НАГРЕВАТЕЛЬ КОНТАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ И ТЕПЛООБМЕННИК КОНТАКТНЫЙ СТРУЙНЫЙ СЕТЕВОЙ Российский патент 2007 года по МПК F28C3/06 

Изобретение относится к теплоэнергетической промышленности и может быть использовано в контактных теплообменных аппаратах.

Известен контактный теплообменный аппарат, выбранный заявителем в качестве прототипа, содержащий корпус с патрубком подвода нагреваемой жидкостной среды (воды) и пара, нагреватель с камерой смешения сред с конфузорной частью, паропровод с паровым соплом, установленным по оси нагревателя с образованием периферийного кольцевого зазора жидкостного сопла. Кольцевой зазор частично перекрыт сегментными элементами с профилированными отверстиями, равномерно распределенными по периметру зазора с образованием радиальных щелей. Сегментные элементы ориентированы перпендикулярно или под углом к оси корпуса (см. описание изобретения к патенту №2206847 F28C3/06 от 2001.11.23, опубл. 2003.06.20).

Технической задачей является повышение эффективности, надежности и расширение области использования.

Поставленная задача решается путем выполнения известного нагревателя контактного теплообменного, содержащего камеру смешения с выполненной на входе конфузорной частью, паропровод с паровым соплом, установленным в конфузорной части камеры смешения по оси нагревателя с образованием кольцевого зазора жидкостного сопла, в котором, согласно изобретению, камера смешения соединена на входе с торцевой цилиндрической камерой турбулизации потока жидкой среды, а на выходном конце - с диффузорным патрубком с узлом снижения давления и диссипативной насадкой для окончательной конденсации парожидкостной среды.

Камера турбулизации образована равномерно распределенными по периметру камеры турбулизации ориентированными под углом к оси нагревателя лопатками.

Узел снижения давления выполнен в виде равномерно распределенных по периметру диффузорного патрубка отверстий.

Диссипативная насадка выполнена в виде жестко связанных между собой криволинейных лопаток.

Заявляется также теплообменник контактный струйный сетевой, содержащий корпус с патрубками подачи воды жидкой среды и пара, по меньшей мере, один нагреватель контактный теплообменный с камерой смешения с выполненной на входе конфузорной частью, паропровод с паровым соплом, установленным в конфузорной части камеры смешения по оси нагревателя с образованием кольцевого зазора жидкостного сопла, в котором, согласно изобретению, нагреватель контактный теплообменный смонтирован в корпусе с зазором относительно внутреннего диаметра корпуса теплообменника для разделения сетевого потока воды на внутренний, проходящий через нагреватель и внешний, обтекающий нагреватель с наружной стороны, при этом камера смешения соединена на входе с торцевой цилиндрической камерой турбулизации внутреннего потока сетевой воды, а на выходном конце - с диффузорным патрубком с узлом снижения давления и диссипативной насадкой для окончательной конденсации парожидкостной среды.

Камера турбулизации также образована равномерно распределенными по периметру камеры турбулизации ориентированными под углом к оси корпуса лопатками.

Узел снижения давления выполнен в виде равномерно распределенных по периметру диффузорного патрубка отверстий, а диссипативная насадка выполнена в виде жестко связанных между собой криволинейных лопаток.

Заявляемые изобретения (нагреватель контактный теплообменный и теплообменник контактный струйный сетевой) объединены единым изобретательским замыслом, т.к. использование в теплообменнике контактном струйном сетевом нагревателя предлагаемой конструкции - это один из вариантов применения нагревателя контактного теплообменного.

Нагреватель контактный теплообменный предназначен для нагрева жидких сред (воды, раствора) путем инжекции пара в нагреваемую среду, прямого контакта (смешения) теплоносителя (пара) с нагреваемой средой в трубопроводе (гидравлической сети) под давлением или в емкости при атмосферном или избыточном давлении для перевода гетерогенной системы в гомогенную с обеспечением использования полного теплосодержания (энтальпии) пара и отсутствием сброса конденсата.

