СТРУЙНАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ Российский патент 1999 года по МПК F04F5/14 

Настоящее изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к струйным установкам, используемым в системах водяного отопления, а также в других теплоэнергетических системах.

Известен струйный аппарат, содержащий сопло, камеру смешения, диффузор и приемный патрубок (см. , SU, авторское свидетельство, 1244392, кл. F 04 F 5/02, 1986).

Из этого авторского свидетельства 1244392 известен также способ работы струйной установки, включающий подачу в сопло горячего теплоносителя, смешение его с холодным теплоносителем и подачу нагретого потока в систему отопления.

Данный струйный аппарат и способ его работы позволяют смешивать горячий и холодный теплоносители и подавать смесь потребителю. Однако регулирование режима работы данного струйного аппарата производится путем дросселирования горячего теплоносителя на входе в сопло, что снижает эффективность использования горячего теплоносителя из-за достаточно больших гидравлических потерь.

Наиболее близкой к описываемой по технической сущности и достигаемому результату является струйная установка, содержащая струйный аппарат с приемным патрубком и соосно установленными приемной камерой, камерой смешения и соплом, причем приемный патрубок подключен к приемной камере (см. DE, заявка, 2330502, кл. F 04 F 5/48, 1975).

В этой заявке 2330502 описан и наиболее близкий к изобретению способ работы струйной установки, включающий подачу в сопло струйного аппарата под напором горячего теплоносителя, его истечение из сопла и откачку, за счет этого, холодного теплоносителя с их последующим смешением и формированием нагретого потока смеси теплоносителей на выходе из струйного аппарата.

В данных установке и способе ее работы за счет перепуска смеси горячего и холодного теплоносителей после теплопотребляющего устройства достигается возможность регулирования режима работы струйной установки. Однако регулирование обеспечивается за счет дросселирования горячего теплоносителя на выходе из сопла и дросселирования подачи смеси теплоносителей в приемной камере струйного аппарата, что приводит к большим гидравлическим потерям и требует использования сложной системы автоматического регулирования режима работы струйного аппарата, что снижает надежность работы струйной установки, а большие гидравлические потери не позволяют получить достаточно высокий КПД.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение является повышение эффективности нагрева холодного теплоносителя и повышение надежности работы установки.

Указанная задача решается за счет того, что в струйной установке, содержащей струйный аппарат с приемным патрубком и соосно установленными приемной камерой, камерой смешения и соплом, причем приемный патрубок подключен к приемной камере, установка дополнительно снабжена конфузорно- диффузорным (сужающимся каналом и затем расширяющимся каналом по ходу потока) перепускным трубопроводом и дросселирующим элементом, при этом приемный патрубок со стороны входа в него подключен к конфузорному участку перепускного трубопровода, камера смешения, со стороны выхода из нее, сообщена с диффузорным участком перепускного трубопровода, дросселирующий элемент установлен в перепускном трубопроводе между его конфузорным и диффузорным участками, а ось камеры смешения составляет с осью перепускного трубопровода острый угол.

Дросселирующий элемент может быть установлен на входе в диффузорный участок перепускного трубопровода, конфузорный и диффузорный участки перепускного трубопровода могут быть сообщены между собой посредством цилиндрического трубопровода, к перепускному трубопроводу может быть подключено несколько струйных аппаратов, при этом каждый из этих струйных аппаратов может быть рассчитан на различную производительность.

В части способа работы струйной установки решение поставленной задачи достигается за счет того, что в способе работы струйной установки, включающем подачу в сопло струйного аппарата под напором горячего теплоносителя, его истечение из сопла и откачку, за счет этого, холодного теплоносителя с их последующим смешением и формированием нагретого потока смеси теплоносителей на выходе из струйного аппарата, причем холодный теплоноситель разгоняют и отводят в струйный аппарат часть холодного теплоносителя из зоны его разгона, а остальную часть холодного теплоносителя после разгона дросселируют в расширяющийся по ходу потока канал (диффузорный участок) с формированием вдоль стенки этого канала зоны пониженного давления, в качестве горячего теплоносителя подают в сопло пар, в ходе смешения пара с холодным теплоносителем формируют за выходным сечением сопла двухфазный поток с преобразованием его в сверхзвуковой поток, тормозят этот поток с преобразованием в скачке давления двухфазного потока в однофазный жидкостной нагретый поток смеси теплоносителей, подают этот поток в зону пониженного давления и организуют в ней его вскипание с формированием двухфазного сверхзвукового потока, который в процессе смешения с потоком холодного теплоносителя в расширяющемся канале тормозят с преобразованием двухфазного потока в жидкостной поток нагретого теплоносителя, который подают из установки по назначению.

