УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ПАРА И ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ Российский патент 2003 года по МПК F24H1/00 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для комбинированной выработки пара и горячей воды для применения в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве, например при электродуговой сварке, наплавке в среде водяного пара, для работы пароводяных калориферов и т.д.

Известно устройство для выработки пара и горячей воды (см. Е. Ф. Бузников, А. К. Крылов, Л.А. Лесниковский. Комбинированная выработка пара и горячей воды. - М: Энергоиздат, 1981, стр. 49, рис 3.7).

Устройство - пароводогрейный котельный агрегат содержит водогрейный котел, соединенный с потребителем горячей воды, и расширитель (барабан), паровой объем которого соединен с котлом через клапан и подключен трубопроводом к потребителю пара, а водяной объем - трубопроводом к всасывающей линии сетевого питательного насоса. С целью повышения маневренности агрегата в водяном объеме расширителя (барабана) размещены змеевики подогревателя, подключенные одним концом к выходу горячей воды из котла через клапан, а другим концом - к потребителю горячей воды через теплообменник.

Общими признаками заявляемого устройства и аналога является наличие расширителя, теплообменника, сетевого питательного насоса, запорно-регулирующей аппаратуры, трубопроводов.

Описанный выше аналог имеет недостаток: большое гидравлическое сопротивление контура водогрейного котла, что ограничивает получение значительного количества пара.

Известна система теплоснабжения потребителей, предназначенная для отопления и горячего водоснабжения (патент RU 2059162 С1, 6 F 24 D 3/02, 3/08, 27.04.96). Система содержит замкнутый контур циркуляции жидкого теплоносителя, включающий термогенератор, побудитель движения теплоносителя с приводом, расширительный бак, обратный и соединительный трубопроводы, запорно-регулирующую арматуру и устройство автоматического регулирования температуры теплоносителя с датчиком температуры, размещенном на подающем трубопроводе за термогенераторном и цепями управления. Теплогенератор выполнен в виде вихревой трубы с тангенциальным подводом теплоносителя через конфузор и форсунку от побудителя движения. На выходе теплоносителя из вихревой трубы размещен гаситель скорости. Обводная линия с запорно-регулирующей арматурой сообщена с подающим и обратным трубопроводами с возможностью перепуска теплоносителя до потребителей тепла.

Общими признаками заявляемого устройства и аналога является наличие теплогенератора в виде вихревой трубы, побудителя движения, расширительного бака, трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры. Вихревая труба имеет тангенциальный подвод теплоносителя от побудителя движения (насоса). На выходе теплоносителя из вихревой трубы размещен гаситель скорости (тормозное устройство).

Описанная система имеет ряд недостатков, таких как невозможность получения перегретой жидкости при малых давлениях насыщенного пара.

Кроме того, тангенциальный подвод теплоносителя в вихревую трубу осуществляется через конфузор и форсунку, при изготовлении которых необходимо использовать специальное технологическое оборудование, что влечет за собой повышение стоимости системы.

Другим аналогом является система теплоснабжения потребителей (по заявке RU 95108158 А1, 6 F 24 D 3/02, 10.02.97). Система содержит замкнутый контур циркуляции жидкого теплоносителя, теплогенератор, побудитель движения теплоносителя с приводом, расширительный бак, прямой и обратный трубопроводы, запорно-регулирующую арматуру, устройство автоматического регулирования температуры теплоносителя с датчиком температуры и цепями управления, аккумуляционный бак, связанный с линиями горячего и холодного водоснабжения, и теплообменник, установленный внутри него, где так же размещены датчик температуры и теплогенератор, который выполнен в виде вихревой трубы с тангенциальным подводом теплоносителя через конфузор и форсунку, а на выходе теплоносителя из вихревой трубы размещен гаситель скорости.

Общими признаками заявляемого устройства и аналога является наличие теплогенератора, побудителя движения, расширительного бака, трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, аккумуляционного бака, теплообменника. Теплогенератор установлен в аккумуляционном баке и выполнен в виде вихревой трубы с тангенциальным подводом теплоносителя и гасителем скорости на выходе.

Недостатками аналога являются невозможность получения насыщенного пара при наличии перегретого теплоносителя, а так же недостаточно высокая производительность теплообменника для нужд горячего водоснабжения из-за низкотемпературного потенциала. Кроме того, тангенциальный подвод теплоносителя в вихревую трубу осуществляется через конфузор и форсунку, для изготовления которых необходимо специальное технологическое оборудование.

