СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРЕВА И ПОДАЧИ НЕНАГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК F04F5/50 

Изобретение относится к струйной технике, преимущественно к пароструйным инжекторам, которые могут быть установлены в системах горячего водоснабжения, системах мойки оборудования, системах подпитки горячей жидкой средой и т.п.

Известны пароконтактные способы нагрева жидкостей с регулированием подачи пара и жидкости перед их смешением [1]
Однако в данном способе регулирования подачи пара по температуре воды в подающем резервуаре и регулирования подачи ненагретой жидкости по уровню жидкости в указанном резервуаре не учитываются режимные характеристики работы пароструйного инжектора, в то время как существуют предельные коэффициенты инжекции, а устойчивая работа инжектора, как правило, осуществляется при коэффициенте инжекции от 8 до 100. При уменьшении коэффициента инжекции ниже 8 наступает неустойчивая работа пароконтактной системы нагрева, вплоть до срыва "запаривания" системы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ регулирования нагрева и подачи ненагретой жидкости, включающий пароконтактный нагрев жидкости, подачу нагретой жидкости и регулирование подачи пара и ненагретой жидкости перед их смешением [2]
В устройстве, реализующем способ регулирования нагрева, клапаны подачи пара и жидкости механически жестко связаны друг с другом. Это позволяет при уменьшении подачи ненагретой жидкости автоматически уменьшать подачу пара и тем самым избегать чрезмерного уменьшения коэффициента инжекции, а следовательно, избегать режима "запаривания".

Однако в этом способе регулирования нагрева нет режима ограничения снижения подачи жидкости, что ведет к тому, что при определенном уменьшении подачи пара и ненагретой жидкости за регулятором давление уменьшается до такой величины, что не может быть обеспечена устойчивая работа системы.

Кроме того, надо отметить, что перепад давления ненагретой жидкости находится в зависимости от степени открытия клапана, а расход жидкости через этот регулятор зависит и от перепада, и от увеличения площади для прохода жидкости в регуляторе.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности за счет автоматического исключения режимов неустойчивой работы пароструйных аппаратов, стабилизация температуры и напора нагретой жидкости, расширение диапазона автоматического регулирования подачи нагретой жидкости.

Данная техническая задача решается тем, что в способе регулирования нагрева и подачи ненагретой жидкости, включающем пароконтактный нагрев жидкости, подачу нагретой жидкости и регулирование подачи пара и ненагретой жидкости перед их смешением, обеспечивают скачкообразное прекращение подачи ненагретой жидкости под действием перепада давления ненагретой жидкости при увеличении давления нагретой жидкости выше заданной величины и, соответственно, открытие подачи ненагретой жидкости при уменьшении давления нагретой жидкости.

Кроме того, обеспечивают скачкообразное закрытие подачи пара одновременно со скачкообразным закрытием подачи ненагретой жидкости и, соответственно, их одновременное открытие, подачу ненагретой жидкости до закрытия регулятора ее подачи осуществляют в количестве не менее 20% от максимальной ее подачи и регулирование подачи нагретой жидкости осуществляют в двух и более параллельно соединенных пароструйных аппаратах, при этом для аппарата с минимальной производительностью вводят ограничение уменьшения подачи ненагретой жидкости.

Таким образом, при регулировании подачи ненагретой жидкости (что обеспечивает регулирование подачи нагретой жидкости) создают в регуляторе три режима его работы: I плавное изменение подачи жидкости при изменении управляющего параметра давления нагретой жидкости; II автоматическое скачкообразное полное закрытие регулятора при достижении критического перепада давления жидкости на клапане регулятора; III автоматическое скачкообразное открытие регулятора при уменьшении управляющего параметра до предельного минимально допустимого значения.

Выполняя систему нагрева жидкости с несколькими параллельно включенными пароструйными аппаратами и предусматривая автоматическое выключение (включение) при уменьшении (увеличении) потребления нагретой жидкости всех аппаратов, кроме аппарата с наименьшей производительностью, можно обеспечить автоматическое регулирование температуры и напора жидкости в гораздо более широком диапазоне изменения потребления нагретой жидкости, нежели в системах с однотипным регулированием каждого аппарата. Постоянная работа аппарата с наименьшей производительностью позволяет поддерживать в системе нагретой жидкости требуемое давление при минимальном, либо полном прекращении потребления жидкости и обеспечивать за счет этого автоматическое воздействие на регуляторы остальных аппаратов. Минимальная производительность аппарата позволяет уменьшить размеры водосборной емкости, используемой в качестве буферной.

