過熱水蒸氣生成裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種過熱水蒸氣生成裝置，能高速響應(yīng)且高精度地進行過熱水蒸氣的溫度控制，通過感應(yīng)線圈對水蒸氣所接觸的加熱金屬件進行感應(yīng)加熱，來加熱與所述加熱金屬件接觸的水蒸氣，由此生成過熱水蒸氣，與所述感應(yīng)線圈連接的交流電源的頻率為50Hz或60Hz，所述加熱金屬件的朝向所述感應(yīng)線圈側(cè)的感應(yīng)線圈側(cè)的面與和所述水蒸氣接觸的水蒸氣接觸面之間的壁厚為10mm以下。
【專利說明】
過熱水蒸氣生成裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及通過感應(yīng)加熱生成過熱水蒸氣的過熱水蒸氣生成裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在所述過熱水蒸氣生成裝置中，如專利文獻I所示，有下述的裝置:通過對纏繞在鐵心上的初級線圈施加交流電壓，使感應(yīng)電流流過纏繞在所述鐵心上的、成為次級線圈的導(dǎo)體管，加熱流過所述導(dǎo)體管的飽和水蒸氣而生成過熱水蒸氣。
[0003]此外，在所述過熱水蒸氣生成裝置中，通過由溫度檢測器檢測從導(dǎo)體管導(dǎo)出的過熱水蒸氣的溫度，并向電壓控制元件輸入對應(yīng)于所述檢測溫度與目標溫度的偏差的控制信號，來控制施加到感應(yīng)線圈上的電壓。由此，把從導(dǎo)體管導(dǎo)出的過熱水蒸氣控制在所希望的溫度。
[0004]可是，在以往的過熱水蒸氣生成裝置中，為了高精度地控制過熱水蒸氣，只不過是設(shè)定反饋控制(PID控制)的PID常數(shù)這種程度的控制?，F(xiàn)有技術(shù)文獻
[0005]專利文獻I:日本特許第5641578號
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]因此，本發(fā)明人正在推進能夠不僅僅依賴PID控制的PID常數(shù)的設(shè)定地、高速響應(yīng)且高精度地控制過熱水蒸氣的溫度的過熱水蒸氣生成裝置的開發(fā)，本發(fā)明的主要目的在于高速響應(yīng)且高精度地進行過熱水蒸氣的溫度控制。
[0007]S卩，本發(fā)明提供一種過熱水蒸氣生成裝置，其通過感應(yīng)線圈對水蒸氣接觸的加熱金屬件進行感應(yīng)加熱，來加熱與所述加熱金屬件接觸的所述水蒸氣，由此生成過熱水蒸氣，與所述感應(yīng)線圈連接的交流電源的頻率為50Hz或60Hz，所述加熱金屬件的朝向所述感應(yīng)線圈側(cè)的感應(yīng)線圈側(cè)的面與水蒸氣接觸面之間的壁厚為1mm以下，所述水蒸氣接觸面與所述水蒸氣接觸。
[0008]按照這種過熱水蒸氣生成裝置，由于對感應(yīng)線圈側(cè)的面與蒸氣接觸面之間的壁厚為1mm以下的加熱金屬件施加50Hz或60Hz的交流電壓，所以能夠減小加熱金屬件的成為水蒸氣加熱面的水蒸氣接觸面與加熱金屬件的成為溫度控制面的感應(yīng)線圈側(cè)的面的溫度差，能夠高速響應(yīng)且高精度地進行加熱金屬件的水蒸氣接觸面的溫度控制。因此，能夠高速響應(yīng)且高精度地控制由加熱金屬件加熱的過熱水蒸氣的溫度。具體內(nèi)容將在后面描述。
[0009]優(yōu)選的是，所述加熱金屬件為非磁性金屬。
[0010]通常非磁性金屬的電流滲透深度大，不僅適用于溫度較高范圍的過熱蒸氣的生成，也適用于溫度低的范圍的過熱蒸氣的生成。
[0011]在磁性體的磁性殘余的溫度區(qū)域中電流滲透深度淺，例如碳鋼的300°C.50Hz下的電流滲透深度為8.6mm。
