ТЕПЛОМАССООБМЕННИК Российский патент 2000 года по МПК C02F1/20 

Известны и нашли применение струйные тепломассообменники, в которых нагрев воды происходит при непосредственном контакте ее с паром. Пар достигает звуковой скорости, смешивается с водой, образуя гомогенную двухфазную смесь. Энергия воды и пара складываются. Затем пар конденсируется. Давление воды на выходе из аппарата может быть выше давления пара и давления воды на входе в аппарат.

Таков аппарат, называемый "Транссоник" (см. патент России N 2016261).

Недостатком этого аппарата является недостаточная глубина регулирования нагрузок по расходу пара и воды особенно при невысоких давлениях пара. Например, нагревать воду паром в системе отопления или горячего водоснабжения без применения сетевого насоса можно только в очень узком диапазоне нагрузок. Он имеет недостаточно большую производительность, поэтому на одну систему отопления приходится ставить несколько аппаратов.

Известен также тепломассообменный аппарат, применяемый в качестве центробежно-вихревого деаэратора (см. авторское свидетельство СССР N 1134842 "Деаэратор").

Этот известный аппарат имеет цилиндрический корпус, с торцевыми крышками, тангенциальные патрубки подвода жидкости и греющей среды (тангенциальные сопла) и тангенциальный патрубок отвода нагретой жидкости.

В этом аппарате кинетическая энергия потока воды и пара (перегретой греющей воды) складываются. Это позволяет частично восстановить давление воды на выходе из аппарата, несмотря на то, что в центре корпуса находятся граница раздела вращающихся потоков сред (воды и пара) и зона пониженного давления.

Недостатком этого аппарата является то, что пар, выходя из сопел, попадает в пространство большого объема, наполненное водой, и мгновенно конденсируется, не создавая местного перегрева небольшого объема воды до температуры, значительно превышающей среднее значение температуры воды на выходе из аппарата. Не происходит образования достаточного количества гомогенной двухфазной смеси воды с паром. Не происходит образования "скачка уплотнения" (скачка давления) за счет перехода звукового барьера в гомогенной двухфазной смеси, как это наблюдается в аппаратах "Транссоник". Поэтому восстановление давления воды на выходе из аппарата ниже, чем у "Транссоника". Однако аналог позволяет нагревать большое количество воды на большую разность температур. Например, в этом аппарате нагревалось 250 т/ч воды с 16 до 108^oC, при подаче через аппарат 42 тонн пара в час давлением до 1,5 ати. Такими характеристиками не обладают прямоструйные водонагревательные аппараты типа "Транссоник". При использовании для нагрева воды пара с давлением 0,2 ати, давление воды за аппаратом было 0,6 ати.

Другим недостатком этого аппарата является то, что резко снижается кинетическая энергия струи пара, выходящего из сопел, при уменьшении расхода пара, из-за того, что расход регулируется сразу на все сопла. Нет ступенчатого регулирования расхода пара за счет отключения части сопел при сохранении давления пара перед оставшимися соплами.

Наиболее близкой по конструкции и выбранной в качестве прототипа является деаэрационная колонка, описанная в авторском свидетельстве СССР N 859313 "Вакуумная деаэрационная установка".

Этот известный аппарат имеет цилиндрический корпус с торцевыми крышками с подводящими воду и пар турбопроводами, с соплами подачи пара и воды, подсоединенными тангенциально к корпусу, вертикальные эжектирующие перегородки, расположенные внутри корпуса, патрубок для отвода воды из корпуса.

Этот аппарат может быть использован не только как деаэратор, но и как нагреватель воды при помощи прямого контакта ее с паром.

Недостатком этого аппарата является низкое давление воды после аппарата, что требует установки дополнительного насоса для подачи ее потребителю. Расположение эжектирующих перегородок не концентрично корпусу создает дополнительное сопротивление потоку воды и замедляет общую скорость вращения воды, что уменьшает кинетическую энергию потока воды, которая должна перейти в статическое давление воды при выходе из аппарата.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности аппарата за счет более полного восстановления давления воды за аппаратом (для подачи воды в другие аппараты или в трубопроводы с противодавлением без применения насоса).

