Система для генерации пара из раствора электролита (варианты)
Изобретение относится к энергетике и может использоваться в системах для генерации пара посредством прохождения тока через раствор электролита. Система для генерации пара включает котел для парогенерации, устройство для подачи раствора электролита, устройство для измерения электрического тока и контроллер. Котел для парогенерации содержит первый и второй электроды, которые расположены так, чтобы контактировать с раствором электролита, когда раствор электролита присутствует в котле для парогенерации. Электрический ток протекает между первым и вторым электродами через раствор электролита и нагревает раствор электролита для генерации пара. Контроллер соединен с устройством для подачи раствора электролита и обеспечивает поступление и прекращение поступления раствора электролита в вышеуказанный котел для парогенерации, работающий на электрическом токе, измеряемом устройством для измерения электрического тока. Система обеспечивает быстрое образование пара в заранее определенных количествах как в случае прерывистой, так и в случае непрерывной парогенерации. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область
Настоящая патентная заявка относится к системе парогенерации. Точнее, к системе, предназначенной для генерации пара посредством прохождения тока через воду. И еще точнее, к системе, предназначенной для генерации заранее определенного количества пара, прерывистой подачи пара или постоянной подачи пара.
Предпосылки создания изобретения
В разных устройствах, использующих пар, от быстрой генерации и смены пара часто зависит скорость работы, которая этим паром выполняется. Для разного рода работы, выполняемой паром, может потребоваться заранее определенное количество пара, дозированная его подача или, наоборот, постоянное количество пара. Приготовление пищи является одним из тех применений пара, когда требуется постоянное количество пара - для быстрого приготовления большого количества пищи, если необходимо накормить большое количество людей, например в ресторане или на банкете. При использовании пара в целях подогрева еды в небольших количествах для индивидуального обслуживания клиентов - например, подогрев мяса для бутербродов - предпочтительнее использовать короткую подачу небольшого количества пара и повторять ее через определенные промежутки времени.
При парогенерации, осуществляемой посредством элемента электрического сопротивления, электрическая энергия должна сначала нагреть этот элемент, затем его оболочку и затем - воду, которая используется для парогенерации. Оболочка данного элемента электрического сопротивления обычно изготавливается из металла или другого материала и нагревается вышеуказанным элементом при погружении этого элемента в воду в целях парогенерации. Задержка в нагревании воды до температуры, достаточной для парогенерации, происходит вследствие того, что тепло проходит через слои материала и лишь затем поступает в молекулы воды.
Попытки ускорить парогенерацию привели к тому, что размеры и потребляемая мощность элементов электрического сопротивления часто оказывались слишком большими, что, конечно, способствовало более быстрому нагреву оболочки, а затем и воды, но в целом требовало дополнительных энергетических затрат. При необходимости парогенерации в устройстве, использующем элементы электрического сопротивления, вся энергия расходуется на нагревание такого элемента, так что температура поверхности элемента и его оболочки становится гораздо выше, чем температура воды, и теплоотдача происходит быстрее. Когда пар уже не нужен, прекращается подача энергии на элемент электрического сопротивления, но теплоотдача с самого элемента и его корпуса продолжается, что приводит к нерациональному использованию тепла. Таким образом, используется большее количество энергии, чем потребовалось бы при непосредственном использовании энергии для нагревания именно в том количестве, которое необходимо для образования определенного количества пара, чтобы выполнить ту или иную конкретную работу.
Проблемы также возникают при нагревании элемента и его оболочки до температуры гораздо выше, чем требуется для нагревания воды. При нагревании образуются твердые тела, такие как карбонат кальция и магний, которые прилипают к поверхности оболочки вышеуказанного элемента, образуя осадочный слой, называемый накипью, на поверхности теплопередачи. Этот осадочный известковый слой становится еще одним слоем теплопередачи, и далее скорость теплопередачи снижается. Образование накипи ведет к повышению потребления энергии, требуемой для выполнения работы. Кроме того, накипь становится основным фактором, требующим технического обслуживания устройств парогенерации.
Когда применение пара требует постоянной его подачи, парогенераторы имеют резервуар для воды. Размер резервуара для воды зависит от максимального количества пара, который необходимо генерировать в единицу времени. Генерация пара далее требует нагревания всего объема воды, хранимой в резервуаре, до температуры, близкой к температуре парогенерации, чтобы обеспечить требуемое количество пара так быстро, как только возможно. Нагревание всего этого количества воды в устройствах для непрерывной парогенерации нужно, чтобы компенсировать количество времени, требуемого для нагревания воды до температуры парогенерации при непрерывной подаче пара и использовании элементов электрического сопротивления. Энергия растрачивается на то, чтобы нагреть весь объем воды в резервуаре. После того как вода в резервуаре нагрелась до температуры, необходимой для парогенерации, в резервуар подается новая вода, охлаждающая массу воды в резервуаре. При добавлении новой воды температура воды в резервуаре снижается, и воду необходимо снова подогревать до желаемой температуры хранения, в результате чего снова тратится энергия.
Попытки ускорить генерацию пара в парогенераторе с резервуаром для воды включали использование герметичного корпуса, в котором воду можно нагревать и поддерживать высокую температуру воды, так чтобы парогенерация сильно нагретой воды происходила путем мгновенного испарения. Устройства, использующие парогенерацию и воду под давлением, обычно сложные и тяжелые в силу большого веса составляющих и большого объема воды в данном устройстве, по этой причине проблем с обслуживанием и поддержанием должных технических характеристик больше. Огромное количество энергии тратится на то, чтобы поддерживать температуру воды такой, которая необходима для парогенерации.
