СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДАЧИ ПАРА В ВОДЯНУЮ МАГИСТРАЛЬ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F04F5/08 

Изобретение относится к области теплотехники и может применяться в любых отраслях промышленности и коммунального хозяйства. имеющих в эксплуатации трубопроводные водяные системы различного назначения и различные источники пара.

Для подогрева текущего расхода воды для целей отопления или производственного назначения на интервал температуры 10...40^oC и выше применяют различного рода нагревательные устройства, работающие на различных принципах, в том числе и устройства типа бойлеров, использующие энергию пара, в которых передача тепла от пара к воде осуществляется контактным способом через изолированную систему трубопроводов, при этом теплоотдача от пара к воде осуществляется не в полной мере, остаточный пар и конденсат в дальнейшем чаще всего из-за своих параметров не используется, что ведет к значительным потерям тепловой энергии и, как правило, к ухудшению окружающей экологической обстановки. В промышленности, в технологических процессах существуют сопутствующие источники пара переменных параметров с меняющимися давлением и расходом, например системы испарительного охлаждения мартеновских печей, конвекторов, отработанный пар силовых (прессовых) установок, который по ряду причин используется частично либо не используется вообще, а сбрасывается в атмосферу. В энергетическом плане эти источники обладают значительными запасами тепловой энергии, которую целесообразно использовать, например, для подогрева воды в магистралях с использованием в том числе и конденсата или просто утилизировать для улучшения экологической обстановки. Но чаше всего оказывается, что давление в водяных магистралях на 0,05...0,5 МПа выше давления источника пара, что создает трудности в его использовании.

Предлагаемое изобретение направлено на создание способа и устройства, решающих эту проблему, то есть обеспечивающих непрерывный ввод пара низкого давления с меняющимися параметрами (давлением и расходом) в водяную магистраль высокого давления как для утилизации пара, так и для целенаправленного подогрева текущего расхода воды на определенный интервал температур в широком диапазоне сортамента трубопроводных систем, расхода воды и пара.

В такой постановке проблемы способов и устройств, способных ее решить, не обнаружено.

Известны ряд способов и устройств утилизации тепловой энергии, например, а. с. 1310589, кл. 4 F 24 D 3/10; а.с. 1330411, кл. 4 F 24 F 3/147; а.с. 1330409, кл. 4 F 24 F 3/02; а.с. 1413368, кл. 4 F 24 F 3/147, 4 F 28 D 9/00; а. с. 1435894, кл. 4 F 24 F 3/147; а.с. 1877140, 5 F 25 B 11/00. Все эти изобретения базируются на передаче тепла от источника к нагреваемой среде посредством теплообмена через стенки различных трубопроводных систем, непосредственного контакта рабочих сред не происходит, содержат различной конструкции теплообменники: конденсаторы, теплоутилизаторы и другие конструкции, вследствие чего неэкономичны и малоэффективны.

Непосредственно введение пара в магистраль могут осуществлять водовоздушные струйные аппараты - эжекторы различной конструкции. Из способов работы эжекторов разного типа известны: а. с. 966326, кл. F 04 F 5/14; п. 2016261, кл. 5 F 04 F 5/02; п. 2125187, кл. 6 F 04 F 5/02; п. 2110701, 2115831, 2114326, кл. 6 F 04 F 5/54, в которых реализованы звуковые и сверхзвуковые режимы подачи газовых сред (и пара) и трансформация дисперсных потоков.

