CN101358729A - 用于产生蒸汽的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于产生蒸汽的装置。依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置包括：高压容器，其包括中空主体和蒸气出口，所述中空主体具有确定的体积和密封的形状，所述蒸气出口形成于所述主体的上部或下部，用于排出所述主体中产生的蒸气；供热单元，其用于将高温热量供应到所述高压容器；供水泵，其被安置于所述高压容器的外部，并从外部向所述高压容器供应水；喷嘴，其用于将由所述供水泵供应的水喷射到所述高压容器；以及蒸气排出管线，其连接到所述高压容器的出口以引导所述主体中产生的蒸气。本发明具有的优势在于可以在非常短的时间内获得宽温度范围内的蒸汽以及获得所想得到的蒸汽。

Description

用于产生蒸汽的装置
技术领域
本发明涉及用于产生在工业领域中所必需的高压蒸汽的装置，更具体地，涉及更有效地以及更经济地产生用于工业领域的高温蒸汽的装置和方法。
背景技术
在工业领域中为了获得高温高压蒸汽，通常在高温高压下在锅炉中加热工业用水以产生高温高压蒸汽。已经发现，一般通过这一常规方法得到的蒸汽具有大约140℃的温度，并且被保持在大约12Kgf/cm2的压力下，然而根据工业领域所需要的较好质量的蒸汽具有大约180℃的温度，并且被保持在大约15Kgf/cm2的压力下。
用于产生蒸汽的这一常规方法利用了一种现象，在该现象中在大约100℃、大气压下，液相的水通过相变被汽化为气态水蒸气，并且由于在高压下气态水蒸气的内能的增加使得气态水蒸气的温度升高。
然而，在这一常规方法中，在传统的锅炉中加热液相的水时，应将大量的热量供应给水以便使锅炉中的水汽化。这表明包含在锅炉中的全部的水应被加热至汽化，然后所得到的水蒸气应进一步被加热到所想得到的温度以便产生蒸汽。因此，用于产生蒸汽的常规方法的缺点在于需要输入过量的能量，且产生的蒸汽的量与输入的能量的量相比是少的。
而且，虽然在常规方法中将大量的能量供应到了锅炉，且所供应的能量的大部分持续地汽化包含在锅炉中的水以产生水蒸气，但不可能进一步提高所产生的水蒸气的温度。因此，其缺点在于所产生的水蒸气的温度是受限制的(例如到180℃)，且不可能获得高于180℃的高温水蒸气。
另外，用于产生蒸汽的常规方法的缺点在于应配备大型的锅炉来产生水蒸气，导致投资费用增加。
此外，依据用于产生蒸汽的常规方法，考虑到安全性，实际产生水蒸气的设备例如锅炉被安置在远离水蒸气被实际使用的场所的位置上。因而，需要包括管线的大量有用设备来将所产生的水蒸气传送到水蒸气被实际使用的场所。因此，用于产生蒸汽的常规方法的问题在于，除了要求高投资费用外，还需要高维修费用，导致蒸汽产生费用的增加。
如上所述，用于产生蒸汽的常规方法的内在问题在于：对于所输入的能量来说产生少量的蒸汽，当需要具有高于常用温度的温度的蒸汽时需要大量的能量，而且不可能获得具有200℃或更高温度的超高温的蒸汽。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于有效地产生高温蒸汽的装置和方法，其中输入的能量更有效地被细水粒吸收，这极大地增加了用于工业领域的水蒸气的量，而且能进一步升高所述水蒸气的温度。
依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置包括：高压容器，其包括中空主体以及蒸气出口，所述中空主体具有确定的体积和密封的形状，所述蒸气出口形成于所述主体的上部或下部，用于排出所述主体中产生的蒸气；供热单元，其用于将高温热量供应到所述高压容器；供水泵，其被安置在所述高压容器的外部，并从外部向所述高压容器供应水；喷嘴，用于将由所述供水泵供应的水喷射到所述高压容器；以及蒸气排出管线，其被连接到所述高压容器的出口，用于将在所述主体中产生的蒸气引导到所述蒸气待被实际使用的场所。
依据本发明，所述高压容器优选地进一步包括传热板或被设置在其中的辅助供热单元。
另外，依据本发明，所述高压容器优选地进一步包括连接端(connectingcap)。
依据本发明的用于产生高温蒸汽的方法包括以下步骤：允许所述高压容器的内部状态达到预定压力或预定温度；以及如果所述高压容器的内部状态达到所述预定压力或预定温度，就将从外部供应的水喷射到所述高压容器中。
依据本发明，优选地，所述高压容器具有3-5Kgf/cm2的初始设定的内部压力以及120℃或更高的初始设定的内部温度。
另外，依据本发明，优选地，所述高压容器的预定压力是10-40Kgf/cm2，以及所述高压容器的预定温度是150-300℃。