[0012]另一方面，SUS316L的電流滲透深度為75.4mm，即使是厚度1mm的內(nèi)表面，相對于加熱金屬件的外表面，也能夠確保90 %以上的電流密度。
[0013]如果是其他的非磁性的奧氏體系不銹鋼，由于耐腐蝕性和耐熱性高，電流滲透深度也具有類似的深的特性，適于從低溫至高溫的寬廣溫度區(qū)域的過熱水蒸氣的生成。
[0014]優(yōu)選的是，所述過熱水蒸氣生成裝置具備溫度控制部，所述溫度控制部對由所述加熱金屬件加熱的過熱水蒸氣的溫度進行反饋控制，使得所述過熱水蒸氣的溫度與目標溫度的偏差小于±1°C。
[0015]按照該結(jié)構(gòu)，通過有效利用對壁厚為1mm以下的加熱金屬件施加50Hz或60Hz的交流電壓的結(jié)構(gòu)，能夠容易地高精度地控制過熱水蒸氣的溫度。
[0016]過熱水蒸氣的溫度控制，例如是對向?qū)w管等加熱金屬件供給的電能進行控制，與控制過熱水蒸氣所具有的能量等價。此外，如果設(shè)過熱水蒸氣具有的能量為Q，則當例如將從飽和水蒸氣生成過熱水蒸氣時其溫度上升值設(shè)為Θ并將過熱水蒸氣產(chǎn)生量設(shè)為V時，則所述Q可以表示為Q與?V。因此，PID的各控制常數(shù)會因Q亦即ΘV的變化而改變。因此，優(yōu)選的是，所述溫度控制部根據(jù)目標溫度和目標蒸氣產(chǎn)生量設(shè)定PID常數(shù)。
[0017]優(yōu)選的是，所述加熱金屬件的壁厚被設(shè)定為:相對于所述加熱金屬件的所述感應(yīng)線圈側(cè)的面的電流密度，使所述水蒸氣接觸面的電流密度成為90 %以上。
[0018]按照該結(jié)構(gòu)，相對于加熱金屬件的感應(yīng)線圈側(cè)的面的、水蒸氣接觸面的發(fā)熱比成為約80%以上，能夠容易地高精度地進行控制。
[0019]優(yōu)選的是，所述加熱金屬件是所述水蒸氣流過的導(dǎo)體管，所述導(dǎo)體管的管厚為1mm以下。
[0020]按照如上所述構(gòu)成的本發(fā)明，由于對感應(yīng)線圈側(cè)的面與蒸氣接觸面之間的、壁厚為1mm以下的加熱金屬件施加50Hz或60Hz的交流電壓，所以能夠不僅僅依賴PID控制的PID常數(shù)的設(shè)定地、高速響應(yīng)且高精度地控制過熱水蒸氣的溫度。
【附圖說明】
[0021]圖1是示意性地表示本實施方式的過熱水蒸氣生成裝置的結(jié)構(gòu)的圖。
[0022]圖2是表示將SUS316L加熱到800°C時的電流滲透深度的圖。
[0023]圖3是表示過熱水蒸氣能量與各控制常數(shù)的適當值的關(guān)系的圖。
[0024]圖4是表示加熱金屬件的變形例的截面圖。
[0025]附圖標記說明
[0026]100過熱水蒸氣生成裝置
[0027]2 加熱金屬件
[0028]3 鐵心
[0029]4 感應(yīng)線圈
[0030]5 交流電源
[0031]6 溫度檢測器
[0032]7 電壓控制元件
[0033]8 溫度控制部
【具體實施方式】
[0034]以下參照【附圖說明】本發(fā)明的過熱水蒸氣生成裝置的一個實施方式。
[0035]本實施方式的過熱水蒸氣生成裝置100，通過用加熱金屬件2加熱在外部生成的飽和水蒸氣，生成超過100°c (200 °C?2000°C )的過熱水蒸氣。另外，所述過熱水蒸氣生成裝置100可以包括:飽和水蒸氣生成部，通過用加熱金屬件加熱水來生成飽和水蒸氣；以及過熱水蒸氣生成部，通過用加熱金屬件加熱由所述飽和水蒸氣生成部生成的飽和水蒸氣，來生成超過100 °C( 200 °C?2000 °C)的過熱水蒸氣。
