СПОСОБ РАБОТЫ ЭЖЕКТОРНОЙ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1999 года по МПК F04F5/54 F24D10/00 

Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к эжекторным установкам, в которых возможно организовать процесс нагрева перекачиваемой в контуре жидкой среды.

Известен способ работы струйной тепловыделяющей установки, включающий подачу в сопло струйного аппарата жидкого теплоносителя, смешение его с охлажденным теплоносителем, подачу смеси в устройство преобразования кинетической энергии потока в тепловую энергию нагрева жидкости и последующую подачу нагретой жидкой среды в теплопотребляющее устройство (см. SU, авторское свидетельство, 306322, F 25 B 29/00, 1971).

Однако данный способ нагрева малоэффективен, что связано с большими затратами энергии на прокачку жидкой среды через устройство преобразования кинетической энергии в тепловую, в связи с чем эти устройства не нашли широкого применения.

Наиболее близким к описываемому является способ работы эжекторной тепловыделяющей установки, включающий подачу в сопло струйного аппарата нагретого теплоносителя, смешение его с охлажденным жидкостным потоком, подачу смеси нагретого теплоносителя и охлажденного жидкостного потока в виде потока нагретой жидкости в теплопотребляющее устройство и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденного жидкостного потока на вход струйного аппарата (см. SU, авторское свидетельство, 1290015, F 04 F 5/02, 1987).

В данном, выше указанном, способе работы эжекторной тепловыделяющей установки нагрев теплоносителя осуществляется только за счет передачи тепла от нагретого теплоносителя к охлажденному и затем в теплопотребляющем устройстве осуществляют съем тепла по назначению, например для нагрева какого-либо помещения. Недостатком данного технического решения является то, что в нем не используется энергия самого жидкостного потока, в частности, кинетическая энергия потока, что резко снижает эффективность данного способа.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение КПД способа работы эжекторной тепловыделяющей установки, повышение надежности ее работы, за счет обеспечения работы установки без устройств с механическим приводом.

Указанная задача достигается за счет того, что в способе работы эжекторной тепловыделяющей установки, включающем подачу в сопло струйного аппарата нагретого теплоносителя, смешение его с охлажденным жидкостным потоком, подачу смеси нагретого теплоносителя и охлажденного жидкостного потока в виде потока нагретой жидкости в теплопотребляющее устройство и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденного жидкостного потока на вход струйного аппарата, в сопло струйного аппарата в качестве нагретого теплоносителя подают пар из парового котла, пар в сопле и охлажденный жидкостный поток, например в профилированном канале, разгоняют, после чего организуют смешение пара и охлажденного жидкостного потока с образованием двухфазного потока и переводом, за счет этого, двухфазного потока на сверхзвуковой режим течения, далее организуют в сверхзвуковом двухфазном потоке скачок давления с одновременным преобразованием в скачке давления двухфазного потока в однофазный поток нагретой жидкости с нагревом жидкости в скачке давления, после чего часть потока нагретой жидкости направляют для подпитки в паровой котел, а другую часть нагретой жидкости дополнительно нагревают в теплогенерирующей решетке, где поток нагретой жидкости сначала разгоняют до скорости, при которой давление в потоке падает до давления не выше давления насыщенных паров жидкости, и преобразуют, за счет парообразования, поток нагретой жидкости в двухфазный поток с переводом потока, за счет этого преобразования, в сверхзвуковой двухфазный поток, затем в потоке организуют скачок давления и в этом скачке преобразуют двухфазный поток в практически однофазный или, что более точно, в жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками с нагревом жидкости в скачке давления, после чего нагретый жидкостной поток подают в теплопотребляющее устройство, в котором, за счет схлопывания микроскопических парогазовых пузырьков, жидкостной поток дополнительно нагревается, а теплопотребляющее устройство обеспечивает передачу тепла потребителю, а из последнего охлажденный жидкостной поток поступает на вход струйного аппарата.

