ПРЯМОТОЧНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ СИСТЕМЫ, ПЛАЗМЕННАЯ СИСТЕМА С ТАКИМ ПАРОГЕНЕРАТОРОМ И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА Российский патент 2020 года по МПК H05H1/34 H05B7/20 

Изобретение относится к плазменной системе с паровым плазмотроном и прямоточным парогенератором для подготовки плазмообразующей среды для использования в указанном плазмотроне. Кроме того, изобретение относится к самому прямоточному парогенератору и способу генерации в нем перегретого пара.

Плазменные системы с плазмотроном, работающем на водяном паре в качестве плазмообразующей среды, и прямоточным парогенератором являются широко известными и используются для плазмотермической и плазмохимической обработки материалов. В качестве такой обработки материалов может быть, например, плазменная газификация биомассы, плазмотермическое обезвреживание опасных отходов и уничтожение биомедицинских отходов, и утилизации прочих техногенных отходов, а также другие виды обработки, требующие использования высокотемпературных химических активных технологических сред с применением потока пароводяной плазмы.

Основными компонентами таких плазменных систем являются плазмотрон, парогенератор и средства для их снабжения электрической энергией и необходимой для работы плазмотрона средой – газ для начального запуска плазмотрона и вода в качестве основной плазмообразующей среды.

Для надлежащей работы плазмотрона необходимо минимизировать образование в нем конденсата, для чего используется предварительный прогрев плазмотрона путем его работы с использованием неконденсируемого плазмообразующего газа, а водяной пар в качестве плазмообразующего газа подается в уже прогретый плазмотрон в виде перегретого пара с температурой, которая на 50-150 градусов должна превышать температуру сухого насыщенного пара.

Другим важным условием стабильной работы плазмотрона является предотвращение пульсаций расхода пара на входе в плазмотрон. Для этого подготовка водяного пара осуществляется в прямоточном парогенераторе, на выходе которого располагается демпфер.

Примером такой плазменной системы является плазменная система, раскрытая в опубликованной диссертации С.И.Радько «Разработка и исследование электротехнологического оборудования для переработки техногенных отходов с использованием пароводяного плазмотрона», Новосибирск 2014г, 124с. Указанная плазменная система включает в себя плазмотрон, прямоточный парогенератор, системы снабжения электрической энергией плазмотрона и парогенератора, систему подвода вспомогательного пускового неконденсируемого газа, систему подвода воды и систему охлаждения плазмотрона.

Парогенератор имеет электронагреваемую парогенерирующую трубку, которая выполнена в виде змеевика. Змеевик имеет переменное поперечное сечение и пропускает воду, которая по мере движения по змеевику нагревается, испаряется и перегревается до температуры свыше 200 градусов Цельсия. В ходе превращения воды в перегретый пар происходят пульсации давления и объема, которые должны гасится расположенным на выходе змеевика демпфером. Попадая в изначально холодный демпфер пар конденсируется и полученный конденсат отводится из демпфера. По мере воздействия горячего пара на демпфер он нагревается до тех пор, пока не прекратится образование конденсата и будет иметь место только горячий пар с температурой выше 200 градусов Цельсия.

Тогда, открывается распределительный клапан на выходе и горячий пар направляется в плазмотрон, который предварительно был прогрет за счет потока нагретого пускового газа из отдельного подогревателя, который подавал нагретый пусковой газ в плазмотрон на начальном этапе, и за счет его работы на пусковом газе.

Недостатком данной плазменной системы является отдельный подогреватель, который имеет собственную систему электропитания и свою систему управления, что увеличивает сложность всей системы и требуемое для нее пространство. Кроме того, указанный подогреватель работает параллельно с парогенератором, что приводит к высоким затратам электроэнергии.

Далее, температура газа, выдаваемого подогревателем, является ниже температуры подаваемого в плазмотрон перегретого пара, так что при смешивании относительно холодного газа и перегретого водяного пара неизбежно будет происходить охлаждение пара с возможным выпадением конденсата в плазмотроне. Это будет приводить к появлению конденсационных и электрических пульсаций в плазмотроне, что, в свою очередь, будет нарушать стабильность работы плазмотрона и уменьшать срок его службы.

Другой проблемой известной плазменной системы является демпфер для гашения гидродинамических пульсаций, расположенный на выходе змеевика, то есть после получения перегретого пара. Указанный демпфер требует первоначального прогрева для предотвращения охлаждения в нем перегретого пара. Указанный прогрев осуществляется за счет полученного в змеевике перегретого пара, так что парогенератор вначале работает только на нагрев имеющего достаточно большой объем демпфера. Это приводит к существенному расходу энергии в процессе запуска, который суммируется с указанным расходом энергии, возникающим от подогревателя пускового газа.

Кроме того, демпфер имеет достаточно большой объем, который приводит не только к указанному большому расходу энергии на его нагрев, но и к потере давления в поступающем в него перегретом паре и тем самым к недостаточной тангенциальной скорости поступающего в плазмотрон пара, что сказывается на качестве вихревой стабилизации электрической дуги, надежности и стабильности работы плазмотрона.

Таким образом, указанное для известной системы отсутствие пульсаций и конденсаций в действительности является недостаточным из-за выполнения демпфера, его размещения после места получения перегретого пара, а также из-за смешивания перегретого пара с «холодным» пусковым газом в плазмотроне.

Кроме того, нагрев змеевика для нагрева протекающей в нем воды обеспечивается за счет подвода к нему электроэнергии, так что весь змеевик нагревается, по существу, одинаково. Таким образом, имеет место неэффективный расход энергии без возможности его адаптации к требуемым для протекающей через соответствующий участок змеевика воды условиям.

Проблема отдельного подогревателя в сходной плазменной системе может быть решена так, как это описано в статье Б.И. Михайлова «Оптимизация процесса запуска паровихревого плазмотрона», журнал «Теплофизика и аэромеханика», 2011, том 18, №4, стр.693-695. Там пусковой (неконденсируемый) газ и вода подаются на один и тот же вход парогенератора. Вначале подается газ, который нагревается в змеевике парогенератора и через расположенный на выходе парогенератора демпфер направляется в плазмотрон, так что газ осуществляет необходимый нагрев не только плазмотрона, но и демпфера без использования дополнительного нагревающего устройства. После необходимого прогрева плазмотрона вместе с газом на вход парогенератора начинает подаваться вода, количество которой постепенно увеличивается, а количество газа пропорционально уменьшается до полного прекращения подачи газа.