В альтернативном методе парогенерации, который удовлетворяет потребность в быстрых устройствах парогенерации, водоразбрызгивающее сопло подает малое количество воды на горячую поверхность, с которой происходит мгновенное испарение. Таким образом, малое количество пара образуется практически мгновенно и используется для целей, для которых предназначено то или иное устройство. Через определенные промежутки времени на горячую поверхность разбрызгиваются новые порции воды, чтобы генерировать новые порции пара. Горячая поверхность нагревается посредством электрического элемента, заключенного в корпус, или, в отдельных случаях, вода разбрызгивается сразу на электрический элемент, заключенный в оболочку. Такой метод парогенерации гарантирует подачу отдельных порций пара, но не постоянное количество пара. В данном решении количество пара, которое можно генерировать за раз, ограничено, во-первых, количеством воды при каждом разбрызгивании, и во-вторых, температурой поверхности, на которую происходит разбрызгивание воды. Повторные разбрызгивания могут обеспечить дополнительное количество пара, но между разбрызгиваниями должен быть промежуток времени, необходимый для восстановления температуры поверхности, требуемой для нормальной парогенерации, что ограничивает количество образуемого пара. В некоторых случаях электрический элемент, используемый для нагревания поверхности, увеличивают в размерах, чтобы температура поверхности восстанавливалась быстрее и можно было генерировать больше пара в единицу времени. Энергии, таким образом, расходуется больше.
В тех случаях, когда количество требуемого пара предсказать трудно, нагреваемая поверхность поддерживается постоянно горячей, чтобы при необходимости сразу же возобновить парогенерацию, на это тоже расходуется энергия. В данном решении растворенные твердые тела оседают на нагреваемой поверхности при мгновенном испарении воды. Растворенные твердые тела образуют известковый налет, покрывающий поверхность испарения, и она становится менее способной проводить тепло. В результате требуется дополнительная энергия на нагревание поверхности, используемой для испарения воды, а также дополнительное время для достижения необходимой для осуществления парогенерации температуры поверхности. Наслаивание известкового налета, в конечном итоге, приводит к необходимости технического обслуживания или ремонта.
В силу всего вышесказанного требуется создание новой усовершенствованной системы парогенерации для быстрого образования пара посредством прямого преобразования электроэнергии в тепло в молекулах воды, и для того, чтобы парогенерация происходила в заранее определенных количествах как в случае прерывистой, так и в случае непрерывной парогенерации.
Изложение сущности изобретения
Одним из аспектов настоящей патентной заявки является система для генерации пара из раствора электролита (первый вариант). Данная система для генерации пара из раствора электролита (далее «система» или «система парогенерации») включает котел для парогенерации, устройство для подачи ионного содержимого в воду, устройство для подачи потока электролита, прибор для измерения электрического тока и контроллер. Котел для парогенерации включает первый электрод и второй электрод. Первый и второй электроды расположены таким образом, чтобы вступать в контакт с раствором электролита при подаче последнего в котел. Электрический ток протекает между первым и вторым электродами через раствор электролита. Электрический ток нагревает раствор электролита для осуществления парогенерации. Контроллер соединен с устройством направления потока электролита, чтобы можно было включать и выключать подачу электролита в вышеуказанный котел, работающий на электричестве, которое замеряется прибором для измерения электрического тока. Вышеуказанное устройство для подачи ионного содержимого в воду включает отделение фильтра, содержащее источник ионов электролита, при прохождении воды через вышеуказанное отделение фильтра с ионным содержимым вода обогащается ионами электролита
Система парогенерации по второму варианту включает котел для парогенерации, котел для парогенерации включает датчик тока, связанный с контроллером фазового угла, ограничивающим ток, первый электрод и второй электрод. Первый и второй электроды расположены таким образом, чтобы контактировать с раствором электролита, когда вышеуказанный раствор подается в котел и когда первый и второй электроды подсоединены к источнику переменного электрического тока. Электрический ток течет между первым и вторым электродами через раствор электролита. Электрический ток нагревает раствор электролита для генерации пара. Подача электрического тока автоматически прекращается, когда раствор электролита в котле преобразован в пар. Указанный контроллер фазового угла выключает ток на части каждого периода переменного тока при приближении величины тока к контрольной отметке.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые и другие аспекты настоящего изобретения наглядно представлены в нижеследующем подробном описании, а также соответствующих чертежах, на которых:
ФИГ. 1 - блок-схема одного варианта осуществления системы;
ФИГ. 2 - блок-схема, включающая один вариант осуществления схемы управления, предназначенной для управления системой, представленной на ФИГ. 1;
ФИГ. 3 - трехмерный вид одного варианта выполнения котла для парогенерации;
ФИГ. 4 - поперечное сечение котла для парогенерации, представленного на ФИГ. 3;
ФИГ. 5 - трехмерный вид другого варианта выполнения котла для парогенерации;
ФИГ. 6 - поперечное сечение котла для парогенерации, представлнного на ФИГ. 5;
ФИГ. 7 - трехмерный вид одного варианта выполнения фильтра;
ФИГ. 8 - трехмерное изображение в разобранном виде другого варианта выполнения котла для парогенерации и его электрических и механических соединительных деталей; а также
ФИГ. 9 - трехмерный вид одного варианта выполнения системы парогенерации.
Подробное описание
Один из вариантов выполнения настоящей патентной заявки - это система быстрой парогенерации. Электрический ток, проходя через водный раствор электролита, нагревает раствор электролита до точки кипения, чтобы подать заранее определенный объем пара, обеспечить дозированную подачу пара или непрерывное парообразование. Раствор электролита содержит ионы, количество которых достаточно для сильного тока, который способен обеспечить быстрый электрический нагрев. Раствор электролита поступает в котел для парогенерации, где он вступает в контакт с электродами. Система управления обеспечивает производство заранее определенного количества пара, дозированное производство пара или непрерывное производство пара. В одном варианте осуществления изобретения раствор электролита поступает в котел для парогенерации из резервуара с водой самотеком. В другом варианте осуществления изобретения для подачи электролита из резервуара в котел используется насос.
