Вода для получения пара

способ и устройство для получения водяного пара из воды

Изобретение и предназначено для быстрого получения пара и может быть использовано в теплотехнической энергетике. Способ заключается в подаче воды в корпус парогенератора, ее нагреве и образовании пара. Нагрев воды осуществляют созданием низкотемпературной плазмы путем зажигания электрического разряда в воде между трубчатым центральным электродом и корпусом парогенератора, поддерживают ее горение. Температуру горения задают и регулируют путем перемещения изолирующей оболочки вдоль трубчатого центрального электрода. Величину перемещения указанной оболочки определяют по величине электрической проводимости воды, которую замеряют перед ее подачей в корпус парогенератора. Нагрев воды и образование пара осуществляют в центральном трубчатом электроде, а перемещение изолирующей оболочки вдоль указанного электрода производят посредством поводка, установленного с возможностью перемещения вдоль крышки корпуса парогенератора. Парогенератор содержит корпус, паровлагоотделитель и центральный трубчатый электрод. Центральный трубчатый электрод охватывается подвижной изолирующей оболочкой, установленной с возможностью одновременного перемещения посредством поводка вдоль центрального трубчатого электрода и внутри размещенной в корпусе металлической трубы. Изобретение обеспечивает быстрое и экономичное получение пара, простоту и компактность парогенератора и снижение энергоемкости. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения

1. Способ быстрого получения водяного пара из воды, заключающийся в подаче воды в корпус парогенератора, ее нагреве, образовании пара и отводе его потребителю, отличающийся тем, что нагрев воды осуществляют созданием низкотемпературной плазмы путем зажигания электрического разряда в воде между трубчатым центральным электродом и корпусом парогенератора, поддерживают ее горение, при этом температуру горения задают и регулируют путем перемещения изолирующей оболочки вдоль трубчатого центрального электрода, причем величину перемещения указанной оболочки определяют по величине электрической проводимости воды, которую замеряют перед ее подачей в корпус парогенератора, при этом нагрев воды и образование пара осуществляют в центральном трубчатом электроде, а перемещение изолирующей оболочки вдоль указанного электрода производят посредством поводка, установленного с возможностью перемещения вдоль крышки корпуса парогенератора.

2. Парогенератор, содержащий снабженный магистралями подвода воды и отвода пара корпус, паровлагоотделитель, центральный трубчатый электрод, установленные на магистралях вентили и клапаны, отличающийся тем, что центральный трубчатый электрод охватывается подвижной изолирующей оболочкой, установленной с возможностью одновременного перемещения посредством поводка вдоль центрального трубчатого электрода и внутри размещенной в корпусе металлической трубы, при этом поводок установлен с возможностью перемещения по крышке корпуса.

3. Парогенератор по п.2, отличающийся тем, что центральный трубчатый электрод опирается на керамический подпятник.

4. Пароненератор по п.2, отличающийся тем, что центральный трубчатый электрод выполнен из меди.

5. Пароненератор по п.2, отличающийся тем, что крышка и донная часть связаны с корпусом резьбовым соединением.

6. Пароненератор по п.2, отличающийся тем, что подвижная изолирующая оболочка выполнена из фарфора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплотехнической энергетики и предназначено для быстрого получения пара с целью обеспечения паром производств и предприятий, эпизодически нуждающихся в паре и не имеющих при этом котельных.

Известен из патента РФ №2262038, класс F22B 1/30, 2005, способ получения пара, согласно которому осуществляют нагрев воды в котле посредством трех электродов, производят парообразование и отвод пара потребителю. Указанный способ реализуется с помощью парогенератора, содержащего электродный вертикально расположенный котел, в полости которого расположена емкость и центральный электрод с тоководом, выполненный в виде стержня, имеющего высоту, равную высоте горизонтальных электродов, и расположенного в отверстиях последних, выполненных в их центральной части, при этом электроды котла выполнены в виде замкнутого прямоугольного контура, противоположные длинные стороны которого соединены между собой связями, при этом электродный котел дополнительно снабжен вертикально установленной емкостью, соединенной с котлом по воде и пару, в верхней части которой установлены электронагреватели.

