ДЕГАЗАТОР ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ С ФОРСУНОЧНОЙ ЕЕ ПОДАЧЕЙ Российский патент 2003 года по МПК C02F1/20 C02F103/02 

Изобретение относится к технике обработки горячей воды с целью дегазации ее перед подачей на потребление населению.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является устройство для дегазации горячей воды по патенту России на изобретение 2175953, которое может быть взято за пототип.

Устройство-прототип состоит из цилиндрического корпуса, патрубка подачи воды на дегазацию, патрубка отвода паровоздушной смеси, патрубка отвода воды потребителю. На патрубке подвода воды установлен блок форсуночных головок. Устройство имеет систему отсоса паровоздушной смеси в водовоздушным эжектором и охладитель выпара. Для регулирования уровня воды в дегазаторе устройство снабжено регулятором уровня воды, состоящим из датчика уровня воды в корпусе дегазатора и исполнительным механизмом, перекрывающим или открывающим площадь проходного сечения магистрали подачи воды на дегазацию в корпус устройства. При этом этот исполнительный механизм в дальнейшем будем называть клапаном-регулятором уровня воды в дегазаторе.

Недостатком подобного устройства является относительно низкая эффективность дегазации горячей воды и неустойчивая работа системы подачи воды на дегазацию. Причины этих недостатков следующие:
1. Эффективность дегазации при форсуночной подаче воды в рабочую полость дегазатора определяется качеством распыла жидкости. А качественный распыл жидкости происходит только при расчетном давлении в полости форсуночной головки, равным 0,4-0,6 МПа. Расчеты показывают, что в этом случае для размеров капель воды диаметром менее 50 мкм и длине зоны дегазации (расстояние от плоскости среза сопел форсунок до зеркала воды) более 3 м происходит полная дегазация воды. Однако вода в корпус дегазатора подается периодически. Поэтому в процессе запуска форсуночных головок на расчетный режим, что не может происходить "ступенчатым" образом из-за возможности гидравлического удара в магистралях, давление в форсуночных головках изменяется от нуля до расчетной величины. И, наоборот, на режиме останова форсуночных головок давление в полостях форсуночных головок падает от расчетного его значения до нуля. Работу форсуночных головок в эти моменты времени в дальнейшем будем называть переходными режимами работы. При переходных режимах работы форсуночных головок вода также поступает на дегазацию врабочую полость дегазатора. Однако из-за нерасчетного режима работы форсунок качество распыла и дегазация соответственно этой воды будут низкими. Эта недостаточно дегазированная вода ухудшает интегральную характеристику дегазации всей воды, подаваемой потребителям. Основной характеристикой переходных режимов является их продолжительность. А этот параметр определяется работой клапана-регулятора уровня воды в дегазаторе, поскольку он встроен в магистраль подачи воды на дегазацию.

2. В качестве клапана-регулятора обычно используются конструкции с пружинными элементами. При этом на дегазаторах используются клапаны-регуляторы, в которых для избежания динамического удара в магистралях время открытия и закрытия проходного сечения трубопровода подачи воды на дегазацию составляет порядка 20-30 с. При этом не только несколько ухудшаются характеристики дегазации, как это отмечено выше, но и в самой магистрали подачи жидкости на дегазацию могут возникнуть колебательные процессы. Такие колебательные процессы могут иметь и резонансную природу, поскольку в пружинных системах может возникнуть параметрический резонанс /1/. Возникновение параметрического резонанса в пружине клапана-регулятора может быть основной причиной выхода из строя клапана-регулятора уровня воды в дегазаторе. Практика эксплуатации дегазаторов горячей воды показывает, что именно клапаны-регуляторы уровня воды в дегазаторе являются наиболее ненадежным узлом дегазатора, часто требующим ремонта. При этом именно пружины клапана-регулятора наиболее часто выходят из строя.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы дегазатора.

Поставленная задача решается за счет:
1) уменьшением времени открытия и закрытия проходного сечения трубопровода подачи воды на дегазацию;
2) изменением конструктивно-компоновочной схемы клапана-регулятора уровня воды в дегазаторе. В частности, за счет отказа от использования в конструкции клапана-регулятора пружин;
3) увеличением времени работы форсуночных головок дегазатора на расчетном режиме работы.