Струйные аппараты классической схемы подробно описаны, например, в монографии Лямаева Б.Ф. "Гидроструйные насосы и установки", "Машиностроение", Л. , 1988 г., и работают на явлении эжекции (захвата) затопленной струей рабочей среды (жидкости или газа), пассивной среды (тоже жидкости или газа, а также с присутствием твердых частиц различной фракции). Известен целый класс изобретений, усовершенствуюших работу струйных аппаратов, например а.с. 403880, кл. F 04 F 5/4; а.с. 415411, а.с. 785558, кл. F 04 F 5/14; а.с. 787735, кл. F 04 F 5/02; а.с. 787736, кл. F 04 F 5/20; а.с. 892033, кл. F 04 F 5/14; а. с. 901655, F 04 F 5/16; а.с. 1044839, п. 1809671-1809673, 1806296-1806300, кл. 5 F 04 F 5/4; п. 2041404, 2046220, 2061912, 2059893, 2059894, кл. 6 F 04 F 5/4. Но все эти устройства не применимы при нестабильности в широком плане входных параметров пара, значительной разнице давления у источника пара и в водяных магистралях и тем более не обеспечивают целенаправленный ввод пара для подогрева текущего расхода воды на необходимый интервал температур, например на 25...40^oС.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является п. 2125187, кл. 6 F 04 F 5/02, 1999 г. и устройство по а.с. 1044839, кл. F 04 F 5/14, 1983 г. Возьмем их за прототипы по способу и прототип по устройству.

1. По п. 2125187 в части способа активную жидкость также разгоняют с понижением давления, подводят пассивную газообразную среду, смешивают их и в дальнейшем осуществляют торможение смеси с сопутствующим ростом давления.

Суть изобретения состоит в следующем.

В магистрали с заданными параметрами жидкости - давлением и расходом - осуществляют разгон жидкости с понижением давления, например, путем установки конфузора или обратного сопла Ловаля и формируют зону разрежения с величиной давления, меньшей чем давление источника пара, изолированую от источника пара, например, в канале с внезапным расширением, в котором роль входной зоны канала играет выходная часть активного сопла, при этом давление в зоне разрежения реализуется равным давлению в критической части активного сопла и непрерывную подачу пара осуществляют в сформированную зону разрежения.

Существенные признаки изобретения:
- разгон жидкости с понижением давления;
- формирование локальной зоны разрежения;
- подача пара в зону разрежения.

Признак "разгон жидкости с понижением давления" является общим, остальные являются отличительными.

2. Введение любого количества пара в водяную магистраль приводит к формированию двухфазной структуры течения с различными размерами паровых включений в зависимости от расхода пара: от мелкомасштабной с диаметрами 0,5. . . 50 мм до крупномасштабной - более 50 мм в поперечном характерном размере, включая так называемый "снарядный режим" течения, когда паровая фракция занимает полностью поперечное сечение трубы и поток чередуется паровыми и жидкостными пробками. Крупномасштабная структура течения вызывает ударно-вибрационное воздействие на трубопроводную систему в отличие от мелкомасштабной структуры. Для недопущения формирования крупномасштабной структуры течения при повышенных расходах вводимого пара - более 5 т/час - предлагается осуществить следующее.

Суть изобретения. Перед разгоном жидкости с понижением давления часть потока в объеме до 10% отбирают из основного потока, превращают его в дисперсную среду, смешивают ее с потоком пара и полученную двухфазную смесь подают в зону разрежения. Смешение осуществляют в специальной камере, куда подается вода и пар. Подача воды из той же магистрали возможна из зоны на входе в активное сопло, поскольку давление в этой области выше давления в паровой камере.

Существенные признаки изобретения:
- выделяют из общего потока часть в объеме до 10% основного потока;
- выделенный поток воды превращают в дисперсный поток воды;
- дисперсный поток воды смешивают с потоком пара;
- смешанную среду подают в зону разрежения.

Все признаки отличительные.

3. Взятое за прототип устройство (газоструйный эжектор) по а.с. 1044839 содержит активное сопло, в котором осуществляют разгон рабочей среды с понижением давления, и работает по классической схеме, обеспечивающей определенные рабочие характеристики. Но оно не обеспечивает решение поставленной задачи при нестабильных параметрах источника пара и тем более при превышении давления в водяной магистрали над давлением источника
На фиг.1 и 2 представлена конструкция пароэжекторного устройства, обеспечивающего выполнение процессов, заложенных в предлагаемом способе.

