейных устройств с электродным нагревом, так как требует поддержания соответствующего уровня электрической проводимости воды, регулярных профилактических осмотров парогенерирующих конструктивов, сравнительно частых текущих ремонтов элементов электродной группы для очищения их от накипи и продуктов коррозии, штатной замены электродов.

Кроме того, и те и другие вышеуказанные аналоги нельзя использовать для парообразования в открытых водоемах.

По уровню электробезопасности, долговечности и простоте эксплуатации по сравнению с перечисленными аналогами предпочтителен индукционный электропарогенератор (патент США 5237144, МКИ Н 05 В 6/36, HКИ 219-10, 79), принятый за прототип, который предназначен для выработки пара невысокого давления с помощью индукционно-кондуктивного нагрева испаряемой жидкости на промышленной частоте переменного тока (60 Гц).

Прототип состоит из парогенератора и присоединенного к его выходу пароперегревателя. В нижней части емкости парогенератора установлен U-образный стальной ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, на стержнях U-образного сердечника лежит массивная плита из металла объект нагрева. Последняя орошается водой из расположенного над ней спрейера, а образующийся при этом пар через сепаратор поступает в пароперегреватель. В последнем на стержне U-образного магнитопровода намотана первичная обмотка (индуктор) и поверх нее змеевик из по меньшей мере одного витка металлической трубки. Выводы змеевика замкнуты перемычкой накоротко так, что он является КЗ-обмоткой нагревательного трансформатора.

К недостаткам прототипа относятся:
низкий коэффициент мощности (cos Φ) из-за сравнительно больших магнитных потоков рассеивания, возникающих в результате противодействия основному потоку в U-образном сердечнике вихревых токов в массивной плите, лежащей на этом сердечнике;
практическая невозможность непосредственного использования парогенератора-прототипа в открытых водоемах (в частности для выпаривания морской воды) без применения специальных устройств для принудительного (требующего дополнительной энергии) орошения парогенерирующей плиты, что сужает область применения.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует его целесообразности создания электрического паронагревателя с более высоким коэффициентом мощности и более широкой областью применения.

Это достигается тем, что в электрическом паронагревателе, содержащем индукторный парогенератор с вторичной обмоткой, паронагреватель с вторичной обмоткой в виде трубчатого змеевика, корпус, частично заполненный испаряемой жидкостью, встроенный в него ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, подключаемой к сети, вторичные обмотки парогенератора и пароперегревателя расположены на указанном ферромагнитном сердечнике, причем вторичная обмотка парогенератора выполнена в виде замкнутой решетчатой металлической структуры, которая частично погружена в испаряемую жидкость.

Электрический паронагреватель может быть снабжен поплавковыми камерами, а в днище корпуса выполнены отверстия.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема предлагаемого электропаронагревателя; на фиг. 2 схема аналогичного электропаронагревателя, предназначенного для использования в открытых водоемах. Предлагаемый электропаронагреватель (фиг. 1) содержит корпус 1 из теплоизоляционного материала. В верхнюю часть корпуса 1 встроен шихтованный, например трехстержневой, сердечник 2 с водонепроницаемой корпусной изоляцией 3, на среднем стержне которого находится первичная обмотка 4, подключаемая к сети переменного тока, а на верхнем стержне намотан трубчатый змеевик из электропроводящего материала, замкнутый накоротко и представляющий собой вторичную обмотку пароперегревателя 5. В нижней зоне корпуса 1 имеется закрытая полость 6, частично заполняемая испаряемой жидкостью 7, уровень которой в полости -в резервуаре 6 поддерживается постоянным (внешней системой известного типа, на фиг. 1 не показана). На нижнем стержне в вертиальных ярмах сердечника 2 смонтированы решетки 8 из электропроводящих пластин, замкнутые накоротко боковыми электропроводящими обечайками, примыкающими к стенкам полости резервуара 6. Эти решетчатые структуры, являясь вторичной короткозамкнутой обмоткой парогенератора, частично погружаются в испаряемую жидкость 7 и частично выступают над ее поверхностью. Свободная от испаряемой жидкости верхняя часть полости резервуара 6 соединена с пароперегревателем 5 трубкой 9, а для выхода пара из пароперегревателя предусмотрена трубка 10.

