CN106247302B - 一种分形结构的干蒸汽发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分形结构的干蒸汽发生装置，包括一上端开口的壳体，该壳体包括底座和设置在底座上的外筒，其特征在于：所述底座由电加热底板和多孔泡沫金属层组成，所述多孔泡沫金属层固定在电加热底板的上表面且位于所述外筒的内腔中，在所述外筒上端设置有一通电的再热片，在该再热片上设置分布式的蒸汽流出通道。本发明一方面运用多孔泡沫金属层与外界接触面积大，并且能够产生更多的汽化核心结构特点，有效提高了干蒸汽的产生速率；另一方面再热片采用分形结构构造，对产生的湿蒸汽进行二次加热，大大提高了干蒸汽生成质量。本发明大大强化了干蒸汽的产生过程，进而达到高效换热、结构简易、节能的目的。

Description

一种分形结构的干蒸汽发生装置

技术领域

本发明涉及一种分形结构的干蒸汽发生装置，具体涉及的是一种为提高干蒸汽产生效率和质量而设计的结合多孔泡沫金属层及再热片的分形结构的干蒸汽发生装置。

背景技术

现如今干蒸汽广泛用于医疗卫生、生物制药工业、食品工业的灭菌消毒及有关器具的消毒，有效防止重金属、热原等杂质的再污染；干蒸汽同样渗透于生活中的方方面面，如为食堂、干洗店、蒸房、蒸汽熨斗提供必需的干燥蒸汽；因此，对于干蒸汽的质量和效益要求也显得尤为重要；迫切需要对当今效率较低的干蒸汽发生装置进行优化设计，提高干蒸汽生成质量和发生效率，减小能耗。

现今干蒸汽发生装置，主要存在如下问题：

(1)加热装置与工作介质之间的换热面积较小，工作介质的受热不够均匀，在实际过程中则要求更高的能耗来加热工作介质；

(2)蒸汽产生于汽化核心处，而当前的蒸汽发生装置在提高汽化核心数方面有所欠缺；

(3)产生的湿蒸汽在二次加热过程中，受热不均匀，产生的干蒸汽的质量较低。因此迫切需要寻求一种新型、高效的干蒸汽发生方案和技术。

多孔泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料。多孔泡沫金属由于拥有连通的气孔结构、高气孔率以及高导电性等有点，常用于航空航天、石油化工等一系列工业开发上。由于泡沫金属的结构特点能够提供蒸汽发生所必须的汽化核心，在干蒸汽发生装置方面可以得到很好的应用。

意在强化干蒸汽的产生过程，降低加热过程中的电量损耗，提高干蒸汽的产生效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一通过产生更多的汽化核心结构特点，有效提高了干蒸汽的产生速率；对湿蒸汽二次加热，提高了干蒸汽产生效率的干蒸汽发生装置。

针对上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种分形结构的干蒸汽发生装置，包括一上端开口的壳体，该壳体包括底座和设置在底座上的外筒，其特征在于：所述底座由电加热底板和多孔泡沫金属层组成，所述多孔泡沫金属层固定在电加热底板的上表面且位于所述外筒的内腔中，在所述外筒上端设置有一通电的再热片，在该再热片上设置分布式的蒸汽流出通道。

多孔泡沫金属层由M(1≤M≤100)层平面结构叠加而成，每层平面厚1～3mm，每层平面上布置有多个孔径大小不同的金属通孔，通过网格划分方式生成，将每层平面划分为a行，b列，在每个网格节点上布置通孔，孔径d服从正态分布,孔径均值μ(1mm≤μ≤3mm),标准差δ(0.3mm≤δ≤0.6mm),孔径d的概率密度公式为

所述多孔泡沫金属层的孔隙率为90％以上。

所述再热片为方形，再热片上分布式蒸汽流出通道的槽道外轮廓为N≥3的分形曲线，分形曲线的生成步骤为：

(1)将矩形区间定义为[0,1]×[0,1]，横坐标x,纵坐标y；

(2)第1级由三条线段组成，按照顺序连接四个坐标点；

(3)第K(2≤K≤N)级皮亚诺分形曲线的形成将K-1级分形曲线的横纵坐标减半，并以K-1级分形曲线连接方式连接得到曲线L_K1，以作为对称轴画出对称曲线L_K2，将曲线L_K2绕点逆时针旋转90°得到曲线L_K3；将曲线L_K1和L_K3以对称轴画出对称曲线L_K4和L_K5；分别连接点和 和 和此3条线段与曲线L_K1、L_K3、L_K4、L_K5所组成的曲线图形即为分形曲线的第K级。