При уменьшении потребления нагретой жидкости до 20% максимальной производительности невыключаемого аппарата система регулирования обеспечивает подачу жидкости в водосборную емкость, прекращая при этом дальнейшее уменьшение подачи жидкости и пара в этот аппарат. Уменьшение же потребления нагретой жидкости при этом может быть любым вплоть до полного прекращения потребления. Допустимое время существования таких режимов определяется производительностью аппарата, размерами водосборной емкости и длительностью перерывов в потреблении жидкости. При возрастании потребления свыше 20% максимальной производительности невыключаемый аппарат автоматически транспортирует нагретую жидкость из водосборной емкости потребителю, а в дальнейшем вызывает автоматическое включение других аппаратов. Таким образом, предлагаемый способ регулирования позволяет значительно увеличить диапазоны регулирования подачи нагретой жидкости и тем самым надежность и экономичность использования пароструйных аппаратов для рассматриваемых целей.

На фиг. 1 представлена схема пароструйной установки, в которой реализован способ регулирования нагрева и подачи ненагретой жидкости; на фиг. 2 регулирующее устройство, обеспечивающее скачкообразное закрытие и открытие подачи ненагретой жидкости; на фиг. 3 график режима работы регулирующего устройства.

Пароструйная установка содержит пароструйные аппараты 1,2 с патрубками соответственно 3 и 5 подачи ненагретой жидкости и патрубками 4 и 6 подачи жидкости из водосборной емкости 23,трубопроводы 7 и 8 подачи паpа, на которых размещены регуляторы 9 и 10 прямого действия подачи пара, управляемые соответственно импульсами датчиков 11 и 12 подачи жидкости, трубопроводы 13 и 14 подачи ненагретой жидкости, на которых установлены соответственно датчики 11 и 12 подачи жидкости и регуляторы 15 и 16 прямого действия подачи жидкости, трубопроводы 17 и 18 подачи нагретой жидкости из пароструйных аппаратов 1 и 2 с установленными на них обратными клапанами 19 и 20, трубопроводы 21 и 22 подачи импульса напорной жидкости от трубопроводов 17 и 18 к регуляторам 15 и 16, трубопровод 24, посредством которого патрубки 4 и 6 подключены к водосборной емкости 23, и установленный на конце трубопровода 24 обратный клапан 25 с поплавком 26.

Регулятор прямого действия содержит клапан 27, упругий элемент, например пружину 28, и поршень 29.

Положение клапана 27 регулятора определяется равенством усилий на него, вызывающих его открытие и закрытие. Усилие F₂ пружины 28 направлено на открытие клапана. Усилие F₃, создаваемое давлением нагретой жидкости Р₂ на поршень 29, направлено на закрытие клапана и определяется равенством F₃=P₂ ·f₃, где f₃ площадь поршня 29.

Непосредственно на клапан 27 действует усилие от разницы давлений жидкости на входе Р₁₀ и выходе Р₁ из регулятора. Это усилие может изменять свой знак. При ходе клапана между положением х₂ и полным открытием h это усилие вызывает открытие клапана, но при открытиях х< х₂ усилие перепада давления жидкости вызывает закрытие клапана и поэтому становится возможным создать критическое положение клапана х₁, при котором дальнейшее прикрытие клапана вызовет его автоматическое скачкообразное полное закрытие. Баланс усилий на клапан для любого его положения при х ≥х₁ F₁(x) + F₂(x) F₃(x), либо через параметры сред [P₁(x) ·f₁ P₁₀· f₂] + +F₂(x) P₂(x) ·f₃, где f₁, f₂, f₃ площади клапана и поршня, на которые действуют соответствующие давления.

При х<х₁ левая часть, представляющая собой усилие, направленное против закрытия клапана, начинает непрерывно уменьшаться с увеличением закрытия клапана и поэтому усилие F₃ > F_3max P_2max ·f₃ вызовет полное закрытие клапана.

Таким образом, осуществляются два режима работы регулятора: плавное регулирование подачи жидкости при перемещениях клапана х ≥ х₁ и скачкообразное закрытие при х < х₁.

Третий режим работы регулятора обеспечивает автоматическое включение подачи жидкости к пароструйному аппарату при уменьшении давления нагретой жидкости в системе менее допустимого. Это произойдет автоматически при уменьшении Р₂ до значения Р₂ '= .

Изменяя размеры и профили клапана, размеры поршня, жесткость пружины, можно создать желаемую непрерывность и неравномерность регулирования давления и, следовательно, подачи нагретой жидкости.

Автоматическое регулирование нагрева жидкости при изменении ее подачи осуществляют аналогично рассмотренному в трех режимах работы регулятора 9 и 10 подачи пара, но в качестве управляющего параметра используют перепад давления соответственно в датчике 11 и 12 подачи жидкости (например, в диафрагме), установленном на трубопроводе подвода жидкости к указанному выше регулятору подачи ненагретой жидкости.

