СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДАЧИ ПАРА В ВОДЯНУЮ МАГИСТРАЛЬ С ИЗМЕНЯЕМЫМ ВО ВРЕМЕНИ РАСХОДОМ ВОДЫ В ШИРОКИХ ПРЕДЕЛАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F04F5/04 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может применяться в любых отраслях народного хозяйства, имеющих в эксплуатации трубопроводные водяные системы и источники пара. В частности, изобретение относится к способам и устройствам для непрерывного введения пара в поток воды для его нагревания на необходимый интервал температур в системах теплоснабжения, горячего водоснабжения и водоподготовки для обеспечения их работоспособности в широком диапазоне расходов нагреваемой воды, диаметров трубопроводных систем, давлений пара.

Известны струйные аппараты для введения газовых сред и пара в поток жидкости, описанные, например, в книге Соколова Е.Я., Зингера Н.М. "Струйные аппараты". Изд. 2-е, М., "Энергия", 1970 год. Работа аппаратов основана на явлении эжекции затопленной струей рабочей среды (жидкости или газа) пассивной среды (тоже жидкости или газа). Например, на страницах 251-270 описан смешивающий струйный подогреватель воды, рабочей средой в котором является вода, а инжектируемой - пар, который при конденсации нагревает воду. Подогреватель состоит из активного сопла, приемной камеры, камеры смешения и диффузора.

Достоинством аналога является простота конструкции, а также несложность изготовления. Недостатком аналога является узкий диапазон расходов воды, при котором может быть обеспечена его устойчивая работа. Причиной этого является то, что активное сопла выполняется точно заданных размеров, рассчитанных на определенный диапазон расходов воды при заданных давлениях воды и пара. Это сужает эксплутационные возможности таких аппаратов, например, при пиковых нагрузках в системах горячего водоснабжения, при сезонных колебаниях расхода потребителей воды.

Существует целый класс изобретений, усовершенствующих работу струйных аппаратов, например п.2041404, 2046220, 2061912, 2059893, 2059894, Кл.6 F 04 F 5/4; п.1809671-1809673, а.с. 1044839, 1806296 - 1806300, Кл. 5 F 04 F 5/4; а. с. 901655, Кл. F 04 F 5/16; а.с. 892033, Кл. F 04 F 5/14; а. с. 787736, Кл. F 04 F 5/20; а.с. 787735, Кл. F 04 F 5/02; а. с. 785558, Кл. F 04 F 5/14; а.с. 403880, Кл. F 04 F 5/4; а.с. 415411, Кл. F 04 F 5/14; п.2125187, Кл. 6 F 04 F 5/02. Но все эти устройства не обеспечивают непрерывного ввода пара в водяную магистраль для подогрева текущего расхода воды, непрерывно изменяющегося в широком диапазоне.

Известны также струйные аппараты, в которых, для изменения соотношения потоков активного и пассивного газа (жидкости), в активное сопло вводят конический стержень (иглу), который перемещает сносно соплу (Щукин В.К., Калмыков И.И., "Газоструйные компрессоры", Машгиз, М., 1963 год).

Недостатками аналога является несимметричный (боковой) подвод рабочей жидкости (газа), что снижает устойчивость аппарата при работе на переходных и предельных режимах, а также узкий диапазон регулирования расхода (обычно ±15%).

Создание аппаратов такого класса с более широким диапазоном регулирования расхода неизбежно связано, как с повышением требований к точности изготовления аппарата, так и с увеличением длины консольно-расположенной иглы, что может приводить к ее вибрациям и срывам потока. Это не позволяет обеспечить непрерывный ввод пара в водяную магистраль для подогрева текущего расхода воды, изменяющегося в широком диапазоне.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является патент РФ №2198323, Кл. 7 F 04 F 5/08, приоритет 21.06.2000 года, опубликованный 10.02.2003 года, принятый за прототип по способу и прототип по устройству.

По п.2198323 в части способа разгоняют активную жидкость с понижением давления, в трубопроводе водяной магистрали формируют зону разрежения и непрерывную подачу пара осуществляют в зону разрежения. Предлагаемое в прототипе техническое решение обеспечивает непрерывный ввод пара низкого давления с меняющимися параметрами в водяную магистраль высокого давления для повышения температур воды и утилизации пара.

Но это решение имеет ограничение при использовании в условиях, когда расход нагреваемой воды изменяется в широких пределах. Так, например, при давлениях пара, меньших давления воды в магистрали, допускаемый диапазон изменения расхода воды, при котором возможен ввод пара в поток воды, составляет ±4%, а при давлениях пара больших давления воды ±15%, что явно недостаточно, особенно при пиковых разборах воды в системах горячего водоснабжения, когда расход воды изменяется в несколько раз (например, со 100 т/час до 1100 т/час).

