СИСТЕМА НАГРЕВА И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ ЦИРКУЛЯЦИИ Российский патент 1995 года по МПК F04F5/14 

Изобретение относится к струйной технике и может быть использовано в технологиях, связанных с подводом и отводом тепла при циркуляции жидкости по замкнутому контуру, например, в системах водяного отопления, пастеризации пищевых продуктов и т.п.

Известны аналогичные системы [1,2] , в которых циркуляция жидкости в контуре осуществляется электронасосами, а отвод и подвод тепла - поверхностными теплообменниками. Недостатками аналогичных систем являются: невозможность использования тепловой энергии источника тепла для создания напора для циркуляции, использование механических устройств для создания циркуляции жидкости в контуре.

Известна система [3], позволяющая использовать в качестве источника энергии для циркуляции жидкости по замкнутому контуру энергию пара, отбираемого от горячей жидкости перед поступлением к теплопотребителю. Недостатком такой системы нагрева и транспортирования жидкости являются: малая эффективность использования для создания циркуляции низкопотенциального пара (при адиабатном вскипании горячей жидкости с температурой 95^оС генерируется пар с давлением ниже атмосферного на ≈ 50 кПа). При таких низких давлениях пара и при обычной, например для замкнутых контуров отопления, температуре воды ("холодной"), возвращаемой от потребителя тепла к источнику тепла, около 70^оС, работа пароструйных аппаратов становится неустойчивой. К недостаткам этой системы следует отнести необходимость увеличения расхода горячей жидкости, т.к. до потребителя тепла часть тепловой энергии жидкости будет использована для получения пара, а также невозможность превратить в контуре непосредственно часть тепловой энергии подводимой в поверхностном теплообменнике в механическую энергию движения жидкости.

Для запуска этой системы необходим сторонний побудитель циркуляции жидкости.

Наиболее близким аналогом является система [4], в которой энергия пара в паровом инжекторе обеспечивает принудительное движение - циркуляцию жидкости в танке, совмещая нагрев жидкости и создание напора для ее циркуляции. Предусмотренное системой наличие поплавкового регулятора на линии подпитки воды обеспечивает постоянство уровня жидкости в танке. Недостатками прототипа являются:
паровой инжектор обеспечивает нагрев жидкости и создает напор для циркуляции жидкости в танке и не обеспечивает циркуляцию нагретой жидкости к потребителю и ее возврат;
при высокой температуре жидкости в танке возможна неполная конденсация пара, что обусловит появление дополнительных энергетических потерь;
так как нагрев жидкости осуществляется в объеме танка за счет многократной циркуляции жидкости через паровой инжектор, то всегда будет иметь место определенная неравномерность температуры жидкости по объему танка и следовательно температуры жидкости, направляемой к потребителю;
для циркуляции нагретой жидкости к потребителю необходимо расположение танка на большей относительно потребителя высоте ("гравитационная" циркуляция предусмотрена в аналоге) либо устанавливать электронасосы;
с увеличением производительности системы (расхода нагретой жидкости к потребителю) для сохранения допустимой неравномерности нагрева необходимо увеличивать объем танка;
система имеет значительную тепловую инерционность, обусловленную процессами нагрева жидкости в объеме танка.

Для ликвидации перечисленных недостатков необходимо:
использовать энергию пара одновременно для нагрева жидкости и для транспортирования ее к потребителю и обратно по замкнутому контуру. Это позволит повысить надежность и экономичность работы системы в целом;
понизить температуру жидкости, возвращаемой от теплопотребителя перед поступлением на вход пароструйного аппарата, что повысит надежность и устойчивость циркуляции;
уменьшить тепловую инерционность системы.

