СМЕШИВАЮЩИЙ ТЕПЛООБМЕННИК-ДЕАЭРАТОР Российский патент 2006 года по МПК F22D1/50 

Изобретение относится к устройству смешивающих теплообменников и может быть применено в теплоэнергетике, в частности на тепловых электрических станциях, котельных и тепловых сетях при подогреве и термической деаэрации воды.

Известен деаэратор (1) с тангенциальным наружным подводом нагреваемой воды в корпус деаэратора, смешивающим нагревом вращающегося внутри корпуса потока воды, разделением жидкой и газообразной фазы в сепараторе и диспергировании сливаемой из сепаратора жидкости.

Наиболее близким к изобретению является тепломассообменник-деаэратор (2) с тангенциальным наружным подводом нагреваемой воды в корпус тепломассообменника, смешивающим нагревом вращающегося внутри корпуса потока воды и разделением жидкой и газообразной фазы в сепараторе.

В таком устройстве для смешивающего теплообмена доступна лишь поверхность воды, вращающаяся по внутренней стенке корпуса тепломассообменника, и не обеспечивается организованный подвод рабочей смеси к внутренней поверхности корпуса сепаратора, что ухудшает соответственно условия теплообмена и условия разделения жидкой и газообразной среды.

Задачей изобретения является повышение эффективности теплообмена и условий разделения жидкой и газообразной среды.

Повышение эффективности теплообмена достигается тем, что подвод воды в цилиндрический корпус смешивающего теплообменника осуществлен радиально, с симметричным струйным распределением от вертикальной оси корпуса. Для создания центробежного эффекта в объеме корпуса, закручивание исходных радиальных симметричных струйных потоков воды выполнено на лопатках в виде участков архимедовой спирали либо близкой к ней эвольвенты круга (3), с последующим переходом отдельных закрученных потоков на движение по общей внутренней стенке цилиндрического корпуса.

Для архимедовой спирали либо близкой к ней эвольвенты круга с возрастанием радиуса окружности увеличивается радиус кривизны по мере удаления от начальной точки. Такая геометрическая форма закручивающих лопаток увеличивает центробежные усилия на потоки с увеличением радиуса окружности лопаток, что интенсифицирует взаимодействие потоков воды и греющего пара.

По мере возрастания длины лопаток радиусы кривизны архимедовой спирали и эвольвенты круга стремятся к радиусу окружности, что обеспечивает переход потоков с лопаток на внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса.

Взаимодействие поступающего в корпус пара и воды осуществляется не только при их непосредственном контакте на лопатках и корпусе смешивающего теплообменника. Теплообмен, с конденсацией пара и нагревом воды, осуществляется также через наружную стенку лопаток.

Повышение эффективности разделения жидкой и газообразной фазы в сепараторе достигается тем, что потоки, входящие в сепаратор по симметричным радиальным отверстиям, закручиваются на лопатках, выполненных в виде участков архимедовой спирали либо близкой к ней эвольвенты круга (3), с последующим переходом отдельных закрученных потоков на движение по общей внутренней цилиндрической стенке корпуса сепаратора. Под действием центробежных сил вода в сепараторе отжимается к внутренним стенкам лопаток и корпуса с последующей аккумуляцией в нижней части сепаратора, а выделившиеся неконденсируемые газы удаляются в выпар.

Кроме того, в смешивающем теплообменнике-деаэраторе патрубок подвода воды проходит внутри патрубка подвода греющего пара, а патрубок отвода выпара проходит внутри патрубка подвода воды. При этом вода, поступающая в смешивающий теплообменник, предварительно нагревается через общие цилиндрические стенки как теплом выпара, так и теплом греющего пара. Теплообмен исходной воды и выпара через стенку обеспечивает утилизацию тепла выпара с конденсацией и возвратом в сепаратор влаги, попавшей в отвод выпара, а предварительный теплообмен воды и греющего пара через стенку интенсифицирует их взаимодействие.