Наиболее близкой по количеству признаков к заявляемому устройству, т. е. прототипом, является теплогенерирующая установка "ТГУ-1" (патент RU 2079056 C1, 6 F 24 D 3/02, 10.05.97). Установка содержит бак-аккумулятор с установленным в нем по центральной оси нагревательным элементом, спирально-навивным теплоприемником-испарителем, обрамляющим нагревательный элемент, и сепаратором горячей и холодной воды. Нагревательный элемент выполнен в виде вихревой цилиндрической трубки с тангенциальным вводом и однонаправленной с ним винтовой нарезкой на внутренней поверхности трубки.

Установка содержит компрессор, насос, конденсатор, соединительные трубопроводы, которые необходимы для создания внутреннего и внешнего контура циркуляции жидкости при постоянной работе насоса до достижения требуемой температуры теплоносителя в этом контуре.

Требуемая температура теплоносителя во внутреннем контуре определяется в конечном счете необходимой температурой на поверхности конденсатора, выполненного в виде отопительного прибора, то есть температурой жидкости во внешнем циркуляционном контуре.

При умывании теплоприемника-испарителя нагретой жидкостью в баке-аккумуляторе за счет теплопередачи осуществляется нагрев жидкости внешнего циркуляционного контура. Наличие двух независимых замкнутых контуров в теплогенерирующей установке позволяет регулировать ее температурный режим в широком диапазоне (вплоть до получения пара во внешнем циркуляционном контуре). Высокие значения температур внешнего теплоносителя могут быть достигнуты при использовании компрессора. При этом сжатый воздух от компрессора через нагнетательный трубопровод и вентиль подается в полость бака-аккумулятора, создавая там избыточное давление, позволяющее нагревать теплоноситель внутреннего циркуляционного контура выше 100^oС без кипения этого теплоносителя. Степень сжатия в полости бака-аккумулятора обуславливает параметры перегретого теплоносителя во внутреннем и, следовательно, во внешнем циркуляционном контурах.

Общими признаками заявляемого устройства и прототипа является наличие бака-аккумулятора с установленным в нем по центральной оси нагревательным элементом. Нагревательный элемент выполнен в виде вихревой цилиндрической трубки с тангенциальным вводом. Общими признаками так же является наличие емкости, расположенной под баком-аккумулятором и разделенной с ним перегородкой, теплообменника, насоса, запорно-регулирующей арматуры и трубопроводов, образующих внутренний и внешний контур циркуляции теплоносителя (воды).

В прототипе реализуется способ выработки пара и горячей воды, заключающийся в том, что осуществляют перегрев жидкости путем многократной циркуляции по внутреннему контуру, а избыточное давление в баке-аккумуляторе получают за счет нагнетания в него воздуха компрессором.

Недостатком устройства-прототипа является отсутствие системы горячего водоснабжения потребителя, наличие высокого давления, что предъявляет повышенные требования к конструктивному выполнению устройства, а именно к прочности корпуса, запорных вентилей и трубопроводов, и, следовательно, увеличивает себестоимость установки.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является выработка насыщенного пара без повышения давления, увеличение производительности выработки горячей воды, а так же создание более простого и технологичного устройства, имеющего сниженные нагрузки.

Поставленная задача решена тем, что в устройстве, содержащем бойлер с установленным в нем по центральной оси термогенераторном с тангенциальным вводом рабочей жидкости, накопительный бак, установленный под бойлером, и теплообменник, согласно изобретению предусмотрено следующее: устройство снабжено расширительным баком, разделенным теплообменником от бойлера. Бойлер герметично отделен от накопительного бака. Термогенератор выполнен в виде цилиндрической вихревой трубы, переходящей в усеченный конус, в полости которого жестко установлено тормозное устройство, а на другом конце - капиллярная трубка, вход которой сообщен с накопительным баком. Теплообменник выполнен в виде двухрядных, например, поперечно плотно уложенных труб, объединенных обводным трубопроводом, соединенным с накопительным баком. Устройство снабжено дополнительным теплообменником, выполненным в виде двухрядных, например продольно плотно уложенных труб, объединенных обводным трубопроводом и образующих отдельную автономную систему для снабжения потребителей горячей водой, причем первый ряд труб дополнительного теплообменника уложен на первый ряд труб основного теплообменника, второй ряд - на второй ряд основного теплообменника и образуют плотную поперечно-продольную решетку.