Ток между электродами в котле для парогенерации регулируется сочетанием ионов, добавляемых в воду, уровнем раствора электролитов в котле, контроллером фазового угла и датчиком тока.
В одном варианте осуществления изобретения содержание ионов корректируется до использования в процессе парогенерации. В другом для парогенерации используется обычная водопроводная вода вместе с проводящими примесями, которые в ней содержатся.
В одном варианте осуществления изобретения энергия подводится для управления системой парогенерации только по мере необходимости поступления пара в устройство, его использующее. Расхода энергии на поддержание пара или температуры воды можно избежать. В другом варианте осуществления изобретения парогенерация управляется новой подачей некоторого объема раствора электролита в котел для парогенерации. Один вариант осуществления настоящего изобретения может производить фиксированный объем пара, определенный объемом раствора электролита, подаваемого в котел и контактирующего с электродами в котле до тех пор, пока весь объем раствора электролита не будет пробразован в пар. Систему можно также настроить на подачу малого объема пара с перерывами. Данную систему можно настроить также на непрерывную подачу пара посредством непрерывного поступления в котел раствора электролита.
Настоящие заявители выявили, что преобразование энергии было высокоэффективным. Они также выявили, что система потребляет энергию только тогда, когда в котле для парогенерации присутствует вода, и система автоматически отключается, когда весь раствор электролита оказывается переработанным в пар, потому что электрическая цепь тем самым разрывается. Кроме того, они выявили, что парогенерация быстро прекращается при прекращении подачи тока на электроды. Так как в котле для парогенерации нет поверхностей, которые бы нагревались сильнее, чем раствор электролита, накипь не образуется, и в результате не требуется регулярное техническое обслуживание или проведение ремонта. Настоящие заявители выявили, что в данной конфигурации осаждающие соли и твердые вещества обнаруживаются в конденсате пара, который стекает в поддон отделения, использующего пар. В других конфигурациях соли и твердые вещества можно вымывать из котла для парогенерации обычной водой или химическим раствором для промывания.
В одном варианте осуществления изобретения пар используется для варочного оборудования. Вес этого варианта осуществления изобретения небольшой, и для его использования требуется очень малое количество соединительных деталей. Данный вариант можно прикреплять к конкретному устройству при необходимости использования пара. Несколько таких вариантов в состоянии готовности к парогенерации не потребляют энергию до тех пор, пока не возникнет необходимость начать процесс парогенерации.
В системе парогенерации 10 раствор электролита 11 подается в котел 17 в целях производства пара в непрерывном режиме, прерывистом режиме или режиме образования конкретного объема пара; режим задается системой управления 16, как показано на ФИГ. 1. Парогенерация происходит быстро, посредством прямого преобразования электрической энергии в тепло в растворе электролита, который предназначается для выпаривания. Система парогенерации 10 также включает резервуар 13, фильтр 12, насос 14 и обратный клапан 15.
В одном варианте осуществления изобретения насос 14 заменяется на другой вид устройства подачи потока. В данном варианте поток раствора электролита 11 поступает в котел 17 для парогенерации самотеком, а устройство управления потоком - это клапан с электроуправлением. В таком варианте контроллер 21, который в варианте с насосом 14 работал бы на включение и выключение насоса 14, вместо этого открывает и закрывает клапан для нагнетания раствора электролита из резервуара 13 в котел 17 для парогенерации. Так как в остальной части настоящей патентной заявки устройство для управления потоком называется насосом 14, очевидно, что подача самотеком и схема с клапаном или другая подобная схема может быть использована в равной степени.
В варианте осуществления настоящего изобретения, представленном на ФИГ. 1, резервуар 13 поддерживает подачу раствора электролита 11. В альтернативном варианте связь с источником раствора электролита может обеспечиваться для непрерывной подачи вместо или в добавление к резервуару 13. Резервуар 13 может формоваться с раздувом или методом литья из пластика, или из другого материала, удобного для хранения водного раствора электролита.
Раствор электролита 11 корректируется в отношении содержания ионов посредством пропускания воды через фильтр 12. Фильтр 12 сконструирован таким образом, чтобы направлять поток воды через ряд отверстий и через ионный материал, который добавляет ионное содержимое в воду по мере прохождения ее через фильтр 12. Заявитель изготовил фильтр 12 следующим образом: положил поваренную соль в марлевый мешочек и вставил вышеуказанный мешочек в корпус фильтра 12. Для того, чтобы удалить из воды хлор и другие примеси, заявитель положил древесный уголь в марлевый мешочек и также поместил мешочек в корпус фильтра 12. Размер отверстия фильтра задается таким образом, чтобы время обработки солью водного раствора было подходящим для насыщения необходимым содержанием ионов раствора электролита 11, который вытекает через выпускные отверстия данного фильтра в резервуар 13.
В другом варианте осуществления изобретения заявители просто добавляли соль в резервуар, а затем наполняли его водой, тем самым обеспечивая необходимое время для растворения соли и достижения необходимой концентрации соли - примерно четверть чайной ложки соли на галлон для резервуара, который содержит примерно 2 галлона раствора электролита 11.
Любым из вышеуказанных методов раствор электролита 11 корректируется по ионному содержимому добавлением хлорида натрия в соотношении примерно 3/4 грамма на галлон воды. Добавление ионного содержимого в воду описано в публикации переуступленного патента США 2010/0040352 "Быстрое нагревание жидкостей", включенном здесь в качестве ссылки.
Ионное содержимое может включать один или более ионных элементов, пригодных для питья, таких как хлорид натрия. Угольный фильтрующий элемент можно включить для удаления хлора и других примесей из воды, поступающей в систему парогенерации 10. Количество хлорида натрия и твердых веществ, растворенных в растворе электролита 11, будет определять проводимость раствора электролита 11, электрический ток в растворе электролита 11, а также скорость нагревания и образования пара из раствора электролита 11.