В данном способе работы эжекторной тепловыделяющей установки возможна установка после теплопотребляющего устройства дополнительного теплопотребляющего устройства, что обеспечивает дополнительный съем тепла потребителем от нагретого жидкостного потока.

Кроме того, в данном способе работы эжекторной тепловыделяющей установки возможно направление части потока охлажденной жидкости из теплопотребляющего устройства, в случае недостаточного съема тепла с него, в теплогенерирующую решетку для повторного его пропуска через теплопотребляющее устройство, что позволяет более эффективно использовать энергию потока нагретой в установке жидкости.

Как известно из закона сохранения энергии для потока жидкости, в котором начало координат непрерывно совпадает с центром тяжести движущегося элемента жидкости и, следовательно, последний неподвижен относительно системы координат, следует (после ряда преобразований), что для 1 кг жидкости

где q - общее количество тепла или полная энергия элемента жидкости;
k - показатель изоэнтропы сжимаемой жидкости;
P - давление в потоке жидкости;
V - объем элемента жидкости;
q_гр - энергия трения элемента жидкости.

В случае, если поток чисто жидкостной k --->∞ (реально для воды k ≅ 22000), а dV = 0, dq = dq_тр.

Именно это мы и наблюдаем в указанном выше техническом решении по авторскому свидетельству СССР 306322.

Совсем другую картину мы может наблюдать, когда имеет дело с однородной двухфазной смесью, которая с газодинамической точки зрения является средой сжимаемой и даже более сжимаемой, чем чистый газ, и показатель изоэнтропы в однородной двухфазной смеси является функцией показателя изоэнтропы и объемного соотношения фаз в смеси (см. книгу Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки, М., Атомиздат, 1978, с. 25). При обычных условиях коэффициент изоэнтропы будет изменяться от k = 22000 (жидкостной поток) до k = 1,285 (газовый поток).

Таким образом, принимая во внимание вышесказанное и указанное выше уравнение, можно видеть, что от величины "k" будет зависеть количество тепла, которое может быть получено в двухфазной системе.

Проведенные исследования показали также, что существенное значение имеет механизм перехода в двухфазное состояние, механизм течения в двухфазном состоянии и механизм перехода из двухфазного состояния в однофазное или практически однофазное, т.е. в жидкостной поток с микроскопическими паровыми пузырьками. Существенное значение также имеет однородность полученного двухфазного потока, что достигается за счет того, что в процессе преобразования однофазного потока в двухфазный последний преобразуют в сверхзвуковой поток, при этом достигается возможность в более широком диапазоне варьировать газосодержание потока при меньших энергетических затратах.

Важное значение для повышения эффективности тепловыделения имеет процесс торможения потока с переходом потока в практически однофазный или, что более точно, в жидкостной поток с парогазовыми микроскопическими пузырьками.

В процессе торможения в двухфазном потоке организуют скачок давления со снижением скорости до дозвукового значения. Пропорционально росту давления увеличивается количество жидкой фазы, причем резкий рост давления (скачкообразный рост) приводит к структурной перестройке в жидкости, что способствует выделению большего количества тепла по сравнению с обычным торможением потока в профилированном канале. Дальнейшее выделение тепла будет происходить в основном в теплопотребляющем устройстве, например в батарее водяного отопления, по мере того, как в потоке нагретой жидкости будут схлопываться микроскопические парогазовые пузырьки, что вызвано торможением потока в теплопотребляющем устройстве.

Принципиальное значение имеет использование в качестве нагретого теплоносителя пара из парового котла, т.к. использование пара в сочетании со струйным аппаратом позволило создать систему без использования приводных систем с механическим приводом, что значительно повысило надежность работы установки и одновременно повысило эффективность работы установки, поскольку струйный аппарат не только организует циркуляцию нагретой жидкости через теплопотребляющее устройство, но и сам дополнительно, за счет описанных выше преобразований в жидкостном потоке, обеспечивает нагрев жидкости.

