ПАРОГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2007 года по МПК F22B1/00 

Изобретение относится к области теплотехники и касается вопросов создания устройств для генерации насыщенного или перегретого пара, которые могут быть использованы в ядерной энергетике для создания тепловыделяющих сборок реакторов, в теплоэнергетике для электрокотлов, а также в технологических аппаратах, предназначенных, например, для очистки различных поверхностей струей пара или стерилизации грунта в теплицах.

Основной проблемой при получении насыщенного или перегретого пара в нагревательных устройствах является необходимость либо исключить кризис теплоотдачи, либо преодолеть последствия, связанные с его наступлением. Кризис теплоотдачи характеризуется резким ухудшением условий теплообмена, связанным с переходом от режима кипения к конвективной теплоотдаче пару, и сопровождается повышением температуры или возникновением термоциклических колебаний в материале нагревателя, приводящих к разрушению последнего.

Обычным методом исключения кризиса теплоотдачи в устройствах, генерирующих перегретый пар, является разделение парогенерирующего устройства на испарительные и пароперегревательные части.

В испарительной части получается влажный пар. Ввиду необходимости обеспечения докризисного режима теплообмена влагосодержание пара большое и его нельзя непосредственно подавать в пароперегревательную часть, так как теплообменные поверхности последней покрываются жидкостью и вновь возникает проблема преодоления кризиса теплоотдачи. Поэтому влажный пар предварительно осушают в сепараторе и в пароперегревательную часть подается пар с параметрами, близкими к сухому.

Известно устройство, служащее для получения перегретого пара и представляющее собой кипящий ядерный реактор с кольцевыми испарительно-перегревательными твэлами (А.Я.Крамеров. Вопросы конструирования ядерных реакторов, Атомиздат, Москва, 1971 г., стр.99, рис.4.13. а, б), принятое в качестве прототипа. Известное устройство использует традиционный способ получения перегретого водяного пара и включает в себя кожух (корпус) реактора и размещенные в нем испарительные и пароперегревательные каналы, состоящие из кольцевых нагревателей (твэлов), а также установленный в гидравлическом тракте осушитель-сепаратор.

Основными недостатками известного устройства является сложность конструкции и увеличение его габаритов за счет необходимости использования в его составе осушителя-сепаратора. Кроме того, это препятствует применению прямоточной схемы генерации перегретого пара, поскольку при этом отделяемая в осушителе-сепараторе вода должна возвращаться на вход испарительного канала по схеме многократной циркуляции. Недостатком известного устройства является также необходимость использования раздельных испарительных и пароперегревательных каналов, что также приводит к усложнению конструкции.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и уменьшение габаритов парогенерирующего устройства, обеспечивающего получение насыщенного или перегретого пара в прямоточном режиме движения теплоносителя.

Для этого в парогенерирующем устройстве, включающем кожух и размещенный внутри него по принципу трубки Фильда, по крайней мере, один нагреватель, представляющий собой тепловыделяющую трубу, труба нагревателя выполнена заглушенной с одного конца, а внутри нее со стороны открытого конца установлена по принципу трубки Фильда нетепловыделяющая трубка для подвода теплоносителя, размещенная по отношению к нагревателю с торцевым и радиальным кольцевыми зазорами. В кольцевом зазоре, образованном между нагревателем и нетепловыделяющей трубкой, а также на наружной поверхности нагревателя размещены винтовые направляющие для радиальной закрутки потока теплоносителя, движущегося вдоль поверхностей нагревателя.

Кроме того, винтовые направляющие могут быть выполнены либо в виде винтовых гофр или резьбы, либо в виде шнека, либо в виде навитой проволоки.

При этом шаг закрутки винтовых направляющих может быть переменным по тракту движения теплоносителя. Например, закрутка потока теплоносителя может даже отсутствовать в зонах движения однофазной среды.

Установка нетепловыделяющей трубки с зазорами в заглушенный с одного конца нагреватель обеспечивает последовательное омывание теплоносителем поверхностей нагревателя с подводом теплоносителя с одной стороны устройства и выходом с другой. На внутренней стороне нагревателя формируется испарительный канал с образованием парожидкостной смеси, которая затем доиспаряется и перегревается на внешней стороне нагревателя.