本发明一种分形结构的干蒸汽发生装置，采用具有能够提升汽化核心数的多孔泡沫金属层对水进行间接加热，多孔泡沫金属层的孔隙率达到90％以上，与外界接触面积大；能够对干蒸汽二次加热提高干蒸汽生成质量的再热片上具有采用具有分形曲线结构构造的蒸汽流出通道，经多次分形构造后形成封闭区域后形成，这种分形结构整体流出通道分布更为均匀，可提高再热片的加热效率，得到更多的蒸汽。

电加热底板呈平板状，采用高导热导电性能材料，高温状态无翘曲变形；工作面板选材铸铁,有优越的抗腐蚀性能,工作面温度均匀；升温快且均匀,操作简便,使用安全；通过正负电极与加热电路相连接。

多孔泡沫金属层，采用导电导热性能高的金属材料，如铜、铝合金等，多孔金属孔隙率达到90％以上，呈正方形结构，具有一定强度和刚度，且与外界的接触面积大，提供大量蒸汽产生所必须的汽化核心；多孔泡沫金属层由M层平面结构叠加而成，每层平面布置有多个孔径大小不同的金属通孔，通过网格划分方式生成对应的泡沫金属通孔，将每层平面划分为a行，b列，在每个网格节点上布置金属通孔，孔径服从正态分布,孔径均值μ＝2mm,标准差δ＝0.5mm，孔径d的概率密度公式为所述的多孔泡沫金属层采用多层结构叠加从而产生更多通孔结构，最大程度的增加汽化核心数；所述的多孔泡沫金属层采用正态分布布置通孔一方面能够根据公式估计任意通孔孔径任意取值范围内频数比例，另一方面有利于制定通孔孔径参考值范围。

多孔泡沫金属层和电加热底板相连接成一整体，电路通过电极对多孔泡沫金属层和电加热底板的整体进行加热，接着将热量传给所述的工作介质使之受热蒸发产生湿蒸汽。

外筒采用保温性能好的材料，为上下开口结构在其下侧有一进水口，其顶部是一开口，产生的湿蒸汽经过顶部出口传到再热片进行二次加热产生干蒸汽。

外筒与再热片通过绝缘材料相连接成一体。

再热片通过正负电极与加热电路相连接，先将热量传递给再热片，然后对外筒出口湿蒸汽进行二次加热，随着再热片分形结构级数的增加，使得在有限的空间里加热部分和干蒸汽出口部分越来越紧凑，获得的干蒸汽的二次受热也越来越均匀。

有益效果

本发明所涉及到的技术方案在于将多孔泡沫金属层与再热片相结合运用到分形结构的干蒸汽发生装置上去，多孔泡沫金属层连接电加热底板，利用多孔泡沫金属层与外界接触面积大和能够提供更多的汽化核心数的结构特征，有效提高了干蒸汽的产生速率；再热片采用分形曲线结构，对产生的湿蒸汽进行二次加热得到干蒸汽，保证了干蒸汽的生成质量，随着再热片采用的分形级数的增加，湿蒸汽的二次加热过程将更加均匀充分，大大强化了干蒸汽的产生过程，产生的干蒸汽的质量得到显著提高，进而达到高效换热、结构简易、节能的目的。由于该发明多孔泡沫金属层与再热片在干蒸汽产生过程的优越性，保证了系统运行的安全、稳定、高效。