Таким образом, описываемый способ работы эжекторной тепловыделяющей установки позволяет добиться выполнения поставленной задачи - повысить КПД и надежность работы эжекторной тепловыделяющей установки.

На чертеже представлена принципиальная схема установки, в которой может быть реализован описываемый способ ее работы.

Эжекторная тепловыделяющая установка содержит паровой котел 1, струйный аппарат 2, теплогенерирующую решетку 3, теплопотребляющее устройство 4 и дополнительное теплопотребляющее устройство 5, при этом паровой котел 1 по пару подключен к соплу струйного аппарата 2, последний выходом подключен к теплопотребляющему устройству 4 и теплогенерирующая решетка 3 установлена между струйным аппаратом 2 и теплопотребляющим устройством 4. В свою очередь теплопотребляющее устройство 4 подключено к профилированному каналу струйного аппарата 2 и к теплогенерирующей решетке 3, а выход из струйного аппарата 2 подключен к паровому котлу 1.

Установка, в которой реализован описываемый способ, работает следующим образом.

Пар из парового котла 1 подается в сопло струйного аппарата 2. В сопле струйного аппарата 2 пар разгоняется и, истекая из сопла, увлекает в струйный аппарат 2 охлажденный жидкостной поток, который, поступая в струйный аппарат 2, разгоняется в профилированном канале. Далее разогнанные поток пара и охлажденный жидкостной поток смешиваются в струйном аппарате 2 с образованием двухфазного газожидкостного потока с передачей паром жидкости части своей тепловой энергии. Вследствие того, что скорость звука в двухфазной среде значительно ниже, чем в жидкости или газе, двухфазный поток преобразуется в сверхзвуковой двухфазный поток, после этого в сверхзвуковом двухфазном потоке организуют скачок давления, в результате чего двухфазный поток преобразуется в однофазный жидкостной поток, причем в процессе преобразования в результате практически мгновенного схлопывания в скачке давления парогазовых пузырьков происходит нагрев жидкости с образованием на выходе из струйного аппарата 2 потока нагретой жидкости. Из струйного аппарата 2 часть потока нагретой жидкости направляют в паровой котел 1 для его подпитки, а другую часть потока нагретой жидкости направляют в теплогенерирующую решетку 3, а именно в установленную поперек потока пластину с выполненным в ней множеством профилированных каналов и каналом расширения потока (канал площадь поперечного сечения которого превышает суммарную площадь выходного сечения профилированных каналов) на выходе из профилированных каналов. В этих профилированных каналах поток нагретой жидкости сначала разгоняют до скорости, при которой давление в потоке падает до величины ниже давления насыщенных паров этой жидкости. Как следствие поток вскипает с образованием двухфазного потока нагретой жидкости. В результате преобразования потока в двухфазный формируется сверхзвуковой режим его течения. После этого из профилированных каналов сверхзвуковой поток поступает в канал расширения потока, за счет чего в потоке формируют скачок давления с переводом в скачке давления двухфазного потока в жидкостной поток, заполненный микроскопическими парогазовыми пузырьками, причем за счет схлопывания крупных парогазовых пузырьков поток нагретой жидкости дополнительно нагревается. Из теплогенерирующей решетки 3 поток нагретой жидкости направляют в теплопотребляющее устройство 4, например в батарею водяного отопления какого-либо здания или помещения, где происходит процесс передачи тепла потребителю и одновременно, за счет схлопывания микроскопических пузырьков в результате торможения потока в теплопотребляющем устройстве 4, дополнительный подогрев потока нагретой жидкости, что обеспечивает увеличение съема тепла с теплопотребляющего устройства 4. В результате отдачи теплопотребляющим устройством 4 потребителю тепла поток нагретой жидкости преобразуется в охлажденный жидкостной поток, который поступает для повторного нагрева из теплопотребляющего устройства 4 в струйный аппарат 2.

