СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО, ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА И НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива в водонагревательных устройствах промышленного, сельскохозяйственного и бытового назначения.

В известных схемах нагрева жидкостей в теплообменных элементах при сжигании любого топлива теплообмен достигается, с одной стороны, за счет процессов конвекции, диффузии и оптического излучения пламени, с другой стороны, за счет гидродинамического процесса, протекающего внутри теплообменных элементов и определяемого безразмерным числом Рейнольдса Re=v•d/u, где v - скорость движения теплоносителя, d - характерный геометрический параметр теплообменного элемента и u - кинематическая вязкость теплоносителя. Поскольку увеличение коэффициента теплопередачи пропорционально числу (Re)^k, где показатель степени к≠1, то увеличение скорости теплоносителя в теплообменных элементах, согласно общепринятым представлениям, может происходить за счет увеличения расхода теплоносителя или за счет применения высокоэнергетического топлива (см. , например, книгу Б.Е. Юдаев. Техническая термодинамика. Теплопередача. - М.: Высшая школа, 1988).

В то же время из гидромеханики известно, что если местная скорость течения жидкого теплоносителя достигает критической величины, при которой давление понижается до величины давления насыщенных паров, возникает явление кавитации, сопровождающееся вскипанием жидкости с образованием паровой фазы. Таким образом, благодаря кавитации однофазный поток теплоносителя (жидкость) превращается в двухфазный поток (жидкость+пар) (см., например, книгу Ю.Л. Левковский. Структура кавитационных течений. - Л.: Судостроение, 1978).

Из механики жидкости и газа также известно, что если скорость звука в двухфазном потоке меньше местной скорости, то такой поток является сверхзвуковым потоком, при торможении которого, например, в специально спрофилированных расширяющихся каналах можно организовать скачок уплотнения, сопровождающийся скачкообразным увеличением давления и температуры, причем давление может быть восстановлено до величины, примерно равной величине давления в некавитирующей жидкости (см. , например, книгу Г.Н. Абрамович и др. Теория турбулентных струй. - М.: Наука, 1984).

В качестве прототипа выбрано техническое решение, в котором описывается способ интенсификации теплообмена при сжигании жидкого, твердого или газообразного топлива путем изменения фазного состояния напорного потока жидкого теплоносителя (см. , например, а. с. СССР 1719802, кл. F 24 Н 1/00, публ. 15.03.1992).

Из этого же источника известно нагревательное устройство, содержащее устройство для сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива, и теплообменник, состоящий из заполненного жидким теплоносителем корпуса с внутренней поверхностью, образующей топочный канал, причем корпус содержит входной участок с входным патрубком, соединительный участок и выходной участок с выходным патрубком.

Недостатком известного способа воздействия на рабочие среды и устройства для его осуществления является организация только внутреннего теплообмена без внешнего источника тепла, что исключает возможность осуществить теплообменные процессы при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива и обеспечить при этом высокий кпд устройства.

Таким образом, дальнейшее увеличение коэффициента теплопередачи в теплообменных элементах при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива, особенно его низкоэнергетических разновидностей, а соответственно и повышение кпд устройства можно достигнуть, изменив фазное состояние напорного потока теплоносителя.

Целью настоящего изобретения является увеличение коэффициента теплопередачи от продуктов сгорания преимущественно низкоэнергетического топлива и дополнительное увеличение кпд устройства за счет утилизации низкопотенциальной теплоты сгорания.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что в способе интенсификации процесса теплообмена при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива путем изменения фазного состояния напорного потока жидкого теплоносителя, заключающемся в том, что дозвуковой однофазный поток жидкого теплоносителя в теплообменнике ускоряют до местной скорости, при которой происходит падение давления до величины давления насыщенных паров, сопровождающееся кавитацией с последующим образованием сверхзвукового двухфазного (жидкость+пар) потока теплоносителя, последний тормозят посредством увеличения площади его живого сечения до возникновения скачка уплотнения со скачкообразным увеличением давления и температуры и превращением двухфазного потока теплоносителя в первоначальное однофазное состояние, причем фазное состояние напорного потока жидкого теплоносителя изменяют на входном участке теплообменника в высокотемпературной области горения и на выходном участке теплообменника в низкотемпературной области отходящих газов.

Нагревательное устройство для реализации способа интенсификации теплообмена содержит устройство для сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива и теплообменник, состоящий из заполненного жидким теплоносителем корпуса с внутренней поверхностью, образующей топочный канал, и наружной поверхностью, причем корпус содержит входной участок с входным патрубком, оборудованным входной регулирующей арматурой, соединительный участок и выходной участок с выходным патрубком, оборудованным выходной регулирующей арматурой, при этом входной участок содержит приемную камеру и входную камеру смешения, разделенные перегородкой с входным кавитатором, входную горловину и входной диффузор, гидравлически сопряженный с соединительным участком, отделенным перегородкой с выходным кавитатором от выходного участка, содержащего выходную камеру смешения, выходную горловину и выходной диффузор.