Резервуар 13 соединен с насосом 14, который, в свою очередь, соединен с односторонним обратным клапаном 15, подсоединенным к котлу для парогенерации так, как показано на ФИГ. 1. Насос 14 управляется посредством сигналов на включение и выключение, получаемых от системы управления 16. Чем дольше насос 14 включен согласно сигналу системы управления 16, тем больший объем воды нагнетается в котел 17 и тем выше уровень воды, которая находится в контакте с электродами в котле 17. Обратный клапан 15 позволяет потоку водного раствора поступать в котел 17, но не дает пару, образованному в котле 17, поступать обратно в насос 14. Выпускное отверстие котла 17 направлено в паровую камеру 19, такую как варочное оборудование или другое устройство, использующее пар. Соединительные детали между компонентами, которые позволяют двигаться потокам воды и пара, могут включать систему труб и трубок или другие подходящие структурные компоненты. На ФИГ. 1 к котлу 17 подсоединены ответвительные коробки для подключения фазового и нейтрального проводов переменного тока к электродам в котле 17.
На ФИГ. 2 представлен один из вариантов выполнения электрической цепи, которая используется в варианте осуществления изобретения, представленном на ФИГ. 1. Электрическая цепь 20 управляет работой насоса 14 и осуществляет мониторинг и контроль за электрическим током между электродами в котле 17. В одном варианте ток контролируется в целях не допустить превышения заданного значения токовой нагрузки. В цепь входит также и автоматический выключатель, чтобы прервать подачу электрического тока в случае, если токовая нагрузка превышает заданную величину разрыва цепи. В другом варианте выполнения цепи 20 токовая нагрузка поддерживается на достаточно высоком уровне, близко к заданной величине разрыва цепи для автоматического выключателя, но не превышая ее, чтобы как можно быстрее генерировать необходимое количество пара без прерывания этого процесса. Количество растворенных твердых веществ и хлора в воде может легко достичь уровня, при котором можно легко достичь предельной токовой нагрузки и превысить ее, если другие элементы управления отсутствуют.
В другом варианте электрическая цепь 20 подсоединена к штепселю 26, такому как 120 V, 20 A NEMA 5-20P, для включения в настенную розетку. Но ценной является и возможность использования других источников питания, таких как 208, 220, 240, и 440 В. На ФИГ. 2 также показано, что на контроллере 21 расположен датчик тока 22, такой как выпускаемый корпорацией Digi-Key, город Тиф-Ривер-Фолс, штат Миннесота, США. Датчик тока 22 регистрирует токовую нагрузку, подаваемую в котел 17, и запрограммирован на питание током насоса 14, работа которого основана на токовой нагрузке, заданной в контроллере 21 (заданной величине тока). Интерфейс контроллера 21 позволяет оператору вводить время для операции. Имеются также элементы управления для начала и остановки работы. Для 120-вольтной системы, например, выключатель настроен на 20 А, а заводская настройка максимально допустимой токовой нагрузки для работы - 15 А. Таким же образом, для систем, допускающих более высокую токовую нагрузку, задаются соответствующие параметры для прерывания цепи и максимально допустимой заданной величине (установленной в контроллере 21) токовой нагрузки.
В другом варианте, когда датчик тока 22 регистрирует, что величина тока на электродах в котле 17 падает ниже заданного значения, подходящего для их нормального функционирования, например 14 А, контроллер 21 активирует насос 14. Насос 14 подает раствор электролита 11 в котел 17, уровень раствора электролита 11 в котле 17 повышается и площадь погружения в раствор электродов также становится больше, сопротивление уменьшается, величина тока между электродами в котле 17 увеличивается. Когда электрический ток, протекающий через зазор 37 между электродами, поднимается до заданной величины согласно настройкам датчика тока 22, контроллер прерывает ток к насосу 14, выключая подачу раствора электролита 11 в котел 17 и прекращая повышение величины тока.
В настоящем варианте осуществления изобретения контроллер 21 предварительно настроен таким образом, что котел работает с заданной величиной тока между электродами для максимального ускорения парообразования, а датчик тока 22 и насос 14 работают на корректировку и поддержание величины тока, близкой к максимальной контрольной точке, такой как 14 А для 20-амперной системы. Такая схема позволяет вносить изменения в ионный состав раствора электролита, например повышать ионизацию воды посредством настройки уровня воды в контакте с электродами в котле 17, чтобы поддерживать предварительно заданную величину тока и парогенерацию. Настройка уровня раствора электролита 11 в котле 17 позволяет сохранять постоянство сопротивления раствора электролита 11 даже при изменении удельного сопротивления раствора электролита 11. Когда величина тока падает ниже заданного уровня, скажем, 14 А, контроллер 21 включает насос 14, а когда величина тока вновь поднимается до 14 А, контроллер 21 отключает насос 14. Таким образом, уровень раствора электролита 11 в котле 17 корректируется так, чтобы достигать предварительно заданной величины тока даже в том случае, если концентрация электролита изменяется. В одном варианте осуществления изобретения насос включается и выключается несколько раз в минуту. В другом варианте контроллер 21 настраивается таким образом, чтобы датчик тока 22 производил замеры величины тока каждые 3 секунды, и в случае, если величина тока оказывается ниже 14 А, контроллер включает насос 14, который работает до тех пор, пока величина тока снова не достигнет отметки 14 А. Когда насос 14 работает, датчик тока 22 проводит постоянный мониторинг тока, так чтобы контроллер 21 смог в любой момент отключить насос 14. Хотя в настоящем примере датчик тока 22 проверяет величину тока каждые 3 секунды, интервал для проверки тока и контрольная точка могут быть настроены и на другие значения.
