СПОСОБ РАБОТЫ СТРУЙНОЙ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ УСТАНОВКИ И СТРУЙНАЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F04F5/54 F24J3/00 F24D15/00 

Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к струйным установкам, в которых возможно организовать процесс нагрева перекачиваемой в контуре жидкой среды.

Известен способ работы струйной тепловыделяющей установки, включающий подачу в сопло струйного аппарата жидкого теплоносителя, смешение его с охлажденным теплоносителем, подачу смеси в устройство преобразования кинетической энергии потока в тепловую энергию нагрева жидкости и последующую подачу нагретой жидкой среды в теплопотребляющее устройство (см. SU, авторское свидетельство 306322, F 25 В 29/00, 1971).

Из этого же авторского свидетельства 306322 известна тепловыделяющая установка, содержащая струйный аппарат, подключенный выходом к устройству преобразования кинетической энергии потока в тепловую энергию нагрева жидкости, которое в свою очередь подключено к теплопотребляющему устройству, а последнее выходом охлажденного теплоносителя подключено к струйному аппарату.

Однако данный способ нагрева и установка для его реализации имеют невысокую эффективность, что связано с большими затратам энергии на прокачку жидкой среды через устройство преобразования кинетической энергии в тепловую, в связи с чем эти устройства не нашли широкого применения.

Наиболее близким к способу работы как объекту изобретения является по технической сущности и достигаемому результату способ работы струйной тепловыделяющей установки, включающий нагрев жидкой среды в водонагревательном устройстве, подачу из водонагревательного устройства нагретой жидкой среды в теплопотребляющее устройство и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды для нагрева в водонагревательное устройство с формированием таким образом контура циркуляции жидкой среды (см. книгу Ю.П. Соскина и др. Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома. М.: Стройиздат, 1991, с. 10-18).

Из этого же патента известна наиболее близкая к изобретению по технической сущности и достигаемому результату струйная тепловыделяющая установка, содержащая водонагревательное устройство, подключенное со стороны выхода из него потока нагретой жидкой среды к теплопотребляющему устройству, а последнее выходом из него охлажденной жидкой среды подключено к водонагревательному устройству с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды.

Данные способ работы струйной тепловыделяющей установки и установка для его осуществления позволяют организовать контур циркуляции жидкой среды для обогрева различного рода помещений.

Однако реализация этих технических решений не позволяет в полной мере использовать возможности системы автономного водяного отопления, что, в конечном итоге, сужает область использования данных способа работы и установки для его реализации.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности и безопасности способа работы струйной тепловыделяющей установки, упрощение конструкции струйной тепловыделяющей установки и повышение эффективности ее работы.

В части способа как объекта изобретения указанная задача решается за счет того, что способ работы струйной тепловыделяющей установки включает нагрев жидкой среды в водонагревательном устройстве, подачу из водонагревательного устройства нагретой жидкой среды в теплопотребляющее устройство и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды для нагрева в водонагревательное устройство с формированием таким образом контура циркуляции жидкой среды, при этом охлажденную жидкую среду в водонагревательное устройство подают через сужающее устройство, где снижают расход жидкой среды с формированием в водонагревательном устройстве, преимущественно на выходе из него, критического режима течения, при котором давление в потоке жидкой среды падает до величины не выше давления насыщенных паров данной жидкой среды, и охлажденный жидкостной поток одновременно с нагревом в котле преобразуют, за счет вскипания части жидкой среды, в двухфазный поток с переводом потока, за счет этого, на сверхзвуковой режим течения, затем в потоке нагреваемой двухфазной среды организуют скачок давления и в этом скачке давления преобразуют двухфазный поток в жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками с дополнительным нагревом жидкой среды в скачке давления, далее подают нагретую жидкую среду с микроскопическими пузырьками из водонагревательного устройства в теплопотребляющее устройство с отдачей последним части тепловой энергии нагретой жидкой среды потребителю тепла, и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды через сужающее устройство в водонагревательное устройство.

В части устройства как объекта изобретения указанная задача решается за счет того, что струйная тепловыделяющая установка содержит водонагревательное устройство, подключенное со стороны выхода из него потока нагретой жидкой среды к теплопотребляющему устройству, а последнее выходом из него охлажденной жидкой среды подключено к водонагревательному устройству с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды, при этом водонагревательное устройство снабжено со стороны входа в него из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды сужающим устройством.