Трубы основного и дополнительного теплообменников могут быть выполнены различного профиля, например круглого или квадратного сечения.

Тормозное устройство термогенератора выполнено в виде четырех изогнутых в осевом направлении под углом 18-25^o лопастей, расположенных крестообразно и закрепленных на центральной втулке.

Устройство поясняется описанием и чертежами, где:
на фиг.1 - вид устройства с местными разрезами;
на фиг.2 - тормозное устройство (сечение А-А, увеличено);
на фиг.3 - теплообменники (сечение Б-Б, упрощенное);
На чертежах обозначено следующее:
1 - бойлер;
2 - термогенератор;
3 - тангенциальный сопловый ввод;
4 - накопительный бак;
5 - поперечные ряды основного теплообменника;
6 - продольные ряды дополнительного теплообменника;
7 - расширительный бак;
8 - вентиль;
9 - паровой трубопровод;
10 - пароводяной калорифер;
11 - трубопровод;
12 - отводящий трубопровод (обратный трубопровод);
13 - тормозное устройство;
14 - втулка;
15 - капиллярная трубка;
16 - центробежный насос;
17 - изогнутые пластины.

Устройство для выработки пара и горячей воды содержит бойлер 1 с выходным патрубком и герметизированным отверстием для тангенциального подвода теплоносителя (воды). Вверху бойлера имеется герметично закрывающаяся заливная горловина (не показана). По центральной оси бойлера 1 установлен термогенератор 2, снабженный тангенциальным сопловым вводом 3 для создания вихревого направления поступающей в него жидкости. Днище бойлера 1 герметично разделено с накопительным баком 4. Над бойлером 1 установлены теплообменники, состоящие из поперечно и продольно плотно уложенных труб, например, круглого или квадратного сечения. Теплообменники в целом представляют собой многорядную поперечно-продольную решетку. Трубы поперечного основного теплообменника 5 соединены между собой обводным трубопроводом. Трубы продольного дополнительного теплообменника 6 тоже соединены между собой обводным трубопроводом и представляют автономную систему, наполненную водой, и предназначены для обеспечения потребителей горячей водой, которая вырабатывается в процессе работы устройства.

Устройство снабжено расширительным баком 7, который установлен над бойлером 1 и отделен от него теплообменниками 5 и 6. Паровой объем расширительного бака 7 через вентиль 8 и паровой трубопровод 9 соединен, например, с пароводяным калорифером 10, выход которого присоединен трубопроводом 11 к поперечному основному теплообменнику 5. Основной теплообменник 5 отводящим трубопроводом 12 соединен с накопительным баком 4.

Термогенератор 2 выполнен в виде вихревой цилиндрической трубы, переходящей в усеченный конус, внутри которого установлено тормозное устройство 13 в виде изогнутых в осевом направлении лопастей 17, жестко закрепленных на цилиндрической втулке 14, а на другом конце вихревой трубы установлена капиллярная трубка 15, вход которой соединен с накопительным баком 4.

Тормозное устройство 13 (фиг.3) представляет из себя четыре изогнутые в осевом направлении лопасти 17 под углом 18-25^o, что соответствует траектории движения вихревого потока. Лопасти расположены крестообразно и жестко закреплены на центральной втулке 14. Высота лопастей тормозного устройства не ниже 1,5 внутреннего диаметра вихревой трубы, а в сборе со втулкой составляет не более 2,2 диаметра вихревой трубы.

Капиллярная трубка 15 установлена так, чтобы ее выход был выше тангенциального соплового ввода 3, а внутренний диаметр составляет 0,2-0,5 диаметра входного отверстия тангенциального соплового ввода.

Центробежный насос 16 своими патрубками подключен к тангенциальному сопловому вводу 3 и выходному патрубку бойлера 1.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Рабочая жидкость - вода под давлением не менее 0,3 МПа, создаваемым центробежным насосом, через тангенциальный сопловый ввод 3 поступает в термогенератор 2, где она приобретает вращательное вихревое движение. Скорость жидкости возрастает, так как диаметр цилиндрической трубы термогенератора 2 значительно больше диаметра входного отверстия тангенциального соплового ввода 3. Изменение скорости движения жидкости приводит к ее нагреву. Совершая вращательное движение, жидкость перемещается к тормозному устройству 13, где она разделяется полой втулкой 14 на несколько потоков. Конструкция тормозного устройства 13 обеспечивает снижение давления в пристенной области термогенератора, в которой происходят процессы, присущие вихревой трубе.