[0036]所述加熱金屬件2形成有用于流過流體的內(nèi)部流道，具體地說，所述加熱金屬件2為導(dǎo)體管。此外，對各加熱金屬件2進行感應(yīng)加熱的機構(gòu)，由鐵心3以及沿所述鐵心3纏繞的初級線圈亦即感應(yīng)線圈4構(gòu)成。所述加熱金屬件2沿所述初級線圈4設(shè)置在所述感應(yīng)加熱機構(gòu)的初級線圈4的外周上或初級線圈4的內(nèi)周上或初級線圈4之間。
[0037]此外，對感應(yīng)線圈4施加交流電壓的交流電源5的電源頻率，是50Hz或60Hz的商用頻率。
[0038]按照這樣構(gòu)成的過熱水蒸氣生成裝置100，通過對感應(yīng)線圈4施加50Hz或60Hz的交流電壓，在加熱金屬件2中流過感應(yīng)電流，各加熱金屬件2產(chǎn)生焦耳熱。此外，流過加熱金屬件2的內(nèi)部流道的水蒸氣，從加熱金屬件2的內(nèi)表面接受熱量而被加熱。
[0039]作為本實施方式的加熱金屬件2的導(dǎo)體管，通過將作為非磁性金屬的SUS316L等不銹鋼管纏繞成螺旋狀而形成，導(dǎo)體管的管壁的壁厚(管厚)為1mm以下。即，導(dǎo)體管2的朝向感應(yīng)線圈4側(cè)的感應(yīng)線圈側(cè)的面(導(dǎo)體管2的外表面)和與水蒸氣接觸的水蒸氣接觸面(導(dǎo)體管2的內(nèi)表面)之間的壁厚為1mm以下。另外，在所述管壁的壁厚中，只要所述感應(yīng)線圈側(cè)的面與所述水蒸氣接觸面的最短距離為1mm以下即可，此外，所述管壁的壁厚只要為1mm以下且具有能承受過熱水蒸氣壓力和熱伸長變形的規(guī)定的機械強度的壁厚以上即可。
[0040]在此，感應(yīng)加熱的被加熱體(導(dǎo)體管)的電流滲透深度o[m]，由金屬的電阻率P[Ω.m]、相對磁導(dǎo)率μ和電源頻率f [Hz]決定，由下述公式表示。
[0041 ] σ = 503.3^{ρ/(μ?)}
[0042]例如，在SUS316L制的導(dǎo)體管被加熱到800°C的狀態(tài)下，在商用頻率50Hz下被稱為電流滲透深度的、成為表面電流密度的36.8%的深度是96.5mm，在作為高頻的10000Hz下電流滲透深度是6.8mm。
[0043]圖2是表示800°C下的SUS316L的感應(yīng)電流的電流滲透深度的圖，表示了將導(dǎo)體管的初級線圈側(cè)表面電流密度設(shè)為1.0時的電流密度與深度的關(guān)系。
[0044]例如，如果設(shè)導(dǎo)體管為壁厚6.8mm的管，貝Ij由于10000Hz下相對于表面的、內(nèi)表面的電流密度為36.8%，所以相對于表面發(fā)熱，內(nèi)表面發(fā)熱成為作為電流密度的平方的13.5%。
[0045]另一方面，50Hz下導(dǎo)體管的內(nèi)表面的電流密度為約95%，因此相對于表面的內(nèi)表面的發(fā)熱比成為約90%。
[0046]由于生成過熱水蒸氣的是導(dǎo)體管的內(nèi)表面，所以在10000Hz的高頻下，相對于表面為I的加熱，必需控制內(nèi)表面為0.135的發(fā)熱溫度，與此相對，在50Hz的商用頻率下，用表面為I的加熱，只要控制內(nèi)表面為0.9的發(fā)熱溫度即可。即，導(dǎo)體管的內(nèi)表面和導(dǎo)體管的外表面的溫度差小的商用頻率下的控制性優(yōu)異。
[0047]在所述過熱水蒸氣生成裝置100中，由溫度檢測器6檢測從導(dǎo)體管2導(dǎo)出的過熱水蒸氣的溫度，將與所述檢測溫度和目標溫度的偏差對應(yīng)的控制信號輸入電壓控制元件7(例如晶閘管)，來控制施加給感應(yīng)線圈4的交流電壓。具體地說，進行所述控制的溫度控制部8，以使由導(dǎo)體管2加熱的過熱水蒸氣的溫度與目標溫度的偏差成為小于±1°C的方式進行反饋控制。