Кроме того, водонагревательное устройство с сужающим устройством, предпочтительно, расположено ниже теплопотребляющего устройства, установка снабжена подключенными к контуру циркуляции жидкой среды устройством для газоудаления и баком подпитки и выравнивания давления в контуре циркуляции жидкой среды, установка снабжена подключенным к контуру циркуляции жидкой среды баком поддержания давления в контуре циркуляции жидкой среды, площадь отверстия сужающего устройства, предпочтительно, не превышает 0,5 площади патрубка на входе в водонагревательное устройство, при этом сужающее устройство выполнено с возможностью изменения площади отверстия, ось отверстия сужающего устройства и ось патрубка на входе в водонагревательное устройство составляют с осью проточной части водонагревательного устройства в зоне нагрева жидкой среды, предпочтительно, угол не более 91^o.

Как показал анализ работы струйной тепловыделяющей установки, имеется возможность организовать циркуляцию нагретой жидкой среды от места ее нагрева до места потребления тепла и обратно без использования специального устройства, например парового котла или циркуляционного насоса. Вместо него в контур циркуляции жидкой среды-теплоносителя может быть включено водонагревательное устройство, в частности, электрический водогрейный котел. Желательно, чтобы это был проточный котел, например котел электродного типа, который имеет небольшое гидравлическое сопротивление и обеспечивает быстрый нагрев протекающей через него жидкой среды. На снижение гидравлических потерь направлено выполнение отверстия в сужающем устройстве со стенками, составляющими с проточной частью водонагревательного устройства, расположенной за сужающим устройством, угол не более 91^o.

Принципиальным моментом является размещение сужающего устройства перед водонагревательным устройством. Это связано с тем, что процесс преобразования потока в водонагревательном устройстве в двухфазный поток с последующим скачком давления и преобразованием потока в однофазный жидкостной поток, заполненный микроскопическими парогазовыми пузырьками, может происходить при строго определенных условиях. Именно сужающее устройство, путем снижения расхода жидкой среды, позволяет организовать такой режим течения в водонагревательном устройстве. Нагрев двухфазного потока жидкой среды в водонагревательном устройстве позволяет не только создать оптимальные условия для протекания процессов преобразования потока жидкой среды в двухфазный сверхзвуковой поток и проведения скачка давления на выходе из водонагревательного устройства, но и организовать процесс схлопывания микроскопических пузырьков, что позволяет интенсифицировать процесс нагрева жидкой среды в водонагревательном устройстве. Предпочтительно, выполнение сужающего устройства, у которого отношение площади отверстия сужающего устройства к площади патрубка на входе в водонагревательное устройство меньше 0,5, причем сужающее устройство выполнено с возможностью изменения площади отверстия, например, с помощью установленного с возможностью перемещения относительно отверстия сужающего устройства профилированного тела или, например, путем использования материалов с "памятью формы" в зависимости от внешних условий, что позволяет менять размеры отверстия в зависимости от температуры жидкой среды. В результате достигается возможность добиться такого режима протекания скачка давления, при котором наступает структурная рекомбинация в жидкой среде, в частности в воде. В данном случае удалось создать такой режим преобразования двухфазного сверхзвукового нагретого потока воды в скачке давления, когда генерируется дополнительное количество тепла, и при этом часть воды "выгорает" (в ходе экспериментальной эксплуатации установки выяснилось, что в процессе циркуляции воды по контуру: водонагревательное устройство с сужающим устройством на входе - теплопотребляющее устройство - водонагревательное устройство с сужающим устройством на входе уменьшается количество циркулирующей в контуре воды). Существенным моментом является создание наиболее благоприятных условий для запуска установки в работу, что позволяет быстрее достигнуть описанного выше режима работы установки по генерированию тепла и организации режима циркуляции жидкой среды в контуре. Создание таких условий можно сравнить с двигателем внутреннего сгорания, у которого есть "стартер", который запустит установку в работу. Таким "стартером" может быть режим естественной циркуляции, который наступает при расположении водонагревательного устройства с сужающим устройством ниже теплопотребляющего устройства. В этом случае при нагреве жидкой среды в водонагревательном устройстве она нагревается и сразу начинает подниматься в сторону теплопотребляющего устройства, а охлажденная в нем жидкая среда начинает опускаться в сторону сужающего устройства. Далее по мере нагрева жидкой среды в водонагревательном устройстве установка постепенно выходит на описанный выше режим течения жидкой среды в водонагревательном устройстве, когда в скачке давления начинается генерирование дополнительного количества тепла за счет потери части циркулирующей в контуре воды. При необходимости длительной работы установки последняя может содержать бак для подпитки и выравнивания давления в контуре циркуляции жидкой среды контура циркуляции водой и бак, который может быть использован также для создания необходимого давления в контуре циркуляции жидкой среды. Кроме того, в этом случае целесообразно выполнить устройство для газоудаления, через которое из контура циркуляции удаляются газы, которые образуются в процессе работы установки, в частности газы, которые были растворены в воде, которая "выгорела" в процессе генерация тепла. Возможно также подключение установки к трубопроводу подпитки и клапаном поддержания давления либо баком, который установлен на определенной высоте.