Изменение направления движения, а так же скорости и давления рабочей жидкости приводит к возрастанию ее температуры. Верхняя часть термогенератора 2 выполнена в виде усеченного конуса с меньшим диаметром выхода, поэтому отпадает необходимость ставить выходную диафрагму. Разогретая жидкость поступает в бойлер 1, откуда через выходной патрубок поступает к всасывающему патрубку нагнетательного центробежного насоса 16. За счет многократной циркуляции по замкнутому малому контуру температура рабочей жидкости растет и достигает предельной величины 140-150^oС. По капиллярной трубке 15 жидкость из накопительного бака 4 всасывается в термогенератор 2, так как по его оси создается разрежение из за вихревого характера движения рабочей жидкости.

Таким образом, в термогенераторе 2 создается режим самовакуумирования, что улучшает стабильность работы заявляемого устройства.

В бойлере 1 вырабатывается перегретая жидкость, которая, соприкасаясь с и проходя через ряды труб теплообменника 5 и 6, испаряется и заполняет объем расширительного бака 7, из которого пар направляется в паровой калорифер 10. Отработанный пар, пройдя стадию конденсации, по отводящему трубопроводу 11 поступает в трубы основного теплообменника 5, а затем по трубопроводу 12 в накопительный бак 4. По этому кругу происходит естественная циркуляция за счет разности температур.

В устройстве предусмотрено снабжение потребителя горячей водой, которая нагревается в дополнительном теплообменнике 6, ряды которого объединены обводным трубопроводом и образуют автономную систему.

Промышленная применимость.

Проведенные испытания показали, что заявляемое устройство работоспособно, отличается надежностью и высокой производительностью. В системе был задействован насос марки ЦНС.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для комбинированной выработки пара и горячей воды для применения в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве. Устройство содержит бойлер с установленным в нем по центральной оси термогенератором с тангенциальным вводом рабочей жидкости, накопительный бак, установленный под бойлером, основной теплообменник, расширительный бак, разделенный теплообменником от бойлера, который герметично отделен от накопительного бака. Термогенератор выполнен в виде вихревой цилиндрической трубы, переходящей в усеченный конус, в полости которого жестко установлено тормозное устройство, а на другом конце - капиллярная трубка, вход которой сообщен с накопительным баком. Устройство снабжено дополнительным теплообменником. Основной теплообменник соединен трубопроводом с накопительным баком. Изобретение позволяет вырабатывать насыщенный пар без повышения давления с увеличением производительности выработки горячей воды. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для выработки пара и горячей воды, содержащее бойлер с установленным в нем по центральной оси термогенератором с тангенциальным вводом рабочей жидкости, накопительный бак, установленный под бойлером и теплообменник, отличающееся тем, что оно снабжено расширительным баком, разделенным теплообменником от бойлера, который герметично отделен от накопительного бака, при этом термогенератор выполнен в виде вихревой цилиндрической трубы, переходящей в усеченный конус, в полости которого жестко установлено тормозное устройство, а на другом конце - капиллярная трубка, вход которой сообщен с накопительным баком, причем теплообменник выполнен в виде двухрядных, например, поперечно плотно уложенных труб, объединенных обводным трубопроводом, соединенным с накопительным баком. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным теплообменником, выполненным в виде двухрядных, например, продольно плотно уложенных труб, объединенных обводным трубопроводом и образующих отдельную автономную систему для снабжения потребителя горячей водой, причем первый ряд труб дополнительного теплообменника уложен на первый ряд труб основного теплообменника, второй ряд - на второй ряд основного теплообменника и образуют плотную поперечно-продольную решетку. 3. Устройство по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что трубы основного и дополнительного теплообменников выполнены различного профиля, например круглого или квадратного сечения. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тормозное устройство термогенератора выполнено в виде четырех изогнутых в осевом направлении под углом 18-25^o лопастей, расположенных крестообразно и закрепленных на центральной втулке.