Например, применение его в качестве контактного нагревателя воды для тепловой сети, в случае выхода из строя поверхностных подогревателей, для предварительного нагрева воды, идущей на деаэрацию, использование на ТЭЦ в качестве подогревателей низкого давления (ПНД) вместо громоздких поверхностных подогревателей, обеспечение возможности использования для нагрева воды контактным способом пара пониженных параметров, при достаточном давлении воды и при достаточном восстановлении давления воды после аппарата.

Указанная цель достигается тем, что в известном тепломассообменном аппарате, имеющем цилиндрический корпус, с торцевыми крышками, тангенциальные патрубки (сопла) для ввода воды и пара, патрубок для вывода нагретой воды, подводящие и отводящие трубопроводы, эжектирующие вертикальные перегородки, отделяющие тангенциальные патрубки (сопла) от основной части объема емкости, эжектирующие перегородки выполнены концентричными корпусу и имеют верхнюю и нижнюю стенки, расположенные перпендикулярно вертикальной с образованием кожуха, внутри которого помещено тангенциальное сопло для ввода пара.

Кроме того указанная цель достигается, что корпус выполнен из цилиндров (труб) различного диаметра. Паровыпускные и водовыпускные сопла располагаются на различных горизонталях и прикреплены к частям корпуса различного диаметра, а при необходимости - на одной горизонтали, присоединенными друг к другу, таким образом, что первым на пути вращения сред установлено паровыпускное сопло, за ним - водовыпускное.

Заключение пароподводящих (тангенциальных) сопел в кожухи, концентричные стенке корпуса и ограниченные со всех сторон стенками, позволяет пару контактировать определенное время с небольшим большим количеством воды и перегревать ее значительно выше средней температуры воды на выходе из аппарата, предотвращая микрогидроудары и снижая до минимума кавитационное разрушение корпуса в окрестностях сопел. Позволяет кратковременно создать гомогенную двухфазную смесь, обеспечить скачок давления и передать максимум механической энергии от пара к воде (увеличить скорость вращения всего потока воды, что обеспечивает увеличение давления воды на выходе из аппарата), уменьшить сопротивление потоку вращающейся воды.

Заключение водоподводящих тангенциальных патрубков (сопел) в кожухи, установка паровыпускного сопла первым (ранее водовыпускного) на пути вращения сред, позволяет предотвратить прямой контакт пара с корпусом (пар со всех сторон окружен водой) и полностью предотвратить кавитационное разрушение корпуса. Установка шайбы (кольцевой перегородки), разделяющей корпус на входной и выходной отсеки (причем диаметр отверстия шайбы выполняется большим, чем диаметр стенки кожуха, коаксиальной корпусу), позволяет кожуху находиться по одну сторону раздела жидкой и газообразной (паровой) фаз, стать эжектором и эжектировать внутрь кожуха воду и сообщать ей больший импульс силы (т.е. лучше использовать кинетическую энергию пара для увеличения скорости вращения воды, которая в дальнейшем (при увеличении радиуса закрутки воды) перейдет в энергию статического давления воды).

На фиг. 1 изображен продольный разрез варианта тепломассообменника, с подводом пара и воды через тангенциальные патрубки (сопла), присоединенные к корпусу на одном радиусе, с патрубком дополнительного подвода низкопотенциального пара через одну из крышек корпуса.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез по А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 изображен продольный разрез варианта аппарата, корпус которого составлен из нескольких полых цилиндров (труб) разного диаметра, водоподающие патрубки подсоединены к части корпуса большего диаметра, а пароподающие - к части корпуса меньшей диаметра.

На фиг. 4 изображен поперечный разрез по А-А на фиг. 3.