Как показано на ФИГ. 2, датчик тока 22 также связан с контроллером 24 фазового угла, таким как SSRMAN-1P Microprocessor Controlled SSR Mounted Phase Angle Control Module, который производится корпорацией NuWave Technologies, Inc., Норристаун, Пенсильвания, США. Затраченная мощность - одна из потенциальных переменных в определении электрического тока. Контроллер 24 фазового угла, ограничивающий ток, работает на то, чтобы не позволить среднеквадратическому значению тока превысить заданное значение. Контроль за электропроводностью входящего раствора электролита 11, а также контроль за уровнем раствора электролита 11 в котле 17 позволяют поддерживать сильный рабочий ток. Но при таком максимальном токе даже небольшие изменения могут стать причиной превышения контрольной точки выключения и привести к автоматическому разрыву цепи, что остановит процесс парогенерации.
В альтернативном варианте оператор может добавить слишком много электролита, повышая проводимость до контрольной отметки, на которой линейное напряжение позволит току превысить контрольную точку выключения. Контроллер 24 фазового угла в сочетании с датчиком тока 22 регистрирует, что величина тока приближается к контрольной отметке и ограничивает ток посредством выключения на части каждого периода (цикла) переменного тока. Контроллер 24 фазового угла может быть настроен на выключение тока на части цикла. Таким образом, можно ограничить среднеквадратическую силу тока (а значит, и выделяющуюся мощность) на необходимую величину.
Длительность указанной части каждого цикла переменного тока выбирается таким образом, чтобы снизить среднеквадратическое значение тока и, следовательно, затраченную мощность.
Таким образом, сильный ток поддерживается, но не превышает предельно допустимой величины. Действие датчика тока 22 и контроллера 24 фазового угла по корректировке среднеквадратической величины тока в сочетании с контролем за ионным содержанием раствора электролита 11 обеспечивают сильный ток, близкий к его максимальному значению, но не позволяют превысить этот максимум.
В одном из вариантов использования системы парогенерации система парогенерации 10 может генерировать пар постоянно посредством управления количеством и частотой подачи потока раствора электролита 11 в котел 17. В этом варианте контроллер 21 нагнетает раствор электролита 11 с частотой, достаточной для того, чтобы поддерживать постоянное количество воды в котле 17 в процессе парогенерации. В другом варианте раствор электролита 11 можно добавлять через промежутки времени, например каждые 90 секунд, в целях обеспечить прерывистую парогенерацию. В другом варианте определенное количество пара образуется в котле 17 посредством добавления в котел 17 какого-то количества воды, например 1/10 литра раствора электролита 11, в этом случае пар образуется до тех пор, пока это количество раствора электролита 11 полностью не выпарится.
Когда раствор электролита 11 подается в котел 17, вода будет искать общий уровень между электродами. Ток будет присутствовать только между положительно заряженным и отрицательно заряженным электродами, когда электроды будут соединены раствором электролита 11. Таким образом, процесс парогенерации прекращается либо когда выпарен весь раствор электролита 11, а дополнительно вода не подается, либо когда электропитание от электродов отключается или подача энергии прекращается другим способом.
В одном из вариантов электропитание не подается с целью поддерживать раствор электролита 11 горячим для экономии энергии. Преимущество данного варианта в том, что требуется малое количество раствора электролита 11 для обеспечения желаемого объема пара в любой момент, и преобразование раствора электролита 11 в пар в котле 17 происходит очень быстро. Например, в котел 17 можно добавить всего лишь несколько миллилитров раствора электролита. Заявители выявили, что такое малое количество воды комнатной температуры было преобразовано в пар посредством системы парогенерации за 3 секунды. Скорость увеличивается за счет того, что система парогенерации настоящего варианта осуществления изобретения обеспечивает прохождение очень большого количества энергии через относительно малое количество раствора электролита. Например, при подаче тока напряжением 120 В и силой 14 А обеспечивается мощность 1680 Вт, при этом за 3 секунды выделяется 5040 Дж энергии. Этой энергии достаточно для того, чтобы за вышеуказанные 3 секунды повысить температуру и выпарить 8 мл воды, начальная температура которой составляла 20°С. Так как в котел 17 можно постоянно добавлять раствор электролита 11, пар в котле 17 может генерироваться непрерывно, без задержек в дальнейшем.
По мере того как между электродами котла 17 образуется пар, он поступает в паровую камеру в котле 17 или в устройство использования пара. В данном случае паровой клапан отсутствует, так как количество поступающего пара определяется количеством раствора электролита, подаваемого в котел 17, и работой системы управления 16.
На ФИГ. 3 и 4 показан один из вариантов котла 30, в который поступает раствор электролита 48 и из которого выходит пар 49. Котел 30 включает кожух 31, который состоит из металла, такого как титан, или другого электропроводного и нержавеющего материала, например графит. В данном варианте кожух 31 имеет цилиндрическую форму и подсоединен к нейтральному проводу 43 электрической цепи 20. Кожух 31 снабжен первым торцевым колпаком 32 и вторым торцевым колпаком 33. Предпочтительно, чтобы торцевые колпаки изготавливались из непроводящего материала, такого как полипропилен, чтобы образовать водонепроницаемое герметизированное внутреннее пространство. Кожух 31 является здесь также наружной поверхностью котла 30.
В данном варианте первый торцевой колпак 32 снабжен патрубком 38 для ввода раствора электролита 48. Первый торцевой колпак 32 имеет также патрубок 39 для вывода пара 49, чтобы далее направить его по назначению, например на подогрев пищи. Входной патрубок 38 и патрубок 39 для вывода пара могут изготавливаться в форме трубы с зазубринами, которая подгоняется к шлангу, трубе или другому передаточному устройству с трубным зажимом или другим фиксирующим приспособлением.