附图说明
图1是依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100的示意图；
图2示出用于产生高温蒸汽的装置100的一个改进的实施方案的示意图；
图3是示出用于产生高温蒸汽的装置100的另一个改进的实施方案的示意图；
图4是示出用于产生高温蒸汽的装置100的进一步改进的实施方案的示意图；以及
图5是示出在其中用于产生高温蒸汽的装置100被顺序地相互连接的改进的实施方案的示意图。
具体实施方式
以下，将参考附图来更详细地说明本发明。
图1是依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100的示意图。
依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100包括高压容器110，高压容器110用于允许水蒸气在其中被产生。高压容器110提供了空间，在所述空间中从外部供应的细水滴吸收高温热量产生高压高温水蒸气。高压容器110优选为用于工业领域的圆筒形容器。
依据本发明，高压容器110包括中空主体112。主体112具有确定的体积且被密封，使得当所述主体从外部被加热时，可以增加存在于所述主体中的水蒸气的内能。
在本发明中，主体112包括位于其上部或下部的蒸气出口114。蒸气出口114是通道，在主体中产生的蒸气被通过该通道排出到外部。虽然蒸气出口114可以形成于主体112的上部或下部，但更优选地，蒸气出口形成于接近地面的下部。这是因为如果蒸气出口114形成于主体的下部，那么当主体112中的蒸气通过蒸气出口114排出时，集中在主体112的下部的高温高压水也同时被排出到外部。在这种状态下，瞬间排出的高温高压水立即快速膨胀，以致于有利地产生另一种蒸气。
依据本发明，优选地，高压容器110进一步包括在主体112中的传热板116。传热板116由与主体112同样的金属材料制成，并优选地被制成板的形状。如果传热板形成为板的形状，由于传热板的面积宽，传热效率可被提高。为了保证蒸气的自由流动，优选在传热板116上形成多个通孔。在本发明中，优选地，传热板116在主体112的纵向上结合到主体上。不过，传热板也可在主体112的横向上安装。在传热板116被结合到主体的情况下，即使高压容器110的容量增加了，也还是可以在高压容器中实现热能的快速交换，并且可以有效地进行产生蒸气的过程。依据高压容器110的容量可以设置1-8个传热板116。
依据本发明，优选地，高压容器110进一步包括在主体112的上部的连接端118。在多个本发明的用于产生高温蒸汽的装置被顺序地相互结合以及使用的情况下，连接端118可被用作连接设备，用于连接被设置在其前面的装置的蒸气排出管线150。
依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100包括用于将高温热量供应到高压容器110中的供热单元120。
在本发明中，供热单元120优选为被固定到主体112的外表面并缠绕在主体112的外表面上的加热带，并且也可将使用热媒(heat medium)的管用作供热单元120。供热单元120将电能转变为热能，然后将高温热量供应到高压容器110的主体112。当高温热量通过供热单元120传递到高压容器110时，存在于高压容器110中的蒸气的内能增加。这时，由于高压容器110的主体112的体积是恒定的，因而蒸气的压力和温度都自然地升高了。
在本发明中，供热单元120可以安装到主体112的内表面。在供热单元120被安装到主体112的内表面的情况下，具有的优势是供热单元能够更直接地将高温热量传递到存在于主体112中的蒸气。
另外，依据本发明，供热单元120可以进一步包括安装到主体112的内表面的辅助供热单元122。优选地，辅助供热单元122形成于主体112的内部并在纵向上延伸。这样是为了使得促进在辅助供热单元122和存在于主体112内部的蒸气之间的更有效的热交换成为可能。
依据本发明用于产生高温蒸汽的装置100包括被安置在高压容器110外部的供水泵130。
在本发明中，供水泵130被安置在高压容器110的外部以将水供应到高压容器110。供水泵130优选使用能够在高压下供应水的水泵或增压机。即使在工作期间，在高压容器110的内部压力被保持在非常高的水平的情况下，供水泵130也能克服内部压力以允许水被不断地供应到高压容器110。所供应的水优选使用净化水或工业用水。由供水泵130从外部供应的水被用作在高压容器110中产生蒸汽的原料。
依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100包括喷嘴140，该喷嘴用于将从供水泵130供应的水喷射到高压容器110中。