Таким образом, смешивание «холодного» пускового газа и воды осуществляется перед их совместным нагревом в парогенераторе, а не в плазмотроне, так что исключается одна из причин возникновения конденсата в плазмотроне.

Такая система по утверждению ее автора должна обеспечить поступление пара в плазмотрон без каких-либо конденсаций и пульсаций. Однако, согласно гидравлической схеме, в этой системе выходящий из змеевика пар по-прежнему поступает в демпфер, то есть недостатки, связанные с установкой демпфера после змеевика, остались.

При этом в качестве указанных пульсаций также рассматриваются гидродинамические пульсации в парогенерирующей трубке (змеевике). Они возникают при так называемом кризисе кипения, когда в процессе движения воды по трубке центральный поток воды оказывается окруженным потоком пара, количество которого непрерывно увеличивается. Истекая через зазор между водой и стенкой трубы со значительной большей, чем вода, скоростью, пар силами трения тянет воду за собой. В какой-то момент времени соизмеримая с диаметром канала трубки часть водяного потока отрывается и движется с паром в виде жидкостного «снаряда», продолжая дополнительно нагреваться. В процессе этого нагрева температура «снаряда» оказывается выше температуры кипения воды и ее состояние становиться термодинамически неустойчивым. Выход из него происходит взрывообразно. Процесс периодически повторяется, так что такой так называемый «снарядный режим» приводит к указанным пульсациям.

Таким образом, за счет смешивания холодного пускового газа с парогенераторной водой на входе парогенератора или даже до него решена проблема дополнительного отдельного нагревателя для газа и возможные при определенных обстоятельствах негативные воздействия на надежность и стабильность запуска плазмотрона при смешивании газа и перегретого пара непосредственно в плазмотроне.

Однако, выполнение и размещение демпфера здесь такое же, как и в описанном выше решении, так что, по существу, все связанные с этим демпфером проблемы остаются не решенными или не решены в достаточной степени.

Кроме того, известный змеевик не позволяет обеспечивать компенсацию объема и давления воды/пара по мере движения по нему пароводяной смеси, так как эта функция обеспечивается исключительно указанным демпфером. Кроме того, температуры (теплота), требуемые для перевода воды в сухой насыщенный пар и сухого насыщенного пара в перегретый пар, являются разными. Однако, этот аспект не учитывается в известных решениях, так что змеевики нагреваются одинаково по всей своей длине, что является неэффективным, прежде всего, с точки зрения расхода энергии, и не позволяет осуществлять оптимальную настройку температуры и управление всем парогенератором.

Поэтому в основу изобретения положена задача исключения или по меньшей мере уменьшения указанных выше недостатков и обеспечения более эффективного устранения пульсаций и конденсаций, а также лучшей управляемости процессами при генерации перегретого пара в парогенераторе и его вводе в плазмотрон.

Решение этой задачи видится в устранении демпфера, имеющего существенные размеры и расположенного на выходе из участка змеевика для получения перегретого пара, и распределение демпфирующих функций этого демпфера между менее объемными и более выгодно расположенными выше по потоку от участка перегрева средствами/демпферами, которые тем самым образуют конструктивное разделение между участками змеевика, служащими для подогрева воды, испарения воды и перегрева полученного пара и обеспечивают эффективное устранение пульсаций по существу прямо в месте их возникновения. Кроме того, конструктивное разделение указанных участков змеевика позволяет просто реализовать электрическую развязку указанных участков, так что каждый участок может снабжаться необходимой для нагрева энергией независимо от других участков, вследствие чего могут эффективно управляться параметры протекающей через соответствующий участок среды (вода или неконденсируемый газ, водопаровая смесь, сухой насыщенный пар) для лучшей адаптации к требуемым на данном участке условиям без излишнего расхода энергии и/или недостаточного подвода энергии на других участках.

Решение этой задачи видится также в недопущении пульсационного режима кипения в парогенерирующей трубе за счет изменения физического механизма парообразования в зоне испарения, а именно, за счет формирования паровой фазы внутри перегретой относительно локального давления насыщения жидкости, вместо имевшего место в известных решениях формирования паровой фазы на греющей стенке.

В рамках соответствующего изобретению прямоточного парогенератора, указанная задача решена тем, что в прямоточном парогенераторе для плазменной системы, содержащем

впуск для подачи в него неконденсируемого газа, необходимого для начального запуска и прогрева плазмотрона, и воды, необходимой для получения перегретого пара для использования в качестве плазмообразующей среды плазмотрона,

выпуск для подключения к плазмотрону плазменной системы и подачи в него неконденсируемого газа и/или воды в виде перегретого пара,

парогенерирующую трубу в виде змеевика, соединяющую впуск и выпуск для пропускания указанного газа и/или воды от впуска к выпуску, причем парогенерирующая труба выполнена с возможностью электрического нагрева и отдачи тепла пропускаемому газу и/или воде, и

демпфирующее средство для гашения возникающих в парогенерирующей трубе пульсаций,

предусмотрено, что

парогенерирующая труба имеет участок нагрева для первичного нагрева воды, участок испарения для перевода первоначально нагретой воды в сухой насыщенный пар и участок перегрева для получения перегретого пара из сухого насыщенного пара,

демпфирующее средство расположено выше по потоку от участка перегрева и имеет:

первый демпфер, который включен между участком нагрева воды и участком испарения и который служит для устранения пульсаций при формировании паровой фазы, и

второй демпфер, который включен между участком испарения и участком перегрева и служит для устранения пульсаций, связанных с наличием влаги в сухом насыщенном паре, перед участком перегрева пара,

и что указанные демпферы обеспечивают конструктивное разделение указанных участков парогенерирующей трубы, и причем участки нагрева, испарения и перегрева парогенерирующей трубы имеют индивидуальные электрические подключения для независимого друг от друга снабжения электроэнергией.