Однозначно зависимый от подачи через регулятор жидкости перепад давлений ее в датчике обеспечивает первый режим плавного изменения подачи пара в зависимости от изменений этого перепада. Второй режим скачкообразного полного закрытия и третий режим скачкообразного открытия регулятора пара осуществляется автоматически при скачкообразном соответственно закрытии или открытии регулятора подачи жидкости, так как в усилии на открытие регулятора подачи пара подавляющую его часть либо полностью всю составляет усилие от перепада давления ненагретой жидкости в датчике ее подачи.

Способ регулирования нагрева и подачи нагретой жидкости заключается в следующем.

При обезвоженной системе и отсутствии давления в трубопроводах 17 и 18 подачи нагретой жидкости регуляторы 15 и 16 прямого действия подачи жидкости открыты, а регуляторы 9 и 10 прямого действия подачи пара закрыты, так как нет подачи жидкости через датчики 11 и 12. При подаче ненагретой жидкости по трубопроводам 13 и 14 к патрубкам 3 и 5 аппаратов 1 и 2 создается давление в трубопроводе 24, автоматически открывается обратный клапан 25 и жидкость из аппаратов через патрубки 4 и 6 по трубопроводу 24 поступает в емкость 23.

Подача жидкости через датчики 11 и 12 формирует импульсы давлений, которые открывают частично регуляторы 9 и 10 подачи пара и по трубопроводам 7 и 8 пар поступает в аппараты 1 и 2, где при смешении с жидкостью создает сверхзвуковые двухфазные потоки. При этом в этих потоках возникает в силу больших скоростей течения вакуум и поэтому жидкость из емкости 23 через клапан 25, трубопровод 24 и патрубки 4 и 6 отсасывается в аппараты 1 и 2, смешивается со сверхзвуковыми двухфазными потоками и перед выходом из аппаратов потоки переходят в дозвуковые с полной конденсацией пара, при этом жидкость приобретает требуемую температуру и напор.

При падении уровня жидкости в емкости 23 до определенной величины прекратится воздействие поплавка 26 на клапан 25 и клапан закроется, прекратив доступ жидкости в трубопровод 24. Давление нагретой жидкости автоматически открывает клапаны 19 и 20 и жидкость поступает к потребителю. Если при этом подача ненагретой жидкости к аппаратам 1 и 2 будет недостаточна, т.е. давление жидкости в трубопроводах 17 и 18 будет ниже требуемого, то импульс пониженного давления через трубопроводы 21 и 22 вызовет открытие регуляторов 15 и 16 до тех пор, пока не будет создано требуемое давление нагретой жидкости у потребителя. При этом одновременно увеличиваются импульсы перепада давлений в датчиках 11 и 12, вызывающих дальнейшее открытие регуляторов 9 и 10 в такой мере, что сохраняется постоянство отношения подачи пара в аппарат к подаче жидкости, а это значит постоянство температуры нагретой жидкости на выходе из аппарата.

При уменьшении потребления нагретой жидкости возрастает ее давление в трубопроводах 17, 18, 21, 22, что вызовет аналогично описанному выше прикрытие регуляторов 15, 16, 9 и 10 с сохранением с определенной неравномерностью регулирования температуры и напора нагретой жидкости.

Для уменьшения неравномерности регулирования к импульсу давления нагретой жидкости, воздействующему на регуляторы подачи ненагретой жидкости, добавляются импульсы возникающих и увеличивающихся при закрытии перепадов давлений на клапанах этих регуляторов. Увеличение перепадов давлений на клапанах имитирует возрастание давления нагретой жидкости, уменьшая тем самым реальное увеличение этого давления. Однако, если подача жидкости в аппараты регуляторами 15 и 16 будет уменьшена до значений, близких к критическому (приблизительно 20% максимальной подачи каждого аппарата), то дальнейшее прикрытие регуляторов 15 и 16 может вызвать срыв работы аппаратов 1 и 2, так называемое "запаривание". Такие режимы автоматически исключаются тем, что в системе существует один аппарат, например аппарат 1, с наименьшей производительностью и регулятор 16 подачи жидкости аппарата 2 настроен таким образом, что при указанных выше подачах воздействие на регулятор 16 перепада давления на нем становится решающим и этот регулятор "захлопывается". Одновременно исчезновение перепада давления на датчике 12 вызывает закрытие и регулятора 10 подачи пара, при этом автоматически из-за падения давления на выходе из аппарата 2 закроется обратный клапан 20. Таким образом, автоматически произойдет отключение аппарата 2. При этом начнет падать давление (напор) нагретой жидкости в трубопроводах 17, 21, что вызовет соответствующее открытие регулятора 15 и восстановление номинального давления нагретой жидкости. Соответственно с помощью импульса от датчика 11 откроется и регулятор 9 подачи пара.