Краткое описание фигур чертежей.

Изобретение детально поясняется с привлечением чертежей, на которых представлены:
фиг. 1 - продольный разрез нагревательного устройства, вариант с газовым горелочным устройством для сжигания газообразного топлива;
фиг.2 - сечение 1-1 на фиг.1;
фиг.3 - варианты исполнения кавитатора;
фиг.4 - продольный разрез нагревательного устройства для сжигания топлива, варианты оребрения поверхностей теплообменника;
фиг.5 - сечение 2-2 на фиг.4.

Варианты осуществления изобретения.

Нагревательное устройство для осуществления способа интенсификации теплообмена содержит устройство (1) для сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива и теплообменник (2), состоящий из заполненного жидким теплоносителем корпуса (3) с внутренней поверхностью (4), образующей топочный канал (5), и наружной поверхностью (6). Корпус (3) содержит входной участок (7) с входным патрубком (8), оборудованным входной регулирующей арматурой (9), соединительный участок (10) и выходной участок (11) с выходным патрубком (12), оборудованным входной регулирующей арматурой (13). Входной участок (7) содержит приемную камеру (14) и входную камеру смешения (15), разделенные перегородкой (16) с входным кавитатором (17), входную горловину (18) и входной диффузор (19), гидравлически сопряженный с соединительным устройством (10). Последний отделен перегородкой (20) с выходным кавитатором (21) от выходного участка (11), содержащего последовательно расположенные выходную камеру смешения (22), выходную горловину (23) и выходной диффузор (24). Теплообменник (2) выполнен концентричным и расположен симметрично относительно продольной оси (25).

Входная (15) и выходная (22) камеры смешения выполнены сужающимися по течению теплоносителя.

Входной (17) и выходной (21) кавитаторы выполнены преимущественно гидродинамического типа в виде сужающего поток теплоносителя устройства, например сужающего сопла, как показано на фиг.1,2, или диафрагмы, как показано на фиг.3 А. Кроме того, возможно использование кавитатора в виде тела, обтекание которого происходит с отрывом, как показано на фиг.3 В, причем крепление кавитатора такого типа может быть выполнено на радиальных ребрах (26).

Внутренняя (4) и/или наружная (6) поверхности входного (7) и/или выходного участков (11) могут быть выполнены оребренными продольными ребрами (27), расположенными равномерно в окружном направлении, как показано на фиг. 4,5.

Входной (8) и/или выходной (12) патрубки могут быть расположены параллельно и/или перпендикулярно продольной оси (25) теплообменника (2).

Соединительный участок (10) выполнен постоянного поперечного сечения.

Для контроля давления перед входным (17) и выходным (21) кавитаторами установлены манометры (28), а на выходе из теплообменника - манометр (29).

На фиг. 1 изображен вариант нагревательного устройства для сжигания газообразного топлива с помощью газового горелочного устройства (1), содержащего электродвигатель (30) с валом (31), корпус вентилятора (32) с выходным отверстием (33), корпус газовой горелки (34) и струенаправляющий диск (35) с отверстием (36) для воздушного потока. Внутри корпуса вентилятора (32) размещено посаженное на вал (31) центробежное рабочее колесо (37) и неподвижный лопастной отвод (38). Внутри корпуса газовой горелки (34) расположены газовая трубка (39) с соплом (40) и стабилизирующая решетка (41). Газовое горелочное устройство (1) устанавливают на входе в теплообменник (2), совмещая его ось (25) с осью (42) газового горелочного устройства (1).

Способ интенсификации теплообмена при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива путем изменения фазного состояния напорного потока жидкого теплоносителя заключается в том, что дозвуковой напорный поток однофазного жидкого теплоносителя посредством кавитаторов (17,21) ускоряют до местной скорости, при которой с падением давления до величины давления насыщенных паров возникает кавитация с последующим образованием в камерах смешения (15) и (22) сверхзвуковых двухфазных (жидкость+пар) потоков теплоносителя, последний тормозят в диффузорах (19) и (24) посредством увеличения его площади живого сечения с возникновением скачка давления и температуры и переходом потока теплоносителя из двухфазного в первоначальное однофазное состояние после входного участка (7) и выходного участка (11) теплообменника (2). При этом на входном участке (7) в высокотемпературной области горения дозвуковой поток однофазного жидкого теплоносителя вводят в состояние кавитации при температуре (60-90^o)С, а на выходном участке (11) - в низкотемпературной области отходящих газов при температуре (30-50^o)С.

Устройство для интенсификации теплообмена при сжигании, например, газообразного топлива работает следующим образом.