Тепломассообменник имеет пустотелый цилиндрический корпус 1 одного диаметра (фиг. 1, 2) или составленный из нескольких пустотелых цилиндров (труб) - 1а, 1б, 1в (фиг. 3, 4), верхнюю торцевую крышку 2, и нижнюю 2а (фактически аппарат не имеет верха и низа, он может работать также в перевернутом состоянии и в горизонтальном положении), кольцевую перегородку 3 (шайбу), кольцевую перегородку (шайбу) 4, разделяющую внутреннюю часть корпуса на входной и выходной отсеки (установка этой шайбы необязательна, если аппарат предназначен для работы при полном заполнении корпуса водой (т.е. без разделения потоков внутри корпуса по фазам)), тангенциальный патрубок подвода воды 5, могущий быть выполненным в виде сопла, соединенный с подающим водопроводом, паровые тангенциальные сопла 6 (и при необходимости) паровые патрубки 6а, присоединенные к крышке 2 и(или) 2а, промежуточную паровую камеру 7 (см. фиг. 1, 2. Камер может быть две, четыре и т.д., возможен вариант с одной кольцевой камерой) (сопла 6 могут иметь и самостоятельные подводы пара к каждому со своим запорным органом, паропровод 8, кожух 9, имеющий стенку, расположенную концентрично (коаксиально) корпусу, - 9а и стенки, расположенные перпендикулярно ей, - 9б, тангенциальный отводящий патрубок 10, прикрепленный к выходному отсеку корпуса.

Работа аппарата осуществляется следующим образом.

Вариант аппарата фиг. 1, 2. Давление пара перед аппаратом несколько больше, чем давление воды. Нагреваемая вода подается внутрь корпуса через все или через часть тангенциальных патрубков 5 (уменьшением количества работающих патрубков (сопел) 5, путем закрытия запорного устройства на нем, можно значительно сохранить скоростной напор воды при уменьшении нагрузки по воде). Вода приобретает вращательное движение и заполняет весь объем корпуса (при малом противодавлении в отводящем патрубке 10 может появиться вертикальная вращающаяся граница раздела сред /фаз/). Пар по паропроводу подается в сопла 6 через камеры 7 или непосредственно - через запорный орган. Пар врезается во вращающийся поток воды, давление которой у стенок корпуса максимальное. При достаточном давлении пара перед соплом скорость пара достигает звуковой. При столкновении пара с водой он передает ей свою кинетическую энергию. Вода начинает вращаться с большей скоростью. Пар внутри объема, ограниченного кожухом 9, смешивается с водой и происходит образование гомогенной двухфазной смеси, сжимаемость которой в несколько раз больше, чем сжимаемость пара или воды в отдельности. Скорость звука в гомогенной смеси может упасть ниже 20 м/с (тогда как скорость звука в воде - 1500 м/с, в паре - 500 м/с). Скорость потока может преодолеть скорость звука и образовать "скачок уплотнения" (скачок давления), в результате которого происходит схлопывание пузырьков пара и их конденсация. (Без установки кожухов добиться "скачка уплотнения" невозможно). После "скачка уплотнения" устанавливается гидродинамический режим, при котором на выходе из кожуха получается более высокая температура воды, чем на выходе из аппарата и более высокая скорость воды, чем на входе. Далее более нагретая вода смешивается с менее нагретой, прошедшей мимо кожухов, и температура воды выравнивается. Подачу пара регулируют по температуре воды на выходе из аппарата. Если нагреваемая вода холодная и не хватает пара повышенного давления для расчетного нагрева воды и противодавление воды на выходе из аппарата позволяет, то дополнительное количество пара можно подать через патрубок 6а, расположенный в крышке аппарата. Причем давление пара, подаваемого через крышку, может быть значительно ниже, чем давление воды на выходе из аппарата, так как во вращающемся потоке воды давление воды падает от периферии к центру, а скорость возрастает, и наоборот, от центра к периферии давление возрастает, а скорость воды падает. При достаточном противодавлении воды в выходном патрубке 10 вода заполняет весь объем корпуса, а при малом - образуется вертикальная граница раздела фаз. При образовании границы раздела фаз минимальную толщину вращающегося слоя воды определяет ширина шайбы 4.