В результате турбулизации потока нагреваемой среды на выходе его из жидкостного сопла в камеру смешения поступает диспергированый поток жидкости, который интенсифицирует теплообмен и обеспечивает более эффективное использование энергии пара. Кроме того, расположение парового сопла в конфузорной части камеры смешения нагревателя обеспечивает дробление жидкости и в результате развитой поверхности контакта пара с нагреваемой средой (жидкостью) обеспечивается высокий коэффициент тепломассообмена.

Диффузорный патрубок обеспечивает снижение скорости потока на выходе, а боковые отверстия по периметру диффузорного патрубка снижают давление нагретого потока.

Диссипативная насадка выравнивает поле температур по сечению потока, уменьшает длину зоны выравнивания температуры нагреваемой среды путем рассеивания струи для окончательной конденсации парожидкостной среды, что обеспечивает использование полного теплосодержания пара без удаления конденсата.

Предлагаемая конструкция теплообменника контактного струйного сетевого с использованием нагревателя контактного теплообменного повышает надежность путем обеспечения гидравлической устойчивости сети (не создает гидравлического сопротивления) при отсутствии подачи пара (при отключении теплоносителя-пара) и обеспечивает прежний пьезометрический график давления, т.к. нагреватель занимает не полное поперечное сечение трубопровода гидравлической сети, а лишь часть его. В результате только часть сетевого потока проходит через нагреватель (внутренний поток), а другая часть сетевого потока проходит, омывая нагреватель с наружной стороны, между корпусом и нагревателем (внешний поток). Кроме того, установка интенсифицирует теплообмен за счет теплоотдачи с наружной поверхности нагревателя в наружный обтекаемый поток. Монтирование в одном корпусе блока нагревателей позволяет увеличить тепловую мощность установки.

Проведенные патентные исследования не выявили сходных технических решений, что позволяет сделать вывод о новизне и изобретательском уровне заявляемого технического решения.

Отечественная промышленность располагает всеми средствами (материалами, технологией, оборудованием), необходимыми для изготовления и широкого использования предлагаемых устройств для нагрева сетевой воды в системах отопления, теплоснабжения, горячего водоснабжения промышленных объектов и городского хозяйства (ЖКХ), для нагрева растворов в технологических установках (трубопроводах) химической, бумажной и других отраслей промышленности.

Сущность изобретений поясняется чертежами, где:

на фиг.1 - изображен общий вид теплообменника контактного струйного сетевого в аксонометрии;

на фиг.2 - нагреватель контактный теплообменный в продольном разрезе;

на фиг.3 - теплообменник контактный струйный сетевой в продольном разрезе;

на фиг.4 - вид по стрелке А на фиг.3;

на фиг.5 - вид по Б-Б на фиг.3;

на фиг.6 - схема подключения нагревателя контактного теплообменного в емкости технологической установки для нагрева воды или технологического раствора.

Нагреватель контактный теплообменный 1 является аппаратом прямого смешения двух сред: нагревающей (пара) и нагреваемой (воды или технологического раствора) путем инжекции пара в нагреваемую среду и представляет собой неразборный моноблок (нагревательный модуль).

Нагреватель контактный теплообменный 1 содержит камеру смешения 2 с выполненной на входе конфузорной частью 3. Камера смешения 2 соединена на входе с торцевой цилиндрической камерой турбулизации 4 потока нагреваемой среды, в которой расположен паропровод 5 с паровым соплом 6, установленным в конфузорной части 3 камеры смешения 2 по оси нагревателя 1 с образованием кольцевого зазора жидкостного сопла 7. Цилиндрическая камера турбулизации 4 образована равномерно распределенными по периметру камеры ориентированными под углом к оси нагревателя лопатками 8 плоской или криволинейной формы. На выходном конце камера смешения 2 соединена с диффузорным патрубком 9 для торможения потока, снабженным узлом снижения давления и диссипативной насадкой 10 для выравнивания поля температур по сечению потока и обеспечения окончательной конденсации парожидкостной смеси. Узел снижения давления выполнен в виде равномерно распределенных по периметру диффузорного патрубка 9 сквозных отверстий 11. Диссипативная насадка 10 выполнена в виде жестко связанных между собой криволинейных лопаток 12.