附图说明

图1给出的是分形结构的干蒸汽发生装置立体示意图；

图2给出的本发明再热片的局部加热原理图；

图3给出的是本发明具有分形结构特征蒸汽留出通道的再热片的结构示意图，其中a为具有3级分形结构特征蒸汽留出通道；其中b为具有4级分形结构特征蒸汽留出通道；

图4为本发明电加热底板与多孔泡沫金属层整体加热示意图；

图5为本发明多孔泡沫金属层某层平面通孔的生成示意图；

图6为本发明多孔泡沫金属层另一层平面通孔的生成示意图；

图中，1.电加热底板；2.多孔泡沫金属层；3.外筒；4.再热片；5.干蒸汽出口方向；6.热量传递方向。

具体实施方式

下面结合附图对本说明作进一步的描述：

图1给出了分形结构的干蒸汽发生装置的立体结构示意图。一种分形结构的干蒸汽发生装置，由电加热底板1、多孔泡沫金属层2、外筒3、再热片4和工作介质构成。其中外筒可以为正方形的外筒或者圆筒等其他形状。多孔泡沫金属层2的孔隙率占90％以上，孔径大小服从正态分布，多孔泡沫金属层2与电加热底板1固定成一整体，置于该装置的底部；外筒3呈正方形结构，由保温性能好的金属材料制成，置于电加热底板1和多孔泡沫金属层2形成的整体的上方并与之密封连接，外筒3通过进水口填充工作介质，外筒3顶部是一开口，和再热片4通过绝缘材料相连接并密封。

系统原理为：工作介质通过外筒3的进水口进入外筒3内，经由电加热底板1和多孔泡沫金属层2整体加热后产生湿蒸汽，湿蒸汽从外筒3的顶部开口流出，在外筒3顶部布置有再热片4，在再热片4二次加热情况下，湿蒸汽转化为干蒸汽。

图2给出的是再热片加热原理图，该采用分形结构，该结构含N级(N≥3的整数)，再热片通过电极与电路相连接，先对再热片进行电加热，然后将热量传递给湿蒸汽进行二次加热，产生干蒸汽，干蒸汽由干蒸汽出口部位流出，随着再热片采用的分形级数的增加，再热片加热实体部分和干蒸汽出口部位越来越紧凑，产生的干蒸汽的二次受热也越来越均匀。

图3给出的是再热片的分形规律图。

图4给出的是电加热底板与多孔泡沫金属层就整体加热原理图，电路通过电极将热量传递给电加热底板和多孔泡沫金属层整体，然后将热量传递给工作介质。

图5和图6给出的是多孔泡沫金属层某一层表面孔径大小的生成示意图，其他生成方式类似，通过网格划分方式生成对应的泡沫金属通孔，将每层平面划分为a行，b列，在每个网格节点上布置金属通孔，孔径d服从正态分布,孔径均值μ(1mm≤μ≤3mm),标准差δ(0.3mm≤δ≤0.6mm)，孔径d的概率密度公式为

Claims (4)

1.一种分形结构的干蒸汽发生装置，包括一上端开口的壳体，该壳体包括底座和设置在底座上的外筒，其特征在于：所述底座由电加热底板和多孔泡沫金属层组成，所述多孔泡沫金属层固定在电加热底板的上表面且位于所述外筒的内腔中，在所述外筒上端设置有一通电的再热片，在该再热片上设置分布式的蒸汽流出通道。

2.根据权利要求1所述的分形结构的干蒸汽发生装置，其特征在于：多孔泡沫金属层由M层平面结构叠加而成，每层平面厚1～3mm，每层平面上布置有多个孔径大小不同的金属通孔，金属通孔通过网格划分方式生成，将每层平面划分为a行，b列，在每个网格节点上布置通孔，孔径d服从正态分布,孔径均值为μ,标准差为δ，孔径d的概率密度公式为其中1mm≤μ≤3mm,0.3mm≤δ≤0.6mm，1≤M≤100。

3.根据权利要求2所述的分形结构的干蒸汽发生装置，其特征在于：所述多孔泡沫金属层的孔隙率为90％以上。

4.根据权利要求1、2或3所述的分形结构的干蒸汽发生装置，其特征在于：所述再热片为方形，再热片上分布式蒸汽流出通道的槽道外轮廓为N≥3的分形曲线，分形曲线的生成步骤为：

(1)将矩形区间定义为[0,1]×[0,1]，横坐标x,纵坐标y；

(2)第1级由三条线段组成，按照顺序连接四个坐标点；

(3)第K(2≤K≤N)级皮亚诺分形曲线的形成将K-1级分形曲线的横纵坐标减半，并以K-1级分形曲线连接方式连接得到曲线L_K1，以作为对称轴画出对称曲线L_K2，将曲线L_K2绕点逆时针旋转90°得到曲线L_K3；将曲线L_K1和L_K3以对称轴画出对称曲线L_K4和L_K5；分别连接点和和 和此3条线段与曲线L_K1、L_K3、L_K4、L_K5所组成的曲线图形即为分形曲线的第K级。