EP0143719A1 - Générateur électrique de vapeur - Google Patents

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EP0143719A1
EP0143719A1 EP84402423A EP84402423A EP0143719A1 EP 0143719 A1 EP0143719 A1 EP 0143719A1 EP 84402423 A EP84402423 A EP 84402423A EP 84402423 A EP84402423 A EP 84402423A EP 0143719 A1 EP0143719 A1 EP 0143719A1
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generator
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Georges Jean Daney
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/28—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically
    • F22B1/284—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically with water in reservoirs

Definitions

  • the present invention relates to a steam generator.
  • Electric resistance type steam generators used in industry usually include a closed vessel or enclosure containing water or other liquid heated by electric resistance heating elements which are immersed in the water or other liquid.
  • the heating elements used up to now consist of sealed insulating sheaths inside which electrical resistors are arranged which communicate their heat to the surrounding water through these sheaths.
  • the invention aims to remedy these drawbacks by producing an electric steam generator comprising electric heating means which can be supplied with high or medium voltage, having a high heat transfer rate and in which the conventional heating elements are replaced by new devices of simple manufacturing of very economic, allowing to realize high power units in a small volume.
  • the object of the invention is for this purpose an electric steam generator, of the type comprising a closed tank containing water or other liquid, a steam outlet duct, a liquid supply or return duct for the condensed steam, electrical supply terminals and electrical resistance heating means immersed in water, characterized in that said heating means are constituted, for each phase at high or medium voltage, by a bare metal wire bathing directly in the and mounted vibrating between insulating screens.
  • each of said naked vibrating mounted wires is connected directly between a phase terminal and the earth of the tank.
  • said screens are arranged vertically in the liquid, on either side of said wire and protrude above the surface of the liquid.
  • the metal wire is arranged so as to have parallel or roughly concentric strands offset on either side of a generatrix of an oblique surface.
  • said surface is conical or pyramidal, said wire forming a spiral whose turns are offset on either side of said surface, inside an enclosure formed by a circular screen .
  • a second circular screen is arranged concentric with the first, inside the latter and said spiral is arranged in the interval between said screens.
  • said surface is a plane and the parallel strands of the wire are offset on either side of this plane, which is located between two parallel screens.
  • the steam generator comprises in known manner a tank 1 carried by feet 2, coated with a thermal insulator 3 and comprising at its upper part an opening 4 access, a steam outlet duct 5 and, at its lower part, a duct 6 for the return of condensed steam.
  • the generator operates on a three-phase current and comprises three identical heating devices 7, one for each phase of the supply current. Since they are identical only one of them will be described.
  • the heating device 7 comprises a non-insulated continuous conductor 8 immersed directly in the water contained in the tank 1.
  • the conductor 8 forms a spiral, the turns of which are arranged vertically behind a screen forming an insulating enclosure.
  • the upper end of the conductor 8 is connected by a conductor 9 to a supply terminal through the tank 1 by means of an insulator 11.
  • the lower end of the conductor 8 is connected by a conductor 12 to earth, that is to say to the tank 1.
  • the spiral formed by the conductor 8 is disposed inside a double insulating enclosure which is formed, according to the example shown, by two concentric tubular screens 13 and 14 made of an electrically insulating material, arranged vertically, supported by a cross-member horizontal 15 and open at their ends.
  • FIG. 3 is a partial schematic view on a larger scale showing the arrangement of the conductor 8 in the insulating enclosure.
  • the upper end of the outer tube 13 extends above the level of the water, or other liquid contained in the tank, while the upper end of the inner tube 14 extends only a certain distance below from the surface of the water.
  • the turns 18 are held in position by means of elastic members 19 acting in traction and fixed alternately to the outside and inside tubes.
  • the lower end 20 of the spiral is connected to the ground as indicated above, that is to say to the tank 1.
  • each heating device being open at their lower end, a general circulation of water is established in the tank between the various devices, circulation which accelerates the rise in temperature of the liquid.
  • FIG. 4 shows a variant of the fixing of the turns 18 of the conductor 8, in which the elastic members 19 are fixed on rigid uprights 24 made of an insulating material, for example ceramic, placed between the concentric screens 13 and 14.
  • FIGS. 5 and 6 show an embodiment of the heating devices in which the conductor 28 is arranged in an insulating enclosure constituted by a tube of oblong section, for example rectangular, the two large parallel walls 33 of which delimit a space in which the conductor 28 is arranged so as to have parallel strands 38.
  • the parallel strands 38 of the conductor 28 are generally arranged offset with respect to a generator 26 of an oblique surface, thus also producing vibrations of the strands, 38, which have the effect of detaching the Vapor bubbles rising to the surface, carrying hot water inside the enclosure and at the same time inducing a call for cold water as indicated by the curved arrows in Figure 6.
  • the upper end of the conductor 28 is connected to the phase conductor 29 and its lower end is connected by a conductor 32 to ground.
  • the strands 38 of the conductor can also be held in position by elastic members 29 in a manner similar to that described with reference to FIG. 3.
  • the strands 38 of the conductor are carried by rigid supports 30 by means of elastic members 29.
  • each heating device there is established in the water, which is slightly conductive, an electric current between elements of the metallic conductor, having a potential difference. This current, parallel to the main current, also participates in the transmission of thermal energy to water.
  • the geometry of the devices, the cross sections of the current in the water, the distances between elements of conductors at different potentials, make it possible to predetermine, for a given supply voltage, the value of this current. This value is limited so that, depending on the nature and geometry of the conductor chosen, it does not cause, by hydrolysis, a hydrogen and oxygen content incompatible with use.
  • the nature and cross-sectional shape of the metallic conductor are chosen so that it withstands the high temperatures to which it is subjected in the generator, that it does not undergo oxidation or chemical attack at this temperature and has a resistivity sufficient electrical power so that it is not necessary to give it too long a length.
  • the electrical insulating screens between phases will be made of a material which does not absorb water under pressure, in order to preserve their insulating properties in permanent immersion, for example porcelain or a plastic material of the polytetrafluoroethylene type, or the like.
  • the generator according to the invention makes it possible to use non-demineralized softened water, which constitutes yet another important advantage.