Время работы форсуночных головок определяется временем, в течение которого открыто проходное сечение трубопровода подвода воды на дегазацию. Сигналы на закрытие или открытие проходного сечения трубопровода, поступающие на электрогидравлические клапаны (ЭК) клапана-регулятора уровня воды в дегазаторе, вырабатываются датчиком уровня воды в нем. Увеличивая объем воды, соответствующий разности максимального и минимального уровня воды в дегазаторе, можно увеличить не только время работы форсуночных головок в расчетном режиме работы, но и снизить относительно этого времени время работы форсуночных головок в нерасчетном режиме работы. Это позволяет снизить относительный объем недостаточно дегазированной воды. Еще более уменьшить относительный объем такой плохо дегазированной горячей воды можно либо за счет увеличения диаметра корпуса дегазатора, либо за счет увеличения расстояния между минимальным и максимальным уровнем воды в колонне, либо уменьшением времени открытия и закрытия проходного сечения клапана-регулятора.

Таким образом, сказанное позволяет улучшить степень дегазации горячей воды и повысить надежность работы дегазатора.

На фиг. 1 представлена схема дегазатора горячей воды с форсуночной ее подачей (общий вид в разрезе).

Дегазатор состоит из корпуса 1, патрубка подачи воды 2 на дегазацию, патрубка 3 отвода паровоздушной смеси, патрубка 4 отвода воды потребителю. На патрубке 2 установлен блок форсуночных головок 5. Для охлаждения паровоздушной смеси дегазатор снабжен охладителем выпара 6. Для подачи паровоздушной смеси в охладитель выпара 6 и создания пониженного давления в полости корпуса 1 дегазатора, дегазатор снабжен водовоздушным эжектором (струйным насосом) 7. Для накопления использованной рабочей жидкости и охлажденного и сконденсировавшегося выпара предназначена емкость 8. Для регулирования запаса воды в корпусе 1 дегазатор снабжен системой регулирования уровня воды в нем, состоящей из датчика уровня воды в дегазаторе 9 и клапана-регулятора 10, открывающего или закрывающего проходное сечение магистрали подачи воды на дегазацию. Работа клапана-регулятора 10 управляется сигналами, снимаемыми с датчика 9 уровня воды в дегазаторе. Вода на дегазацию подается нагнетательным насосом 11.

Схема клапана-регулятора показана на фиг.2.

Клапан состоит из корпуса 12, выполненного в виде стакана цилиндрической формы, имеющего цилиндрическую проточку, выполненную на его внутренней поверхности, а в корпусе клапана 12 вблизи его дна выполнена перфорация (Ж). К наружной поверхности корпуса 12 выше зоны перфорации крепится юбка 13, формирующая выходную полость Б клапана. Клапан имеет входной 14 и выходной 15 фланцы для установки клапана в магистраль подачи воды на дегазацию, причем входной фланец установлен на срезе корпуса 12, а выходной фланец закреплен на юбке 13. В корпусе 12 клапана вложен поршень 16, имеющий возможность перемещаться по поверхности стакана и выполненный в виде цилиндрической обечайки с двумя кольцевыми буртиками, один из которых выполнен на торце обечайки, а другой - в средней его части, обозначенный позицией 17. Причем диаметр буртика 17 равен диаметру проточки, выполненной в корпусе 12. Корпус 12 и поршень 16 выполнены таким образом, что формируют четыре рабочие полости клапана А, Б, В, Г. При определенном положении поршня 16 приемная полость А клапана имеет гидравлическую связь с выходной полостью Б. Эта связь осуществляется через перфорационные отверстия Ж. Входная (приемная) полость А имеет гидравлическую связь через штуцер 19, электрогидравлический клапан 21 и штуцер 20 с полостью В. Смена положения поршня 16 относительно корпуса 12 осуществляется путем подачи воды под рабочим давлением в полость В из полости А. В трубопровод, соединяющий штуцера 19 и 20, может быть встроен один электрогидравлический клапан (ЭК) двойного действия 21, либо встроено два электрогидравлических клапана (ЭК) 22 и 23.

Устройство работает следующим образом.

После запуска водовоздушного эжектора 7 и понижения давления в полости корпуса 1 дегазатора до величины, соответствующей условию вскипания воды, насосом 11 производится подача дегазируемой воды под давлением в 0,4-0,6 МПа (поток I) через патрубок 2 в форсуночные головки 5. При этом клапан-регулятор 10 полностью открыт. Форсуночные головки 2 распыливают воду до мелкокапельной структуры со средним размером капли порядка 50-60 м км. В процессе падения каждой отдельной капли от среза форсунки до уровня воды в корпусе дегазатора происходит ее дегазация. Выделившийся из капель газ, например кислород и пар, за счет работы водовоздушного эжектора 7 поступают в приемный патрубок 3, откуда в охладитель выпара 6 (поток II). Образовавшаяся в результате конденсации пара вода поступает обратно в дегазатор (поток III). Газы и несконденсировавшийся пар из охладителя выпара 6 поступают в водовоздушный эжектор 7 (поток IV). Образовавшаяся в водовоздушном эжекторе 7 в результате конденсации пара вода и использованная активным соплом водовоздушного эжектора рабочая среда (вода) поступает либо в бак-накопитель выпара 8 (поток V), либо сливается в канализацию (поток VI). Деаэрированная вода через патрубок 4 поступает к потребителю (поток VI) за счет насосной системы, не показанной на фиг.1.