В состав устройства входит активное сопло 1, выполненное в виде конфузора (или обратного сопла Ловаля), ко входу которого подсоединяется подводящая водяная магистраль и осуществляется подача воды. От выходного сечения активного сопла 1, соосно ему, размещена приемная камера, выполненная в виде диффузора 2 с закрытой передней торцевой стенкой 3, опирающейся на внешнюю поверхность активного сопла. Угол раскрытия сопла (угол между образующей и осью) составляет 8. ..12 град. и обусловлен структурой истечения затопленной струи (определен из условия равенства нулю осевой составляющей вектора скорости на начальном участке струи), что препятствует образованию на поверхности диффузора возвратных течений, увеличивающих гидравлическое сопротивление). К выходной части диффузора подсоединяется отводная водяная магистраль 13. Зону соединения активного сопла и диффузора жестко и герметично охватывает подающая паровая камера 4, имеющую общую торцевую стенку 3 с диффузором. В торцевой стенке диффузора выполнены отверстия 5 для подачи пара в водяную магистраль.

К подающей паровой камере фланцевым соединением присоединяется цилиндрическая камера предварительного смешения 14 пара с водой. Камера предварительного смешения 14 связана трубопроводом 6 через вентиль 7 с активным соплом 1. Вентиль обеспечивает регулируемую подачу воды из магистрали в камеру. Внутренняя конструкция камеры предварительного смешения обеспечивает разбиение подаваемой воды в дисперсный поток и смешение его с потоком пара, для чего внутренний объем камеры разделен по поперечному сечению сплошной перегородкой 8 на два объема А и В, к первому объему А присоединяется трубопровод подачи воды 6, а второй объем Б посредством перфорированной трубы 9, пропущенной через первый объем, соединен фланцевым соединением с источником пара, при этом в поперечной перегородке размещены струйные форсунки 10, а параллельно ей - кольцевой отражатель 11 для дополнительного разбиения струй воды.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Вода под давлением по магистрали поступает на вход в активное сопло 1. Разгоняясь в сопле до определенных скоростей, понижает статическое давление в потоке, и на выходе из сопла формируется высоконапорная струя с величиной давления, определяемой из интеграла Бернулли, меньшей, чем давление пара. Струйная структура течения сохраняется по всей длине диффузора 2 и в подсоединяемом к нему прямолинейном участке магистрали на протяжении 15... 40 диаметров магистрали, при этом в пространстве между струей, корпусом диффузора и стенкой отводящей магистрали формируется зона разрежения с давлением, близким к давлению в струе, что обеспечивает ввод пара в водяную магистраль. Пар подают на вход в камеру предварительного смешения 14, проходя через нее, он поступает в подающую паровую камеру 4 и через отверстия 5 подается в виде системы струй в зону разрежения. Подаваемая в камеру предварительного смешения вода, пройдя под давлением через форсунки 10 и разбиваясь об кольцевой отражатель 11, превращается в дисперсный поток и смешивается с потоком пара, что во-первых, частично осуществляет конденсацию пара, во-вторых, при вводе ее в зону разрежения с высокими скоростями капли воды осуществляют бомбардировку поверхности водяной струи, что ускоряет ее разрушение и изменяет масштаб формируемой двухфазной структуры течения на начальном участке отводящей магистрали, переводя ее в мелкомасштабную, снижая тем самым пульсационные и вибрационные характеристики потока и магистрали в целом, обеспечивая тем самым стабильную работу устройства и расширяя диапазон возможных расходов пара.

Признаками изобретения являются:
- активное сопло;
- установленная соосно соплу приемная камера, выполненная в виде диффузора с углом раскрытия 8... 12 град.;
- вход диффузора закрыт торцевой стенкой, опирающейся на внешнюю поверхность сопла;
- в торцевой стенке диффузора выполнены отверстия для подачи пара;
- к наружным поверхностям сопла и диффузора присоединяется подающая паровая камера произвольной формы, имеющая общий элемент
- торцевую стенку с отверстиями;
- к подающей паровой камере присоединена камера предварительного смешения пара с водой;
- камера предварительного смешения разделена сплошной перегородкой на два объема;
- в перегородке установлены струйные форсунки;
- параллельно перегородке установлен рассекатель в виде кольцевого диска;
- через перегородку и первый объем пропущена паровая перфорированная труба, к которой подсоединяют паровую магистраль;
- магистраль подачи воды в паровую камеру подсоединяют входом к входу в активное сопло, выходом - к первому объему камеры предварительного смешения.