在本发明中，喷嘴140将从供水泵130供应的水以细水滴的形式喷射到高压容器110中。从喷嘴140喷射的细水滴一被喷射就进入高温高压的环境中。所述高温高压的环境是通过安装在高压容器110里面或外面的供热单元120所提供的高温热量而形成的。
在本发明中，细水滴在从喷嘴140喷射出来之后立刻进入高温高压环境中，并在高温高压环境中通过其全部表面吸收高温热能。因此，从喷嘴140喷射出来的细水滴的内能瞬间迅速增加，并且水滴在被转变为气体分子(水蒸气)时其体积迅速膨胀。这时，由于高压容器110是密封的且具有确定的恒定体积，气体分子(水蒸气)达到高压，然后达到高温。由于上述相互作用，在很短的时间内在高压容器110中产生大量的蒸汽。然后，由于蒸汽的体积迅速增加，在有限的空间内产生超高压的蒸汽，同时，也产生了超高温的蒸汽。
依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100包括被连接到高压容器110的出口114的蒸气排出管线150。在本发明中，蒸气排出管线150将在主体112中产生的蒸汽引导到蒸汽待被实际使用的场所。
在本发明中，如果排出管线150被连接到另一个高压容器110的连接端118，那么多个用于产生高温蒸汽的所述装置被顺序地相互连接。
同时，依据本发明，未解释的参考数字10指定为管路，参考数字20指定为用于测量高压容器110的内部温度的温度测量传感器，以及参考数字30指定为用于测量高压容器110的内部压力的压力测量传感器。
图2a示意性地示出一个实施方案，其中传热板116被设置在依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100的高压容器110中，图2b是沿着图2a中的线A-A的剖视图。
在本发明中，传热板116的功能和结构已经在上面详细地描述了。
图3是示出用于产生高温蒸汽的装置100的另一个改进的实施方案的示意图。
图3中显示，依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100进一步包括设置于高压容器110的主体112中的连接端118。另外，高压容器110的主体112的下部处于密封状态，蒸气出口114形成于高压容器110的主体112的上部。在图3中还示出供热单元120被安装于高压容器110中。
图4示意性地示出依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100的进一步的优选实施方案。
图4中示出，在供热单元120被安装到高压容器110的外部的状态下，依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100具有设置在高压容器110中的辅助供热单元122。
另一方面，图5示意性地显示出用于产生高温蒸汽的装置100被顺序地相互连接，作为依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100的更进一步的优选实施方案。虽然图5例示了两个用于产生高温蒸汽的装置100被相互连接，但如果必要的话，可以调节装置100的数目。即：两个或更多的所述装置可以被串联地相互连接并使用。
依据本发明的用于产生高温蒸汽的装置100可以以下列方式被使用。然而，下面的方法只是被提出以使本领域技术人员能够容易地实现本发明的精神，而且，显然，依据本发明的用于产生高温蒸汽的所述装置可以根据特定条件以各种方式被使用。
依据本发明的产生高温蒸汽的方法可以通过将上述用于产生高温蒸汽的装置100安置到所述装置将被使用的场所来开始。这时，高压容器110的内部压力与大气压相同，并且高压容器110处于密封状态。
在依据本发明的产生高温蒸汽的方法中，被安装到高压容器110的外围的供热单元120被加热以加热在高压容器110中的气体。高压容器中的气体可以是空气。本发明与以本发明的发明人的名义提交的在先专利申请(韩国专利申请No.10-2006-30269、10-2006-62797和10-2007-30126)中所公开的现有技术的区别是：本发明的方法是在没有注入另外的气体到高压容器110中以及没有将高压容器110的内部加压至高于大气压的压力的情况下执行的。
依据本发明，在初期，在一般的大气压下密封高压容器110，并将热能从外部供应到高压容器110。这时，优选将水喷射到高压容器110中以混合水滴与空气。在这种情况下，高压容器110中的气体的内能由于从外部供应的热能而逐步地增加。当气体的内能增加时，气体逐步地膨胀以将高压容器的内部温度和内部压力转变为高温和高压。可以将水持续地供应到高压容器110。然而，更优选地，仅在初始时供应一些水，这之后中断水的供应，然后在水没有被供应的状态下持续地供应热能。