Конструктивное разделение парогенерирующей трубы на отдельные функционально разные участки позволяет обеспечить их независимое друг от друга электропитание, так что их нагрев и управление им может эффективно согласовываться с требуемыми параметрами протекающей среды и видом протекающей среды.

Принятое расположение демпферов позволяет более эффективное гашение или предотвращение пульсаций, по существу в месте их возникновения, чем в случае их распространения по всей парогенерирующей трубе и гашению только после выпуска из парогенерирующей трубы, как в уровне техники.

Кроме того, размещение демпферов выше по потоку от участка перегрева исключает прохождение подготовленного перегретого пара через демпфер, в котором этот пар терял бы свое давление, что с одной стороны могло бы приводить к ухудшению стабилизации дуги в плазмотроне, и с другой стороны создавало бы предпосылки для возникновения конденсата в паре. Таким образом, перегретый пар из парогенерирующей трубы, соответственно, участка перегрева этой парогенерирующей трубы непосредственно (то есть без демпфера) попадает в плазмотрон с сохранением своего состояния, полученного в участке перегрева.

Следует понимать, что парогенератор может иметь не одну парогенерирующую трубу, а две и более парогенерирующих труб, которые выполнены идентично. Соответственно, при упоминании о парогенерирующей трубе речь может идти как об одной, так и о нескольких одинаково выполненных парогенерирующих трубах. Соответственно, также каждый из упомянутых участков парогенерирующей трубы может состоять из нескольких отдельных участков, которые объединены общей функция (нагрева, испарения или перегрева) и могут также быть разделены промежуточными демпферами.

Согласно одному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере один из участков парогенерирующей трубы выполнен с увеличивающимся по его длине поперечным сечением проходного отверстия. Таким образом, сам указанный участок образует своего рода дополнительный демпфер/средство для гашения пульсаций, возникающих при движении по нему воды, соответственно, пара. Увеличение сечения может быть плавным или ступенчатым и предпочтительно имеется во всех указанных участках парогенерирующей трубы.

Согласно одному варианту осуществления изобретения, второй демпфер выполнен в виде емкости, заполненной теплоаккумулирующими элементами (например, в форме шара, цилиндра, втулки или иной формы), свободное пространство между которыми разбивает сплошной входящий поток сухого пара на много струек. В результате прохождения сухого пара между такими элементами демпфер гасит пульсации из входящего потока пара.

Согласно одному другому варианту осуществления изобретения, второй демпфер может быть выполнен в виде прямоточного циклона, основным элементом которого является емкость цилиндрической формы, внутри которой демпфирование осуществляют в результате вихревого движения сухого насыщенного пара. Сухой пар подают в демпфер через патрубок в нижней части корпуса, выброс сухого пара в пароперегревательный участок осуществляют через патрубок в верхней части демпфера. Вихревое движение потоку пара придают путем его тангенциального ввода внутрь демпфера. В результате прохождения сухого пара в вихревом потоке демпфер за счет центробежных сил гасит пульсации потока.

Согласно одному другому варианту осуществления изобретения, второй демпфер может быть выполнен в виде возвратно-поточного циклона, основными элементами которого являются корпус, выхлопная труба и бункер. Сухой пар поступает в верхнюю часть корпуса, например, через входной патрубок, тангенциально или под углом, так что обеспечивается центробежная составляющая в потоке вводимого пара. Гашение пульсаций происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении пара между корпусом и погруженной в полость корпуса выхлопной трубой. В зависимости от паропроизводительности парогенератора можно устанавливать между участком испарения и участком перегрева пара один циклон (одиночный циклон) или объединять несколько циклонов в группу (групповой циклон). Направление вращения потока пара в циклоне выбирают из условий компоновки циклона, а также расположения циклонов в группе. Бункер циклона имеет коническую форму для удобства разворота потока пара в сторону выхлопной трубы.

Свободный объем второго демпфера, выполненного в виде циклона, одновременно может выполнять функцию компенсации объема пара.

Выполнение второго демпфера в виде возвратно-поточного циклона предпочтительно, поскольку кроме демпфирующей функции и функции компенсатора объема пара он способен выполнить функцию сепаратора для отделения пара от жидкости, возможно еще имеющейся в насыщенном паре, путем создания силового центробежного поля во входящем в циклон потоке. Это позволяет более эффективно отделять капельную фазу/конденсат от пара и тем самым позволяет еще больше уменьшить пульсации, причиной которых может быть взрывное вскипание капельной фазы/конденсата на участке перегрева. Кроме того, это позволяет избежать проникновение конденсата за участок перегрева и его непосредственное попадание в плазмотрон.

Введение потока пар в возвратно-поточный циклон может осуществляться, предпочтительно, тангенциально, так что поток изначально приобретает вращательное движение и опускается винтообразно вдоль внутренних стенок цилиндрической и конической частей циклона. Входящий поток в силовом центробежном вихревом поле подвергается сепарации, и конденсированная фаза отделяется от сухого насыщенного пара. В результате этого в приосевой зоне циклона преобладает сухой насыщенный пар, а на периферии – на стенке циклона/камеры компенсатора объема осажденные капли воды образуют пленку жидкости. В центральной зоне вращающийся паровой поток, освобожденный от конденсата, двигается снизу-вверх и по трубе, размещенной вдоль оси циклона, поступает в участок перегрева, а затем по паропроводу поступает в плазмотрон в качестве основной плазмообразующей среды. Уловленный конденсат может отводиться из сепаратора через отводящее конденсат отверстие в конической частей циклона. Предпочтительное использование сепаратора в виде циклона, позволяет в значительной мере, предпочтительно практически полностью, исключить переброс воды из участка испарения в участок перегрева. Сбор и отвод конденсата из сепаратора может быть осуществлен по-разному. Например, при малой паропроизводительности предпочтителен слив конденсата, например, в сборник конденсата, а при относительно большой паропроизводительности может быть предпочтительным отвод конденсата в емкость для питательной воды парогенератора или возврат воды на вход участка испарения.