Сущность изобретения заключается в том, что подвод тепла и создание напора для циркуляции жидкости к потребителю тепла и обратно осуществляется в пароструйном инжекторе, в котором энергия пара используется одновременно для нагрева жидкости и создания напора для циркуляции в замкнутом контуре. Предлагаемая система содержит трубопровод подпитки, трубопровод подачи активной (паровой) среды, пароструйный инжектор и устройство отвода тепла, подключенное посредством трубопроводов подачи и возврата жидкости соответственно к выходу инжектора и его патрубку подвода пассивной среды, адиабатный испаритель, водосборник, пускоразгрузочный трубопровод с обратным клапаном и поплавком, при этом адиабатный испаритель установлен на трубопроводе возврата жидкости, инжектор посредством пускоразгрузочного трубопровода подключен к водосборнику, поплавок размещен в последнем и жестко соединен с обратным клапаном, установленным на конце пускоразгрузочного трубопровода, трубопровод подачи жидкости на выходе инжектора снабжен обратным клапаном, адиабатный испаритель снабжен обратным клапаном и подключен через последний к пускоразгрузочному трубопроводу, трубопровод возврата жидкости на участке между инжектором и испарителем снабжен обратным клапаном, а трубопровод подпитки подключен к трубопроводу возврата на участке между инжектором и обратным клапаном. Для систем с высокой температурой возвращаемой от потребителя тепла пассивной среды дополнительно система снабжена пароструйным эжектором, установленным на трубопроводе подачи активной среды перед инжектором, при этом патрубок подвода пассивной среды эжектора через обратный клапан подключен к адиабатному испарителю.

Устойчивость работы предлагаемой системы обеспечивается понижением температуры жидкости на входе в инжектор, оснащением системы предохранительным клапаном (устройством ограничения давления жидкости в системе циркуляции), а также системой подпитки контура циркуляции, используемой при заполнении замкнутого контура жидкостью, пуске системы и при ограниченной разгерметизации контура. Для повышения надежности пуска замкнутая система циркуляции жидкости оснащается обратными клапанами на выходе нагретой жидкости из пароструйного аппарата, на выходе пара из адиабатного испарителя и между зоной сверхзвукового двухфазного течения в пароструйном аппарате и атмосферой. При этом повышение экономичности пуска системы и устранение возможности подсоса воздуха в контур циркуляции жидкости осуществляется за счет того, что обратный клапан на линии связи зоны сверхзвукового двухфазного потока пароструйного аппарата с атмосферой помещается под уровень жидкости в дополнительную емкость, в которой известными способами автоматически обеспечивается минимально допустимый уровень жидкости.

При температурах жидкости на выходе из устройств отвода тепла до ≈70^оС достаточен отсос пара из адиабатного испарителя в инжектор, при этом будет обеспечиваться поддержание глубокого вакуума в испарителе и, следовательно, достаточного охлаждения жидкости в испарителе. При температурах жидкости на выходе более 70^оС для обеспечения более глубокого охлаждения жидкости отсос паров из испарителя дополнительно осуществляется пароструйным эжектором, установленным на паропроводе перед инжектором.

Указанная сущность представлена на чертеже.

Система включает трубопровод подачи активной среды (пара) 1, соединенный через вентиль 2 с пароструйным инжектором 3 непосредственно или через пароструйный эжектор 4 с патрубком 5. Выход из пароструйного инжектора 3 соединен трубопроводом подачи нагретой жидкости 6 с устройством отвода тепла 7 и на этом трубопроводе установлен обратный клапан 8. Выход жидкости из устройства 7 соединен трубопроводом возврата 9 с патрубком 10 инжектора 3, образуя таким образом замкнутый контур циркуляции. На трубопроводе возврата 9 после вентиля 11 размещен адиабатный испаритель 12, который трубопроводами с обратными клапанами 13, 14, 15 соединен соответственно с инжектором 3, эжектором 4 и пускоразгрузочным трубопроводом 16, соединяющим патрубок 17 инжектора 3 с водосборником 18 через обратный клапан 19, соединенный с поплавком 20. К трубопроводу возврата 9 между инжектором 3 и обратным клапаном 15 подсоединен трубопровод подпитки 21 системы с вентилем 22. На трубопроводе возврата 9 между устройством отвода тепла 7 и вентилем 11 установлен предохранительный клапан 23. На чертеже условно показаны зона I - зона сверхзвукового течения в эжекторе 4 и зона II - зона сверхзвукового двухфазного течения в инжекторе 3.