[0048]所述溫度控制部8以根據(jù)過熱水蒸氣的目標溫度和目標蒸氣產(chǎn)生量設(shè)定PID常數(shù)的方式構(gòu)成。具體地說，溫度控制部8使用表示過熱水蒸氣能量Q和各控制常數(shù)(PID常數(shù))的適當值的關(guān)系的關(guān)系數(shù)據(jù)，設(shè)定PID常數(shù)。
[0049]在此，所述關(guān)系數(shù)據(jù)是按照每一個生成的過熱水蒸氣量和生成的過熱水蒸氣溫度的條件取得適當?shù)腜ID常數(shù)而制作的數(shù)據(jù)，表示比例常數(shù)Kp、積分常數(shù)K1、微分常數(shù)Kd各自的關(guān)系式(近似式)ο具體地說，如圖3所示。
[0050]例如，Kp可以表示為如下所示的式子。
[0051]Kp = anQn+a(n-1)Q(n_1)+......+aiQ^ao
[0052]在此，an?ao為常數(shù)。另外，K1、Kd也可以同樣地表示。
[0053]過熱水蒸氣能量Q可以用ΘV計算，溫度上升值Θ可以根據(jù)設(shè)定溫度計算，過熱水蒸氣產(chǎn)生量V可以根據(jù)設(shè)定過熱水蒸氣量的電動比例閥的閥開度或者供水量或者供給飽和蒸氣量計算。
[0054]本實施方式的溫度控制部8，根據(jù)生成的過熱水蒸氣設(shè)定溫度計算Θ，并根據(jù)控制供給的飽和水蒸氣量的電動比例閥的閥開度計算V來決定Q，并在該時點計算Kp、Ki和Kd以進行控制常數(shù)的設(shè)定。
[0055]由于所述功能被自動設(shè)定(自動調(diào)整)，所以從運轉(zhuǎn)開始就利用最佳的控制常數(shù)進行溫度控制。在此，在過熱水蒸氣生成裝置100中，通常設(shè)定最初產(chǎn)生的過熱水蒸氣溫度Θ和過熱水蒸氣量V后開始運轉(zhuǎn)，并且通常進行穩(wěn)定的負載狀態(tài)的運轉(zhuǎn)，所以平常Θ和V不會發(fā)生變化而使負載量變動，由此無需總是使控制常數(shù)變化。另外，在不具備電動比例閥的機種的情況下，可以根據(jù)設(shè)定過熱水蒸氣量、或來自測量供給的飽和水蒸氣的流量的流量計和測量所述飽和水蒸氣的溫度的溫度計的測量值來進行計算。
[0056]〈本實施方式的效果〉
[0057]按照如上所述地構(gòu)成的過熱水蒸氣生成裝置100，由于對壁厚1mm以下的加熱金屬件2施加50Hz或60Hz的交流電壓，所以能夠減小加熱金屬件2的成為水蒸氣加熱面的內(nèi)表面與加熱金屬件2的成為溫度控制面的外表面的溫度差，能夠高速響應(yīng)且高精度地進行加熱金屬件2的內(nèi)表面的溫度控制。因此，能夠高速響應(yīng)且高精度地控制由加熱金屬件2加熱的過熱水蒸氣的溫度。
[0058]特別是在對壁厚1mm以下的加熱金屬件施加50Hz或60Hz的交流電壓的結(jié)構(gòu)中，因為根據(jù)目標溫度和目標蒸氣產(chǎn)生量設(shè)定PID常數(shù)，所以能夠容易地高精度地對過熱水蒸氣的溫度進行反饋控制，以使過熱水蒸氣的溫度與目標溫度的偏差成為小于± 1°C。
[0059]〈本發(fā)明的變形實施方式〉
[0060]另外，本發(fā)明不限于所述實施方式。
[0061 ]作為導(dǎo)體管的材質(zhì)，不限于SUS316L，例如也可以是因科內(nèi)爾鎳合金(Inconelalloy)(JIS合金編號NCF601)等。在使用了所述因科內(nèi)爾鎳合金的過熱水蒸氣生成裝置中，過熱水蒸氣量為200kg/h、最高蒸氣溫度為12000C，且壁厚為3mm，該壁厚能承受過熱水蒸氣壓力和熱伸長變形。