При вращении посаженного на вал (31) электродвигателя (30) рабочего колеса (37) вентилятора (32) воздушный поток последовательно проходит через неподвижный лопастной отвод (38), выходное отверстие (33) и поступает в корпус газовой горелки (34). Отсюда воздушный поток направляется на стабилизирующую решетку (41) для повышения его однородности, после чего, пройдя через струенаправляющий диск (35) с отверстиями (36), воздушный поток поступает в зону горения, куда одновременно подается струя газообразного топлива, движущаяся по стрелке (b) в газовой трубке (39) к соплу (40). В топочном канале (5) на входном участке (7) теплообменника (2) будет иметь место высокотемпературная область горения, а на выходном участке (11) - низкотемпературная область отходящих газов.

Напорный поток жидкого теплоносителя по стрелке (а) через входной патрубок (8) поступает в приемную камеру (14) входного участка (7) теплообменника (2), где поток теплоносителя является однофазным и движется с дозвуковой скоростью. Из приемной камеры (14) однофазный дозвуковой поток теплоносителя под избыточным давлением поступает на сужающее устройство - кольцевое сопло входного кавитатора (17) и ускоряется до местной скорости, при которой давление понижается до величины давления насыщенных паров при температуре (60÷90^o)С. Так, например, для воды, используемой в качестве теплоносителя, указанному диапазону температур будет соответствовать давление насыщенных паров, равное примерно (2,0÷7,0)•10⁴P_А. При выполнении указанных условий поток теплоносителя начинает кавитировать с образованием паровой фазы, которая смешивается с жидкой фазой теплоносителя во входной камере смешения (15), что приводит к образованию двухфазной смеси, скорость звука в которой намного ниже скорости звука в однофазном потоке теплоносителя. Собственная скорость двухфазного потока во входной камере смешения (15) увеличивается за счет сужения ее поперечного сечения по течению потока таким образом, что во входной горловине (18) достигается скорость звука для двухфазной среды. Вследствие этого в камере расширения входного диффузора (19) двухфазный поток теплоносителя ускорится больше собственной скорости звука, при этом образуется скачок уплотнения, являющийся в тоже время скачком давления и температуры, эффект проявления которого тем больше, чем меньше давление и температура во входном диффузоре (19). Скачок давления и температуры сопровождается конденсацией паровой фазы и двухфазный поток теплоносителя на выходе из входного диффузора (19) превращается в однофазный дозвуковой поток, давление которого в зависимости от противодавления соединительного участка (10) и выходного участка (11) может быть существенно восстановлено вплоть до почти первоначального значения.

Преодолев соединительный участок (10) постоянного поперечного сечения, однофазный дозвуковой поток теплоносителя проходит сужающее устройство выходного кавитатора (21) и ускоряется до местной скорости, при которой давление понижается до величины давления насыщенных паров при температуре (30÷50^o)С. Для воды этому диапазону температур соответствуют давления насыщенных паров, равные примерно (4,2•10³÷1,2•10⁴Р_А. При этом должны выполняться следующие гидродинамические условия:
V₁<V₂, P₁>Р₂,
где V и Р - соответственно скорость истечения теплоносителя из сужающего устройства кавитатора и давление насыщенных паров; индексы 1 и 2 относятся соответственно к входному и выходному кавитаторам.

Жидкая и паровая фаза теплоносителя после выходного кавитатора (21) смешиваются в выходной камере смешения (22) с образованием двухфазной среды, которая в выходной горловине (23) становится сверхзвуковой средой, движение которой в выходном диффузоре (24) сопровождается скачком давления и температуры с последующим превращением двухфазного сверхзвукового потока снова в однофазный дозвуковой поток жидкого теплоносителя. Последний через выходной патрубок (12) по стрелке (С) поступает потребителю.

Для регулирования входных и выходных параметров потока теплоносителя предусмотрена регулирующая арматура (9) и (13).

Оребрение внутренней поверхности (4) теплообменника (2) продольными ребрами (27) увеличивает тепловое напряжение топочного объема при сжатии газа в топочном канале (5), вследствие чего увеличивается и теплоотдача. Оребрение наружной поверхности (6) позволяет увеличить теплоотдачу устройства. В итоге, оребрение внутренней и/или наружной поверхности теплообменника приводит к увеличению его кпд.

Предлагаемое изобретение позволяет более полно использовать тепло, выделяющееся при горении топлива, особенно его низкоэнергетических разновидностей, и создать наиболее выгодные с энергетической точки зрения компактные нагревательные устройства с высоким кпд. Кроме того, будет иметь место экономия топлива за счет скачкообразного двухразового разогрева теплоносителя, а также экономия электроэнергии при перекачке теплоносителя за счет скачкообразного увеличения давления. Также важно, что через скачки уплотнения не проходят изменения выходных гидродинамических и температурных параметров теплоносителя. Это значит, что входные параметры работы нагревательного устройства всегда будут находиться в оптимальном стационарном режиме.