Такие изменения расхода воды приводят к значительным изменениям давления в зоне разрежения и, как следствие, к возможности реализации подачи пара с критическими и сверхкритическими скоростями в зону разрежения, которые сопровождаются, как показала практика, недопустимыми гидравлическими ударами и вибрациями устройства-прототипа и магистралей. С другой стороны, геометрия активного сопла, как известно, рассчитывается по величине нижней границы диапазона расхода воды и, соответственно, при расходах воды, превышающих эту границу в несколько раз, наблюдается рост гидравлического сопротивления сопла до значений, ограничивающих возможности применения прототипа.

Сущность изобретения.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение непрерывного ввода пара в водяную магистраль для подогрева текущего расхода воды на определенный интервал температур при непрерывном изменении во времени расхода нагреваемой воды в широких пределах.

Задача решена тем, что в магистрали с переменным по времени расходом воды осуществляют разгон жидкости с понижением давления, например путем установки активного сопла, и формируют зону разрежения с величиной давления меньшей, чем давление источника пара, при этом давление в зоне разрежения реализуется равным давлению в критической части активного сопла, и непрерывную подачу пара осуществляют в зону разрежения, при этом в процессе подачи пара поддерживают постоянным давление в зоне разрежения (статистическое давление на срезе сопла) путем изменения угла наклона стенок активного сопла относительно основного потока воды, дополнительно изменяя форму сечения водяной струи с круглой на эллиптическую.

Существенные признаки изобретения:

- Разгон жидкости в активном сопле и создание зоны разрежения;

- Подача пара в зону разрежения;

- Поддержание постоянного давления в зоне разрежения при изменении расхода нагреваемой воды путем изменения угла наклона стенок активного сопла относительного основного потока воды;

- Дополнительно изменяется форма сечения водяной струи с круглой на эллиптическую.

Признаки "разгон жидкости в активном сопле и создание зоны разрежения, и подача пара в зону разрежения", являются общими, остальные - отличительными.

На фиг.1, 2 и 3 представлена конструкция пароэжекторного устройства, обеспечивающего выполнение процессов, заложенных в предлагаемом способе.

На фиг.4 дан вариант механизма привода раздвижных полусопел пароэжекторного устройства.

На чертежах обозначено следующее:

1. Подающая водяная магистраль.

2. Конфузор.

3. Шарнир.

4. Полусопло.

5. Зазор между полусоплами.

6. Приемная камера.

7. Тяга полусопла.

8. Уплотнение тяги.

9. Отводная водяная магистраль.

10. Полусопло.

11. Щека.

12. Уплотняющая пластина.

13. Рычаг.

14. Ползун.

15. Штурвал.

16. Стержень стягивающий.

17.Винт.

18. Ребро.

19. Трубка отбора давления.

20. Манометр (датчик давления).

21. Рабочая плоскость уплотнения зазора полусопел.

В состав устройства входит активное сопло, состоящее из конфузора 2 и полусопел 4 и 10. Полусопла установлены на цилиндрических шарнирах 3, закрепленных сваркой на конфузоре. На наружной поверхности каждого полусопла выполнены ребра 18 с пазами, к которым разъемным соединением крепятся тяги 7, пропущенные через корпус приемной камеры 6. Для уплотнения тяг в приемной камере использованы сальниковые уплотнения 8. Полусопла образованы рассечением осесимметричного сопла, например, по меридиональному сечению. Зазор 5 по линии рассечения герметично закрыт уплотняющей пластиной 12 (например, из фторопласта), прикрепленной к щеке 11 (клеем, заклепками). Щека выполнена в виде пластины по всей длине зазора и прикреплена, например сваркой, к полусоплу 10. Вдоль линии разъема полусопел на их наружной поверхности по всей длине каждого полусопла выполнены рабочие плоскости (лыски) 21 по которым скользят при перемещении и прижимаются в работе уплотняющие пластины 12.

Для создания углового отклонения полусопел перемещение тяг может производится различными механизмами. Вариант реализации механизма привода тяг с помощью передачи винт-гайка дан на фиг.4. Такой механизм состоит из рычагов 13, винта 17, имеющего правую и левую резьбы, ползуна 14. Для повышения жесткости и эффективности уплотнения зазора между полусоплами, щеки стянуты стержнем 16.

К входу конфузора присоединяется подающая водяная магистраль 1 и осуществляется подача воды. К выходу приемной камеры подсоединена отводящая водяная магистраль 9.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Вода под давлением по подающей магистрали 1 поступает на вход в конфузор 2 и далее в область, ограниченную полусоплами 4 и 10. В полусоплах вода разгоняется до определенных скоростей, и на выходе формируется высоконапорная струя с величиной давления, определяемой из интервала Бернулли, меньшей, чем давление пара. Струйная структура течения сохраняется по всей длине приемной камеры 6 и присоединяемой к ней прямолинейном участке отводящей магистрали 9 на протяжении 15...40 диаметров магистрали, при этом в пространстве между струей, корпусом приемной камеры и стенкой отводящей магистрали формируется зона разрежения с давлением, близким к давлению в струе, что обеспечивает ввод пара в водяную магистраль (направление подачи пара дано на фиг.2). При изменении расхода воды в подающей водяной магистрали 1 происходит, в соответствии с уравнением неразрывности, соответствующее изменение скорости течения воды в полусоплах и связанное с этим изменение давления в зоне разрежения.