Признак "активное сопло" - общий, остальные отличительные. Таким образом, предлагаемые способ и устройство обладают изобретательским уровнем, так как совокупность признаков данного способа и устройства обуславливают новое свойство, дающее требуемый технический эффект: обеспечивает непрерывный ввод пара низкого давления с меняющимися параметрами (расходом и давлением) в водяную магистраль высокого давления для повышения температуры или утилизации пара.

Пример реализации. Для водяной трубопроводной системы с ДУ 250 мм, с расходом воды 400...450 т/час, рабочим давлением воды 0,48...0,6 МПа с целью непрерывного подогрева расхода воды на интервал температур 25... 30^oС было изготовлено в соответствии с предлагаемым изобретением устройство. Подвод паровой магистрали обеспечивал подачу пара с давлением 0,42... 0,5 МПа. Устройство выполнено со следующими параметрами: диаметр выходного сечения активного сопла 70 мм, суммарная площадь отверстий для подачи смеси пара с водой 0,0128 м, диаметр подающей магистрали ДУ 50 мм, угол раскрытия диффузора 10 град. Устройство обеспечивает гарантированный ввод пара расходом до 26 т/час. Опытный образец прошел успешные испытания и подтвердил свою эффективность и работоспособность.

Способ предназначен для непрерывной подачи пара в водяную магистраль, а устройство - для его осуществления. Способ включает подачу пара и разгон жидкости с понижением давления, при этом в трубопроводе водяной магистрали формируют зону разрежения, изолированную от источника пара, и непрерывную подачу пара осуществляют в сформированную зону разрежения. Устройство содержит соосно установленные активное сопло и приемную камеру, выполненную в виде диффузора с углом раскрытия 8 - 12 град., торец которой закрыт стенкой, опирающейся на внешнюю поверхность активного сопла, и в которой выполнены отверстия для подачи пара, наружные поверхности активного сопла и приемной камеры охватывает подающая паровая камера, к которой подсоединена цилиндрическая камера предварительного смешения пара с водой, разделенная по поперечному сечению сплошной перегородкой на два объема, первый из которых сообщен трубопроводом с регулирующим вентилем с входной частью активного сопла, а второй объем сообщен посредством перфорированной трубы, пропущенной через первый объем, с источником пара, при этом в перегородке установлены струйные форсунки, а параллельно ей - рассекатель в виде кольцевого диска. Технический результат - подогрев воды. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ непрерывной подачи пара в водяную магистраль, включающий подачу пара и разгон жидкости с понижением давления, отличающийся тем, что в трубопроводе водяной магистрали формируют зону разрежения, изолированную от источника пара, и непрерывную подачу пара осуществляют в сформированную зону разрежения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед разгоном жидкости с понижением давления часть потока в объеме до 10% отбирают из основного потока, превращают его в дисперсную среду, смешивают с потоком пара и полученную двухфазную смесь подают в зону разрежения. 3. Устройство для непрерывной подачи пара в водяную магистраль, содержащее соосно установленные активное сопло и приемную камеру, отличающееся тем, что приемная камера выполнена в виде диффузора с углом раскрытия 8-12 град., торец которой закрыт стенкой, опирающейся на внешнюю поверхность активного сопла, и в которой выполнены отверстия для подачи пара, наружные поверхности активного сопла и приемной камеры охватывает подающая паровая камера, к которой подсоединена цилиндрическая камера предварительного смешения пара с водой, разделенная по поперечному сечению сплошной перегородкой на два объема, первый из которых сообщен трубопроводом с регулирующим вентилем с входной частью активного сопла, а второй объем сообщен посредством перфорированной трубы, пропущенной через первый объем, с источником пара, при этом в перегородке установлены струйные форсунки, а параллельно ей - рассекатель в виде кольцевого диска.