ТЕПЛОМАССООБМЕННИК Российский патент 2002 года по МПК F28C3/06 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, и может быть использовано для нагрева воды (или другой жидкости) паром или перегретой водой при их непосредственном контакте, а так же в качестве кинетического насоса (инжектора), например, для подачи жидкости без использования механического насоса или для повышения давления жидкости за счет использования кинетической энергии теплоносителя (пара, в редких случаях перегретой воды).

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. Кинетическая энергия и пара передается воде, а кинетическая энергия воды переходит в энергию давления воды. При соприкосновении пара с водой, он конденсируется. Давление воды на выходе из аппарата может быть несколько выше давления пара и давления воды на входе в аппарат. Таков аппарат, называемый "Транссоник" (см. патент России 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. КПД использования кинетической энергии пара в таком теплообменнике не более 8-10 процентов, (плохо используется кинетическая энергия потока воды).

Более эффективными являются центробежно-вихревые тепломассообменники. В них обеспечивается вращательное движение воды с увеличением радиуса закрутки воды и с увеличением давления от центра закрутки к периферии. Скорость жидкости с увеличением радиуса закрутки уменьшается, а давление воды взрастает, причем давление жидкости в каждом последующем вращающемся слое возрастает пропорционально скорости закрутки во второй степени. При этом значительно возрастает суммарное давление на максимальном радиусе закрутки (на стенку аппарата) за счет сложения давлений каждого вращающегося слоя воды. КПД использования кинетической энергии струи пара, тангенциально входящего в поток вращающейся воды, выше, чем у прямострельных аппаратов.

Таков "Деаэратор" (SU 1134842, 15.01.1985). Тепломассообменник содержит корпус в виде обечайки, торцевые крышки, подводящие патрубки жидкости и греющего агента, которым является пар или перегретая вода, причем подводящие патрубки (патрубок) жидкости присоединены (присоединен) к корпусу тангенциально, а патрубки греющего агента соединены с внутренним пространством корпуса через промежуточную камеру и отверстия в корпусе или тангенциальные сопла. Недостатком этого аппарата является то, что кинетическая энергия пара не используется или используется слабо для увеличения напора выходящей из аппарата нагретой воды. Кроме того, если пар передает свою кинетическую энергию воде внутри корпуса, то возрастают скорости вращения воды, как на выходе из корпуса, так и на входе в него. Поэтому возрастает давление воды на стенки корпуса в верхней части, то есть возрастает противодавление воды внутри корпуса. Он может работать и как кинетический насос, использующий кинетическую энергию пара для нагрева жидкости и ее транспортирования при более высоком давлении, чем начальное давление пара и жидкости. Целью настоящего изобретения является повышение эффективности аппарата за счет использования кинетической энергии пара не только для нагрева жидкости, но и для транспортирования ее в другие аппараты и в трубопроводы вместо насоса, и достижения на выходе из аппарата давления более высокого, чем давление поступающих в аппарат пара и воды, расширение функциональных возможностей за счет использования его в качестве пароструйного эжектора - нагревателя жидкости, для нагрева воды при одновременном использовании пара повышенных параметров для транспортирования жидкости. Например, применение его в качестве контактного нагревателя воды для тепловой сети, установленного вместо поверхностного или вместе с поверхностным, на случай выхода его из строя, или для предварительного нагрева воды, идущей на деаэрацию, за счет прямого контакта с паром или перегретой водой, использование на ТЭЦ в качестве подогревателей низкого давления (ПНД) вместо громоздких поверхностных подогревателей и одновременно перекачивающих устройств инжектирующего типа. Поставленные цели реализуются в тепломассообменнике, содержащем корпус в виде обечайки, нижнюю и верхнюю торцевые крышки, подводящие патрубки жидкости и греющего агента, которым является пар или перегретая вода, причем подводящие патрубки жидкости присоединены к корпусу тангенциально, а патрубки греющего агента соединены с корпусом через промежуточную камеру и отверстия в корпусе или тангенциальные сопла, причем согласно изобретению корпус может быть составлен из нескольких обечаек, соединенных между собой переходными кольцами, нижняя часть корпуса помещена в стакан, представляющий собой обечайку или составленный из двух обечаек разного диаметра, соединенных переходным кольцом, с отводящим тангенциальным патрубком и верхней, и нижней торцевыми крышками стакана, и в корпусе имеются отверстия прямоугольного или круглого, или овального сечения для выхода жидкости из корпуса в стакан, причем корпус продлен до соединения с нижней крышкой стакана так, что он отделяет от стакана часть его внутреннего пространства по центру стакана, а в стенке стакана или(и) на переходном кольце стакана или на верхней крышке стакана установлены сопла, присоединенные тангенциально к стенке стакана или под острым углом к переходному кольцу стакана или к верхней кольцевой крышке стакана, связывающие кольцевое пространство, заключенное между корпусом и стаканом, с подводящим патрубком трубопровода греющей среды непосредственно или через промежуточную камеру. Согласно пункту 2 изобретения промежуточная камера, через которую поступает греющий агент в сопла и кольцевое пространство стакана, разделена на отдельные секции, каждая из которых имеет свой подводящий патрубок греющей среды.