在本发明中，优选地，在测量高压容器110的内部温度和内部压力，且所测得的内部温度和内部压力达到预定的初始设定温度和初始设定压力的情况下，将水由供水泵130从外部供应到高压容器110。这时，优选初始设定温度为120℃或更高，初始设定压力为3-5Kgf/cm2。在本发明中，初始设定温度和/或初始设定压力用于确定水从外部被供应到高压容器110的时刻。如果初始设定温度和/或初始设定压力高，从外部供应的水则在单位时间吸收大量的热能。然而，如果初始设定温度和/或初始设定压力太高，则操作时间变长。因此，优选适当地调节初始设定温度和/或初始设定压力。
在本发明中，由供水泵130供应的水通过喷嘴140喷射。这时，通过喷嘴140喷射的水在高压容器110中被分成细水滴。在这一状态下，细水滴直接暴露于高压容器的内部环境。以细水滴形式的水在高压容器110中通过其全部表面吸收高温热量，瞬间被汽化为气体分子，以致水滴迅速膨胀。同时，水滴的膨胀允许被密封的高压容器110的内部状态转变为高压状态。上面的因素引起协同作用以使得高压容器110的内部瞬间充满高温高压蒸气，产生高质量的蒸气。
依据本发明，在高压容器110的内部温度和/或内部压力达到预定的主要设定温度和/或主要设定压力以前，可以持续运转供水泵130，或者可以中断片刻。如果供水泵130的运转被中断片刻，那么高压容器110的内部状态将更迅速地达到预定的主要设定温度和/或主要设定压力，因此更优选中断片刻。在本发明中，主要设定温度优选150-300℃。优选地，主要设定压力是大约10-40Kgf/cm2。这是因为太低于此范围难以获得高质量的蒸汽，太高于此范围在高压容器110的安全性上不可取。
在本发明中，一旦高压容器110的内部状态达到预定的主要设定温度和/或主要设定压力，供水泵130就开始再次运转。从外部供应的水开始通过喷嘴140以细水滴的形式喷射到高压容器110中。被喷射的细水滴如上所述地瞬间转变成蒸气，由此高压容器110完全充满了高温蒸气。
依据本发明，根据最终用途，通过上述过程来大量地以及令人满意地产生高质量的蒸气是可能的。
可以根据蒸汽产生装置100来更具体地和详细地描述依据本发明的用于产生高温蒸汽的方法。
当高压容器110将被用在蒸汽产生装置100中时，选择具有长度1,200mm、内径150mm和体积21升的圆筒，作为供热单元120的加热带被安装在所述圆筒的外部上。加热带的功率被定为3.5kW×4＝14kW，被压缩在供水泵130中的水的压力被定为80-100Kgf/cm2，在上述压力下通过喷嘴140喷射的水的量被定为2.3升/分钟。另外，蒸气排出管线150被安装在高压容器110的下部。这与以本发明人的名义提交的在先专利申请完全不同之处在于现有技术中安装了供气设备和供气管线。
另一方面，用于从外部供应水的管路10被连接到高压容器110的上部，作为供水泵130的水压缩机被安装到管路10。另外，管路10安装有能够控制待被供应的水的量的水开/关阀12，以及防止水通过高压容器110中的蒸汽回流的止回阀16。蒸气排出管线150被安装在高压容器110的下部以将高压容器110中产生的蒸汽排放到该高压容器的外部，且能够控制待被排放的蒸汽的量的蒸汽开/关阀14被安装到蒸气排出管线150。可以分别感测高压容器的内部温度和内部压力的温度测量传感器20和压力测量传感器30也被安装到高压容器110。
同时，如果高压容器110正常产生和排放蒸汽，高压容器110的温度被设定为240℃，且加热带120的开/关变量被设定为5℃。即：在测量温度为235℃时电源被接通，在测量温度为245℃时电源被断开。
在这种状态下，电能被供应到加热带120以向高压容器110中供应热能。一旦水通过喷嘴140开始喷射，就在高压容器110中产生蒸汽，且高压容器的内部压力升高。高压容器的内部压力达到初始压力3-5Kgf/cm2花费大约5秒。这时，供水被中断，电能被持续地供应到加热带120，内部温度达到设定温度240℃。这时，通过供水泵130，水再次被持续地供应到高压容器110，然后高压容器110的内部温度即刻下降。在35-50秒内高压容器110的内部温度逐渐恢复并接近设定温度。高压容器110的内部压力大约是27Kgf/cm2。
为了使用在高压容器110中产生的蒸汽，打开蒸汽开/关阀14以排放蒸汽直至高压容器110的内部压力降低到10Kgf/cm2。这时，关闭蒸汽开/关阀14以中断蒸汽的排出，然后高压容器110的内部温度和内部压力开始再次升高。
通过重复上述过程，通过高压容器110产生大量的高温蒸汽是可能的。