Вариант аппарата фиг. 3, 4. При работе этого аппарата давление пара перед ним может быть ниже давления воды. Вода подается в верхнюю часть корпуса 1б через тангенциальные патрубки (сопла), приобретает вращательное движение и движется от периферии к центру, наращивая и снижая статическое давление. Преодолев шайбу 3, вращающийся поток воды попадает в часть 1а корпуса. Давление воды на стенки корпуса 1а ниже, чем на стенки корпуса 1б из-за меньшего радиуса закрутки воды. Через тангенциальные сопла 6 (на чертеже фиг. 4 второй патрубок 6 с соплом ошибочно обозначен цифрой 5 (патрубки 5 не попали в разрез фиг. 4) пар врезается в поток воды. Если разность давлений на входе и на выходе сопел равно критическому или превышает его, то скорость пара становится равной звуковой. Кожух 9 ограничивает определенный объем воды, который перегревается паром. При образовании гомогенной двухфазной смеси может образоваться "скачок уплотнения" и мгновенное схлопывание пузырьков пара. Кинетическая энергия пара передается вращающемуся потоку воды. Скорость вращения воды увеличивается. Преодолев шайбу 4, поток воды попадает в выходной отсек корпуса 1в и, вращаясь с увеличением радиуса закрутки, увеличивает давление от центра к периферии, одновременно снижая скорость вращения воды. Давление воды в патрубке 10 может быть больше, чем давление в патрубке 5. Между вертикальными слоями воды происходит трение (при скольжении одного слоя по другому). Шайба 3 способствует тому, что нижележащие слои жидкости, вращающиеся с большей скоростью, передают минимум энергии вращения верхним слоям (в корпусе 1б) за счет скольжения (за счет малой площади соприкосновения слоев). Этот аппарат может работать с значительным противодавлением воды в патрубке 10, при атмосферном или близком к атмосферному давлении в центре аппарата. Поэтому можно подавать дополнительное количество пара низкого давления (например, с давлением 0,2 ати из отбора турбины) через центральный патрубок 6а, или сразу через два патрубка 6а и 6б, прикрепленные к обеим (верхней и нижней) крышкам (патрубок 6б на чертеже не показан). Т.е. пар повышенного давления использовать для ускорения вращения воды (для обеспечения достаточного давления воды на выходе из аппарата для подачи ее в другие агрегаты), а пар пониженного давления - для дополнительного нагрева воды.

Выполнение эжектирующих перегородок, отделяющих часть внутреннего пространства корпуса, концентричными корпусу и имеющими верхнюю и нижнюю стенки, и образующими кожух, в котором помещены сопла, позволяет лучше использовать кинетическую энергию струи пара для увеличения кинетической энергии вращающегося потока воды, повысить давление на выходе из аппарата и транспортировать нагретую воду в агрегаты с противодавлением, превышающим давление пара и давление воды в подающем трубопроводе.

Выполнение корпуса из цилиндров (труб) разного диаметра, присоединение к корпусу тангенциального патрубка подвода воды к верхней части корпуса большего диаметра, а паровых сопел - к части корпуса меньшего диаметра, и на более низком уровне (высоте), позволяет подавать внутрь корпуса пар с меньшим давлением, чем вода и полностью использовать энергию пара для увеличения кинетической энергии воды (для восстановления давления воды за аппаратом). Наличие же кольцевой перегородки (шайбы) между уровнями паровых и водяных сопел позволяет уменьшить передачу энергии от нижних вращающихся слоев жидкости к верхним за счет трения скользящих слоев воды и этим уменьшить противодавление вращающегося потока воды на стенку корпуса на уровне входного тангенциального патрубка воды.