Полярное уравнение архимедовой спирали:

где ρ - расстояние;

ϕ - угол поворота;

а - шаг спирали.

Положительным значениям ϕ соответствует правая ветвь спирали, отрицательным значениям - левая.

Уравнение архимедовой спирали можно записать в виде:

ρ=Kϕ,

где соответствует внутреннему радиусу R описываемой вокруг центра спирали нормалями к виткам спирали, отсюда:

Разбив окружность на равные части и построив из их общего центра координат спирали, ограничив участки спиралей общими радиусами ρ₁ и ρ₂ (где ρ₁<ρ₂, a ρ₁≥R), получим решетку из участков спирали с нормалями, образующих общую внутреннюю окружность с радиусом R.

В частном случае, при ρ₁=R, параметр |К| совпадает с ρ₁, т.е.

В смешивающем теплообменнике и сепараторе периферийный радиус лопаток соответствует ρ₂, а корневой радиус лопаток ρ₁. При ρ₁=R=|К| корневой радиус лопаток совпадает с внутренней окружностью, образованной нормалями к спирали.

Для смешивающего теплообменника ρ₁=R=|К| соответствует наружному радиусу распределения нагреваемой воды. Для сепаратора ρ₁=R=|K| соответствует наружному радиусу корпуса смешивающего теплообменника.

Длина лопатки l определится по разности длин дуг от центра спиралей:

Полярное уравнение эвольвенты окружности:

где ρ - расстояние;

ϕ - угол поворота;

К - радиус окружности.

Положительным значениям ϕ соответствует правая ветвь спирали, отрицательным значениям - левая.

|К| - соответствует радиусу окружности R описываемой вокруг центра окружности эвольвенты нормалями к виткам эвольвенты.

Участки спиралей эвольвенты, построенные при разбивке окружности эвольвенты на равные части, ограниченные общими радиусами ρ₁ и ρ₂ (где ρ₁<ρ₂, a ρ₁≥R), образуют решетку с нормалями, образующими общую внутреннюю окружность с радиусом R.

Для смешивающего теплообменника и сепаратора периферийный радиус лопаток соответствует ρ₂, а корневой диаметр лопаток ρ₁. При ρ₁=R=|K| корневой радиус лопаток совпадает с внутренней окружностью, образованной нормалями к спирали. Для смешивающего теплообменника ρ₁=R=|К| соответствует наружному радиусу распределения нагреваемой воды. Для сепаратора ρ₁=R=|К| соответствует наружному радиусу корпуса смешивающего теплообменника.

Длина лопатки l по эвольвенте круга определится по разнице длин дуг от окружности эвольвенты:

При этом для эвольвенты ρ₁ не может быть меньше |К|.

Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемый смешивающий теплообменник-деаэратор отличается тем, что подвод нагреваемой воды в корпус смешивающего теплообменника выполнен с радиальным симметричным струйным распределением от вертикальной оси цилиндрического корпуса. Закручивание исходных струйных потоков во внутреннем объеме как смешивающего теплообменника, так и сепаратора выполнено на лопатках, в виде участков архимедовой спирали либо близкой к ней эвольвенты круга с последующим переходом отдельных закрученных потоков на движение по общим внутренним цилиндрическим стенкам соответственно корпуса смешивающего теплообменника и корпуса сепаратора. Конденсация паров воды, попавших в выпар, осуществляется охлаждением водой, подаваемой в смешивающий теплообменник с возвратом сконденсировавшейся влаги в сепаратор. Исходная вода предварительно нагревается теплом выпара и теплом греющего пара.

Таким образом, заявляемый смешивающий теплообменник-деаэратор соответствует критерию «новизна».

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «существенные отличия».

На фиг.1 изображен продольный разрез смешивающего теплообменника-деаэратора. Поясняющие разрезы изображены на фиг.2, 3.