На чертеже представлена принципиальная схема установки, в которой реализуется описываемый способ ее работы.

Струйная тепловыделяющая установка содержит водонагревательное устройство 1, подключенное со стороны выхода из него потока нагретой жидкой среды к теплопотребляющему устройству 2, а последнее выходом из него охлажденной жидкой среды подключено к водонагревательному устройству 1 с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды. Водонагревательное устройство 1 снабжено со стороны входа в него из теплопотребляющего устройства 2 охлажденной жидкой среды сужающим устройством 3.

Отношение площади отверстия 4 сужающего устройства 3 к площади поперечного сечения патрубка на входе в водонагревательное устройство меньше 0,5 (d²/D²<0,5). Сужающее устройство 3 может быть выполнено с изменяющимся сечением отверстия, но площадь его всегда меньше 0,5 площади патрубка на входе водонагревательного устройства 1.

Кроме того, водонагревательное устройство 1 с сужающим устройством 3, предпочтительно, расположены ниже теплопотребляющего устройства 2. Установка может быть снабжена подключенными к контуру циркуляции жидкой среды баком 5 подпитки и выравнивания давления в контуре циркуляции жидкой среды, а также устройством 6 для газоудаления. Бак 5 и устройство 6 могут быть использованы в качестве средства для поддержания заданного давления в контуре циркуляции жидкой среды. Теплопотребляющее устройство 2 может быть выполнено с вентилятором 7 для интенсификации отбора тепла от теплопотребляющего устройства 2. В зависимости от назначения установки в качестве теплопотребляющего устройства 2 могут быть использованы батарея водяного отопления, калорифер, тепловентилятор и другие устройства. Кроме того, предпочтительно, чтобы ось проточной части водонагревательного устройства 1 составляла с осью отверстия сужающего устройства 3 угол α не более 91^o.

Способ работы струйной тепловыделяющей установки включает нагрев жидкой среды в водонагревательном устройстве 1, подачу из водонагревательного устройства 1 нагретой жидкой среды в теплопотребляющее устройство 2 и отвод из теплопотребляющего устройства 2 охлажденной жидкой среды для нагрева в водонагревательное устройство 1 с формированием таким образом контура циркуляции жидкой среды. Учитывая тот факт, что на входе в водонагревательное устройство 1 установлено сужающее устройство 3, гидравлическое сопротивление со стороны выхода из водонагревательного устройства 1 ниже, чем со стороны входа в него. При нагреве в водонагревательном устройстве 1 жидкой среды происходит ее вскипание с образованием паровых пузырей и расширением за счет этого среды в водонагревательном устройстве 1, что является побудительной силой к началу циркуляции жидкой среды в контуре. Расположение водонагревательного устройства 1 с сужающим устройством 3 усиливает этот процесс за счет создания режима естественной циркуляции жидкой среды в контуре ее циркуляции. Охлажденная жидкая среда в водонагревательное устройство 1 поступает через сужающее устройство 3, что приводит к снижению расхода жидкой среды с формированием на выходе из водонагревательного устройства 1 критического режима течения, при котором давление в потоке жидкой среды падает до величины не выше давления насыщенных паров данной жидкой среды, и охлажденный жидкостной поток одновременно с нагревом в котле преобразуют, за счет вскипания части жидкой среды, в двухфазный поток с переводом потока, за счет этого, на сверхзвуковой режим течения.