В ряде случаев в теплопотребляющем устройстве 4 не представляется возможным снять достаточно большое количество тепла, и поток жидкости из устройства 4 выходит с температурой, при которой его можно еще использовать для нагрева. В этом случае возможна установка между теплопотребляющим устройством 4 и струйным аппаратом 2 дополнительного теплопотребляющего устройства 5, например устройства для нагрева воды, что позволило бы, кроме отопления помещения, подавать потребителю горячую воду.

Возможен и другой вариант интенсификации съема тепла, когда часть потока охлажденной жидкости из теплопотребляющего устройства 4, например с его выхода подается в зону пониженного давления теплогенерирующей решетки 3, а именно в зону выходных сечений профилированных каналов. Такой перепуск потока охлажденной жидкости позволяет повторно пропустить его через теплопотребляющее устройство 4, и тем самым достигается возможность увеличить теплоотдачу теплопотребляющего устройства 4 и, как следствие, повысить эффективность работы установки.

Данное, описанное выше изобретение может быть использовано в автономных тепловыделяющих установках для отопления различных помещений, где отсутствует централизованная система отопления и подачи горячей воды потребителю.

Изобретение относится к области струйной техники. В сопло струйного аппарата в качестве нагретого теплоносителя подают пар из парового котла, пар в сопле и охлажденный жидкостный поток разгоняют, после чего организуют смешение пара и охлажденного жидкостного потока с образованием двухфазного потока и переводом его на сверхзвуковой режим течения, далее организуют в этом потоке скачок давления с одновременным преобразованием потока в жидкостный и нагревом его, часть потока направляют в паровой котел, а другую часть - в теплогенерирующую решетку для дополнительного нагрева жидкостного потока с организацией в решетке двухфазного потока и нагревом в скачке давления, затем нагретый поток направляют в теплопотребляющее устройство, а из него охлажденный жидкостный поток подают в струйный аппарат. В результате повышается КПД установки. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы эжекторной тепловыделяющей установки, включающий подачу в сопло струйного аппарата нагретого теплоносителя, смешение его с охлажденным жидкостным потоком, подачу смеси нагретого теплоносителя и охлажденного жидкостного потока в виде потока нагретой жидкости в теплопотребляющее устройство и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденного жидкостного потока на вход струйного аппарата, отличающийся тем, что в сопло струйного аппарата в качестве нагретого теплоносителя подают пар из парового котла, пар в сопле и охлажденный жидкостный поток разгоняют, после чего организуют смешение пара и охлажденного жидкостного потока с образованием двухфазного потока и переводом за счет этого двухфазного потока на сверхзвуковой режим течения, далее организуют в сверхзвуковом жвухфазном потоке скачок давления с одновременным преобразованием в скачке давления двухфазного потока в однофазный поток нагретой жидкости, после чего часть потока нагретой жидкости из струйного аппарата направляют для подпитки в паровой котел, а другую часть жидкости дополнительно нагревают в теплогенерирующей решетке, где поток нагретой жидкости сначала разгоняют до скорости, при которой давление в потоке падает до величины не выше давления насыщенных паров данной
жидкости, и преобразуют за счет парообразования поток нагретой жидкости в двухфазный поток с переводом потока за счет этого на сверхзвуковой режим течения, затем в потоке организуют скачок давления и в этом скачке преобразуют двухфазный поток в жидкостный поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками с дополнительным нагревом жидкости в скачке давления, после чего нагретый жидкостный поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками подают в теплопотребляющее устройство, а из последнего охлажденный жидкостной поток подают в струйный аппарат. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлажденный жидкостный поток подают в струйный аппарат через дополнительное теплопотребляющее устройство. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть охлажденного жидкостного потока подают из тепловыделяющего устройства в теплогенерирующую решетку в зону на выходе из профилированных каналов.