В электропаронагревателе (фиг. 2), преимущественно низкого давления, предназначенного для использования в открытых водоемах, например для выпаривания морской воды, наличие пароперегревателя необязательно, а в днище корпуса 1 выполнены отверстия 11. Пароперегреватель снабжен поплавковыми камерами 12.

Предлагаемый электропаронагреватель (фиг. 1) функционирует следующим образом.

После заполнения резервуара 6 испаряемой жидкостью до определенного уровня (который поддерживается в дальнейшем постоянным) электропаронагреватель подключается к сети переменного тока. Обтекаемая переменным током первичная обмотка 4, создает переменный магнитный поток в сердечнике 2, который индуцирует достаточно большие токи в короткозамкнутых вторичных контурах
решетчатых структурах 8, частично погруженных в испаряемую жидкость, и короткозамкнутом змеевике пароперегревателя 5. Эти токи создают заданные температурные режимы как решетчатых структур 8, так и в пароперегревателе 5. Нагретые до соответствующей температуры (выше температуры кипения жидкости) решетчатые структуры 8, находящиеся в верхних слоях испаряемой жидкости 7 и частично выступающие над поверхностью последней, являются источниками парообразования, интенсивность которого определяется (и следовательно может регулироваться) многими факторами: геометрией решеток, разностью их температур и испаряемой жидкости, величиной индуцированного тока и др. Образовавшийся в верхней части полости резервуара 6 пар устремляется через трубку 9 в пароперегреватель 5 и после прохождения его подается с соответствующими параметрами (температура и давление) потребителю через выходную трубку 10.

Электропаронагреватель (фиг. 2) при использовании на открытых водоемах для производства пара низкого давления функционирует аналогично, но может быть без пароперегревателя. Соответствующий уровень жидкости (например морской воды) поддерживается в зоне парообразования (где находится вторичная обмотка парогенератора в виде замкнутых решетчатых структур 9) автоматически с помощью поплавковых камер 12. Отверстия 11 в днище корпуса 1 предназначены для поступления в него испаряемой жидкости из водоема.

Техническая эффективность предлагаемого электронагревателя по сравнению с прототипом состоит в том, что:
в результате использования шихтованного замкнутого сердечника 1 в трансформаторе, работающего практически на резистивную нагрузку (вторичные замкнутые обмотки в виде решетчатых структур 8 и трубчатого змеевика 5), коэффициент мощности электропаронагревателя (cos Φ) достаточно высок и приближается к единице;
электропаронагреватель, снабженный поплавковыми камерами 12 (фиг. 2) с отверстиями 11 в днище корпуса 1, возможно эффективно использовать в открытых водоемах, в частности при выпаривании или при опреснении морской воды.

Использование: изобретение относится к конструкции паронагревателей и испарителей с электронагревом и может быть использовано в легкой и пищевой промышленности, сфере услуг, сельском хозяйстве и бытовой технике. Сущность изобретения: электрический паронагреватель содержит индукторный парогенератор с вторичной обмоткой, пароперегреватель с вторичной обмоткой в виде трубчатого змеевика, корпус, частично заполненный испаряемой жидкостью, встроенный в него ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, подключаемой к сети. Вторичные обмотки парогенератора и пароперегревателя расположены на ферромагнитном сердечнике, причем вторичная обмотка парогенератора выполнена в виде замкнутой решетчатой металлической структуры, которая частично погружена в испаряемую жидкость. Предложенный электропаронагреватель имеет высокий коэффициент мощности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрический паронагреватель, содержащий индукционный парогенератор с вторичной обмоткой, пароперегреватель с вторичной обмоткой в виде трубчатого змеевика, корпус, частично заполненный испаряемой жидкостью, встроенный в него ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, подключаемой к сети, отличающийся тем, что вторичные обмотки парогенератора и пароперегревателя расположены на указанном ферромагнитном сердечнике, причем вторичная обмотка парогенератора выполнена в виде замкнутой решетчатой металлической структуры, которая частично погружена в испаряемую жидкость. 2. Паронагреватель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен поплавковыми камерами, а в днище корпуса выполнены отверстия.