Смешивающий теплообменник-деаэратор имеет: патрубок подвода греющего пара 1; патрубок отвода выпара 3; патрубок подвода воды 2 с радиальными симметричными отверстиями вывода потоков воды 4; смешивающий теплообменник, состоящий из цилиндрического корпуса 5 с радиальными симметричными отверстиями 6, крышки 7 и дна 8, закручивающих лопаток смешивающего теплообменника 9; сепаратор, состоящий из цилиндрического корпуса 10, верхней крышки 11 и дна 12, закручивающих лопаток сепаратора 13, патрубка отвода деаэрированной воды 14.

На фиг.1, 2, 3 геометрическая форма закручивающих лопаток смешивающего теплообменника 9 и закручивающих лопаток сепаратора 13 выполнена либо в виде участков архимедовой спирали, либо в виде близкой к ней эвольвенты круга. Корневой радиус ρ₁=R=|К| закручивающих лопаток смешивающего теплообменника 9 равен наружному радиусу патрубка подвода воды 3. Корневой радиус ρ₁=R=|К| закручивающих лопаток сепаратора 13 равен наружному радиусу смешивающего теплообменника 5. Длина закручивающих лопаток как смешивающего теплообменника, так и сепаратора ограничена периферийным радиусом ρ₂. Между закручивающими лопатками и радиальной внутренней стенкой соответственно корпуса смешивающего теплообменника 5 и сепаратора 10 оставлен кольцевой зазор.

Смешивающий теплообменник-деаэратор работает следующим образом.

Вода из патрубка 2 по радиальным симметричным отверстиям 4 поступает на закручивающие лопатки смешивающего теплообменника 9 и далее на внутреннюю стенку корпуса 5 теплообменника. По мере возрастания длины лопаток радиусы кривизны архимедовой спирали и эвольвенты круга стремятся к радиусу окружности, что обеспечивает переход потоков с лопаток на внутреннюю поверхность корпуса. Зазор, образованный разностью внутреннего радиуса корпуса смешивающеготеплообменника 5 и периферийного радиуса лопаток 9, обеспечивает свободное кольцевое вращение потока по внутренней стенке корпуса. Греющий пар поступает через патрубок 1 и начинает нагревать воду и конденсироваться при взаимодействии через цилиндрическую стенку патрубка подвода воды 2. При контакте греющего пара с вращающимися потоками воды на внутренних поверхностях лопаток 9 и вращающимся потоком воды на внутренней поверхности корпуса 5 происходит тепломассообмен с нагревом воды, выделением неконденсируемых газов и конденсацией греющего пара. С наружной стороны лопаток 9, свободных от вращающихся потоков воды, идет теплообмен с конденсацией греющего пара на поверхностях лопаток и нагревом потоков воды через стенку. Из смешивающего теплообменника вода, неконденсируемые газы, остатки пара, через радиальные симметричные отверстия 6, отводятся в сепаратор.

Выходящие из корпуса теплообменника потоки закручиваются на лопатках 13 и далее поступают на внутреннюю стенку корпуса сепаратора 10. Зазор, образованный разностью внутреннего радиуса корпуса сепаратора 10 и периферийного радиуса лопаток 13, обеспечивает свободное кольцевое вращение потока по внутренней стенке сепаратора. Под действием центробежных сил вода в сепараторе отжимается к внутренней стенке лопаток 13 и внутренней стенке корпуса 10 сепаратора с последующей аккумуляцией в нижней части сепаратора. Выделившиеся в сепараторе неконденсируемые газы и остатки пара удаляют по патрубку отвода выпара 3. Конденсацию паров воды, попавших в патрубок отвода выпара 3, осуществляют за счет охлаждения через общую цилиндрическую стенку патрубков 2, 3 в процессе взаимодействия с подаваемой в смешивающий теплообменник исходной водой. При этом воду, поступающую в смешивающий теплообменник по патрубку 2, предварительно нагревают теплом выпара. Сконденсировавшаяся влага стекает по внутренней стенке патрубка выпара 3 в сепаратор. Деаэрированную воду отводят из сепаратора по патрубку 14.