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Abstract

Dans ce générateur, comprenant une cuve fermée renfermant de l'eau, un conduit de sortie de vapeur, un conduit d'alimentation en liquide et/ou de retour de vapeur condensée et des moyens chauffants à résistance électrique plongés dans l'eau, les moyens chauffants sont constitués pour chaque phase en haute ou moyenne tension, par un fil métallique nu (18) baignant directement dans l'eau et monté de façon à vibrer entre des écrans isolants (13, 14), et relié directement entre une borne de phase (11) et la masse de la cuve. Le fil métallique (18) est monté de façon à présenter des brins concentriques décalés de part et d'autre d'une génératrice (16) d'une surface oblique, dans une enceinte entre deux cylindres verticaux ouverts. Le cylindre extérieur (14) dépasse au-dessus de la surface de l'eau.

Description

  • La présente invention est relative à un générateur de vapeur.
  • Les générateurs électriques de vapeur du type à résistances, utilisés dans l'industrie comprennent .habituellement une cuve, ou enceinte fermée contenant de l'eau, ou autre liquide, chauffé au moyen d'éléments chauffants à résistance électrique qui sont plongés dans l'eau ou autre liquide.
  • Les éléments chauffants utilisés jusqu'à présent sont constitués par des gaines étanches isolantes à l'intérieur desquelles sont disposées des résistances électriques qui communiquent leur chaleur à l'eau environnante à travers ces gaines.
  • Ces éléments sont coûteux à fabriquer, et leur taux de transfert thermique est faible et leur conception nécessite une alimentation en basse tension onéreuse pour les puissances importantes.
  • L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en réalisant un générateur électrique de vapeur comportant des moyens chauffants électriques pouvant être alimentés en haute ou moyenne tension, ayant un taux de transfert thermique élevé et dans lequel les éléments chauffants classiques sont remplacés par des dispositifs nouveaux de fabrication simple de très économique, permettant de réaliser des unités de grande puissance sous un faible volume.
  • L'invention a pour objet à cet effet un générateur électrique de vapeur, du type comprenant une cuve-fermée renfermant de l'eau ou autre liquide, un conduit de sortie de vapeur, un conduit d'alimentation en liquide ou de retour de la vapeur condensée, des bornes d'alimentation électriques et des moyens chauffants à résistance électrique plongés dans l'eau, caractérisé en ce que lesdits moyens chauffants sont constitués, pour chaque phase en haute ou moyenne tension, par un fil métallique nu baignant directement dans l'eau et monté vibrant entre des écrans isolants.
  • Suivant un mode de réalisation de l'invention, chacun desdits fils nus montés vibrants est relié directement entre une borne de phase et la masse de la cuve.
  • Suivant une autre caractéristique de l'invention, lesdits écrans sont disposés verticalement dans le liquide, de part et d'autre dudit fil et dépassent au-dessus de la surface du liquide.
  • Suivant encore une autre caractéristique de l'invention, le fil métallique est disposé de façon à présenter des brins parallèles ou à peu près concentriques décalés de part et d'autre d'une génératrice d'une surface oblique.
  • Suivant un mode de réalisation de l'invention, ladite surface est conique ou pyramidale, ledit fil formant une spirale dont les spires sont décalées de part et d'autre de ladite surface, à l'intérieur d'une enceinte formée par un écran circulaire.
  • De préférence, un second écran circulaire est disposé concentrique au premier, à l'intérieur de celui-ci et ladite spirale est disposée dans l'intervalle entre lesdits écrans.
  • Dans une variante, ladite surface est un plan et les brins parallèles du fil sont décalés de part et d'autre de ce plan, qui est situé entre deux écrans parallèles.
  • La description qui va suivre en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique.
    • La figure 1 est une vue en élévation et en coupe d'un générateur électrique de vapeur suivant l'invention.
    • La figure 2 en est une vue en plan de dessus.
    • La figure 3 est une vue partielle en coupe à plus grande échelle de l'un des dispositifs chauffants du générateur représenté à la figure 1.