При относительно невысоких температурах жидкости на выходе из устройства отвода тепла 7 (не выше 70^оС) можно упростить приведенную на чертеже систему, а именно исключить из системы пароструйный эжектор 4 и трубопровод с обратным клапаном 14, соединяющий эжектор с испарителем 12. Система при этом работает следующим образом.

Для заполнения обезвоженной системы открывают вентиль 22 и по трубопроводу подпитки 21 вода под давлением через патрубок 10 поступает в пароструйный инжектор 3, оттуда через патрубок 17 по пускоразгрузочному трубопроводу 16 в водосборник 18, при этом всплывающий при повышении уровня поплавок 20 оказывает усилие на открытие обратного клапана 19. При закрытом вентиле 11 открывают вентиль 2 и по трубопроводу подачи активной среды 1 подают пар в пароструйный инжектор 3. Уже при минимальной подаче пара в инжекторе 3 формируется сверхзвуковая газожидкостная зона течения II, в которой в связи с большими скоростями течения создается вакуум. На выходе из зоны II в сверхзвуковом газожидкостном потоке происходит переход в дозвуковое течение жидкости в скачке давления с полной конденсацией пара в потоке, при этом за счет энергии пара происходит нагрев жидкости и создается напор для транспортирования потока дальше, вызывающий открытие обратного клапана 8 и заполнение всей системы до вентиля 11. Так как пускоразгрузочный трубопровод 16 оказывается при этом сообщенным с вакуумированной зоной II инжектора 3, то через принудительно открытый всплывшим при поступлении жидкости в водосборник 18 поплавком 20, обратный клапан 19 жидкость из водосборника 18 отсасывается в систему до тех пор, пока из-за падения уровня воды не прекратится воздействие поплавка 20 на клапан 19. Заполнение системы жидкостью прекратится, когда увеличение давления в системе приводит к открытию настроенного на определенное давление срабатывания предохранительного клапана 23 и жидкость из системы будет отводиться, например, в предназначенную для сбора емкость. Открывая вентиль 22 и закрывая вентиль 11, включают в работу адиабатный испаритель 12, при этом образовавшийся в испарителе пар, как пассивная для создания циркуляции среда, будет отсасываться через обратный клапан 13, трубопровод 16 и патрубок 17 в устройство 3 с последующей конденсацией в скачке давления. Охлажденная за счет адиабатного вскипания жидкость через обратный клапан 15 и трубопровод 9 подается в патрубок 10 инжектора 3. Это понижение температуры жидкости делает возможным сохранение сверхзвукового газожидкостного потока II в зоне II инжектора 3. Степень нагрева жидкости в устройстве и максимально достижимый напор для циркуляции нагретой жидкости зависит от давления пара перед инжектором 3 и регулируется вентилем 2. При наличии неплотности в контуре можно временно вентилем 22 обеспечивать подпитку системы. Роль предохранительного клапана 23 могут выполнить также и часто используемые в системах отопления расширительные баки, располагаемые на достаточной высоте.

При высоких (более 70^оС) температурах жидкости в трубопроводе возврата 9 на выходе из устройства отвода тепла 7 возникает необходимость более глубокого охлаждения жидкости, поступающей в патрубок 10 инжектора 3. Это требует более интенсивного вскипания жидкости в испарителе 12 и увеличения количества пара, отводимого из испарителя. В этом случае необходимо дополнительное устройство - пароструйный эжектор 4 для отсосов паров из испарителя 12 и кроме процессов в системе, описанных выше, дополнительно будут происходить следующие процессы.

При открытии вентиля 2 и подаче достаточного для работы эжектора 4 пара создается вакуумированная зона сверхзвукового течения пара 1, в которую по трубопроводу через открывающийся за счет вакуума в зоне 1 обратный клапан 14 отсасываются образовавшиеся в испарителе 12 пары, которые при этом являются пассивной средой относительно активной - пара, поступающего через вентиль 2.