В данном варианте второй торцевой колпак 33 также снабжен электрическим соединительным элементом 41 для подсоединения к положительной линии питания 42 электрической цепи 20. Положительная линия питания 42 идет внутри канала 34 вдоль нижней поверхности второго торцевого колпака 33, который не соединен с внутренним пространством, наполняемым жидкостью. В альтернативном варианте положительная линия питания 42 может проходить через отверстие во втором торцевом колпаке 33. Электрический соединительный элемент 41 может включать винт в качестве контакта, способного передавать ток на положительный электрод 4 0 внутри котла 30. Торцевой колпак 33 также включает крышку 45, выполненную из непроводящего материала, такого как поликарбонат, и установленную поверх электрического соединения элемента 41 и положительной линии питания 42. Положительный электрод 40 соединен с электрическим соединительным элементом 41 и расположен во внутреннем пространстве котла 30. Положительный электрод 40 герметизирован по нижнему краю силиконовым кольцом 46. В данном варианте положительный электрод 40 изготовлен из графита. В альтернативном варианте можно использовать другие проводящие материалы, такие как нержавеющая сталь, титан. В данном варианте оба электрода изготовлены из графита. Зазор 37 между наружной окружностью положительного электрода 40 и внутренней окружностью проводящего кожуха 31 содержит раствор электролита 48, проводящий ток.
Внутренняя поверхность котла 30 включает нижнее пространство: положительный электрод 40, зазор 37 и часть кожуха 31, и верхнее пространство, которое используется в качестве камеры расширения 36, как показано на ФИГ. 4. В одном варианте работы котла 30 раствор электролита 48 подается во внутреннее пространство котла 30 в зазор 37 между положительным электродом 40 и проводящим кожухом 31. Высота раствора электролита 48 в данном наполняемом зазоре регулируется и может изменяться в процессе парогенерации, как описывается в настоящей заявке выше. При наличии раствора электролита 48 в зазоре 37 и электрического заряда на положительном электроде 40 и проводящем кожухе 31 ток между электродами 31 и 40 создает тепло, которое нагревает раствор электролита 48 и генерирует пар 49.
Пространство выше положительного электрода 40 во внутреннем пространстве котла 30 служит расширительной камерой 36 для раствора электролита 48, испаряемого с образованием пара 49, который, в свою очередь, в силу герметизации создает давление, выталкивающее пар 49 к патрубку 39 для вывода пара в камеру 19 или другое приемное устройство, предназначенное для пара. Расширительная камера 36 имеет объем, достаточный для того количества пара, которое требуется для обеспечения постоянного снабжения паром, если такая потребность возникает. В альтернативном варианте можно обеспечить дозированную подачу пара или конкретный объем пара.
Переменными параметрами в парогенерации являются размер зазора 37 между проводящим кожухом 31 и положительным электродом 40, высота или уровень раствора электролита 48 в зазоре 37, проводимость и сопротивление раствора электролита 48 в зазоре 37 и используемое электрическое напряжение. В одном из предлагаемых вариантов способом управления током и скоростью парогенерации является регулировка уровня раствора электролита 48, контактирующего с положительным электродом 40 и проводящим кожухом 31. В другом варианте для регистрации тока используется датчик тока, и когда величина тока падает ниже заданного уровня, такого как 14 А, контроллер 21 включает насос 14, нагнетающий дополнительный раствор электролита в зазор 37 котла 17. Подача раствора электролита 11 продолжается, пока датчик тока 22 не покажет, что величина тока поднялась до заданного уровня в 14 А. В этот момент контроллер 21 отключает насос 14. В другом варианте при отключенном насосе замер величины тока не производится в течение заданного промежутка времени, например 3 секунды. В рассматриваемом варианте максимально частое включение насоса 14 - это один раз в 3 секунды. В другом варианте зазор 37 между положительным электродом 40 и проводящим кожухом 31 составляет 1/4 дюйма, высота положительного электрода 40 - примерно 1/3 часть от высоты внутреннего пространства котла 30, а полная высота этого внутреннего пространства - примерно 5 дюймов. Однако возможны альтернативные варианты, формы и размеры.
На ФИГ. 5 и 6 показан другой вариант выполнения котла 50 для парогенерации. Котел 50 включает корпус 51, выполненный из непроводящего ток материала, такого как полипропилен. Он может также быть выполнен из любого материала, который не проводит электрический ток, или из материала, такого как металл, покрытый непроводящим материалом, например, сталь, покрытая политетрафторэтиленом (тефлоном). Корпус 51 включает боковые стенки 52 и дно 53, которые образуют прямоугольный корпус в виде ящика, и прямоугольное внутреннее пространство. Можно использовать другие формы. Корпус 51 имеет открытый верх, который закрывается корпусной крышкой 55 и герметизируется уплотнением 56. Корпусная крышка 55 крепится крепежными деталями 57 для герметизации корпуса 51, чтобы он стал водонепроницаемым. Корпус 51 включает подводящую трубу 65 и трубу 66 для отвода пара.
Корпус 51 обычно включает первый электрод 60 и второй электрод 61. Корпус 51 может также включать третий электрод 62. Корпус 51 также содержит четвертый электрод 63. Электроды 60-63 изготовлены из устойчивого к коррозии, токопроводного материала, такого как нержавеющая сталь, титан или графит. В одном варианте электроды 60-63 расположены на равных расстояниях друг от друга и выполнены в форме прямоугольных пластин. Третий электрод 62 и четвертый электрод 63 могут иметь электрическое соединение с электродами 60 и 61. В одном варианте первый электрод 60 и третий электрод 62 соединены с одной ветвью (положительной), а второй электрод 61 и четвертый электрод 63 - с другой ветвью (отрицательной или нейтральной) от источника тока, например 120 В.