При подаче воды на дегазацию, в соответствии со схемой, представленной на фиг.2, поршень 16 занимает положение, при котором газовая полость Г имеет минимальный объем, а полость В - максимальный объем. Такое положение поршня 16 обеспечивается за счет подачи воды от штуцера 19 через электрогидравлический клапан 21 или клапан 22 при закрытом клапане 23 на штуцер 20 и далее в полость В. При этом положении поршня 16 окна Ж в корпусе 12 открыты и вода из приемной полости А поступает в выходную полость Б и далее в полость форсуночных головок. При этом уровень воды в дегазаторе постоянно растет. Когда он достигнет максимально допустимого уровня, датчик уровня воды 9 вырабатывает электрический сигнал, который за счет электрогидравлического клапана 21 закрывает магистраль, соединяющую штуцера 19 и 20. Или, если в системе используется два одноходовых электрогидравлических клапана 22 и 23, сигнал, соответствующий максимальному уровню воды в дегазаторе, закрывает клапан 22 и открывает клапан 23. В обоих этих вариантах неуравновешенное давление жидкости в полости А, действующее на торцевой буртик поршня 16, выдавливает воду из полости В, которая сливается в канализацию через ЭК 21 или ЭК 23. При своем движении поршень 16 перекрывает окна Ж. Под действием силы, воздействующей на торцевой буртик поршня 16, поршень своим другим торцом прижимается герметично к прокладке 18, закрепленной на донышке корпуса 12. При перемещении клапана 16 в положение, соответствующее запиранию проходного сечения магистрали подачи воды на дегазацию, через отверстие Е, выполненное в корпусе 12, происходит подсос воздуха в полость Г.

При подаче дегазированной воды потребителям уровень воды в дегазаторе падает. В момент времени, когда будет достигнут минимально возможный уровень воды в дегазаторе, датчик уровня воды 9 подает сигнал на открытие двухпозиционного электрогидравлического клапана 21 или на открытие клапана 22 и закрытие клапана 23. В результате вода через штуцер 20 поступает в полость В. Под давлением жидкости (воды), поступившей в полость В, поршень клапана перемещается, вытесняя воздух из полости Г и открывая отверстия Ж. При этом геометрические размеры основных элементов клапана выбраны таким образом, чтобы время открытия-закрытия проходного сечения магистрали подачи воды на дегазацию было бы не более 5 с, что в несколько раз уменьшает время выхода на расчетный режим форсуночных головок и время их полного останова.

Тем самым предлагаемое устройство за счет специального решения конструктивно-компоновочной схемы клапана-регулятора, в которой отсутствуют пружинные элементы, а объемы рабочих полостей минимизированы, имеет более высокую надежность работы как самого клапана, так и гидравлической магистрали подачи воды на дегазацию. Более того, за счет уменьшения времени открытия и закрытия проходного сечения магистрали подачи воды на дегазацию уменьшается относительное количество плохо дегазируемой воды. В целом это понизит остаточное содержание растворенных газов в воде, подаваемой потребителям.

Относительный объем некондиционно дегазированной воды, поступающей в дегазатор во время переходных режимов работы форсуночных головок, можно существенно уменьшить, если увеличить объем воды, определяемый верхним (max) и нижним (min) уровнем воды в корпусе дегазатора (см. фиг.1). Это можно сделать двумя путями: увеличив длину зоны между допустимыми уровнями воды в корпусе дегазатора, либо увеличив его диаметр в этой же зоне. Однако в последнем случае растет масса дегазатора, что экономически нецелесообразно и приводит к снижению экономической эффективности его работы /2/. Большая высота (длина) дегазатора обусловлена чисто физическими причинами: необходимо обеспечить достаточный подпор на всасывающих патрубках насосов подачи дегазированной воды потребителям. Именно для компенсации потери давления, обусловленного вакуумированием полости корпуса дегазатора, на входе в насос создается столб жидкости высотой порядка 10 м. Поэтому в принципе нет необходимости создавать необходимое давление за счет всего проходного сечения корпуса дегазатора. В частности, ниже минимального уровня жидкости (min на фиг. 1) возможно существенно уменьшить диаметр дегазатора. С другой стороны, для эффективной дегазации жидкости при форсуночной ее подаче на дегазацию необходимо обеспечить зону дегазации в 4-5 м. Тем самым схема корпуса дегазатора приобретет облик, обозначенный на фиг.1 жирной пунктирной линией, т. е. корпус дегазатора будет иметь ступенчатый профиль. Практика эксплуатации дегазаторов горячей воды показывает, что в случае ступенчатого профиля корпуса дегазатора та его часть, где проходит процесс дегазации и накопление расходуемого объема дегазированной воды должна иметь диаметр в 1,5-2 больше, чем диаметр опорной части корпуса дегазатора. При этом расстояние между минимальным и максимальным уровнем воды в дегазаторе должно быть равно порядка 2 м.