Применение винтовых направляющих для закрутки потока теплоносителя позволяет исключить кризис теплоотдачи как в испарительном, так и в пароперегревательном каналах. В кольцевом зазоре закрутка теплоносителя обеспечивает принудительную эвакуацию пара от вогнутой поверхности нагревателя в зоне пузырькового кипения и интенсивное орошение жидкостью поверхности теплообмена в зоне высоких паросодержаний за счет центробежных ускорений - эффект центрифуги. При этом повышаются величины критического теплового потока и критического паросодержания по сравнению с гладкими кольцевыми каналами, что позволяет увеличить паросодержание теплоносителя на выходе концевого зазора без кризиса теплоотдачи. Центробежные силы при закрутке потока теплоносителя на внешней выпуклой стороне нагревателя отбрасывают жидкую составляющую теплоносителя от поверхности теплообменника, что обеспечивает устойчивый режим конвективного теплообмена с паром, что также исключает кризис теплоотдачи.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого парогенерирующего устройства.

Устройство состоит из кожуха 1, внутри которого по принципу трубки Фильда размещен нагреватель 2, представляющий собой тепловыделяющую трубку, заглушенную с одного конца. Через кожух 1 со стороны открытого конца нагревателя 2 вставлена по принципу трубки Фильда нетепловыделяющая трубка 3, внешний диаметр которой меньше внутреннего диаметра нагревателя 2. Между нагревателем 2 и нетепловыделяющей трубкой 3 имеются радиальный кольцевой 4 и торцевой 5 зазоры.

В кольцевом зазоре 4 размещена винтовая направляющая 6. С внешней стороны нагревателя также размещены аналогичные винтовые направляющие 7. Полости с внутренней и внешней сторон нагревателя сообщены проходами для теплоносителя 8.

Устройство работает следующим образом.

Однофазный жидкий или двухфазный парожидкостный теплоноситель подается на вход нетепловыделяющей трубки 3 и движется внутри ее до торцевого зазора 5. Затем теплоноситель поворачивается на 180°С и поступает в кольцевой зазор 4, где поток теплоносителя омывает внутреннюю поверхность нагревателя 2, приобретая за счет установленных винтовых направляющих 6 не только поступательное, но и вращательное направление движения.

На выходе кольцевого зазора 4 теплоноситель поступает через проходы 8 в полость между кожухом 1 и нагревателем 2 и омывает внешнюю поверхность нагревателя 2, также приобретая вращательное направление движения за счет установленных винтовых нагревающих 7.

Конструкция парогенерирующего устройства предусматривает возможность размещения в кожухе 1 нескольких параллельно работающих нагревателей 2. Наличие нетепловыделяющих трубок 3 с большим гидравлическим сопротивлением в каждом нагревателе 2 повышает теплогидравлическую устойчивость параллельных парогоненерирующих каналов.

Таким образом, предлагаемое парогенерируюшее устройство обеспечивает получение насыщенного или перегретого пара на выходе в прямоточном режиме движения теплоносителя при меньших габаритах и сложности устройства, причем в предлагаемом устройстве испарительный и пароперегревательный каналы формируются на поверхностях одного и того же нагревателя.

Изобретение предназначено для генерирования пара и может быть использовано в теплотехнике. Парогенерирующее устройство включает кожух и размещенный внутри него по принципу трубки Фильда, по крайней мере, один нагреватель, представляющий собой тепловыделяющую трубу, заглушенную с одного конца, а внутри нее со стороны открытого конца установлена по принципу трубки Фильда проходящая сквозь кожух нетепловыделяющая трубка для подвода теплоносителя, размещенная с торцевым и радиальным кольцевым зазорами. Полости с внешней и внутренней сторон нагревателя сообщены проходами для теплоносителя. В кольцевом зазоре, образованном между нагревателем и нетепловыделяющей трубкой, а также на наружной поверхности нагревателя, размещены винтовые направляющие для радиальной закрутки потока соответственно вдоль внутренней и наружной поверхностей нагревателя. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции и уменьшение габаритов парогенерирующего устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Парогенерирующее устройство, включающее кожух и размещенный внутри него по принципу трубки Фильда, по крайней мере, один нагреватель, представляющий собой тепловыделяющую трубу, заглушенную с одного конца, а внутри нее со стороны открытого конца установлена по принципу трубки Фильда проходящая сквозь кожух нетепловыделяющая трубка для подвода теплоносителя, размещенная с торцевым и радиальным кольцевым зазорами, отличающееся тем, что полости с внешней и внутренней стороны нагревателя сообщены проходами для теплоносителя, причем в кольцевом зазоре, образованном между нагревателем и нетепловыделяющей трубкой, а также на наружной поверхности нагревателя размещены винтовые направляющие для радиальной закрутки потока соответственно вдоль внутренней и наружной поверхностей нагревателя.2. Парогенерирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что винтовые направляющие для радиальной закрутки потока теплоносителя выполнены либо в виде винтовых гофр или резьбы, либо в виде шнеков, либо в виде навитой проволоки.3. Парогенерирующее устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что винтовые направляющие имеют по ходу тракта теплоносителя переменный шаг закрутки.