На чертеже изображен продольный разрез тепломассообменника. Тепломассообменник содержит пустотелый цилиндрический корпус 1 в виде обечайки, одного диаметра или составленный из нескольких обечаек разного диаметра, соединенных переходными кольцами, верхнюю торцевую крышку 2, и нижнюю 3, (фактически аппарат не имеет верха и низа, он может работать так же в перевернутом состоянии и в горизонтальном положении, верх и низ приняты условно), по меньшей мере один тангенциальный патрубок подвода воды 5, присоединенный к корпусу, паровые тангенциальные сопла, или тангенциальные сверленые отверстия, или радиальные отверстия или отверстия под острым углом к касательной 6, предназначенные для подачи внутрь корпуса греющего пара при низких (до звуковых) скоростях, промежуточную паровую камеру 7 (паровой коллектор) с подводящим поровым патрубком 8 от паропровода (камера 7 может быть секционирована и иметь несколько подводящих патрубков 8а, 8б и т. д. ). Обечайки 9 и 9а служат наружными стенками малообъемной емкости (стакана), в которую опущена нижняя часть корпуса 1. (Стакан не обязательно должен быть составлен из двух обечаек разного диаметра, возможна обечайка одного диаметра). Малообъемная емкость (стакан) имеет верхнюю крышку 10, через которую пропущен корпус 1 (эта же крышка 10 может быть перегородкой между стаканом и паровым коллектором 7), нижнюю кольцевую крышку 11 и тангенциальный патрубок 12 для отвода нагретой жидкости. Имеется дополнительный паровой коллектор 13 (промежуточная паровая камера) с подводящим паровым патрубком 14 от паропровода (этот кольцевой коллектор 13 может быть разделен на сектора, т. е. на несколько паровых камер или на отдельные кольцевые коллектора, расположенные один над другим, с отдельными паровыми патрубками 14, 14а и т. д. Возможно так же патрубки 14 присоединить непосредственно к соплам 15, 15а). Паровые коллекторы (камеры) 13 соединены с внутренней частью стакана при помощи разгонных сопел 15 или 15а, которые установлены тангенциально к обечайке 9 или(и) под острым углом к переходному кольцу 19 или к верхней крышке 10 стакана. Эти разгонные сопла, в которых пар выходит с критическими или сверхкритическими скоростями (звуковыми и сверхзвуковыми). В корпусе 1 имеются отверстия 17 для выхода воды из корпуса 1 в стакан 9 (эти отверстия могут быть прямоугольными, круглыми, овальными). Цифрой 18 обозначено продолжение корпуса 1 ниже крышки 3. Цифрой 19 обозначено переходное кольцо, связывающее две обечайки стакана (малообъемной емкости), из которых он состоит.