Взаимное расположение патрубков греющего пара, отвода выпара и подвода воды, радиальное распределение входящего потока воды в корпусе смешивающего теплообменника и радиальное распределение потоков в сепараторе, закручивание потоков на лопатках, выполненных в виде участков архимедовой спирали либо близкой к ней эвольвенты круга с последующим переходом отдельных закрученных потоков на движение по общей внутренней стенке как корпуса смешивающего теплообменника, так и корпуса сепаратора, повышают эффективность теплообмена и сепарации неконденсируемых газов.

Таким образом, за счет взаимного расположения конструктивных элементов, геометрической формы закручивающих лопаток повышается эффективность смешивающего теплообменника-деаэратора.

Список использованных источников

1. RU 2151341 C1, F 22 D 1/50, С 02 F 1/20.

2. RU 2131555 C1, F 22 D 1/50, С 02 F 1/20, В 01 D 19/00.

3. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М: "Джангар", "Большая медведица", 1998, с.113-114, 777-784.

Изобретение предназначено для теплообмена и деаэрации и может быть использовано в теплоэнергетике. Смешивающий теплообменник-деаэратор содержит цилиндрический смешивающий теплообменник с симметричными радиальными отверстиями и закручивающими лопатками, цилиндрический сепаратор с закручивающими лопатками, патрубок подвода греющего пара, патрубок подвода воды с симметричными радиальными отверстиями, патрубок отвода выпара и патрубок отвода деаэрированной воды. При этом закручивающие лопатки как смешивающего теплообменника, так и сепаратора выполнены в виде участков архимедовой спирали либо эвольвенты круга. Изобретение повышают эффективность смешивающего теплообмена и сепарации неконденсируемых газов. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Смешивающий теплообменник-деаэратор, содержащий цилиндрический смешивающий теплообменник с симметричными радиальными отверстиями и закручивающими лопатками, цилиндрический сепаратор с закручивающими лопатками, патрубок подвода греющего пара, патрубок подвода воды с симметричными радиальными отверстиями, патрубок отвода выпара и патрубок отвода деаэрированной воды, отличающийся тем, что закручивающие лопатки как смешивающего теплообменника так и сепаратора выполнены в виде участков архимедовой спирали либо эвольвенты круга.2. Смешивающий теплообменник-деаэратор по п.1, отличающийся тем, что для закручивающих лопаток смешивающего теплообменника абсолютное значение параметра К полярного уравнения архимедовой спирали, представляющего собой отношение шага спирали к 2π, либо параметра К полярного уравнения эвольвенты круга, представляющего собой радиус окружности, описываемой вокруг центра окружности эвольвенты нормалями к виткам эвольвенты, равно наружному радиусу патрубка подвода воды.3. Смешивающий теплообменник-деаэратор по п.1, отличающийся тем, что для закручивающих лопаток сепаратора абсолютное значение параметра К полярного уравнения архимедовой спирали, представляющего собой отношение шага спирали к 2π, либо параметра К полярного уравнения эвольвенты круга, представляющего собой радиус окружности, описываемой вокруг центра окружности эвольвенты нормалями к виткам эвольвенты, равно наружному радиусу смешивающего теплообменника.4. Смешивающий теплообменник-деаэратор по п.1, отличающийся тем, что между внутренней цилиндрической стенкой смешивающего теплообменника и закручивающими лопатками смешивающего теплообменника выполнен кольцевой зазор.5. Смешивающий теплообменник-деаэратор по п.1, отличающийся тем, что между внутренней цилиндрической стенкой сепаратора и закручивающими лопатками сепаратора выполнен кольцевой зазор.6. Смешивающий теплообменник-деаэратор по п.1, отличающийся тем, что патрубок подвода воды проходит внутри патрубка подвода греющего пара, а патрубок отвода выпара проходит внутри патрубка подвода воды.