    • La figure 4 est une vue en plan de dessus d'une variante du dispositif chauffant de la figure 3.
    • La figure 5 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation d'un dispositif chauffant.
    • La figure 6 est une vue en élévation et en bout, en coupe, du dispositif représenté à la figure 5.
    • La figure 7 montre une variante de la fixation du conducteur du dispositif des figures 5 et 6.
  • En se référant aux dessins et plus particulièrement aux figures 1 et 2, le générateur de vapeur suivant l'invention comprend de façon connue une cuve 1 portée par des pieds 2, revêtue d'un isolant thermique 3 et comportant à sa partie supérieure une ouverture 4 d'accès, un conduit 5 de sortie de vapeur et, à sa partie inférieure, un conduit 6 de retour de la vapeur condensée.
  • Suivant l'exemple représenté, le générateur fonctionne sur un courant triphasé et comporte trois dispositifs chauffants 7, identiques, un pour chaque phase du courant d'alimentation. Etant donné qu'ils sont identiques un seul d'entre eux sera décrit.
  • Le dispositif chauffant 7 comprend un conducteur continu 8 non isolé baignant directement dans l'eau contenue dans la cuve 1.
  • Le conducteur 8 forme une spirale dont les spires sont étagées verticalement derrière un écran formant une enceinte isolante.
  • L'extrémité supérieure du conducteur 8 est reliée par un conducteur 9, à une borne d'alimentation à travers la cuve 1 par l'intermédiaire d'un isolateur 11.
  • L'extrémité inférieure du conducteur 8 est reliée par un conducteur 12 à la masse, c'est-à-dire à ]a cuve 1.
  • La spirale formée par le conducteur 8 est disposée à l'intérieur d'une enceinte isolante double qui est formée, suivant l'exemple représenté, par deux écrans tubulaires concentriques 13 et 14 en une matière électriquement isolante, disposés verticalement, soutenus par une traverse horizontale 15 et ouverts à leurs extrémités.
  • On se référera maintenant à la figure 3 qui est une vue partielle schématique à plus grande échelle montrant l'agencement du conducteur 8 dans l'enceinte isolante.
  • L'extrémité supérieure du tube extérieur 13 s'étend au-dessus du niveau de l'eau, ou autre liquide contenu dans la cuve, tandis que l'extrémité supérieure du tube intérieur 14 s'étend seulement à une certaine distance au-dessous de la surface de l'eau.
  • Dans l'enceinte circulaire délimitée entre eux par les écrans tubulaires 13 et 14 les spires formées par le conducteur nu sont décalées de part et d'autre d'une génératrice 16 d'une surface tronconique dont la petite base est située vers le haut, au-dessous de la surface de l'eau, à peu près au niveau de l'extrémité supérieure du tube intérieur 14 comme représenté en 17, à la connexion de l'extrémité supérieure de la spirale avec le conducteur de phase 9.
  • Les spires 18 sont maintenues en position au moyen d'organes élastiques 19 agissant en traction et fixés alternativement aux tubes extérieur et intérieur.
  • L'extrémité inférieure 20 de la spirale est reliée à la masse comme indiqué plus haut, c'est-à-dire à la cuve 1.
  • Grâce à cet agencement des spires 18 de part et d'autre de la génératrice 16, lorsque le courant circule dans ces spires, des forces électromagnétiques prennent naissance dans chaque spire, et chacune d'elles se trouve ainsi attirée vers la spire voisine la plus proche comme représenté par des flèches et cette attraction s'exerçant sur chacune dans des directions opposées engendre une résultante indiquée par les flèches 21 et qui sont orientées à peu près en sens opposés sur les spires alternées. Il en résulte une vibration continue de ces spires.
  • En conséquence, les bulles de vapeur qui se forment sur les spires lors du passage du courant dans le conducteur 8 se détachent et montent vers la surface de l'eau comme indiqué par les flèches verticales à la partie de droite de la figure 3, entraînant ainsi l'eau chauffée vers le haut. Cette montée de l'eau et de la vapeur est compensée par une arrivée d'eau indiquée par une flèche 22 tandis que l'eau chaude passe au-dessus de l'extrémité supérieure du tube central 14 et est recyclée comme indiqué par la flèche 23. Il se produit ainsi une circulation continue d'eau grâce à laquelle le taux de transfert thermique est amélioré.