Работа аппарата осуществляется следующим образом
Вариант первый
Нагреваемая вода подается внутрь корпуса через тангенциальный патрубок 5. Вода преобретает вращательное движение и заполняет весь объем корпуса. Пар, давлением 6,0-13,0 ата, по паропроводу подается в патрубки 14 (в один или несколько, в зависимости от предполагаемого расхода жидкости), расход пара - постоянный, определяемый только давлением пара и сечением сопел (сечение сопел подбирается таким, чтобы расход пара при критических и сверхкритических скоростях не превышал определенной величины, чтобы не перегреть воду). Этот пар служит для передачи своей кинетической энергии воде, чтобы повысить давление жидкости в патрубке 12 и подать воду через определенное сопротивление вместо насоса (для инжектирования воды). При значительном изменении нагрузки аппарата по расходу воды можно отключить часть сопел при помощи запорного органа на подводящем патрубке 14 одной или нескольких секций камеры 13. При помощи пара, подаваемого через патрубок 8, коллектор 7, и через сопла (отверстия) 6 с докритическими скоростями пара, внутрь корпуса 1 обеспечиваются нагрев воды до нужной температуры, контролируемой по термометру, установленному в патрубке 12 (давление пара, подаваемого через патрубок 8, должно быть не ниже 2 ата). Расход пара регулируют регулирующим органом на паропроводе, подающем пар к патрубкам 8. Поток вращающейся воды по спирали устремляется вниз, встречаясь с потоком пара из отверстий (сопел) 6 и нагревается без гидроударов. Далее, нагретая до определенной температуры вода, попадает через окна (отверстия) 17 в кольцевое пространство между стаканом и продолжением корпуса 18, где в поток воды врезается пар, выходящий из тангенциальных сопел 15 (или 15а) с критической или сверхкритической скоростью. Кинетическая энергия пара передается вращающемуся потоку воды и скорость ее вращения и энергия увеличиваются. Причем скорость вращающегося потока воды уменьшается при увеличении радиуса вращения жидкости, а давление возрастает. Первоначально (на радиусе встречи потока пара с водой) поток жидкости приобретает максимальную скорость. Поэтому увеличение диаметра стакана в нижней части (выполнение стакана из двух обечаек разного диаметра) способствует увеличению давления воды на выходе из аппарата. Если общая температура воды на выходе из патрубка 12 будет ниже нормы, то добавляют пара через патрубок 8, а если выше - то уменьшают, при постоянстве расхода пара через разгонные сопла 15 (15а). Высокая скорость вращения воды в стакане способствует эжектированию воды из корпуса 1 через окна 17, не увеличивая значительно скорость вращения воды внутри корпуса 1, так как вращающийся момент почти не передается внутрь корпуса 1 через окна 17 и не увеличивает противодавление воды на патрубок 5.

Вариант второй
Вода в патрубок 5 поступает без давления (эжектируется за счет образования разрежения внутри корпуса 1). Корпус предварительно заполняется жидкостью. Подается пар через разгонные сопла 15. Жидкость поступает в корпус через патрубок 5 (патрубки 5). При необходимости подают греющий пар через патрубок 8. Наличие в нижней части корпуса отверстий прямоугольного или круглого или овального сечения (а не наличие единого пространства с разгонными соплами) не позволяет высоким скоростям вращения жидкости, достигаемым в кольцевом пространстве стакана, передаваться внутрь стакана и передавать основную часть ее кинетической энергии, за счет чего давление в подающем патрубке жидкости не увеличивается (не создает противодавления в начале аппарата).

Удлинение корпуса вниз до соединения с нижней крышкой стакана уменьшает центральную зону (мертвую) внутри стакана, в которой скапливаются неконденсируемые газы и пар (причем пар может конденсироваться в этой зоне с гидроударами). Это увеличивает надежность работы аппарата.

Установка на стенке стакана и(или) на переходном кольце или на верхней кольцевой крышке стакана паровых конических сопел или сопел Лаваля, устья которых выведены внутрь стакана, позволяющих обеспечивать критические (звуковые) и сверхкритические (сверхзвуковые) скорости пара, позволяет увеличивать скорость вращения воды не внутри корпуса (что влечет за собой увеличение давления воды на стенки корпуса и общее противодавление внутри корпуса), а в кольцевом пространстве между корпусом и стаканом и ее скоростной напор, который превращается в статический напор в отводящем трубопроводе.

