Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬ

Изобретение относится к устройствам преобразования электрической энергии в тепловую и для создания теплообмена, в частности к прямоточным электрическим парогенераторам. Оно может быть использовано при нагреве жидкостей посредством теплообменников, например, в системах разогрева ионообменных растворов в химической промышленности, крекинга нефтепродуктов, газификации углеводородного топлива, дезинфекции перегретым паром, а также в других областях, где требуется безопасный нагрев и испарение текучих сред. Устройство в основном предназначено для получения водяного пара с закритическими параметрами, а также для получения перегретого водяного пара с температурой выше температуры насыщения.

Известен электрический паронагреватель [Патент RU № 171694, МПК H05B 6/10, опубл. 23.01.2017], содержащий силовой блок парообразования индукционного парогенератора со вторичной обмоткой, силовой блок пароперегрева индукционного парогенератора со вторичной обмоткой, ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, подключенной к сети, вторичные обмотки парогенератора и пароперегревателя, расположенные на указанном ферромагнитном сердечнике выполнены в виде трубчатого проводника с входным и выходным патрубками для пропускания воды через внутреннюю полость трубчатого проводника, токопроводящая поверхность которого выполнена в виде замкнутой односторонней поверхности Мебиуса. Как следует из описания конструкции устройства по данному патенту, блок пароперегрева требуется паронагревателю для того, чтобы передать пару дополнительную энергию в режимах, когда блок парообразования не в состоянии самостоятельно справиться с поддержанием заданной с пульта управления температуры насыщенного пара.

Известен также прямоточный электрический парогенератор [Патент RU № 2691726, МПК H05B 6/10, опубл. 18.06.2019], принятый за прототип, включающий плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, первичные обмотки, расположенные в виде катушек на стержнях и электрически изолированные от них, средства принудительной подачи воды во внутреннюю полость общей трубчатой вторичной обмотки, имеющей подводящий и отводящий патрубки и расположенной в магнитном поле изолированно от первичных обмоток и охватывающую все стержни ферромагнитного сердечника так, что вокруг каждого стержня образует замкнутые витки, расположенные в межкатушечном пространстве поочередно друг над другом и соединенные электрически неразъемно наружно в плоскости диаметра трубы, параллельного вектору магнитной индукции стержня, а на периферии в межтрубном пространстве между витками установлены дистанционные цилиндрические элементы, наружно соединенные с витками неразъемным соединением в плоскости диаметра труб, параллельного вектору магнитной индукции стержней, датчик температуры, установленный на участке трубы трубчатой вторичной обмотки, близком к отводящему патрубку, датчик давления пара, расположенный на отводящем патрубке, наружную перемычку, состоящую из двух параллельных шин, расположенных перпендикулярно виткам трубчатой вторичной обмотки и электрически присоединенных к начальному и конечному виткам на расстоянии друг от друга, кратном радиусу трубы трубчатой вторичной обмотки, причем длина трубчатой вторичной обмотки кратна радиусу трубы трубчатой вторичной обмотки. В данном устройстве решается задача стабилизации процесса парообразования во внутренней полости вторичной трубчатой обмотки индуктора прямоточного электрического парогенератора с тем, чтобы обеспечить надежный контроль параметров получаемого на выходе насыщенного водяного пара, в том числе контроль температуры.

Общим недостатком известных прямоточных электрических индукционных парогенераторов, включая прототип, является резкое падение надежности работы вторичной трубчатой обмотки при повышении давления пара и особенно температуры нагрева как в закритической области давлений пара, так и в докритической при производстве перегретого пара. Это напрямую связано с конструкцией вторичной трубчатой обмотки и является препятствием для создания высокотемпературных устройств, особенно, индукционных пароперегревателей. Для достижения максимального КПД в известных конструкциях для вторичной трубчатой обмотки используются металлы с высокой электро- и теплопроводностью, но такие металлы не обладают жаропрочностью и жаростойкостью, необходимыми при работе на высоких температурах нагрева. Например, стойкость медной вторичной трубчатой обмотки в связи с низкой жаропрочностью меди снижается на порядок при работе устройства в режиме производства перегретого сухого пара по сравнению с режимом производства насыщенного пара даже при докритическом давлении. С другой стороны, удельное электрическое сопротивление жаропрочных металлов намного выше удельного электрического сопротивления меди, и это обстоятельство является непреодолимым препятствием для использования жаропрочных металлов в индукционной технологии генерации водяного пара. Таким образом, создание электрического индукционного пароперегревателя возможно в данном случае только путем радикального изменения конструкции нагревательной вторичной трубчатой обмотки при сохранении ее низкого электрического сопротивления.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности автономного прямоточного электрического пароперегревателя для производства пара высокой температуры и высокого давления на основе индукционной технологии, а также расширение области применения данного устройства.