Промышленная пременимость.

Предлагаемый способ интенсификации теплообмена и нагреветельное устройство, в котором этот способ реализуется, могут быть широко использованы в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения населенных мест и промпредприятий, а также в малогабаритных нагревательных установках, например, при разработке бытовых стационарных или переносных водонагревательных и отопительных устройств.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива в водонагревательных устройствах промышленного, сельскохозяйственного и бытового назначения. Сущность изобретения заключается в том, что изменяют фазное состояние напорного потока жидкого теплоносителя на входном участке теплообменника в высокотемпературной области горения и на выходном участке теплообменника в низкотемпературной области отходящих газов. Нагревательное устройство для осуществления указанного способа интенсификации теплообмена содержит устройство для сжигания топлива и теплообменник. Входной участок последнего включает приемную камеру и входную камеру смешения, разделенные перегородкой с входным кавитатором, входную горловину и входной диффузор, гидравлически сопряженный с соединительным участком, отделенным перегородкой с выходным кавитатором от выходного участка, содержащего последовательно расположенные выходную камеру смешения, выходную горловину и выходной диффузор. Изобретение позволяет увеличить коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания преимущественно низкоэнергетического топлива и увеличить кпд устройства за счет утилизации низкопотенциальной теплоты сгорания. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ интенсификации теплообмена при сжигании жидкого, твердого или газообразного топлива путем изменения фазного состояния напорного потока жидкого теплоносителя, отличающийся тем, что дозвуковой однофазный (жидкость) поток теплоносителя в теплообменнике ускоряют до местной скорости, при которой происходит падение давления до величины давления насыщенных паров, сопровождающееся кавитацией с последующим образованием сверхзвукового двухфазного (жидкость+пар) потока теплоносителя, последний тормозят посредством увеличения площади его сечения до возникновения скачка уплотнения со скачкообразным увеличением давления и температуры и превращением двухфазного потока теплоносителя в первоначальное однофазное состояние, при этом фазное состояние напорного потока жидкого теплоносителя изменяют на входном участке теплообменника в высокотемпературной области горения и на выходном участке теплообменника в низкотемпературной области отходящих газов. 2. Способ интенсификации теплообмена по п.1, отличающийся тем, что на входном участке теплообменника в высокотемпературной области горения дозвуковой поток однофазного жидкого теплоносителя вводят в состояние кавитации при температуре 60-90^oС, а на выходном участке теплообменника - в низкотемпературной области отходящих газов при температуре 30-50^oC. 3. Способ интенсификации теплообмена по пп.1 и 2, отличающийся тем, что кавитацию потока теплоносителя на входном и выходном участках теплообменника осуществляют при следующих гидродинамических условиях: V₁<V₂, Р₁>Р₂, где V и P - соответственно скорость истечения теплоносителя из сужающего устройства кавитатора и давление насыщенных паров; индексы 1 и 2 относятся соответственно к входному и выходному кавитаторам. 4. Нагревательное устройство, содержащее устройство для сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива и теплообменник, состоящий из заполненного жидким теплоносителем корпуса с внутренней поверхностью, образующей топочный канал, причем корпус содержит входной участок с входным патрубком, соединительный участок и выходной участок с выходным патрубком, отличающееся тем, что входной участок содержит приемную камеру и входную камеру смешения, разделенные перегородкой с входным кавитатором, входную горловину и входной диффузор, гидравлически сопряженный с соединительным участком, отделенным перегородкой с выходным кавитатором от выходного участка, содержащего последовательно расположенные выходную камеру смешения, выходную горловину и выходной диффузор, а входной и выходной патрубки оборудованы соответственно входной и выходной регулирующей арматурой. 5. Нагревательное устройство по п.4, отличающееся тем, что теплообменник выполнен концентричным и расположен симметрично относительно продольной оси. 6. Нагревательное устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что входная и выходная камеры смешения выполнены сужающимися по течению теплоносителя. 7. Нагревательное устройство по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающееся тем, что входной и выходной кавитаторы выполнены преимущественно гидродинамического типа в виде сужающего поток теплоносителя устройства. 8. Нагревательное устройство по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающееся тем, что внутренняя и/или наружная поверхность входного и/или выходного участка теплообменника выполнены оребренными продольными ребрами, расположенными равномерно в окружном направлении. 9. Нагревательное устройство по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающееся тем, что входной и/или выходной патрубки расположены параллельно и/или перпендикулярно продольной оси теплообменника. 10. Нагревательное устройство по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающееся тем, что соединительный участок выполнен постоянного поперечного сечения.