Указанное давление, регистрируемое, например, манометром 20 или датчиком давления, отбирается на уровне среза полусопел с помощью трубки 19. С помощью тяг 7 изменяют угол наклона полусопел 4 и 10 по отношению к направлению основного потока (к оси полусопел), вследствие этого изменяется как площадь критического сечения водяного сопла, так и потери напора в нем, что позволяет эффективно регулировать давление в зоне разрежения и поддерживать его постоянным. Положение полусопел при измененном угле наклона изображено пунктирными линиями. Кроме того, при изменении угла наклона полусопел происходит изменение формы истекающей водяной струи, которая из круглой становится эллиптической и соответственно повышает коэффициент эжекции (при одинаковом импульсе струи), и ускоряются процессы теплообмена вследствие увеличение поверхности водяной струи. При этом давление пара устанавливается исходя из требуемой температуры нагревания воды, а давление в зоне разрежения - из условия обеспечения отношения этих давлений такими, чтобы исключались критические и сверхкритические скорости течения пара, подаваемого в приемную камеру.

Управление углом раскрытия полусопел может быть осуществлено с помощью винтовой передачи с рычагами (фиг.4). При вращении штурвала 15 по часовой стрелке обеспечивается равномерное раскрытие полусопел 4 и 10, а при вращении штурвала против часовой стрелки обеспечивается сужение проходного сечения сопла и изменение угла наклона полусопел к основному потоку. Для автоматизации процесса управления винт 17 может быть задействован от электрического привода по сигналу от датчика давления 20 с реализацией схемы управления с отрицательной обратной связью. На фиг.4 пунктиром показано положение одного из рычагов 13 в крайних положениях.

Признаками изобретения являются:

- приемная камера;

- активное сопло, выполненное в виде полусопел, установленных на шарнирах;

- зазор по линии разъема закрыт уплотняющей пластиной, прикрепленной к полусоплу;

- вдоль линии разъема выполнены лыски, по которым скользят при перемещении с возможностью прижатия в работе уплотняющие пластины.

Признак "приемная камера" - общий, остальные отличительные. Таким образом предлагаемые способ и устройство обладают изобретательским уровнем, так как совокупность признаков данного способа и устройства обусловливает новое свойство, дающее требуемый технический эффект: обеспечивает непрерывный ввод пара в водяную магистраль для подогрева текущего расхода воды на определенный интервал температур при непрерывном изменении расхода воды во времени в широких пределах. Кроме того, исключается режим подачи пара с критическими и сверхкритическими скоростями течения и связанные с этим вибрации и гидравлические удары, снижаются гидравлические потери напора воды, повышается коэффициент эжекции.

Для водяной трубопроводной системы с условным диаметром 100 мм, с расходом воды, изменяющимся в диапазоне 10...40 т/час, избыточным рабочим давлением воды 0,3-0,35 МПа, давлением пара 0,05-0,02 МПа, с целью непрерывного нагревания воды на 20-30°С было спроектировано и в соответствии с предлагаемым изобретением пароэжекторное устройство. Устройство выполнено с регулирующей площадью активного сопла, в диапазоне 95...490 мм², что обеспечивает непрерывный ввод пара расходом до 2,2 т/час. Опытный образец подтвердил свою эффективность и работоспособность.

Способ и устройство предназначены для непрерывной подачи пара в водяную магистраль с изменяемым во времени расходом воды в широких пределах. Способ включает разгон жидкости в активном сопле, создание зоны разрежения, подачу пара в зону разрежения, поддержание постоянного давления в зоне разрежения путем изменения угла наклона стенок сопла относительно основного потока воды, при этом дополнительно одновременно изменяют форму сечения водяной струи с круглой на эллипсообразную. Устройство содержит приемную камеру и активное сопло в виде двух полусопел, установленных на шарнирах, при этом зазор по линии разъема закрыт уплотняющей пластиной, прикрепленной к полусоплу, при этом на внешней поверхности полусопел вдоль линии разъема выполнены лыски, по которым скользят при перемещении с возможностью прижатия в работе уплотняющие пластины. Технический результат - подогрев воды. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ непрерывной подачи пара в водяную магистраль с изменяемым во времени расходом воды в широких пределах, включающий разгон жидкости в активном сопле, создание зоны разрежения, подачу пара в зону разрежения, поддержание постоянного давления в зоне разрежения путем изменения угла наклона стенок сопла относительно основного потока воды, отличающийся тем, что дополнительно одновременно изменяют форму сечения водяной струи с круглой на эллипсообразную.2. Устройство для непрерывной подачи пара в водяную магистраль, содержащее приемную камеру и активное сопло, в виде двух полусопел, установленных на шарнирах, при этом зазор по линии разъема закрыт уплотняющей пластиной, прикрепленной к полусоплу, отличающееся тем, что на внешней поверхности полусопел вдоль линии разъема выполнены лыски, по которым скользят при перемещении с возможностью прижатия в работе уплотняющие пластины.