[0062]此外，加熱金屬件不限于導(dǎo)體管，例如，如圖4所示，也可以是內(nèi)部形成有流過水或水蒸氣的內(nèi)部流道的塊體。在該情況下設(shè)置為:加熱金屬件2的作為感應(yīng)線圈側(cè)的面的一個面2x和與所述一個面2x鄰接的內(nèi)部流道C的作為水蒸氣接觸面的內(nèi)表面Cx的距離成為1mm以下。在此，所述距離是與內(nèi)表面Cx的一個面2x側(cè)部分(X)的最短距離(參照圖4)。另外，也可以將所述距離設(shè)為是與內(nèi)表面Cx的另一個面2y側(cè)部分(Y)的最短距離，還可以設(shè)為是與所述一個面2x側(cè)部分(X)和另一個面2y側(cè)部分(Y)之間的部分的最短距離。另外，為了高效地加熱通過內(nèi)部流道C的全部水蒸氣，可以將與距所述一個面2x最遠的內(nèi)部流道C的內(nèi)表面Cx的最短距離設(shè)為1mm以下。此外，也可以通過重疊多個金屬體部件而在這些部件之間形成內(nèi)部流道。
[0063]此外，本發(fā)明不限于所述實施方式，在不脫離本發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)可以進行各種變形。
[0064]可以相互組合本發(fā)明的各個實施方式(實施例)中所記載的技術(shù)特征形成新的技術(shù)方案。
【主權(quán)項】
1.一種過熱水蒸氣生成裝置，其通過感應(yīng)線圈對水蒸氣接觸的加熱金屬件進行感應(yīng)加熱，來加熱與所述加熱金屬件接觸的所述水蒸氣，由此生成過熱水蒸氣，所述過熱水蒸氣生成裝置的特征在于， 與所述感應(yīng)線圈連接的交流電源的頻率為50Hz或60Hz， 所述加熱金屬件的朝向所述感應(yīng)線圈側(cè)的感應(yīng)線圈側(cè)的面與水蒸氣接觸面之間的壁厚為I Omm以下，所述水蒸氣接觸面與所述水蒸氣接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過熱水蒸氣生成裝置，其特征在于，所述加熱金屬件為非磁性金屬。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過熱水蒸氣生成裝置，其特征在于，所述過熱水蒸氣生成裝置具備溫度控制部，所述溫度控制部對由所述加熱金屬件加熱的過熱水蒸氣的溫度進行反饋控制，使得所述過熱水蒸氣的溫度與目標溫度的偏差小于± 10C。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的過熱水蒸氣生成裝置，其特征在于，所述溫度控制部根據(jù)目標溫度和目標蒸氣產(chǎn)生量設(shè)定PID常數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過熱水蒸氣生成裝置，其特征在于，所述加熱金屬件的壁厚被設(shè)定為:相對于所述加熱金屬件的所述感應(yīng)線圈側(cè)的面的電流密度，使所述水蒸氣接觸面的電流密度成為90%以上。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過熱水蒸氣生成裝置，其特征在于，所述加熱金屬件是所述水蒸氣流過的導(dǎo)體管，所述導(dǎo)體管的管厚為1mm以下。
【文檔編號】F22G1/16GK105987375SQ201610133126
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】外村徹, 木村昌義, 藤本泰広
【申請人】特電株式會社