Конкретные формы и размеры электродов могут варьироваться, чтобы подходить по размеру и форме к корпусу 51, но изменяться таким образом, чтобы позволять раствору электролита вступать в контакт со всеми электродами 60-63. В одном варианте присутствует желобок 64 для протекания жидкости между электродами 60-63, причем желобок 64 обычно располагается вдоль нижнего края электродов 61, 62. Пространство между электродами можно регулировать, чтобы обеспечить более эффективное протекание тока через раствор электролита 11. В рассматриваемом варианте электрический ток поступает через шнур питания и штепсельную вилку 69, подобно тому, как это происходит в других вариантах. В альтернативном варианте можно использовать соединение фиксированной разводкой. Ответвительная коробка 68 прилегает к корпусу 51 и используется для электропроводки 67, которые передают команды управления от системы управления 16 и обеспечивают соединение электродов 60-63 со шнуром питания и штепсельной вилкой 69.
Фильтр 70 состоит из основного корпуса 71 и крышки фильтра 74, используемой для фильтрования воды и герметично закрывающей корпус 71 после наполнения контейнеров 72, 73 фильтрующим материалом, как показано на ФИГ. 7. Фильтрующий материал упакован в отдельные сменные контейнеры 72, 73, такие как марлевые мешочки с поваренной солью и древесным углем, как описано выше в настоящей заявке. Один вариант включает по меньшей мере один сменный контейнер 72 с ионным содержимым, таким как поваренная соль, и один сменный контейнер 73 с альтернативным фильтрующим материалом, таким как древесный уголь или химически чистый уголь. Крышка фильтра 74 состоит из связывающих отверстий 75, которые управляют потоком воды на входе и выходом раствора электролита из фильтра 70.
На ФИГ. 8 показан вариант котла 80 для парогенерации и его соединения, которые можно использовать для подачи пара в устройство, использующее пар, такое как аппарат для обработки паром одежды. Котел 80 состоит из корпуса 81, изготовленного из жаропрочного пластика, такого как полипропилен. В другом варианте корпус 81 изготовлен из прозрачного или полупрозрачного жаропрочного материала. Корпус 81 может быть разной формы, например форма трубы на ФИГ. 8. Еще в одном варианте котел 80 имеет герметичные торцевые крышки 82, 85, которые крепятся на корпусе посредством резьбы на обоих торцах корпуса 81 и на съемных крышках 82, 85. Внутри корпуса 81 располагаются первый съемный электрод 90 и второй съемный электрод 91, изготовленные из поводящего материала, такого как графит, и расположенные в растворе электролита таким образом, чтобы каждый электрод 90, 91 в равной степени контактировал с раствором электролита, когда корпус 81 расположен вертикально, как показано на ФИГ. 8.
В первой торцевой крышке 82 есть углубление для электрода и коммуникационный порт 83, предназначенный для выхода пара и для соединения с подводящим трубопроводом 92 для пара. Коммуникационный порт 83 может иметь миниатюрную трубную вставку. В одном варианте первая торцевая крышка 82 имеет внутреннее кольцевое уплотнение, чтобы герметизировать соединение с корпусом и не позволить утечку пара или воды. На второй торцевой крышке 85 находится электродный крепеж, который расположен внутри второй торцевой крышки 85 и электрически изолирован от нее. Установочная пластина 8 6 включает колпачки 87 держателя для концов электродов 90, 91, изготовленных в форме карандаша и обеспечивающих контакт с электродами 90, 91. Вторая торцевая крышка 85 содержит уплотнение, обеспечивающее герметичность и водо- и паронепроницаемость, когда торцевая крышка 85 навинчивается на корпус 81. Пластина 86 электродного держателя и колпачки 87 стационарны, тогда как вторая торцевая крышка 85 поворачивается, чтобы обеспечить герметизацию.
Как показано на ФИГ. 8, один вариант электрической линии питания 95 включает двухкомпонентную структуру. Первая соединительная деталь 97 входит в другую соединительную деталь 98, такое соединение отделяет котел для парогенерации 80 от штепсельной вилки 99. Штепсельная вилка 99 включается в сетевую розетку и соединена со второй соединительной деталью 98. Когда вторая соединительная деталь 98 соединяется с первой соединительной деталью 97, электрический ток может протекать к электродам 90, 91 через электрическое соединение внутри колпачков 87. Вода в корпусе 81 закипает и преобразуется в пар, который поступает в устройство, использующее пар, через подводящий трубопровод 92. В другом варианте подводящий трубопровод 92 соединен с устройством через быстрое соединение 93. В корпус 81 могут быть установлены дополнительные электроды. Первая и вторая соединительные детали 97, 98 могут включать предохранительный замок на случай нечаянного расцепления. Кроме того, в них может входить непроводящая защита.
В одном случае для осуществления варианта, представленного на ФИГ. 8, система управления отсутствует. Поваренная соль и водопроводная вода добавляются оператором. Затем оператор включает систему парогенерации в сетевую розетку, и система генерирует пар до тех пор, пока вода в котле не заканчивается. Во многих местах система будет работать на водопроводной воде и генерировать пар даже без добавления поваренной соли, так как в воде уже содержатся нерастворимые проводящие примеси.
На ФИГ. 9 представлен еще один вариант системы парогенерации 10 для осуществления настоящей патентной заявки в том виде, как он может быть продан потребителям для приготовления пищи или других операций, требующих постоянного снабжения паром, дозированную его подачу или производство заранее определенного объема пара.
Резервуар 100 системы парогенерации 10 ФИГ. 9 изготавливается из прозрачного, съемного и моющегося материала, такого как пластик, и может отделяться от блока управления 101. Блок управления 101 включает котел для парогенерации, такой как котел 30, показанный на ФИГ. 3, 4. Такой котел 30 внутри блока управления расположен вертикально и в него подается раствор из резервуара 100.
Блок управления 101 включает также схему системы управления 16, как показано на ФИГ. 2. Блок управления 101 может также включать индикатор включения/выключения 102 и другие индикаторы, например индикатор включателя/выключателя, и ручку для того, чтобы задавать время операции, которая соединена с контроллером 21. Система парогенерации 10 также имеет чашу для конденсата 103, которая находится под отделением 104, предназначенным для получения пара, и является съемной. Пар из котла, который находится в блоке управления, переходит в приемное отделение 104 и в паровую камеру 107, в которую можно укладывать продукты питания или другие объекты. Приемное отделение 104 для пара и паровая камера 107 включают крышку 105 на шарнирном соединении с ручкой 106. В рассматриваемом варианте паровая камера 107 имеет множество отверстий 108, расположенных на одной или более поверхностях и позволяющих пару из приемного отделения 104 для пара двигаться через паровую камеру 107. Конденсат пара собирается в чашу 103 для сбора конденсата.