Затем в потоке нагреваемой двухфазной среды, путем его торможения, например за счет расширения потока на выходе из проточной части водонагревательного устройства, организуют скачок давления и в этом скачке давления преобразуют двухфазный поток в жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками с дополнительным нагревом жидкой среды в скачке давления. Формирование на выходе из проточной части водонагревательного устройства 1 скачка давления позволяет создать в контуре циркуляции жидкой среды перепад давления, который является источником принудительной циркуляции жидкой среды в контуре. Далее подают нагретую жидкую среду с микроскопическими пузырьками из водонагревательного устройства 1 в теплопотребляющее устройство 2 с отдачей последним части тепловой энергии нагретой жидкой среды потребителю тепла, и отвод из теплопотребляющего устройства 2 охлажденной жидкой среды через сужающее устройство 3 в водонагревательное устройство 1.

В ходе исследования была создана автономная теплогенерирующая установка, которая после выхода на расчетный режим работы потребляет 12 кВт•ч электроэнергии (потребляемая мощность котла 12 кВт). С теплопотребляющего устройства снималось от 30 до 50 кВт тепловой энергии. Температура подаваемой в теплопотребляющее устройство воды составляла величину от 120^oС до 180^oС, температура отводимой из теплопотребляющего устройства воды составляла величину от 50^oС до 90^oС.

Настоящее изобретение может быть использовано в качестве автономных источников обогрева жилых и производственных помещений в условиях отсутствия центрального отопления, а также для снижения расхода органического топлива при организации автономного водяного отопления и горячего водоснабжения.

Способ работы и струйная установка предназначены для нагрева перекачиваемой жидкой среды. Способ работы включает нагрев жидкой среды в водонагревательном устройстве, подачу из водонагревательного устройства нагретой жидкой среды в теплопотребляющее устройство и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды для нагрева в водонагревательное устройство с формированием таким образом контура циркуляции жидкой среды, при этом охлажденную жидкую среду в водонагревательное устройство подают через сужающее устройство. Установка содержит водонагревательное устройство, подключенное со стороны выхода из него потока нагретой жидкой среды к теплопотребляющему устройству, а последнее выходом из него охлажденной жидкой среды подключено к водонагревательному устройству с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды, при этом водонагревательное устройство снабжено со стороны входа в него из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды сужающим устройством. Технический результат - повышение надежности и безопасности работы установки. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы струйной тепловыделяющей установки, включающий нагрев жидкой среды в водонагревательном устройстве, подачу из водонагревательного устройства нагретой жидкой среды в теплопотребляющее устройство и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды для нагрева в водонагревательное устройство с формированием таким образом контура циркуляции жидкой среды, отличающийся тем, что охлажденную жидкую среду в водонагревательное устройство подают через сужающее устройство, где снижают расход жидкой среды с формированием в водонагревательном устройстве критического режима течения, при котором давление в потоке жидкой среды падает до величины не выше давления насыщенных паров данной жидкой среды, и охлажденный жидкостный поток одновременно с нагревом в котле преобразуют, за счет вскипания части жидкой среды, в двухфазный поток с переводом потока, за счет этого, на сверхзвуковой режим течения, затем в потоке нагреваемой двухфазной среды организуют скачок давления и в этом скачке давления преобразуют двухфазный поток в жидкостный поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками с дополнительным нагревом жидкой среды в скачке давления, далее подают нагретую жидкую среду с микроскопическими пузырьками из водонагревательного устройства в теплопотребляющее устройство с отдачей последним части тепловой энергии нагретой жидкой среды потребителю тепла и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды через сужающее устройство в водонагревательное устройство.2. Струйная тепловыделяющая установка, содержащая водонагревательное устройство, подключенное со стороны выхода из него потока нагретой жидкой среды к теплопотребляющему устройству, а последнее выходом из него охлажденной жидкой среды подключено к водонагревательному устройству с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды, отличающаяся тем, что водонагревательное устройство снабжено со стороны входа в него из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды сужающим устройством.3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что водонагревательное устройство с сужающим устройством расположено ниже теплопотребляющего устройства.4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что она снабжена подключенными к контуру циркуляции жидкой среды устройством для газоудаления и баком подпитки и выравнивания давления в контуре циркуляции жидкой среды.5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что она снабжена подключенным к контуру циркуляции жидкой среды баком поддержания давления в контуре циркуляции жидкой среды.6. Установка по п.2, отличающаяся тем, что площадь отверстия сужающего устройства не превышает 0,5 площади поперечного сечения патрубка на входе в водонагревательное устройство.7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что сужающее устройство выполнено с возможностью изменения площади отверстия.8. Установка по п.2, отличающаяся тем, что ось отверстия сужающего устройства составляет с осью проточной части водонагревательного устройства в зоне нагрева жидкой среды угол не более 91°.