К недостаткам известного изобретения следует отнести конструктивно сложное выполнение блока электродов, низкую паропроизводительность и достаточно медленное получение пара в начальный период работы парогенератора, наличие в составе парогенератора блока перегрева пара, что усложняет его конструкцию.

Известен из патента РФ №2127029, класс Н05В 3/60, 1999, способ получения пара, при котором осуществляют нагрев воды до кипения в межэлектродном пространстве, образование пара и его отвода, при этом указанный способ реализуется с помощью электродного нагревателя жидкости, состоящего из корпуса и ряда нагревательных элементов, помещенных в корпус и выполненных в виде двух цилиндрических коаксиальных металлических электродов, один из которых выполнен сплошным, при этом межэлектродное пространство в каждом элементе разделено на ряд секций горизонтальными водонепроницаемыми диэлектрическими перегородками, а в каждой секции наружного электрода выполнены сквозные отверстия, причем в нижней части секции выполнено большее количество отверстий, а в верхней ее части — меньшее.

Недостатками известного изобретения в части способа является медленное образование пара, а в части устройства электродного нагревателя — его сложная конструкция и отсутствие возможности регулирования температуры нагрева воды с учетом ее свойств, в частности электропроводности.

Известны из патента РФ №2053793, класс A61L 9/00, способ и устройство для получения пара из воды. Способ характеризуется заполнением рабочего пространства жидкостью, ее нагревом в межэлектродном пространстве, образованием пара, его перегревом с последующей подачей в рабочую зону. Устройство, реализующее способ, представляет собой парогенератор с корпусом и днищем, содержащий водоввод, выполненный в виде трубчатого электрода, и расположенный между корпусом и водоводом-электродом центральный трубчатый электрод, пространство между которыми заполняется водой.

Данное изобретение принято в качестве ближайшего аналога.

К его недостаткам относятся медленное получение пара, сложная схема проводки и отвода пара, усложненная конструкция парогенератора и системы управления его работой.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка способа быстрого и экономичного получения пара, а также простой по конструкции и управлению, компактной по габаритам установки для реализации разработанного способа, обеспечивающей к тому же снижение энергоемкости процесса.

В этом же заключается и технический результат, для достижения которого предназначено данное изобретение.

Достижение указанного результата в части способа обеспечивается благодаря подаче воды в корпус парогенератора, ее нагреву, образованию пара и отводу его потребителю. При этом нагрев воды осуществляют созданием низкотемпературной плазмы путем зажигания электрического разряда в воде между трубчатым центральным электродом и корпусом парогенератора. Поддерживают ее горение. Температуру горения задают и регулируют путем перемещения изолирующей оболочки вдоль трубчатого центрального электрода. Величину перемещения указанной оболочки определяют по величине электрической проводимости воды, которую замеряют перед ее подачей в корпус парогенератора. Нагрев воды и образование пара осуществляют в центральном трубчатом электроде, а перемещение изолирующей оболочки вдоль указанного электрода производят посредством поводка, установленного с возможностью перемещения вдоль крышки корпуса парогенератора.

Достижение указанного результата в части устройства обеспечивается благодаря тому, что парогенератор содержит снабженный магистралями подвода воды и отвода пара корпус, паровлагоотделитель, центральный трубчатый электрод и установленные на магистралях вентили и клапаны. Парогенератор характеризуется тем, что центральный трубчатый электрод охватывается подвижной изолирующей оболочкой, установленной с возможностью одновременного перемещения посредством поводка вдоль центрального трубчатого электрода и внутри размещенной в корпусе металлической трубы. Поводок установлен с возможностью перемещения по крышке корпуса.

В конкретном исполнении центральный трубчатый электрод опирается на керамический подпятник.