При включении нагревателя 1 в работу нагреваемая среда подается к жидкостному соплу 7 в камере турбулизации 4, где поток разбивается лопатками 8 на отдельные струи и закручивается. На выходе из конфузорной части 3 камеры смешения 2 в зоне пониженного давления нагреваемая среда вступает в контакт с паром и далее проходит (инжектируется) в зону конденсации камеры смешения 2. Пар через паропровод 5 поступает в паровое сопло 6 и далее в камеру смешения 2, где он на большой скорости разбивает жидкостный поток на макрочастицы, придает ему ускорение и вступает в контакт с жидкой средой. В результате развитой поверхности теплообмена с нагреваемой средой пар активно конденсируется.

Весь процесс конденсации пара проходит на сравнительно коротком участке. Проходя через диффузорный патрубок 9, скорость потока снижается, а давление увеличивается. Выполненные боковые отверстия 11 по периметру диффузорного патрубка 9 обеспечивают выход части пароводяной смеси в наружный поток и таким образом снижают давление в сечении потока. Далее нагретый поток через диссипативную насадку 10, где осуществляется выравнивание температуры по сечению потока и окончательная конденсация парожидкостной смеси, выводится по технологическому назначению.

При использовании нагревателя контактного теплообменного 1 в закрытой системе теплоснабжения (для нагрева растворов в емкости 13 технологических установок) предусмотрена система поддержания постоянного давления обратной воды перед установкой путем сброса избытка воды посредством предохранительного клапана (на чертеже не показан) и рабочее давление в трубопроводе не должно превышать 1,6 МПа (16 кгс/см²).

Для регулирования температуры выходящей жидкой среды изменяют расход пара посредством запорной арматуры 14 вручную или при помощи системы автоматического регулирования (блок 15), управляемого по сигналу от термометра 16 измерения температуры нагретой жидкой среды на выходе из установки.

Теплообменник контактный струйный сетевой 17 содержит цилиндрический корпус 18 с патрубками подвода воды и пара, по меньшей мере, один описанный выше нагреватель контактный теплообменный (или блок нагревателей) 1, жестко смонтированный в корпусе 18 (посредством соединительных элементов 19) с зазором относительно внутреннего диаметра корпуса 18 теплообменника 17 для разделения сетевого потока жидкой среды на внутренний, проходящий через нагреватель 1 и внешний, обтекающий нагреватель 1 с наружной стороны. Теплообменник контактный струйный сетевой 17 монтируется в разрыве трубопровода нагреваемой среды до или после сетевых (циркуляционных) насосов. Арматура и контрольно измерительные приборы устанавливаются согласно типовой схеме монтажа. Система автоматики поддержания заданной температуры нагреваемой среды может быть выполнена с местным пультом управления или с подключением к централизованному диспетчерскому пункту. Возможна работа установки в ручном режиме регулирования (при наличии приборов КИП).

Теплообменник 17 монтируется в разрыве трубопровода нагреваемой среды с внутренним давлением не более 1,6 МПа (16 кгс/см²) и температурой нагреваемой воды не выше 250°С. Присоединение к трубопроводам выполнено посредством фланцевого соединения 20. Перед включением теплообменника 17 в работу проверяется наличие давления жидкости в сети по показаниям манометров до и после теплообменника 14. Подача пара производится с вводного парового коллектора, оборудованного регулятором давления и предохранительным клапаном. Давление пара должно быть выше давления жидкой среды. Для исключения попадания жидкой среды в паровую магистраль при снижении давления пара на линии пара установлен обратный клапан.

Теплообменник контактный струйный сетевой 17 работает следующим образом. Жидкая среда поступает через входной патрубок корпуса 18. Далее сетевой поток жидкой среды разветвляется на внутренний, проходящий через нагреватель 1, и внешний, обтекающий нагреватель 1 с наружной стороны и не контактирующий непосредственно с паровым потоком. При подаче пара в паровое сопло 6 (в конфузорной части 3 камеры смешения 2) образуется зона пониженного давления, и турбулентный внутренний поток жидкой среды устремляется в камеру смешения 2. В камере смешения 2 происходит конденсация пара. Теплообмен интенсифицируется за счет теплоотдачи с наружной поверхности нагревателя 1 в наружный обтекаемый поток. В диффузорном патрубке 9 происходит снижение скорости потока. В зоне диссипативной насадки 10 осуществляется выравнивание температуры по сечению потока. Далее нагретая жидкая среда поступает в сеть.