  • En se référant de nouveau à la figure 1 on constate que du fait que le tube extérieur isolant 13 s'élève au-dessus de la surface de l'eau pour chaque dispositif chauffant relié à une phase de l'alimentation, les lignes de fuite entre les conducteurs 9 et entre ceux-ci et la masse sont trop longues pour que puisse s'établir un courant de fuite.
  • Les enceintes isolantes de chaque dispositif chauffant étant ouvertes à leur extrémité inférieure, il s'établit une circulation générale de l'eau dans la cuve entre les différents dispositifs, circulation qui accélère la montée en température du liquide.
  • On a représenté à la figure 4 une variante de la fixation des spires 18 du conducteur 8, dans laquelle les organes élastiques19 sont fixés sur des montants rigides 24 en une matière isolante, par exemple en céramique, disposés entre les écrans concentriques 13 et 14.
  • On a représenté aux figures 5 et 6 un mode de réalisation des dispositifs chauffants dans lequel le conducteur 28 est disposé dans une enceinte isolante constituée par un tube de section oblongue, par exemple rectangulaire, dont les deux grandes parois 33 parallèles délimitent un espace dans lequel le conducteur 28 est disposé de façon à présenter des brins 38 parallèles.
  • En se référant à la figure 6 on voit que les brins parallèles 38 du conducteur 28 sont généralement disposés décalés par rapport à une génératrice 26 d'une surface oblique, produisant ainsi également des vibrations des brins, 38, qui ont pour effet de détacher les bulles de vapeur qui montent à la surface en entraînant l'eau chaude à l'intérieur de l'enceinte et induisant en même temps un appel d'eau froide comme indiqué par les flèches courbes à la figure 6. L'extrémité supérieure du conducteur 28 est reliée au conducteur de phase 29 et son extrémité inférieure est reliée par un conducteur 32 à la masse.
  • Dans cet exemple les brins 38 du conducteur peuvent être également maintenus en position par des organes élastiques 29 d'une façon analogue à celle décrite en référence à la figure 3.
  • Dans une variante représentée à la figure 7 les brins 38 du conducteur sont portés par des supports rigides 30 par l'intermédiaire d'organes élastiques 29.
  • Dans chaque dispositif chauffant il s'établit dans l'eau, qui est légèrement conductrice, un courant électrique entre éléments du conducteur métallique, présentant une différence de potentiel. Ce courant, parallèle au courant principal, participe aussi à la transmission d'énergie thermique à l'eau.
  • La géométrie des dispositifs, les sections de passage du courant dans l'eau, les distances entre éléments de conducteurs à des potentiels différents, permettent de prédéterminer, pour une tension d'alimentation donnée, la valeur de ce courant. Cette valeur est limitée de telle sorte qu'en fonction de la nature et de la géométrie du conducteur choisi, il n'entraine pas par hydrolyse une teneur en hydrogène et en oxygène incompatible avec l'utilisation.
  • Les taux de transfert thermique élevés que l'on obtient permettent d'alimenter le générateur en haute et moyenne tension, ce qui constitue une solution économique pour des appareils de grande puissance.
  • La nature et la forme en section du conducteur métallique sont choisies de façon qu'il supporte les températures élevées auxquelles il est soumis dans le générateur, qu'il ne subisse pas d'oxydation ou d'attaque chimique à cette température et présente une résistivité électrique suffisante pour qu'il ne soit pas nécessaire de lui donner une longueur trop grande. On utilisera par exemple un acier Ni-Cr à 70% de nickel et 30% de chrome ayant une résistivité de l'ordre de 1,2 ohms-emm2/m.
  • Par ailleurs, les écrans isolants électriques entre phase seront réalisés en un matériau n'absorbant pas l'eau sous pression, pour conserver leurs propriétés isolantes en immersion permanente, par exemple en porcelaine ou en une matière plastique du type polytétrafluoréthylène, ou autre.
  • On remarquera enfin que le générateur suivant l'invention permet d'utiliser une eau adoucie non déminéralisée, ce qui constitue encore un autre avantage important.