在使用依据本发明的蒸汽产生装置100产生蒸汽的情况下，最终产生的水蒸气的量和质量可以通过调节高压容器110的内部温度和内部压力来控制。一般地，在高压容器110的内部温度和内部压力被保持在高温和高压的情况下，通过喷射水能够更充足地获得高温高压蒸汽。
依据本发明获得的高温高压蒸汽能够被广泛地用作工业领域中的各种热媒。
在依据本发明的蒸汽产生装置的应用上，具有的优势是在非常短的时间内能够获得宽温度范围内的蒸汽以及能够获得所想得到的蒸汽。
另外，在依据本发明的蒸汽产生装置的应用上，具有的优势在于可以获得依靠常规方法无法获得的具有超高温(例如200℃或更高)的蒸汽。
此外，在使用依据本发明的蒸汽产生装置的情况下，由于蒸汽是通过使输入热量直接接触细水滴而获得的，所以可以使热效率达到最大值，且能量可被显著减少。
进一步地，在依据本发明的用于产生蒸汽的装置的应用上，由于不需要使用大容量的锅炉，设备费用可被极大地降低。另外，具有的优势是由于不需要使用大容量的锅炉，从而不使用化石燃料，环境污染的问题可以被解决。
虽然依据本发明的用于产生蒸汽的方法和装置在上面已被详细说明了，但是说明书仅仅例示了本发明的最优选的实施方案，且本发明并不限于这些实施方案。本发明的范围由所附权利要求书所限定。
进一步地，显然，本领域技术人员可以从专利说明书进行各种变化和变更，且所做的变化和变更都将落入本发明的范围。

Claims (12)

1.一种用于产生高温蒸汽的装置，其包括：
高压容器，其包括中空主体和蒸气出口，所述中空主体具有确定的体积和密封的形状，所述蒸气出口形成于所述主体的上部或下部，用于排出在所述主体中产生的蒸气；
供热单元，其用于将高温热量供应到所述高压容器；
供水泵，其被安置于所述高压容器的外部，且从外部向所述高压容器供应水；
喷嘴，其用于将由所述供水泵供应的水喷射到所述高压容器；以及
蒸气排出管线，其连接到所述高压容器的所述出口，用于将在所述主体中产生的蒸气引导到所述蒸气待被实际使用的场所。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述高压容器进一步包括设置于其中的传热板。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述高压容器进一步包括设置于其中的辅助供热单元。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述高压容器进一步包括连接端。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述供热单元被设置于所述高压容器的内部。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述蒸气出口形成于所述主体的下部。
7.一种使用用于形成高温蒸汽的装置产生高温蒸汽的方法，其中，所述用于形成高温蒸汽的装置包括：
高压容器，其包括中空主体和蒸气出口，所述中空主体具有确定的体积和密封的形状，所述蒸气出口形成于所述主体的上部或下部，用于排出所述主体中产生的蒸气；
供热单元，其用于将高温热量供应到所述高压容器；
供水泵，其被安置于所述高压容器的外部，且从外部向所述高压容器供应水；
喷嘴，其用于将由所述供水泵供应的水喷射到所述高压容器；以及
蒸气排出管线，其连接到所述高压容器的所述出口以引导所述主体中产生的蒸气，
所述方法包括以下步骤：
允许所述高压容器的内部状态达到预定压力或预定温度；以及
如果所述高压容器的内部状态达到所述预定压力或预定温度，将从外部供应的水喷射到所述高压容器中。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述高压容器具有3-5kgf/cm2的初始设定内部压力。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述高压容器具有120℃或更高的初始设定内部温度。
10.如权利要求7-9中任一项所述的方法，其中在所述高压容器的内部状态达到所述预定压力或预定温度之后，所述供热单元持续地将热能供应到所述高压容器。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述高压容器的预定压力是10-40kgf/cm2。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述高压容器的预定温度是150-300℃。
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