Техническая задача достигается за счет того, что электрический пароперегреватель включает плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, предназначенными для создания замкнутого магнитного поля в них, первичные обмотки, расположенные в виде катушек на стержнях и электрически изолированные от них, трубчатую вторичную обмотку, имеющую подводящий и отводящий патрубки и расположенную в магнитном поле изолированно и охватывающую все стержни ферромагнитного сердечника так, что вокруг каждого стержня образует один или несколько замкнутых витков, эти витки, расположенные в межкатушечном пространстве, соединены электрически параллельно неразъемно наружно шунтом, параллельным вектору магнитной индукции стержней, а на периферии между витками установлены один или несколько дистанционных цилиндрических элементов, наружно неразъемно соединенных с витками шунтом, параллельным вектору магнитной индукции стержней, при этом трубчатая вторичная обмотка состоит из внутренней рабочей трубы и выполнена многослойной из металлов так, что начиная с внутренней рабочей трубы каждый последующий слой полностью охватывает предыдущий, а по поверхности соприкосновения металлов внутренней рабочей трубы и каждого слоя обеспечено частичное взаимное растворение пограничных металлов.

Внутренняя рабочая труба вторичной трубчатой обмотки выполнена из высоко тепло- электропроводного металла, обеспечивает основную технологическую функцию – индукционный нагрев и передачу тепловой энергии воде и пару, находящимся в ее внутренней полости.

При реализации устройства может быть использован жаропрочный и/или жаростойкий слой. При использовании одного из слоев, как одного из частных случаев выполнения устройства, техническая задача - повышение эксплуатационной надежности - достигается также, как и при использовании одновременно нескольких слоев. При использовании одновременно двух слоев - жаропрочный слой трубчатой вторичной обмотки снаружи охватывает внутреннюю рабочую трубу и способствует сохранению механических параметров вторичной трубчатой обмотки во время ее длительной работы в условиях нагрева до высоких температур, а следующий за ним жаростойкий слой, охватывающий жаропрочный, предотвращает окисление наружной поверхности вторичной трубчатой обмотки кислородом воздуха во время нагрева. Как частные примеры выполнения, могут наноситься другие дополнительные слои, улучшающие теплофизические, электромагнитные и иные полезные свойства трубчатой вторичной обмотки индукционного устройства. Способ образования слоев обеспечивает частичное растворение пограничных металлов друг в друге и в металле, из которого изготовлена внутренняя рабочая труба. В этом случае достигается возможность нормальной эксплуатации вторичной трубчатой обмотки в соответствии с предъявляемыми к ней требованиями, включая повышение рабочей температуры и рабочего давления.

Доказательства возможности осуществления нового электрического пароперегревателя с реализацией указанного усовершенствования приводятся ниже на конкретном примере электрического пароперегревателя. Этот характерный пример реализации конкретного электрического пароперегревателя согласно предлагаемому изобретению ни в коей мере не ограничивает объем его правовой защиты. В этом примере дана лишь конкретная иллюстрация нового электрического индукционного пароперегревателя.

Изобретение поясняется графически, где:

на фиг.1 показан общий вид электрического пароперегревателя (аксонометрия);

на фиг.2 представлена трубчатая вторичная обмотка (аксонометрия);

на фиг.3 представлено продольное сечение участка трубчатой вторичной обмотки.