Выполнение струйной установки в виде сообщенных между собой описанным выше образом перепускного трубопровода и струйного аппарата позволяет организовать процесс нагрева таким образом, что холодный теплоноситель напрямую через перепускной трубопровод с наименьшими гидравлическими потерями поступает в систему потребления тепла, а на смешение с горячим теплоносителем поступает только строго необходимая часть холодного теплоносителя, причем организуется фактически двухступенчатое смешение, т.е. сначала часть холодного теплоносителя смешивается с горячим теплоносителем в струйном аппарате, а затем их смесь смешивается в зоне диффузорного участка перепускного теплоносителя с остальной частью холодного теплоносителя. Это позволяет организовать плавно регулируемую систему нагрева холодного теплоносителя.

Важное значение для работы установки имеет взаимное расположение элементов ее конструкции.

Расположение оси камеры смешения под острым углом к оси перепускного трубопровода позволяет добиться минимальных потерь энергии при смешении теплоносителей.

Подача смеси теплоносителей из струйного аппарата в диффузорный участок перепускного трубопровода в совокупности с расположением дросселирующего элемента между конфузорным и диффузорным участками перепускного трубопровода, преимущественно на входе в диффузорный участок, позволяет подавать из струйного аппарата смесь теплоносителей в зону пониженного давления, создаваемую дросселирующим элементом вдоль стенки диффузорного участка перепускного трубопровода. Это позволяет добиться эффекта вскипания потока в точке истечения потока смеси теплоносителей в диффузорный участок перепускного трубопровода с организацией двухфазной зоны течения и переходом потока на сверхзвуковой режим течения. Дальнейшее течение потока в диффузорном канале и взаимодействие его с основной массой холодного теплоносителя приводит к торможению потока, преобразованию потока в однофазный жидкостной поток и нагреву холодного теплоносителя за счет энергии горячего теплоносителя. Описанный способ смешения теплоносителей в зоне диффузорного участка перепускного трубопровода позволяет резко интенсифицировать процесс теплообмена между теплоносителями в прямолинейном расширяющемся по ходу потока канале, что позволяет резко снизить потери гидравлической энергии. Причем организуется процесс обратной связи между входным конфузорным и выходным диффузорным участками перепускного трубопровода, поскольку увеличение давления выше расчетного в зоне диффузорного участка вызовет рост давления в конфузорном участке, что в свою очередь вызовет увеличение поступления по приемному патрубку холодного теплоносителя в приемную камеру струйного аппарата с ростом в ней давления и соответствующим увеличением сопротивления истечению горячего теплоносителя из сопла и, как следствие, уменьшению его истечения. Это приведет к уменьшению производительности струйного аппарата и уменьшению подачи смеси теплоносителей из струйного аппарата в диффузорный участок перепускного трубопровода, что приведет к снижению давления в нем. Таким образом, установка переходит в режим саморегулирования без использования дополнительных средств поддерживания заданного расчетного режима ее эксплуатации.

Возможна и другая ситуация при которой проявляется эффект саморегулирования, а следовательно, устойчивой работы установки.

В случае, если снизится напор подачи пара (а, следовательно, и его расход) из сопла струйного аппарата, снизится производительность струйного аппарата по откачке холодного теплоносителя. Это приведет к снижению подачи смеси теплоносителей в диффузорный участок перепускного трубопровода в результате уменьшения воздействия на поток холодного теплоносителя потока смеси теплоносителей из струйного аппарата. В диффузорном канале будет иметь место более интенсивный рост давления, что вызовет уменьшение перепада давления на дросселирующем элементе с уменьшением расхода через него холодного теплоносителя. Таким образом, с уменьшением подачи пара в сопло струйного аппарата автоматически уменьшится расход холодного теплоносителя через перепускной трубопровод при сохранении нагрева холодного теплоносителя в заданном диапазоне температур.