В конкретном исполнении центральный трубчатый электрод выполнен из меди.

В конкретном исполнении крышка и донная часть связаны с корпусом резьбовым соединением.

В конкретном исполнении подвижная изолирующая оболочка выполнена из фарфора.

Принципиальная схема разработанного парогенератора для реализации способа быстрого получения пара из воды, представлена на чертеже.

Устройство парогенератора содержит корпус 1, который имеет цилиндрическую форму и выполняется из алюминия, днище 2 и крышку 3, связанные с корпусом 1 посредством резьбовых соединений. На крышке 3 корпуса посредством резьбового соединения с возможностью перемещения по крышке установлен поводок 4. На днище 2 в средней его части установлен керамический подпятник 5, с которым взаимодействует центральный трубчатый электрод 6, выполненный из меди. Электрод 6 на части своей поверхности заключен в подвижную изолирующую оболочку 7, выполненную из фарфора и установленную с возможностью перемещения посредством поводка 4 вдоль центрального трубчатого электрода 6 и внутри металлической трубы 8, выполненной за одно целое с крышкой корпуса. Герметичность устройства обеспечивается с помощью сальников 9 и 10, установленных соответственно на крышке корпуса и поводке, сальник 9 при этом выполняется из алюминия, а сальник 10 из стеклотекстолита. Сальник 9 к тому же выполняет функцию направляющего элемента для изолирующей оболочки 7 при ее перемещении. Подача природной или водопроводной воды в корпус парогенератора осуществляется по трубопроводу 11, снабженного электрическими вентилями 12 и обратными клапанами 13. Магистраль отвода пара снабжена предохранительным клапаном 14 для быстрого сброса пара, реле давления 15 для контроля давления в магистрали и паровлагоотделителем для регулирования параметров подаваемого потребителям пара. К трубчатому центральному электроду 6 подведен токоввод 16 для подключения фазового провода, аналогичный токоввод 17 закреплен на корпусе парогенератора для подключения нулевого провода заземления. Позицией 18 обозначен влагоотделитель, позицией 19 обозначен резервуар для природной и водопроводной воды.

Парогенератор, реализуя предлагаемый способ быстрого получения пара из воды, работает следующим образом.

Замеряют электрическую проводимость воды, после чего ее подают в рабочий объем корпуса 1 парогенератора. В зависимости от величины электрической проводимости воды устанавливают необходимую величину перемещения изолирующей оболочки 7 и перемещают с помощью поводка 4 укачанную оболочку на требуемую величину вдоль трубчатого центрального электрода 6, устанавливая тем самым необходимую величину силы тока, предпочтительное значение которой должно составлять 10А. При включении парогенератора в сеть электрический ток подается на центральный трубчатый электрод и на корпус 1 выполняющий функцию электрода, при этом на конце центрального трубчатого электрода 6 зажигается плазмоид, в результате чего центральный трубчатый электрод нагревается до температуры выше 100°С. Вода внутри указанного электрода закипает и происходит процесс парообразования по следующей реакции:

1. H 2 О+59 кДж/моль (0,62 эВ) Н + +ОН — (реакция диссоциации воды с потреблением электроэнергии);

2. H + +е — Н+1312 кДж/моль (13,6 эВ) (плазма в воде вокруг центрального трубчатого электрода идет с выделением тепловой и световой энергии);

3. Н+Н Н 2 +436 кДж/моль ( 4,2 эВ) (образование газоводорода из молекул водорода идет с выделением тепловой энергии).

Образующийся пар с давлением до 16 атм и температурой до 200°С подается потребителю.

Способ позволяет получать насыщенный водяной пар температурой до 300°С.

Время разгона парогенератора до температуры 200°С составляет менее одной минуты.

Установка может работать от сети как переменного, так и постоянного тока, при мощности 2 кВт она имеет следующие размеры: диаметр — 400 мм, высота — 800 мм при производительности 4 кг пара в час. Таким образом, энергозатраты на производство 1-го кг пара составляют 0,5 кВт/час.

Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает быстрое и экономичное получение пара с помощью компактной и простой конструкции парогенератора, обеспечивающей к тому же снижение энергоемкости процесса.

Источник

Испарение

О чем эта статья:

Испарение: что это за процесс

Процесс перехода из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. У этого процесса есть две разновидности: испарение и кипение.

Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы точно увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.

Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. Это действительно так, при этом эти два процесса могут происходить параллельно.

• Испарение — это превращение или переход жидкости в газ (пар) со свободной поверхности жидкости. Если поверхность жидкости открыта и с нее начинается переход вещества из жидкого состояния в газообразное, это будет называться испарением.
• Кипение — процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости при определенной температуре.

Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.

Физика объясняет испарение тем, что жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха — из-за разницы температур происходит испарение. Как будто бы это фазовый переход, о котором мы говорим в статье об агрегатных состояниях .

Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.

Интересно то, что направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:

• из глубины жидкости к поверхности, а затем в воздух;
• только из жидкости к поверхности;
• к поверхности из воды и газовой среды одновременно;
• к площади поверхности только от воздуха.

Классы МПК:	F22B1/30 в электродных котлах
Автор(ы):	Гаврилов Сергей Владимирович (RU) , Гришин Владимир Геннадьевич (RU) , Великодный Василий Юрьевич (RU) , Попов Юрий Алексеевич (RU)
Патентообладатель(и):	Гаврилов Сергей Владимирович (RU), Гришин Владимир Геннадьевич (RU), Великодный Василий Юрьевич (RU), Попов Юрий Алексеевич (RU)
Приоритеты:

Подытожим, чтобы не запутаться: в чем главная разница между испарением и кипением:

Испарение	Кипение
При любой температуре, с поверхности жидкости	При определенной температуре, во всем объеме жидкости

Испарение на уровне молекул

Давайте вспомним об особенностях разных агрегатных состояний вещества.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

близко друг к другу

малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается

занимают предоставленный объем

больше размеров молекул

хаотичное и непрерывное

Из этой таблицы видно, что молекулы в жидкостях находятся близко друг другу, но хаотично, то есть не имеют кристаллической решетки, как в твердых телах. Эти молекулы движутся (причем, чем выше температура, тем быстрее движутся) и в ходе движения сталкиваются. Столкновения меняют направление и скорость движения — из-за этого молекулы иногда быстро устремляются к поверхности жидкости и вылетают из нее. Это и есть испарение.

В предыдущем абзаце мы не случайно заметили, что молекулы движутся быстрее при увеличении температуры — ведь из-за этого испарение идет интенсивнее. В этом случае происходит охлаждение: нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и температура самой жидкости понижается.

Интенсивность испарения

Интенсивностью испарения называют количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.

Интенсивность испарения зависит от следующих факторов:

• Температура поверхности. Чем выше температура, тем больше испарение. После дождя в Санкт-Петербурге улицы долгое время остаются влажными, а вот в Таиланде даже в сезон дождей все высыхает быстро — из-за высокой температуры. Но это только если в сезон дождей дождь умудрился прекратиться 🙂
• Ветер. Чем больше скорость ветра, тем больше испарение. Фен для волос работает на этом принципе — по сути, он создает портативный ветер, который помогает высушить ваши волосы.
• Дефицит влажности. Интенсивность испарения будет выше там, где больше дефицит влажности. Вряд ли многие из нас были Сахаре, но что это такое представляют все. В любой пустыне колоссально низкая влажность — из-за этого испарение идет интенсивнее.
• Давление. Чем больше давление, тем меньше испарение. Мы уже выяснили, что не смотря на разницу между кипением и испарением, эти два процесса между собой связаны. Таким образом, температура кипения воды на вершине Эвереста равна 69 градусам Цельсия. В то время, как в нашей повседневной жизни она равна 100. Это возвращает нас к первому фактору — температуре.