Claims (12)

1. Générateur électrique de vapeur, du type comprenant une cuve fermée renfermant de l'eau, ou autre liquide, un conduit de sortie de vapeur, un conduit d'alimentation en liquide et/ou de retour de la vapeur condensée, des bornes d'alimentation électrique et des moyens chauffants à résistance électrique plongés dans l'eau, caractérisé en ce que lesdits moyens chauffants sont constitués, pour chaque phase en haute ou moyenne tension, par un fil métallique nu (18, 28) baignant directement dans l'eau et monté vibrant entre des écrans isolants (13, 14, 33).
2. Suivant un mode de réalisation de l'invention chacun desdits fils nus montés vibrants est relié directement entre une borne de phase et la masse de la cuve.
3. Générateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits écrans (13, 14, 33) sont disposés verticalement dans le liquide autour dudit fil (18, 28) et dépassent au-dessus de la surface du liquide.
4. Générateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit fil métallique (18, 28) est disposé de façon à présenter des brins parallèles ou à peu près concentriques décalés de part et d'autre d'une génératrice (16, 26) d'une surface oblique.
5'. Générateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ladite surface est conique ou pyramidale, ledit fil (18) formant une spirale dont les spires sont décalées de part et d'autre de ladite surface, à l'intérieur d'une enceinte formée par un écran circulaire (13, 14).
6. Générateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ladite surface est un plan et les brins parallèles du fil (28) sont décalés de part et d'autre de ce plan, dans une enceinte tubulaire verticale (32) ouverte à ses extrémités.
7. Générateur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite enceinte est constituée par deux cylindres concentriques (13, 14) en une matière isolante disposés verticalement, ouverts à leurs extrémités, ladite spirale (18) étant disposée entre ces deux cylindres.
8. Générateur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure du cylindre extérieur (13) s'étend au-dessus de la surface de l'eau, tandis que l'extrémité supérieure du cylindre intérieur (14) est située au-dessous du niveau de l'eau.
9. Générateur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ladite enceinte (33) est constituée par un tube de section transversale oblongue.
10. Générateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit fil métallique (18, 28) est suspendu à des supports rigides isolants par l'intermédiaire d'organes élastiques (19, 29).
11. Générateur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits supports sont constitués par lesdites enceintes (13, 14, 33).
12. Générateur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits supports sont constitués par des montants (24) disposés à l'intérieur desdites enceintes (13, 33)..
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