Согласно одному варианту осуществления изобретения, первый демпфер предпочтительно может быть выполнен в виде обогреваемой вихревой форсунки для придания потоку жидкости вращательного движения и предпочтительно дополнительного нагрева и испарения жидкости в вихревом потоке с получением водопаровой смеси с высокой степенью сухости пара. За счет возникающего градиента давления в слоях, приближающихся к оси вихря, создаются условия для перегрева жидкости относительно локального давления насыщения жидкости и возникновение – в этом демпфере и последующем, предпочтительно непосредственно примыкающем участке испарения – паровой фазы. Возникающие в вихре центробежные силы приводят к сепарации двухфазного потока, разделяя жидкую фазу и пар, вытесняя пар к оси вихря. Вытекающая из сопла форсунки водопаровая смесь состоит из двух слоев: жидкого периферийного слоя в форме кольцевой пленки и паровой сердцевины. Тем самым осуществляется недопущение пульсационного режима кипения за счет иного, чем в известных решениях физического механизма парообразования, а именно, за счет формирования паровой фазы внутри перегретой относительно локального давления насыщения жидкости. Такой режим ускоряет процесс испарения, препятствует рождению гидродинамических пульсаций и сокращает испарительную зону. Обогреваемая вихревая форсунка, придающая потоку, предпочтительно нагретому до температуры кипения жидкости, вращательное движение, фактически может являться начальной частью участка испарения парогенерирующей трубы, и сама может являться испарителем или предварительным испарителем перед участком испарения. В зависимости от требуемой паропроизводительности парогенератора можно устанавливать одну вихревую форсунку или объединять несколько вихревых форсунок в группу, выход пара из которых выполнить в один коллектор с последующей подачей пара в участок испарения. Коллектор пара в данном случае будет дополнительным демпфером между упомянутым первым демпфером в виде обогреваемой вихревой форсунки и участком испарения. Дополнительно такой демпфер в виде обогреваемой вихревой форсунке может быть выполнен за одно целое с участком испарения, так что образует входной участок указанного участка испарения.

Согласно одному варианту осуществления изобретения, участок испарения может быть выполнен с возможностью питания электроэнергией вместе с вихревой форсункой или независимо от нее. Таким образом, может быть по меньшей мере значительно уменьшено количество влаги в паре перед его поступлением на участок перегрева. Соответственно, создаются условия для получения более сухого пара на участке испарения и еще лучше устраняется опасность пульсаций, обусловленных взрывным переходом, вода-пар, в частности, в самом плазмотроне.

Таким образом, демпфер в рамках изобретения может являться активным средством подавления условий для возникновения и/или развития пульсаций.

Согласно одному варианту осуществления изобретения, впуск парогенератора образован посредством смесителя, выполненным с возможностью независимой подачи пускового газа и воды. Например, смеситель может быть выполнен в виде двухкомпонентной газожидкостной форсунки. Форсунка состоит из внешнего и внутреннего контуров. Оба контура работают независимо друг от друга, чем достигается управляемость процесса уменьшения расхода газа до нуля и увеличения расхода воды до требуемого значения при запуске плазмотрона. Смеситель также может быть выполнен в виде эжекторного смесителя или иным образом.

Далее, поставленная задача решается с помощью плазменной системы, содержащей плазмотрон, систему охлаждения плазмотрона, включающую в себя контур циркуляции охлаждающей среды, прямоточный парогенератор, соединенный с плазмотроном, систему электропитания парогенератора, средство подачи неконденсируемого газа для начального запуска и прогрева плазмотрона, средство подачи воды для подачи воды, используемой в качестве плазмообразующей среды, характеризующейся тем, что используется описанный выше парогенератор, у которого вход соединен со средством подачи неконденсируемого газа и одновременно со средством подачи воды, а выход связан с плазмотроном, и при этом система электропитания парогенератора через индивидуальные электрические подключения соединена с участками парогенерирующей трубы для их независимого друг от друга снабжения электроэнергией.

Преимущества указанной плазменной системы совпадают с преимуществами, указанными выше для прямоточного парогенератора.

При этом, в одном предпочтительном варианте осуществления плазменной системы средство подачи воды включает в себя емкость для воды, которая имеет вход для подвода воды и выход для выдачи воды на вход парогенератора.

В развитии этого варианта осуществления предпочтительным образом может быть предусмотрено, что имеется теплообменник, внутри которого происходит теплообмен между охлаждающей средой в контуре циркуляции охлаждающей среды системы охлаждения плазмотрона и водой в емкости для воды или выходящей из этой емкости для подачи на вход парогенератора водой. Это позволяет эффективно использовать отводимое от плазмотрона тепло для предварительного нагрева воды, подаваемой в парогенератор, что в свою очередь обеспечивает меньший расход энергии на нагрев воды в парогенераторе и снижает потребность в затратных мероприятиях по отводу тепла из охлаждающей системы плазмотрона и потере этого тепла.

В одном примере осуществления плазменной системы смеситель, выполненный с возможностью независимой подачи пускового газа и воды, может быть расположен не в парогенераторе, соответственно, в его входе, а отдельно от парогенератора и соединяться с ним через отдельный трубопровод.

Далее, поставленная задача решается с помощью способа генерации перегретого пара, который осуществляется с помощью описанного выше прямоточного парогенератора описанной выше плазменной системы, в котором

нагревают воду при ее прохождении через участки парогенерирующей трубы, так что она последовательно претерпевает первичный нагрев, испарение с получением сухого насыщенного пара и перегрев полученного сухого насыщенного пара с получением перегретого пара, который подают в плазмотрон,

причем участки парогенерирующей трубы для первичного нагрева, испарения и перегрева электрически нагревают независимо друг от друга, а

возникающие при нагреве и испарении воды пульсации гасят с помощью демпферов, расположенных между участками для первичного нагрева и для испарения, а также между участками для испарения и для перегрева.

Принципиальные преимущества этого способа связаны с использованием описанного выше прямоточного парогенератора и тем самым по существу совпадают с преимуществами, описанными выше для парогенератора.