Теплообменник подключается к магистралям жидкой среды и пара, при наличии следующего перечня (расчетных) параметров:

- расход воды по водяной магистрали (тепловой сети); т/ч;

- давление воды на входе в установку, МПа (кгс/см²);

- давление пара на входе в установку, МПа (кгс/см²);

- температура греющего пара, не более °С;

- температура воды на входе в теплообменник, °С;

- температура воды на выходе теплообменник, °С;

- условный диаметр подводящей магистрали, мм.

Предлагаемые устройства были изготовлены и испытаны в соответствии с требованиями "Правил устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды" ПБ 10-573-03 раздел VI, как на трубопроводы IV категории: нагреватель контактный теплообменный 1 на ФГУП ПО "Маяк", г.Озерск, Челябинской области, а теплообменник контактный струйный сетевой 17 на ОАО в системе теплоснабжения ОАО "Комбинат строительных конструкций", г.Челябинск.

Использование: изобретение относится к теплоэнергетической промышленности и может быть использовано в контактных теплообменных аппаратах. Задача: повышение эффективности, надежности и расширение области использования. Сущность: поставленная задача решается тем, что в нагревателе камера смешения соединена на входе с торцевой цилиндрической камерой турбулизации потока жидкой среды, а на выходном конце - с диффузорным патрубком с узлом снижения давления и диссипативной насадкой для окончательной конденсации парожидкостной среды. Заявляется также теплообменник контактный струйный сетевой, в котором нагреватель контактный теплообменный смонтирован в корпусе с зазором относительно внутреннего диаметра корпуса теплообменника для разделения сетевого потока воды на внутренний, проходящий через нагреватель, и внешний, обтекающий нагреватель с наружной стороны, при этом камера смешения соединена на входе с торцевой цилиндрической камерой турбулизации внутреннего потока сетевой воды, а на выходном конце - с диффузорным патрубком с узлом снижения давления и диссипативной насадкой для окончательной конденсации парожидкостной среды. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Нагреватель контактный теплообменный, содержащий камеру смешения с выполненной на входе конфузорой частью, паропровод с паровым соплом, установленным в конфузорной части камеры смешения по оси нагревателя с образованием кольцевого зазора жидкостного сопла, отличающийся тем, что камера смешения соединена на входе с торцевой цилиндрической камерой турбулизации потока жидкой среды, а на выходном конце с диффузорным патрубком с узлом снижения давления и диссипативной насадкой для окончательной конденсации парожидкостной среды.2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что камера турбулизации образована равномерно распределенными по периметру камеры турбулизации ориентированными под углом к оси нагревателя лопатками.3. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что узел снижения давления выполнен в виде равномерно распределенных по периметру диффузорного патрубка отверстий.4. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что диссипативная насадка выполнена в виде жестко связанных между собой криволинейных лопаток.5. Теплообменник контактный струйный сетевой, содержащий корпус с патрубками подачи воды и пара, по меньшей мере, один нагреватель контактный теплообменный с камерой смешения с выполненной на входе конфузорной частью, паропровод с паровым соплом, установленным в конфузорной части камеры смешения по оси нагревателя с образованием кольцевого зазора жидкостного сопла, отличающийся тем, что нагреватель контактный теплообменный смонтирован в корпусе с зазором относительно внутреннего диаметра корпуса теплообменника для разделения сетевого потока воды на внутренний, проходящий через нагреватель, и внешний, обтекающий нагреватель с наружной стороны, при этом камера смешения соединена на входе с торцевой цилиндрической камерой турбулизации внутреннего потока сетевой воды, а на выходном конце с диффузорным патрубком с узлом снижения давления и диссипативной насадкой для окончательной конденсации парожидкостной среды.6. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что камера турбулизации образована равномерно распределенными по периметру камеры турбулизации ориентированными под углом к оси корпуса лопатками.7. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что узел снижения давления выполнен в виде равномерно распределенных по периметру диффузорного патрубка отверстий.8. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что диссипативная насадка выполнена в виде жестко связанных между собой криволинейных лопаток.