Как показали проведенные исследования наиболее эффективный режим эксплуатации достигается при использовании в качестве горячего теплоносителя водяного пара. Использование его в качестве горячего теплоносителя позволяет организовать процесс смешения горячего и холодного теплоносителей с созданием зоны двухфазного потока и с переходом последнего, за счет резкого снижения в нем скорости звука, на сверхзвуковой режим течения. В процессе торможения потока в камере смешения, преимущественно конфузорно-цилиндрической, в скачке давления происходит резкое преобразование потока из двухфазного в однофазный, однородный по температуре, жидкостной поток. При этом было установлено, что максимально эффективности работы струйного аппарата удалось добиться при сообщении приемного патрубка с перепускным трубопроводом в зоне его конфузорного участка.

Одним из путей расширения диапазона использования установки является снабжение установки несколькими струйными аппаратами, преимущественно разной производительности. Это позволяет создавать установки устойчиво работающие в широком диапазоне температур без снижения эффективности работы установки.

На чертеже представлена схематически описываемая струйная установка.

Струйная установка содержит струйный аппарат 1 с приемным патрубком 2 и соосно установленными приемной камерой 3, камерой 4 смешения и соплом 5, причем приемный патрубок 2 подключен приемной камере 3. Установка дополнительно содержит конфузорно-диффузорный перепускной трубопровод 6 и дросселирующий элемент 7. Приемный патрубок 2 со стороны входа в него подключен к конфузорному (сужающемуся по ходу потока теплоносителя) участку 8 перепускного трубопровода 6, камера 4 смешения сообщена со стороны выхода из нее с диффузорным (расширяющимся по ходу потока теплоносителя) участком 9 перепускного трубопровода 6, дросселирующий элемент 7 установлен в перепускном трубопроводе 6 между его конфузорным 8 и диффузорным 9 участками, а ось камеры 4 смешения составляет с осью перепускного трубопровода 6 острый угол α. Дросселирующий элемент 7 может быть установлен на входе в диффузорный участок 9 перепускного трубопровода. Ось приемного патрубка 2 может составлять с осью камеры 4 смешения прямой угол β. Конфузорный и диффузорный участки 8, 9 перепускного трубопровода 6 могут быть сообщены между собой посредством цилиндрического трубопровода 10. К перепускному трубопроводу могут быть подключены несколько струйных аппаратов 1, которые могут иметь разную производительность.

Способ работы струйной установки реализуется следующим образом.

Пар под напором подается в сопло 5. Одновременно перепускной трубопровод 6 подключают к источнику холодного теплоносителя со стороны входа в его конфузорный участок 8. Пар, истекая из сопла 5, увлекает в камеру 4 смешения из перепускного трубопровода 6 через приемный патрубок 2 холодный теплоноситель. В результате смешения пара и холодного теплоносителя последнему частично передается кинетическая энергия и тепло пара с образованием за выходным сечением сопла 5 двухфазного парожидкостного потока. Как следствие снижения скорости звука в двухфазном потоке, последний переходит на сверхзвуковой режим течения с последующим торможением потока в конфузорном канале камеры 4 смешения и переходом в скачке давления сверхзвукового двухфазного потока в дозвуковой однофазный жидкостной нагретый поток смеси теплоносителей. По, преимущественно, цилиндрическому выходному участку камеры 4 смешения нагретый поток смеси теплоносителей истекает в диффузорный участок 9 перепускного трубопровода 6. Одновременно холодный теплоноситель разгоняется в конфузорном участке 8 перепускного трубопровода 6 и, истекая через дросселирующий элемент 7 в диффузорный участок 9, образует вдоль его стенки в зоне истечения в него потока смеси теплоносителей из струйного аппарата 1 зону 11 пониженного давления. В результате, при истечении в зону 11 пониженного давления нагретого потока смеси теплоносителей последний вскипает с образованием двухфазного парогазожидкостного потока с переходом его, за счет этого, на сверхзвуковой режим течения. В результате взаимодействия двухфазного потока с холодным теплоносителем в диффузорном участке сверхзвуковой поток тормозится и переходит на дозвуковой режим течения. При этом в процессе описанных выше преобразований двухфазного потока в однофазный жидкостной поток горячий теплоноситель передает холодному теплоносителю часть своей тепловой и кинетической энергий. Из диффузорного участка 9 нагретый поток смеси теплоносителей поступает по назначению потребителю тепловой энергии.