Суть способа заключается в использовании индивидуально нагреваемых отдельных участков выполненной в виде змеевика парогенерирующей трубы в сочетании с расположенными между ними демпферами для формирования совершенно нового режима течения, в котором при относительно малых скоростях, характерных для снарядного режима, потоку придается вращательное движение и возникающие центробежные силы используются для разделения жидкой и паровой фаз потока в змеевике и тем самым предотвращается снарядный режим течения, причем указанные демпферы являются неотъемлемой частью для формирования указанного режима течения потока за счет поддержки вращательного движения потока и обеспечения гашений пульсаций по существу в месте их возникновения без их дальнейшей передачи по всей парогенерирующей трубе от одного участка к другому.

В одном предпочтительном варианте осуществления способа, воду перед впуском в парогенератор подвергают предварительному нагреву посредством тепла отбираемого из системы охлаждения плазмотрона.

В одном предпочтительном варианте осуществления способа, участки парогенерирующей трубы для первичного нагрева, испарения и перегрева электрически нагревают независимо друг от друга и поддерживают температуру воды на выходе из участка предварительного нагрева, предпочтительно на 0-20°С ниже температуры кипения, температуру водопарового потока на выходе из первого демпфера поддерживают не ниже температуры кипения, температуру на выходе из участка испарения и входе во второй демпфер поддерживают на 50-120 °С выше температуры кипения, температуру пара на выходе из участка перегрева и на входе в плазмотрон поддерживают равной 250-400 °С.

В одном предпочтительном варианте осуществления способа перед подачей подлежащей нагреву воды осуществляют прогрев парогенератора путем подачи электроэнергии к парогенерирующей трубе при пропускании через нее неконденсируемого газа, который затем подают в плазмотрон для его запуска и прогрева. При этом предпочтительно предусмотрено, что подачу подлежащей нагреву воды в парогенератор осуществляют через тот же впуск, через который подают неконденсируемый газ так, что долю воды постепенно увеличивают, а долю газа пропорционально уменьшают до полного прекращения подачи газа.

Другие преимущества и особенности заявленного изобретения следуют из приведенного ниже описания примеров осуществления изобретения со ссылками на чертежи, на которых показано:

фиг.1 принципиальная схема примера соответствующей изобретению плазменной системы с прямоточным парогенератором.

На фиг.1 показана принципиальная схема примера соответствующей изобретению плазменной системы, которая включает в себя, в частности, плазмотрон 1 с источником 2 электропитания и системой 3 поджига электрической дуги (осциллятор), систему 4 охлаждения плазмотрона, включающую в себя контур циркуляции охлаждающей среды, прямоточный парогенератор 5, соединенный с плазмотроном, систему 6 электропитания парогенератора, средство 7 подачи неконденсируемого газа для начального запуска и прогрева плазмотрона, средство 8 подачи воды для подачи воды, используемой в качестве плазмообразующей среды.

Соответствующий изобретению прямоточный парогенератор имеет впуск 13, на который от средств подачи воды и неконденсируемого газа может подаваться как указанный газ, так и указанная вода, и выпуск 14, который соединен с плазмотроном.

Парогенератор в данном случае имеет одну парогенерирующую трубу, соединяющую впуск и выпуск парогенератора. Однако, таких труб может быть предусмотрено две или более. При использовании нескольких парогенерирующих труб впуск и/или выпуск парогенератора может быть образован общим впуском/выпуском и/или несколькими отдельными впусками/выпусками. Так, например, каждая парогенерирующая труба может быть согласована со своим отдельным впуском и выпуском.

Парогенерирующая трубка выполнена в виде змеевика и разделена на несколько отдельных участков, а именно участок 15 нагрева, участок 16 испарения и участок 17 перегрева.

Между участком 15 нагрева и участком 16 испарения включен первый демпфер 18, который обеспечивает гашение пульсаций, возникающих на участке 15 нагрева воды и возникающих на участке 16 испарения при вскипании воды. Указанный демпфер 18 предпочтительным образом может быть выполнен в виде обогреваемой вихревой форсунки для придания потоку жидкости вращательного движения и ее последующего испарения в вихревом потоке. Создание такого вихревого потока позволяет в начале участка 16 испарения получить формирование паровой фазы внутри перегретой жидкости, что не допускает пульсационный режим кипения на участке 16 испарения. То есть демпфер 18 не только гасит возникшие на участке 15 нагрева пульсации, но и по меньшей мере значительно снижает их возникновение на последующем участке 16 испарения. Кроме того, подобное выполнение демпфера 18 может использоваться для обеспечения испарения воды, так что такой демпфер может использоваться в качестве предварительного испарителя, вследствие чего описанные выше преимущества могут достигаться в еще большей степени. Альтернативно, демпфер 18 может быть выполнен просто в виде участка, заполненного теплопроводной пористой структурой, в порах которой происходит кипение, или в любом другом виде, обеспечивающем устранения/уменьшение обусловленных нагревом на участке нагрева и вскипанием воды в начале участка 16 испарения пульсаций.

Между участком 16 испарения и участком 17 перегрева расположен второй демпфер 19, который обеспечивает гашение пульсаций, возникающих в результате фазового перехода, вода-пар. Указанный демпфер 19 может быть выполнен в виде простого плавно или ступенчато расширяющегося участка, который, например, для формирования вращательного движения потока также может быть выполнен в виде циклона, или в любом другом виде, подходящем для гашения пульсаций, возникающих ввиду фазового перехода вода-пар, произошедшем на участке 16 испарения.