Выполнение корпуса и стакана из обечаек разного диаметра позволяет лучше трансформировать скоростной напор вращающейся воды в статический (с увеличением радиуса закрутки жидкости падает ее скорость и возрастает давление).

Разделение промежуточной паровой камеры перед группами разгонных сопел (сопел с критическими и сверхкритическими скоростями) на отдельные секции позволяет ступенчато изменять количество работающих сопел и соответственно количество разгонного пара при изменениях нагрузки аппарата без уменьшения скорости выхода пара (греющего агента) из сопел.

Наличие отверстий или тангенциальных сопел в корпусе аппарата выше выходных отверстий позволяет обеспечивать регулируемый нагрев жидкости греющим паром и использовать энергию не только разгонного пара, но и энергию греющего пара с до критическими скоростями, при наличии давления воды перед аппаратом.

Присоединение подводящего патрубка жидкости к корпусу тангенциально позволяет использовать имеющуюся перед аппаратом энергию давления жидкости для превращения ее в кинетическую энергию вращения жидкости и, в конечном итоге, в энергию давления на выходе из аппарата.

Изобретение предназначено для применения в области теплоэнергетики. Тепломассообменник содержит корпус в виде обечайки, нижнюю и верхнюю торцевые крышки, подводящие патрубки жидкости и греющего агента, которым является пар или перегретая вода, причем подводящие патрубки жидкости присоединены к корпусу тангенциально, а патрубки греющего агента соединены с корпусом через промежуточную камеру и отверстия в корпусе или тангенциальные сопла, причем корпус может быть составлен из нескольких обечаек, соединенных между собой переходными кольцами, нижняя часть корпуса помещена в стакан, представляющий собой обечайку или составленный из двух обечаек разного диаметра, соединенных переходным кольцом, с отводящим тангенциальным патрубком и верхней, и нижней торцевыми крышками стакана, а также в корпусе имеются отверстия прямоугольного, или круглого, или овального сечения для выхода жидкости из корпуса в стакан, причем корпус продлен до соединения с нижней крышкой стакана так, что он отделяет от стакана часть его внутреннего пространства по центру стакана, а в стенке стакана или(и) на переходном кольце стакана или на верхней крышке стакана установлены сопла. Изобретение позволяет повысить эффективность работы аппарата. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Тепломассообменник, содержащий корпус в виде обечайки, нижнюю и верхнюю торцевые крышки, подводящие патрубки жидкости и греющего агента, которым является пар или перегретая вода, причем подводящие патрубки жидкости присоединены к корпусу тангенциально, а патрубки греющего агента соединены с корпусом через промежуточную камеру и отверстия в корпусе или тангенциальные сопла отличающийся тем, что корпус может быть составлен из нескольких обечаек, соединенных между собой переходными кольцами, нижняя часть корпуса помещена в стакан, представляющий собой обечайку или составленный из двух обечаек разного диаметра, соединенных переходньм кольцом, с отводящим тангенциальным патрубком и верхней, и нижней торцевыми крышками стакана, и в корпусе имеются отверстия прямоугольного, или круглого, или овального сечения для выхода жидкости из корпуса в стакан, причем корпус продлен до соединения с нижней крышкой стакана так, что он отделяет от стакана часть его внутреннего пространства по центру стакана, а в стенке стакана или(и) на переходном кольце стакана или на верхней крышке стакана установлены сопла, присоединенные тангенциально к стенке стакана или под острым углом к переходному кольцу стакана или к верхней кольцевой крышке стакана, связывающие кольцевое пространство, заключенное между корпусом и стаканом, с подводящим патрубком трубопровода греющей среды непосредственно или через промежуточную камеру. 2. Тепломассообменник по п. 1, отличающийся тем, что промежуточная камера, через которую поступает греющий агент в сопла и кольцевое пространство стакана, разделена на отдельные секции, каждая из которых имеет свой подводящий патрубок греющей среды.