Таким образом, предлагаемый дегазатор горячей воды с форсуночной ее подачей на дегазацию является более надежным в работе, обладает повышенной экономичностью и позволяет добиться улучшения качества дегазации горячей воды.

Источники информации
1. Шмидт Г. Параметрические колебания - М.: Мир, 1978, с.336.

2. Скидан Г.Б., Рождай И.Н. Расчет насадочных дегазаторов для удаления метана из воды. //Водоснабжение и санитарная техника. 1988, 3, с.9-10.

Изобретение относится к технике очистки воды от растворенных газов и может быть использовано в промышленных и коммунальных отопительных системах, в системах подачи горячей воды потребителям. Дегазатор состоит из корпуса, в полость которого сверху подается через блок форсуночных головок дегазируемая вода. Образовавшаяся паровоздушная смесь отсасывается через охладитель выпара водовоздушным эжектором. Подача воды на дегазацию регулируется клапаном. Диаметр колонны в зоне накопления расходуемой воды между минимально и максимально допустимыми ее уровнями увеличен в 1,5-2 раза по сравнению с основным диаметром колонны. Расстояние между допустимыми уровнями - до 2 м. Корпус клапана-регулятора проходного сечения магистрали подачи воды в колонну выполнен в виде стакана с кольцевой внутренней проточкой и отверстиями у дна стакана. Поршень выполнен в виде тонкостенного цилиндра с двумя буртиками. Внутренняя поверхность корпуса, буртики и наружная поверхность поршня формируют рабочие полости клапана, рабочая жидкость в которые подается или сливается за счет электрогидравлических клапанов, управляемых сигналами, снимаемыми с датчика уровня воды в колонне. Под действием давления жидкости в рабочих полостях клапана происходит перемещение поршня, в результате чего открываются или закрываются поршнем отверстия у дна стакана. Минимизация объемов рабочих полостей клапана позволяет уменьшить время работы форсуночных головок в нерасчетном режиме работы. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Дегазатор горячей воды с форсуночной ее подачей, содержащий цилиндрический корпус с патрубками подачи воды на дегазацию, отвода паровоздушной смеси, подачи дегазированной воды потребителям, систему отсоса паровоздушной смеси с водовоздушным эжектором, блок форсуночных головок, регулятор уровня воды, отличающийся тем, что регулятор уровня воды состоит из датчика уровня воды в дегазаторе и клапана-регулятора, состоящего из корпуса, выполненного в виде цилиндрического стакана с перфорацией стенки у его дна и кольцевой проточкой на внутренней его поверхности, и поршня, вложенного в стакан с возможностью его перемещения по поверхности стакана и выполненного в виде цилиндрической полой обечайки с двумя кольцевыми буртиками, причем один из буртиков выполнен на торце обечайки, а диаметр другого буртика равен диаметру кольцевой проточки стакана, причем полость цилиндрической обечайки формирует входную полость клапана, которая имеет гидравлическую связь через перфорационные отверстия стакана с выходной полостью клапана, образованной юбкой, закрепленной на стакане выше зоны перфорации, а входная полость клапана-регулятора имеет также гидравлическую связь с одной из двух полостей, образованных поверхностью кольцевой проточки стакана и внешней поверхностью цилиндрической полой обечайки, причем в эту гидравлическую связь встроен электрогидравлический клапан, управляемый сигналами, вырабатываемыми датчиком уровня воды в дегазаторе, а другая из этих полостей имеет газодинамическую связь с окружающей средой через отверстие, выполненное в стенке стакана. 2. Дегазатор горячей воды по п. 1, отличающийся тем, что корпус дегазатора имеет ступенчатый профиль, причем та часть дегазатора, где проходит процесс дегазации и накопление расходуемого объема дегазированной воды, имеет диаметр в 1,5-2 раза больше, чем диаметр опорной части дегазатора, а расстояние между минимальным и максимальным уровнем воды в дегазаторе составляет порядка 2 м.