В показанном примере также предусмотрен сепаратор 20, который расположен между вторым демпфером 19 и участком 17 перегрева, но также может быть объединен со вторым демпфером 19. Указанный сепаратор служит для отделения капельной фазы или конденсата из полученного на участке 16 испарения парового потока. Указанный сепаратор предпочтительно выполнен в виде циклона, в частности, возвратно-поточного циклона. Свободный объем такого сепаратора 20 одновременно является компенсатором объема пара и демпфером. Последнее указывает на предпочтительность объединения данного сепаратора 20 и демпфера 19. Вход потока в циклон может осуществляться через тангенциальный патрубок, что обеспечивает закручивание вводимого потока и его винтообразное движение вдоль внутренних стенок циклона. За счет вихревого движения потока в циклоне обеспечивается разделение потока на сухой насыщенный пар (в центре потока) и конденсированную фазу (на периферии потока), которая осаждается на стенках циклона. Центральный поток сухого пара направляется далее в участок перегрева, а отделенный конденсат может постоянно или периодически отводиться из сепаратора в отдельный сборник (не показан) или направляться опять на вход участка 16 испарения, как показано на фиг.1.

По меньшей мере один из указанных участков 15, 16, 17 парогенерирующей трубки, предпочтительно все, выполнен с несколько увеличивающимся (постепенно или ступенчато) поперечным сечением проходного отверстия. За счет этого обеспечивается компенсация увеличивающегося объема в результате нагрева воды и фазового перехода вода-пар, так что по меньшей мере один из участков парогенерирующей трубки выполняет демпфирующую функцию в отношении пульсаций в месте их непосредственного возникновения.

Каждый участок 15, 16, 17 выполнен с возможностью электрического нагрева, причем участок 15 нагрева, участок 16 испарения и участок 17 перегрева имеют индивидуальное электрическое подключение посредством токоподводов 37, 38, 39 для независимого друг от друга снабжения электроэнергией от соответствующих источников 21, 22, 23. Первый демпфер 18 здесь имеет общее с участком 16 испарения электрическое подключение, но также возможно и собственное электрическое подключение для первого демпфера 18. Второй демпфер 19, соответственно 19/20 здесь имеет общее с участком 16 испарения электрическое подключение, но также возможно, чтобы он имел общее электрическое подключение с участком 17 перегрева. Источники питания для снабжения указанных участков электроэнергией могут быть частью парогенератора или быть выполненными отдельно от него.

Средство 7 подачи неконденсируемого газа в показанном примере включает в себя средство подачи газа, например, компрессор 24 или ресивер, регулятор 25 расхода газа и запирающее средство 26 (предпочтительно обратный клапан).

Средство 8 подачи воды, например, включает в себя емкость 9 с водой, пополняемую через подвод 11, насос 10 для перекачки воды из емкости 9 к парогенератору, регулятор 27 расхода воды и запирающее средство 28 (предпочтительно обратный клапан).

Запирающие средства 26, 28 соединены по потоку с направляющим средством 29, которое направляет потоки неконденсируемого пускового газа и воды к участку 15 нагрева парогенератора. Указанное средство 29 может быть расположено перед впуском 13 в парогенератор или в самом впуске 13, в частности, образовывать его.

Направляющее средство 29 предпочтительным образом может быть выполнено в виде смесителя, выполненного с возможностью независимой подачи пускового газа и воды. Так, указанный смеситель может быть выполнен, например, в виде газожидкостной форсунки, включающей себя внешний и внутренний контуры. Оба контура могут работать независимо друг от друга, за счет чего достигается управляемость процесса уменьшения расхода газа до нуля и увеличения расхода вода до требуемого значения. Альтернативно, указанный смеситель может быть выполнен в виде эжекторного смесителя или иным подходящим образом.

Система 4 охлаждения плазмотрона 1 и источника 2 электропитания плазмотрона включает в себя контур циркуляции охлаждающей среды. Сама система охлаждения не является предметом изобретения, так что более подробно здесь не описывается.

В показанной плазменной системе также предусмотрен теплообменник 30, который обеспечивает теплообмен между охлаждающей средой из контура циркуляции охлаждающей среды и водой, подаваемой в парогенератор. Теплообменник 30 в показанном примере соединен с дополнительным контуром, по которому вода циркулирует между емкостью 9 и теплообменником, для чего в контуре предусмотрен циркуляционный насос 31. Это позволяет начинать нагрев воды уже в момент начального запуска плазмотрона, когда он еще работает на пусковом газе и вода еще не подается в парогенератор. Однако, может быть предусмотрено, что теплообменник связан непосредственно с трубопроводом, по которому вода подается к парогенератору.

В показанной плазменной системе предусмотрены система 34 энергоснабжения потребителей электрической энергии и система 33 управления, предназначенная для дистанционного управления функциями составных частей плазменной системы и отображения параметров, необходимых для контроля рабочих процессов в них. Сами системы энергоснабжения и управления не являются предметом изобретения, так что более подробно здесь не описывается.

Работа указанной плазменной системы с реализацией заявленного способа в одном предпочтительном варианте может осуществляться следующим образом.

Для начального запуска плазмотрона неконденсируемый пусковой газ подается через средство 24, 25, 26 на впуск 13 парогенератора. Указанный газ поступает в парогенерирующую трубу и последовательно проходит через отдельно электронагреваемые участки 15, 16, 17 парогенерирующей трубы, нагревается до нужной температуры и поступает в плазмотрон, обеспечивая начальный запуск плазмотрона и его надлежащий прогрев.

После необходимого прогрева плазмотрона включают подачу воды в парогенератор для создания перегретого пара, который будет использован в качестве основной плазмообразующей среды в плазмотроне. В данный момент уже может быть запущена система 4 охлаждения плазмотрона, так что питательная вода уже до подачи в парогенератор может быть подогрета.

Вода проходит через направляющее средство 29, где осуществляется регулирование потоков воды и пускового газа так, что количество воды постепенно увеличивается, а количество газа постепенно уменьшается.

Таким образом, на данном этапе вода и пусковой газ подаются одновременно в парогенератор через один и тот же впуск 13.

Далее, вода поступает в участок 15 нагрева выполненной в виде змеевика парогенерирующей трубы, где она нагревается, предпочтительно до температуры на 0-20°С ниже температуры кипения.