Расположение водяных и паровых сопел внутри кожуха на одном уровне по отношению к оси аппарата рядом друг с другом (парового сопла перед водяным по ходу вращения воды) позволяет предотвратить попадание пара (до смешения его с водой) на металлическую стенку корпуса. Это полностью предотвращает кавитационное разрушение корпуса аппарата.

Наличие дополнительных подводящих паровых патрубков, присоединенных к крышкам (к верхней или к нижней, или к двум сразу), позволяет использовать для нагрева воды низкопотенциальный пар, давлением ниже, чем давление воды, без снижения давления воды в выходном патрубке.

Наличие кольцевой перегородки (шайбы), разделяющей корпус на входной и выходной отсеки, позволяет при малом противодавлении воды в выходном патрубке и наличии вертикальной границы раздела фаз (в виде вращающегося цилиндра) иметь минимальный (не меньше, чем ширина шайбы) слой вращающейся воды, необходимый для барботирования через него пара. Наличие нескольких паровых сопел (или групп сопел), имеющих отдельный подводящий патрубок с запорным органом, позволяет сохранить кинетическую энергию пара для передачи ее воде, при различных нагрузках (путем отключения части сопел и сохранения давления пара перед остальными).

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может использоваться для нагрета воды паром или перегретой водой при их непосредственном контакте. Устройство содержит корпус круглого сечения с торцевыми крышками, тангенциальные патрубки подвода воды. Патрубки подвода пара могут иметь сопла и присоединяются к корпусу тангенциально. Перед соплами пара установлены эжектирующие перегородки, концентричные корпусу и имеющие верхнюю и нижнюю стенки, образующие кожух. Корпус может быть исполнен из нескольких цилиндров разного диаметра. Патрубки пара могут соединяться с цилиндрами разных диаметров. Патрубки подачи воды также могут размещаться в кожухах. Технический результат состоит в повышении эффективности в работе за счет использования энергии пара для увеличения давления воды за аппаратом. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Тепломассообменник, содержащий корпус круглого сечения с торцевыми крышками, подводящие тангенциальные патрубки воды, подводящие патрубки или(и) сопла пара, которые или часть из которых присоединены к корпусу тангенциально (непосредственно или через промежуточную камеру), отводящий патрубок, эжектирующие перегородки, отделяющие часть внутреннего пространства корпуса перед соплами пара, отличающийся тем, что эжектирующие перегородки выполнены концентрично корпусу, имеют верхнюю и нижнюю стенки, образующие кожух, концентричный корпусу. 2. Тепломассообменник по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из нескольких полых цилиндров разного диаметра, а тангенциальные подводящие патрубки воды, тангенциальные подводящие патрубки (сопла) пара подсоединены к частям корпуса разного диаметра. 3. Тепломассообменник по п.1, отличающийся тем, что устья тангенциальных патрубков воды помещены в те же кожухи, что и паровые патрубки (сопла), причем устья тангенциальных патрубков (сопл) располагаются на одном уровне, перпендикулярно оси корпуса, так, что первым по ходу вращения сред установлено паровое сопло, за ним (вплотную к нему) водяное сопло. 4. Тепломассообменник по п.1, отличающийся тем, что имеются дополнительные подводящие патрубки пара, подсоединенные к одной или к обеим крышкам и соединенные с внутренней частью корпуса посредством отверстий (отверстия). 5. Тепломассообменник по п.1, отличающийся тем, что внутри корпуса на уровне между устьями входных патрубков (сопл) воды и пара и отводящим патрубком установлена кольцевая перегородка (шайба), разделяющая корпус на входной и выходной отсеки. 6. Тепломассообменник по п.1, отличающийся тем, что отдельные паровые сопла или группы сопл имеют отдельные паровые патрубки с регулирующими (отключающими) органами на них.