В данном конкретном примере электрический пароперегреватель выполнен на базе трехфазного трансформатора с плоским ферромагнитным сердечником 1 со стержнями 2, на которых расположены первичные обмотки в виде катушек 3. Первичная обмотка в виде катушек 3 подсоединяется к источнику электрического переменного тока через отводы 4. Трубчатая вторичная обмотка 5 выполнена из многослойной трубы и имеет подводящий 6 и отводящий 7 патрубки. Трубчатая вторичная обмотка 5 электрического пароперегревателя изолирована в магнитном поле и свернута так, что охватывает все стержни 2 плоского ферромагнитного сердечника 1 кольцами вокруг каждого стержня 2. При помощи шунта 9 и неразъемного соединения 8 витков трубчатой обмотки 5 в межкатушечном пространстве образуются короткозамкнутые витки вокруг каждого стержня 2. Шунт 9 короткого замыкания витков располагается в зоне неразъемного соединения 8 параллельного вектору магнитной индукции в стержнях 2. Вместе с тем, витки трубчатой обмотки 5, расположенные за пределами межкатушечного пространства, дистанцированы друг от друга на размер диаметра трубы и между ними с помощью неразъемного соединения 8 установлены дистанционные цилиндрические элементы 10, обеспечивающие жесткость конструкции и дополняющие короткое замыкание витка. Такое осуществление короткого замыкания токов вторичной трубчатой обмотки 5, соответствует физическим процессам, протекающим во вторичной короткозамкнутой обмотке трансформатора, благодаря чему устройство отличается простотой конструкции и в нем не возникает дополнительных энергетических потерь, приводящих к перегреву или разрушению электрических соединений. Кроме того, согласно изобретению, как вариант частного выполнения, вторичная трубчатая обмотка 5 состоит из внутренней рабочей трубы 11, покрытой по всей длине слоем 12 жаропрочного металла, поверх которого нанесен слой 13 жаростойкого металла. В рассматриваемом примере если взять материал внутренней рабочей трубы 11 медь, то в качестве жаропрочного металла 12 можно использовать мельхиор, а в качестве жаростойкого 13 нихром, при этом, в зависимости от обстоятельств, может быть использован только жаропрочный или жаростойкий слой. При нагревании мельхиора его прочность улучшается, тем самым возрастает долговечность вторичной трубчатой обмотки 5 и, тем самым повышается эксплуатационная надежность. Нихром обеспечивает повышенную жаростойкость при длительной работе в режиме повышенных температур, тем самым возрастает износостойкость горячей поверхности при ее взаимодействии с кислородом воздуха, что также повышает эксплуатационную надежность устройства. Все перечисленные металлы и сплавы взаиморастворимы. Вместо сплавов для повышения теплофизических характеристик вторичной трубчатой обмотки 5 также применимы чистые металлы никель и хром. Толщина слоев 12 и 13 зависит от толщины стенки внутренней рабочей трубы 11.

Работает предлагаемый электрический пароперегреватель следующим образом. Вначале обеспечивают движение воды путем подачи ее под давлением через подводящий патрубок 6 во внутреннюю полость трубчатой вторичной обмотки 5. Затем первичные обмотки 3 через отводы 4 подключают к сети переменного тока. В результате этого первичные обмотки 3 индуцируют в стержнях 2 переменный магнитный поток. Под действием переменного магнитного потока в короткозамкнутых вокруг каждого стержня 2 витках трубчатой вторичной обмотки 5, образованных с помощью неразъемных соединений 8 и шунтов 9, индуцируется сильный ток в стенке внутренней рабочей трубы 11, нагревающий трубчатую вторичную обмотку 5. Электрическое сопротивление жаропрочного слоя 12 и/или жаростойкого слоя 13 значительно превосходят электрическое сопротивление внутренней рабочей трубы 11, в связи с чем индукционный ток на поверхности ослабевает и нагрев наружной поверхности вторичной трубчатой обмотки 5 соответственно уменьшается. Тепловая энергия от стенки внутренней рабочей трубы 11 переходит к воде, движущейся в контакте с ней во внутренней полости трубчатой вторичной обмотки 5. Здесь же в соответствии с принципом работы прямоточного парогенератора происходит испарение воды и полученный пар выходит через отводящий патрубок 7.

Величина тока, нагревающего трубчатую обмотку 5, ее длина и теплоаккумулирующая способность при исполнении устройства в соответствии с настоящим изобретением не являются конфликтующими параметрами, благодаря чему в процессе проектирования данного устройства обеспечивается возможность создания компактных и надежных в работе пароперегревателей. Неразрывность трубчатой вторичной обмотки 5 и равномерность ее нагрева электрическим током по всей длине обеспечивает в полной мере осуществление базового принципа действия прямоточного пароперегревателя. При испытании пароперегревателя мощностью 10 КВт, спроектированного и изготовленного в соответствии с настоящим изобретением установлено, что устройство имеет высокий КПД и измеренный коэффициент мощности 0,99, производит 15 кг пара/час с температурой 400 град.С и давлением 13 бар (перегретый пар), при этом недостатки прототипа преодолены и устройство может использоваться как прямоточный пароперегреватель в широком диапазоне мощностей. При работе устройство подвергается высоким нагрузкам в связи с воздействием на поверхности его трубчатой вторичной обмотки высокой температуры, она нагревается до предельных показателей. Перегрев насыщенного пара значительно повышает эффективность работы оборудования.