Далее вода, нагретая до температуры близкой к температуре кипения, поступает в первый демпфер 18, который в рассматриваемом примере выполнен в виде обогреваемой вихревой форсунки для придания потоку жидкости вращательного движения и в данном случае также испарения жидкости в вихревом потоке. За счет возникающего градиента давления в слоях, приближающихся к оси вихря, формируется перегрев жидкости относительно локального давления насыщения жидкости и возникновение паровой фазы. Возникающие в вихре центробежные силы приводят к сепарации двухфазного потока, разделяя жидкую фазу и пар, вытесняя пар к оси вихря. Вытекающая из сопла форсунки водопаровая смесь состоит из двух слоев: жидкого периферийного слоя в форме кольцевой пленки и паровой сердцевины. Указанный процесс продолжается на последующем участке 16 испарения, на котором происходит, по существу, полное испарение с получением сухого насыщенного пара и предпочтительно перегрев пара на 50-120 °С выше температуры кипения. Тем самым осуществляется недопущение пульсационного режима кипения за счет иного, чем в известных решениях физического механизма парообразования, а именно, за счет формирования паровой фазы внутри перегретой относительно локального давления насыщения жидкости. В таком случае, высокоскоростное движение потока пара внутри кольцевой пленки из воды на стенке будет вызывать дробление пленки воды в мелкодисперсную фазу, размер которой соизмерим уже не с диаметром канала, как в случае снарядного режима, а с толщиной пленки на стенке, поскольку скорость пара внутри много больше скорости течения воды в пленке. Такой режим ускоряет процесс испарения, препятствует рождению гидродинамических пульсаций и сокращает испарительную зону.

Далее, этот перегретый пар поступает во второй демпфер 19, соответственно 19/20, который здесь выполнен в виде возвратно-поточного циклона, основными элементами которого являются корпус, выхлопная труба и бункер. Сухой пар, предпочтительно перегретый относительно температуры насыщения, поступает в верхнюю часть корпуса через входной патрубок, приваренный к корпусу тангенциально. Гашение пульсаций происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении пара между корпусом и погруженной в полость корпуса выхлопной трубой.

В свободном объеме второго демпфера 19, выполненного в виде циклона, может одновременно осуществляться компенсация объема пара.

Кроме демпфирующей функции и функции компенсатора объема пара второй демпфер 19 выполняет функцию сепаратора 20 для удаления возможно еще имеющейся капельной фазы из полученного на участке испарения потока пара путем создания силового центробежного поля во входящем потоке.

Введение потока пара в возвратно-поточный циклон осуществляется через тангенциальный патрубок, так что поток изначально приобретает вращательное движение и опускается винтообразно вдоль внутренних стенок цилиндрической и конической частей циклона. Входящий поток в силовом центробежном вихревом поле подвергают сепарации и отделяют конденсированную фазу от сухого насыщенного пара. В результате этого в приосевой зоне циклона преобладает сухой насыщенный пар, а на периферии – на стенке циклона/камеры компенсатора объема осажденные капли воды образуют пленку жидкости. Уловленный конденсат может отводиться из сепаратора через отводящее конденсат отверстие в конической частей циклона. Использование сепаратора в виде циклона, позволяет полностью исключить переброс воды из участка 16 испарения в участок 17 перегрева. Сбор и отвод конденсата из сепаратора 20 может осуществляться путем периодического слива конденсата, например, в сборник конденсата.

В центральной зоне циклона вращающийся паровой поток двигается снизу вверх и по трубе, размещенной вдоль оси циклона, поступает в участок 17 перегрева. Температуру пара на выходе из участка 17 перегрева и на входе в плазмотрон 1 поддерживают равной 250-400°С. Затем перегретый пар по паропроводу 35 поступает в плазмотрон в качестве основной плазмообразующей среды предпочтительно при температуре 350°С. Для электрической безопасности предусмотрена электрическая развязка 36 между выпуском 14 и паропроводом 35.

При работе парогенератора расход питательной воды должен находиться в равновесии с величиной паропроизводительности и соответствовать электрической мощности парового плазмотрона. Поэтому подача воды регулируется автоматически так, чтобы поддерживать расход воды в соответствии с мощностью парового плазмотрона, а для регулирования параметров участков нагрева, испарения и перегрева применена схема их раздельного обогрева с использованием независимых источников тока с возможностью автоматического управления.

Изобретение относится к области плазмотермической и плазмохимической обработки материалов и касается прямоточного парогенератора для плазменной системы. Прямоточный парогенератор содержит впуск для подачи в него неконденсируемого газа и воды, а также соединяющую их электронагреваемую парогенерирующую трубу в виде змеевика. Для гашения возникающих в парогенерирующей трубе пульсаций предусмотрено демпфирующее средство. Для обеспечения эффективного устранения пульсаций и конденсаций, а также лучшей управляемости процессами при генерации перегретого пара в парогенераторе и его вводе в плазмотрон согласно изобретению предусмотрено, что парогенерирующая труба имеет участок (15) нагрева воды, участок (16) испарения и участок (17) перегрева, а демпфирующее средство имеет первый демпфер (18), который включен между участком (15) нагрева воды и участком (16) испарения, и второй демпфер (19), который включен между участком (16) испарения и участком (17) перегрева, причем указанные демпферы (18, 19) обеспечивают конструктивное разделение указанных участков (15, 16, 17) парогенерирующей трубы, которые имеют независимо друг от друга снабжение электроэнергией. Также изобретение касается плазменной системы с таким парогенератором и способа генерации пара с помощью такого парогенератора. Технический результат - обеспечение эффективного устранения пульсаций и конденсаций, а также лучшей управляемости процессами при генерации перегретого пара в парогенераторе и его вводе в плазмотрон. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Прямоточный парогенератор (5) для плазменной системы, содержащий

впуск (13) для подачи в него неконденсируемого газа, необходимого для начального запуска и прогрева плазмотрона (1), и воды, необходимой для получения перегретого пара для использования в качестве плазмообразующей среды плазмотрона (1),

выпуск (14) для подключения к плазмотрону (1) плазменной системы и подачи в него неконденсируемого газа и/или воды в виде перегретого пара,

парогенерирующую трубу в виде змеевика, соединяющую впуск (13) и выпуск (14) для пропускания указанного газа и/или воды от впуска к выпуску, причем парогенерирующая труба выполнена с возможностью электрического нагрева и отдачи тепла пропускаемому газу и/или воде, и