Скорость испарения — количество жидкости, которая испаряется со свободной поверхности в единицу времени.

Интенсивность испарения — количество жидкости, которая испаряется с единицы площади поверхности в единицу времени.

По сути, это два очень близких друг к другу понятия, поэтому разница будет лишь в величинах и единицах измерения, а суть процесса отражают обе формулировки.

Насыщенный пар

Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Вода, испаряясь, превращается в водяной пар и поднимается вверх, где происходит конденсация пара, образуются облака, и вода возвращается на землю в виде осадков.

Вследствие конденсации водяного пара, который живет в воздухе, образуются облака и туман. По этой же причине холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом.

На рисунке — процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии. Это значит, что одновременно конденсируется и испаряется одинаковое количество вещества.

Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Но бесконечное количество пара в воздух не запихнешь. Поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.

Допустим, зимой при температуре -20 градусов в 1 литре воздуха содержится 1 миллиграмм пара. Относительная влажность в таком случае равна 100% — испарения не будет, больше пара в этот воздух уже не запихнешь.

Но если мы тот же воздух поместим в помещение с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40-50%.

Испарение в жизни

И действительно: чего в этой жизни только не испаряется — мы встречаемся с этим каждый день. Давайте узнаем, зачем этот процесс вообще нужен, и как люди научились извлекать из него пользу.

Испарение в организме человека и животных

Выше мы разбирали вопрос, почему если облиться теплой водой, нам все равно станет холодно. По этому же принципу работает ощущение холода после того, как мы вспотели — в какой-то момент нам становится холодно.

Само потоотделение — важный процесс терморегуляции организма. Если мы достигаем высокой температуры (из-за внешних воздействий или же из-за болезни), то организм стремится себя охладить, чтобы не умереть из-за превращения белков в нашем организме в яичницу.

Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется — все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализовать температуру.

При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой и «скинуть» избыточное тепло, но при высокой влажности пот не может испариться.

При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно. А при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.

У животных этот механизм работает схожим образом. Но, например, собакам испарения с кожи недостаточно, поэтому они часто открывают пасть, высовывают язык и дышат порой ну очень смешно 🐶

Именно гортань и язык собаки идеально подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.

Испарение у растений

Удивительно, но у растений механизм испарения тоже работает схожим образом. Растения очень любят воду, поэтому домашние растения мы поливаем, а в пустынях их просто нет.

Ту воду, которую цветы поглотили, они могут испарять, чтобы не перегреться под жарким солнцем. Да, вода нужна, чтобы растения питались, но в жаркие дни еще и для температурной саморегуляции. Поэтому не забывайте поливать цветы, а в очень жаркие дни делайте это еще интенсивнее.

Испарение в природе и окружающей среде

Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Именно круговоротом воды в природе обеспечивается жизнь на Земле — так как влага разносится по всему миру, растения в дикой природе способны жить без наших попыток полить большую пальму из леечки.

Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, поливают растения и деревья. Многие дождь не любят, мол, он мокрый, мерзкий и затекает в ботинки, но он очень нужен засушливым регионам — Северной Африке или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.

Испарение в промышленности и быту

С бытом совсем все просто: мы сушим вещи, готовим еду, покупаем увлажнители воздуха или размазываем разлитую лужу по полу.

В случае с промышленностью для нас все не так очевидно. Промышленная техника, работающая на основе испарения, разрабатывается по схожей схеме: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чтобы испарение шло интенсивно.

Например, испаритель, изображенный на схеме, состоит из совокупности соединенных между собой испарителей. В основе его действия — пар, полученный в одной ступени, который используют в качестве источника тепла для следующей ступени. По мере того, как температура уменьшается от одной ступени к другой, вакуум увеличивается, так что температура кипения становится ниже и испарение поддерживается. Он предназначен для того, чтобы очистить воду от отходов.

Источник