К инжектору 3 через вентиль 22 подается подпиточная вода с температурой не выше 40^оС и давлением не ниже 50 кПа. Вода поступает по трубопроводу 16 в водосборник 18. При открытии парового вентиля 2 и поднятия давления пара перед инжектором 3 до 100 кПа возникает сверхзвуковая зона II в инжекторе 3 и открывается обратный клапан 8, жидкость из трубопровода подпитки 21 и водосборника 18 поступает в трубопровод подачи 6, заполняя систему. Вентилем 2 увеличивают подачу пара с тем, чтобы увеличить температуру жидкости на выходе из инжектора 3 до значения близкого к номинальному - 95^оС. При давлении пара перед устройством равным ≈ 300 кПа будет достигнута эта температура. При этом в зоне I инжектора 4 создается вакуум ≈ 90 кПа.

После заполнения системы и поднятия в ней давления жидкости перед предохранительным клапаном до 150 кПа, клапан открывается и начинается отвод избытка жидкости из системы.

При открытии вентиля 11 жидкость из устройства для отвода тепла 7 поступает в испаритель 12, где осуществляется ее вскипание и температура ее на выходе из испарителя к инжектору 3 снизится с ≈75^оС до ≈45^оС, при этом за счет отсоса паров в эжектор 4 и через пускоразгрузочный трубопровод 16 в инжектор 3 будет поддерживаться вакуум в испарителе ≈ 90 кПа. После закрытия вентиля 22 положением вентиля 2 поддерживают температуру нагретой жидкости перед устройством отвода тепла 7 равным 95^оС.

Предлагаемая система позволяет повысить надежность и экономичность работы системы за счет использования тепловой энергии пара одновременно для нагрева и создания напора для циркуляции жидкости в замкнутом контуре к потребителю тепла и обратно, исключив применение для этих целей механических устройств, металлоемких теплообменников. Повышается надежность и устойчивость циркуляции жидкости в контуре, т.к. с помощью адиабатного испарителя понижается температура жидкости, поступающей в пароструйный инжектор при создании напора циркуляции. Созданы возможности простого и надежного пуска системы без использования специальных для этого устройств (побудителей циркуляции).

Использование: в струйной технике. Сущность изобретения: устройство отвода тепла подключено трубопроводами /ТП/ подачи и возврата жидкости соответственно к выходу пароструйного инжектора и его патрубку подвода пассивной среды. Адиабатный испаритель установлен на ТП возврата жидкости. Инжектор пускоразгрузочным ТП подключен к водосборнику. Поплавок размещен в водосборнике и жестко соединен с обратным клапаном /ОК/, установленным на конце пускоразгрузочного ТП. ТП подачи жидкости на выходе инжектора снабжен ОК. Испаритель снабжен ОК и подключен через него к пускоразгрузочному ТП. ТП возврата жидкости на участке между инжектором и испарителем снабжен ОК. ТП подпитки подключен к ТП возврата на участке между инжектором и ОК. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СИСТЕМА НАГРЕВА И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ ЦИРКУЛЯЦИИ, содержащая трубопровод подпитки, трубопровод подачи активной среды, пароструйный инжектор и устройство отвода тепла, подключенное посредством трубопроводов подачи и возврата жидкости соответственно к выходу инжектора и его патрубку подвода пассивной среды, отличающаяся тем, что система дополнительно снабжена адиабатным испарителем, водосборником и пускоразгрузочным трубопроводом с обратным клапаном и поплавком, при этом адиабатный испаритель установлен на трубопроводе возврата жидкости, инжектор посредством пускоразгрузочного трубопровода подключен к водосборнику, поплавок размещен в последнем и жестко соединен с обратным клапаном, установленным на конце пускоразгрузочного трубопровода, трубопровод подачи жидкости на выходе инжектора снабжен обратным клапаном, адиабатный испаритель снабжен обратным клапаном и подключен через последний к пускоразгрузочному трубопроводу, трубопровод возврата жидкости на участке между инжектором и испарителем снабжен обратным клапаном, а трубопровод подпитки подключен к трубопроводу возврата на участке между инжектором и обратным клапаном. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что система дополнительно снабжена пароструйным эжектором, установленным на трубопроводе подачи активной среды перед инжектором, при этом патрубок подвода пассивной среды эжектора через обратный клапан подключен к адиабатному испарителю.