демпфирующее средство для гашения возникающих в парогенерирующей трубе пульсаций,

отличающийся тем, что

парогенерирующая труба имеет участок (15) нагрева для первичного нагрева воды, участок (16) испарения для перевода первоначально нагретой воды в сухой насыщенный пар и участок (17) перегрева для получения перегретого пара из сухого насыщенного пара,

демпфирующее средство расположено выше по потоку от участка (17) перегрева и имеет:

первый демпфер (18), который включен между участком (15) нагрева воды и участком (16) испарения и который служит для устранения пульсаций при формировании паровой фазы, и

второй демпфер (19), который включен между участком (16) испарения и участком (17) перегрева и служит для устранения пульсаций, связанных с наличием влаги в сухом насыщенном паре, перед участком (17) перегрева пара,

и что указанные демпферы (18, 19) обеспечивают конструктивное разделение указанных участков (15, 16, 17) парогенерирующей трубы, и причем участки (15, 16, 17) нагрева, испарения и перегрева парогенерирующей трубы имеют индивидуальные электрические подключения для независимого друг от друга снабжения электроэнергией.

2. Прямоточный парогенератор по п.1, отличающийся тем, что первый демпфер (18) выполнен в виде обогреваемой вихревой форсунки для придания потоку жидкости вращательного движения и испарения жидкости в вихревом потоке

3. Прямоточный парогенератор по п.1, отличающийся тем, что второй демпфер (19) выполнен в виде обогреваемого возвратно-поточного циклона.

4. Прямоточный парогенератор по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из участков (15, 16, 17) парогенерирующей трубы выполнен с увеличивающимся по его длине поперечным сечением проходного отверстия, так что сам указанный по меньшей мере один участок образует дополнительное средство для гашения пульсаций, возникающих при движении по нему воды, соответственно, пара.

5. Плазменная система, содержащая

плазмотрон (1),

систему (4) охлаждения плазмотрона, включающую в себя контур циркуляции охлаждающей среды,

прямоточный парогенератор (5), соединенный с плазмотроном (1),

систему (6) электропитания парогенератора,

средство (7) подачи неконденсируемого газа для начального запуска и прогрева плазмотрона (1),

средство (8) подачи воды для подачи воды, используемой в качестве плазмообразующей среды,

отличающаяся тем, что

указанный парогенератор (5) выполнен согласно одному из предыдущих пп.1-4, так что его впуск (13) соединен со средством (7) подачи неконденсируемого газа и одновременно со средством (8) подачи воды, а его выпуск (14) связан с плазмотроном (1), и при этом система (6) электропитания парогенератора через индивидуальные электрические подключения соединена с участками (15, 16, 17) парогенерирующей трубы для их независимого друг от друга снабжения электроэнергией.

6. Плазменная система по п.5, отличающаяся тем, что средство подачи воды включает в себя емкость (9) для воды, которая имеет вход для подвода воды и выход для выдачи воды на впуск (13) парогенератора (5).

7. Плазменная система по п.6, отличающаяся тем, что предусмотрен теплообменник (30), внутри которого происходит теплообмен между охлаждающей средой в контуре циркуляции охлаждающей среды системы охлаждения плазмотрона и водой в емкости для воды или выходящей из этой емкости для подачи на вход парогенератора водой.

8. Плазменная система по п.5, отличающаяся тем, что в ней предусмотрен смеситель (29) для направления неконденсируемого газа и воды к участку нагрева, который образует впуск парогенератора или расположен на впуске парогенератора или выше по потоку от впуска парогенератора.

9. Плазменная система по п.8, отличающаяся тем, что смеситель выполнен в виде эжекторного смесителя или в виде двухкомпонентной газожидкостной форсунки с внутренним или внешним смешением.

10. Способ генерации перегретого пара с помощью прямоточного парогенератора (5) плазменной системы по любому из пп.5-9, в котором

нагревают воду при ее прохождении через участки (15, 16, 17) парогенерирующей трубы, так что она последовательно претерпевает первичный нагрев, испарение с получением сухого насыщенного пара и перегрев полученного сухого насыщенного пара с получением перегретого пара, который подают в плазмотрон (1),

причем участки (15, 16, 17) парогенерирующей трубы для первичного нагрева, испарения и перегрева электрически нагревают независимо друг от друга, а

возникающие при нагреве и испарении воды пульсации гасят с помощью демпферов (18, 19), расположенных между участками (15, 16) для первичного нагрева и для испарения, а также между участками (16, 17) для испарения и для перегрева.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что воду перед впуском в парогенератор подвергают предварительному нагреву посредством тепла, отбираемого из системы (4) охлаждения плазмотрона.

12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что участки (15, 16. 17) парогенерирующей трубы для первичного нагрева, испарения и перегрева электрически нагревают независимо друг от друга и поддерживают температуру воды на выходе из участка (15) нагрева на 0-20°С ниже температуры кипения, температуру водопарового потока на выходе из первого демпфера (18) поддерживают не ниже температуры кипения, температуру на выходе из участка (16) испарения и входе во второй демпфер (19) поддерживают на 50-120°С выше температуры кипения, температуру пара на выходе из участка (17) перегрева и на входе в плазмотрон (1) поддерживают равной 250-400°С.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что предварительно нагретую воду перед испарением на соответствующем участке парогенерирующей трубы пропускают через первый демпфер (18), выполненный в виде обогреваемой вихревой форсунки, так что предварительно нагретой воде придают вихревое движение.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что предварительно нагретую воду в указанной обогреваемой вихревой форсунке нагревают до температуры кипения.

15. Способ по п.10, отличающийся тем, что перед подачей подлежащей нагреву воды осуществляют прогрев парогенератора (5) путем подачи электроэнергии к парогенерирующей трубе при пропускании через неё неконденсируемого газа, который затем используют для запуска и прогрева плазмотрона (1).

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что подачу подлежащей нагреву воды осуществляют через тот же впуск (13), через который подают неконденсируемый газ так, что долю воды постепенно увеличивают, и долю газа пропорционально уменьшают до полного прекращения подачи газа.