При дальнейшем уменьшении потребления нагретой жидкости опять начнется возрастание давления этой жидкости, соответствующее прикрытие регуляторов 9 и 15. Но для аппарата 1 существует автоматическое ограничение уменьшения производительности до значений меньших 20% максимальной производительности аппарата 1. Это может быть обеспечено различными способами. Например, характеристики аппарата 1 могут быть выбраны такими, что в этом критическом положении избыток нагретой жидкости начнет поступать по трубопроводу 24 через клапан 25 в емкость 23. При этом подача может возрастать до полного прекращения потребления нагретой жидкости.

Возрастание давления за аппаратом 1 не вызывает такого прикрытия регулятора 15, при котором решающим становится воздействие перепада давления на этом регуляторе. Таким образом, при временном уменьшении более чем на 80% от максимальной производительности аппарата 1 потребления жидкости или при полном прекращении потребления нагретая жидкость будет поступать в емкость 23, а давление нагретой жидкости и перепад давления на регуляторе 16 обеспечит надежное отключение аппарата 2. С учетом последнего минимальная подача нагретой жидкости в режиме автоматического регулирования составит не более 10% от максимальной производительности системы (суммы максимальных производительностей аппаратов 1 и 2). Такие же эффекты ограничения уменьшения производительности аппарата 1 можно получить механически, ограничивая перемещение регулятора 15, либо устанавливая на трубопроводе 17 предохранительный клапан, сброс жидкости из которого может быть осуществлен, например, в емкость 23.

При возрастании потребления нагретой жидкости падение ее давления вызовет сначала появление вакуума в трубопроводе 24 и отсос нагретой жидкости из емкости 23 через клапан 25 и патрубок 4 в аппарат 1 и далее к потребителю. Одновременно, импульс уменьшающегося давления нагретой жидкости вызовет соответствующее открытие регуляторов 15 и 9. Если этого будет достаточно, то аппарат 1 обеспечивает всю потребность потребителя. Если этого будет недостаточно и давление нагретой жидкости будет продолжать уменьшаться, то при определенном давлении автоматически откроется регулятор 16 и затем регулятор 10, обеспечив включение в работу аппарата 2, при этом произойдет, как уже указывалось, перераспределение производительности (подачи) между аппаратами 1 и 2.

Таким образом, за счет использования предлагаемого способа регулирования возможно обеспечивать простыми и надежными регуляторами автоматическое регулирование подачи нагретой жидкости при поддержании постоянными температуры и напора этой жидкости, причем диапазон изменения потребления нагретой жидкости от 0 до 100% максимального расчетного потребления.

Использование: в пароструйных эжекторах. Сущность изобретения: регулируют подачу пара и ненагретой жидкости /НЖ/ перед их смешением. Обеспечивают скачкообразное прекращение подачи НЖ под действием перепада давления НЖ при увеличении давления нагретой жидкости выше заданной величины и соответственно открытие подачи НЖ при уменьшении давления нагретой жидкости; обеспечивают скачкообразное закрытие подачи пара одновременно с скачкообразным закрытием подачи НЖ и соответственно их одновременное открытие. Подачу НЖ до закрытия регулятора осуществляют в количестве не менее 20 % от макс. ее подачи. Регулирование подачи нагретой жидкости в двух и более параллельно соединенных пароструйных аппаратах. Для аппарата с миним. призводительностью вводят ограничение уменьшения подачи НЖ. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРЕВА И ПОДАЧИ НЕНАГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ, включающий пароконтактный нагрев жидкости, подачу нагретой жидкости и регулирование подачи пара и ненагретой жидкости перед их смешением, отличающийся тем, что обеспечивают скачкообразное прекращение подачи ненагретой жидкости под действием перепада давления ненагретой жидкости при увеличении давления нагретой жидкости выше заданной величины и соответственно открытие подачи ненагретой жидкости при уменьшении давления нагретой жидкости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивает скачкообразное закрытие подачи пара одновременно со скачкообразным закрытием подачи ненагретой жидкости и соответственно их одновременное открытие. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу ненагретой жидкости до закрытия регулятора ее подачи осуществляют в количестве не менее 20% от максимальной ее подачи. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что регулирование подачи нагретой жидкости осуществляют в двух и более параллельно соединенных пароструйных аппаратах, при этом для аппарата с минимальной производительностью вводят ограничение уменьшения подачи ненагретой жидкости.