Раскрытые методы и системы были показаны и описаны соответственно вариантам, представленным на чертежах, однако в них можно внести разные изменения, не выходя за пределы существа и объема изобретения, которые описаны в прилагаемой формуле.
1. Система для генерации пара из раствора электролита, включающая котел для парогенерации, устройство для подачи ионного содержимого в воду, устройство подачи раствора электролита, устройство для измерения электрического тока и контроллер, в которой вышеуказанный котел для парогенерации содержит первый электрод и второй электрод, причем вышеуказанные первый и второй электроды расположены таким образом, чтобы контактировать с раствором электролита при подаче раствора электролита в вышеуказанный котел для парогенерации, и ток протекает между вышеуказанными первым и вторым электродами через раствор электролита; вышеуказанное устройство для подачи ионного содержимого в воду содержит источник ионов электролита, при прохождении воды через который вода обогащается ионами электролита; вышеуказанный электрический ток нагревает раствор электролита с целью образования пара, а вышеуказанный контроллер соединен с устройством, подающим раствор электролита, чтобы включать и отключать подачу раствора электролита в вышеуказанный котел для парогенерации, работающий на электрическом токе, измеряемом устройством для измерения электрического тока.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что вышеуказанное устройство для подачи раствора электролита включает насос.
3. Система по п. 1, которая содержит резервуар, отличающаяся тем, что вышеуказанный резервуар используется для хранения раствора электролита, а также тем, что вышеуказанное устройство для подачи раствора электролита имеет соединение для доставки раствора электролита из резервуара в вышеуказанный нагревательный котел.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она включает обратный клапан между вышеуказанным устройством для подачи раствора электролита и вышеуказанным котлом для парогенерации.
5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она включает устройство, соединяющееся с вышеуказанным котлом для парогенерации, которое использует пар, получаемый из вышеуказанного котла.
6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что вышеуказанный котел для парогенерации содержит первый торцевой колпак и второй торцевой колпак, а также тем, что первый электрод включает трубчатый кожух, который имеет первый торец и второй торец и выполнен из проводящего материала, первый торцевой колпак крепится к первому торцу данного трубчатого кожуха, а второй торцевой колпак - соответственно ко второму торцу данного трубчатого кожуха; первый торцевой колпак и второй торцевой колпак выполнены из непроводящего материала.
7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что вышеуказанный второй электрод расположен внутри трубчатого кожуха, а также тем, что вышеуказанный первый электрод имеет внутренний диаметр, а вышеуказанный второй электрод - наружный диаметр, причем наружный диаметр второго электрода меньше внутреннего диаметра вышеуказанного трубчатого кожуха так, что между первым и вторым электродами образуется зазор для подачи в него раствора электролита, а ток, протекающий между первым и вторым электродами, протекает через раствор электролита в вышеуказанном зазоре с целью нагревания этого раствора электролита.
8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что вышеуказанный котел для парогенерации включает расширительную камеру, и тем, что данная расширительная камера располагается по меньшей мере над одной группой, состоящей из вышеуказанных первого и второго электродов, и служит для получения пара, генерированного при нагревании вышеупомянутого раствора электролита.
9. Система по п. 8, отличающаяся тем, что вышеуказанный второй электрод имеет круглое поперечное сечение.
10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что вышеуказанный нагревательный котел включает корпус и крышку, причем вышеназванный корпус состоит из боковых стенок и днища, данный корпус выполнен из непроводящего материала, а вышеназванная крышка включает периферическое уплотнение между вышеуказанными крышкой и корпусом для образования герметичного водонепроницаемого пространства.
11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что вышеуказанные первый и второй электроды имеют прямоугольную форму.
12. Система по п. 11, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из вышеуказанных электродов имеет желобок вдоль нижнего края для прохождения раствора электролита.
13. Система для генерации пара из раствора электролита, включающая датчик тока, связанный с контроллером фазового угла, котел для парогенерации, который содержит первый электрод и второй электрод, причем вышеуказанные первый и второй электроды расположены таким образом, чтобы контактировать с раствором электролита, когда этот раствор электролита подается в вышеназванный котел для парогенерации; первый и второй электроды соединены с источником переменного тока, и ток протекает между указанными выше первым и вторым электродами через раствор электролита; вышеуказанный ток нагревает раствор электролита, в результате чего образуется пар, и подача тока автоматически прекращается, когда весь раствор электролита в вышеуказанном котле для парогенерации преобразован в пар, указанный контроллер фазового угла выключает ток на части каждого периода переменного тока при приближении величины тока к контрольной отметке.
14. Система по п. 13, отличающаяся тем, что включает устройство для подачи ионного содержимого в воду при прохождении через него воды.
15. Система по п. 13, отличающаяся тем, что включает подводящий трубопровод, быстросоединяемое соединение и устройство, причем вышеуказанное устройство соединено с котлом для парогенерации для получения образованного пара через вышеназванный подводящий трубопровод и быстросоединяемое соединение; вышеназванное устройство использует пар, произведенный в указанном выше котле для парогенерации.
16. Система по п. 13, отличающаяся тем, что вышеуказанные первый и второй электроды изготовлены в виде карандаша.
17. Система по п. 13, отличающаяся тем, что раствор электролита включает по меньшей мере один элемент из группы, состоящей из водопроводной воды с проводящими примесями, которые содержатся в водопроводной воде, и водопроводную воду с добавленной в нее поваренной солью.