Струйная установка и способ ее работы предназначены для теплотехнических систем. Струйная установка содержит струйный аппарат с приемным патрубком, приемной камерой, камерой смешения и соплом. Установка снабжена перепускным трубопроводом и дросселирующим элементом. Приемный патрубок со стороны входа в него подключен к конфузорному участку перепускного трубопровода. Камера смешения сообщена с диффузорным участком перепускного трубопровода. Дросселирующий элемент установлен в перепускном трубопроводе. Ось камеры смешения составляет с осью перепускного трубопровода острый угол. Холодный теплоноситель разгоняют, часть его отводят в струйный аппарат, другую часть дросселируют с формированием вдоль стенки диффузорного канала зоны пониженного давления. В качестве горячего теплоносителя подают пар в сопло струйного аппарата. При смешении теплоносителей за соплом формируют двухфазный поток с преобразованием его в сверхзвуковой. Тормозят его с преобразованием в скачке давления двухфазного потока в однофазный жидкостной нагретый поток. Подают этот поток в зону пониженного давления и организуют в ней его вскипание с формированием двухфазного сверхзвукового потока, который в процессе смешения с холодным теплоносителем тормозят с преобразованием в жидкостной поток нагретого теплоносителя. В результате повышается надежность работы установки. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Струйная установка, содержащая струйный аппарат с приемным патрубком и соосно установленными приемной камерой, камерой смешения и соплом, причем приемный патрубок подключен к приемной камере, отличающаяся тем, что установка дополнительно снабжена конфузорно-диффузорным перепускным трубопроводом и дросселирующим элементом, при этом приемный патрубок со стороны входа в него подключен к конфузорному участку перепускного трубопровода, камера смешения сообщена с диффузорным участком перепускного трубопровода, дросселирующий элемент установлен в перепускном трубопроводе между его конфузорным и диффузорным участками, а ось камеры смешения составляет с осью перепускного трубопровода острый угол. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что дросселирующий элемент установлен на входе в диффузорный участок перепускного трубопровода. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что конфузорный и диффузорный участки перепускного трубопровода сообщены между собой посредством цилиндрического трубопровода. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что к перепускному трубопроводу подключены несколько струйных аппаратов. 5. Установка по пп. 1 и 4, отличающаяся тем, что струйные аппараты, подключенные к перепускному трубопроводу, имеют различную производительность. 6. Способ работы струйной установки, включающий подачу в сопло струйного аппарата под напором горячего теплоносителя, его истечение из сопла и откачку за счет этого холодного теплоносителя с их последующим смешением и формированием нагретого потока смеси теплоносителей на выходе из струйного аппарата, отличающийся тем, что холодный теплоноситель разгоняют и отводят в струйный аппарат часть холодного теплоносителя из зоны его разгона, а остальную часть холодного теплоносителя после разгона дросселируют в расширяющийся по ходу потока канал с формированием вдоь стенки этого канала зоны пониженного давления, в качестве горячего теплоносителя подают в сопло пар, в ходе смешения пара с холодным теплоносителем формируют за выходным сечением сопла двухфазный поток с преобразованием его в сверхзвуковой поток, тормозят этот поток с преобразованием в скачке давления двухфазного потока в однофазный жидкостный нагретый поток смеси теплоносителей, подают этот поток в зону пониженного давления и организуют в ней его вскипание с формированием двухфазного сверхзвукового потока, который в процессе смешения с потоком холодного теплоносителя в расширяющемся канале тормозят с преобразованием двухфазного потока в жидкостной поток нагретого теплоносителя, который подают из установки по назначению.