ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ПРЯМОГО СМЕШИВАНИЯ ВОДЫ И ПАРА Российский патент 2008 года по МПК F22B3/06 F22G5/12 F22D1/28 

Изобретение относится к устройствам для подогрева воды или охлаждения пара (редуцирующе-охлаждающим устройствам - сокращенно РОУ) и может использоваться в теплоэнергетике, химической промышленности и всех других пароводоиспользующих производствах и отдельных предприятиях (например, прачечных) с узлами подогрева воды или охлаждения пара путем их прямого смешивания.

Известны конструкции аналогов редуцирующе-охлаждающих (пар) устройств - РОУ (быстродействующие - БРОУ), см., например. Каталог «Арматура энергетическая 5-77» НИИЭИНФОРМ-ЭНЕРГОМАШ, М., 1977 г., лист 34, БРОУ тип В-252. Конструкции аналогов предназначены для охлаждения пара с возможным сопутствующим охлаждению снижением его давления (редуцированием пара). Используемые в промышленности БРОУ представляют собой простые устройства в виде участка трубы, включенного прямо в трубопровод транспортирования пара к месту использования с, по меньшей мере, одним присоединенным к трубному участку маломерным штуцером подачи воды, направленным под острым углом к направлению транспортирования пара (или перпендикулярно ему). Перед местом присоединения штуцера подачи воды (по направлению движения пара) в трубном участке установлена рассекающая перегородка с отверстиями (перфорацией).

Работа конструкции аналога заключается в следующем: при транспортировании пара по трубопроводу с БРОУ (т.е. с трубным участком, имеющим штуцер подачи воды и перфорированную перегородку) в направлении к пароиспользующему приемнику, в штуцер подачи воды нагнетается охлаждающая вода. Перед контактом сред одна из них, а в данном случае это пар, проходит через перфорированную перегородку, увеличивающую местную скорость и турбулентность парового потока. Одновременно в БРОУ может быть осуществлено увеличение контактной поверхности подаваемой воды за счет увеличения числа штуцеров ее подачи, располагаемых друг за другом вдоль оси трубного участка. Впрыскиваемая струями вода попадает в турбулентное высокоскоростное паровое пространство, контактирует с паром и, воспринимая часть его тепловой энергии, испаряется (превращается в пар). Снятая испарением воды тепловая энергия понижает температуру и давление общего смешанного выходного потока. Поэтому пар, следующий дальше за трубным участком БРОУ по транспортной трубе, имеет более низкие температуру и давление. Таким образом, в конструкции аналога простейшими средствами реализован теплообменный процесс прямого смешивания воды и пара с целью охлаждения пара.

Недостатком известных конструкций, принятых за аналоги, являются пониженные: безопасность работы, срок службы конструкции;

повышенные: количество аварийных разрушений, шумовые характеристики.

Указанные недостатки аналогов обусловлены мгновенностью контакта разнородных газожидкостных фаз, стесненностью узкозамкнутого трубного пространства, принудительностью ввода добавочного потока, а значит, контактирования и смешивания фаз. Это и определяет резкий пульсационный характер смешивания и первичного существования общего потока в виде чередующихся участков разных фаз с разными температурами и давлениями. Пульсации внутреннего потока приводят к появлению вибрации трубной конструкции самого теплообменного устройства (прилегающих частей трубопровода и др.), возникновению шума. Особенно это характерно для начально-конечных периодов подачи сред и периодов настройки и режимов. В любой момент пуска, работы и останова БРОУ давление в контуре подаваемой воды должно гарантированно (с запасом) превышать давление транспортируемого пара. В противном случае возможно проникновение пара в водяной трубопровод с образованием эффекта вскипания воды, возникновения пульсирующего чередования паровых участков и водяных «пробок», теперь уже в трубопроводе подачи воды, еще более увеличивающих вибрации и шум в зонах мест установки БРОУ и прилегающих к ним трубопроводов, опор, площадок обслуживания.

Наиболее близким по технической сущности решением, принятым за прототип, является редукционно-охладительная установка по авторскому свидетельству СССР №267641, Бюллетень №13, 02.04.1970 г., описание опубликовано 07.07.1970 г., предназначенная для охлаждения (и сопутствующего ему изменения давления) пара. Известная редукционно-охладительная установка включает трубный участок транспортирования потока пара с, по меньшей мере, одним штуцером введения потока охлаждающего конденсата (воды) и разделительную диафрагму (перегородку с отверстием), установленную на паровом потоке. Причем штуцер введения воды (конденсата) присоединен к трубному участку транспортирования потока пара сразу за разделительной диафрагмой - перегородкой с отверстием. Далее по ходу парового потока (за разделительной перегородкой) внутри трубного участка установлено регулирующе-смесительное устройство в виде клапана со штоком; тарелкой; 4-мя седлами и возвратно-поступательным механизмом перемещения (штока). Тарелка клапана выполнена сложной «рюмочной» формой, обработанной под четыре посадочно-зазорных седла, размещенных (в трубном участке) друг за другом и скрепленных со стенкой трубы.

Работа конструкции, принятой за прототип, заключается в том, что при подаче пара в трубный участок (при открытом клапане - наличии потока) в зоне перегородки (диафрагмы) входящий поток пара сужается и проходит в (суженное) отверстие. На выходе из отверстия (перегородки) проток пара расширяется, постепенно захватывая факелом распыла (искаженным размещенной в потоке тарелкой клапана) все внутреннее сечение трубного участка. (Условно считаем камерное пространство между перегородкой и первым по потоку седлом более длинным, чем показано на рисунке авторского свидетельства.) В оставшейся незаполненной факелом распыла начальной зоне трубного участка (расположенной сразу за перегородкой) образуется условное разрежение (зона пониженного давления). Подача воды (конденсата) по штуцеру, присоединенному сразу за перегородкой, производится именно в эту зону. Поэтому контактирование воды с паром, смешивание их реализуется в более «плавных - мягких» формах взаимодействия в сравнении с описанными выше взаимодействиями в конструкциях аналогов (где подача - впрыск воды осуществлена принудительным путем - избыточным давлением, создаваемым в контуре воды).

Несмотря на исключение (свойственной аналогам) принудительной формы впрыска воды в паровой поток, конструкции прототипа присущи те же отмеченные недостатки аналогов: пониженные срок службы и безопасность эксплуатации; повышенные количества разрушений и шумовые характеристики.

Указанные недостатки причинно обусловлены первичным контактированием всего целого (не раздробленного на мелкие струи) транспортируемого потока пара и всего объема подаваемой воды сразу в одной-единственной камере, расположенной между перегородкой и отверстием (диафрагмой) и первым (по ходу пара) посадочно-зазорным седлом. Контактирование двух полнообъемных потоков в одной камере не может не вызвать возникновения пульсаций. Другой причиной пониженного срока службы является одновременное использование в качестве смесителя высокоточного регулирующего устройства (с механизмом возвратно-поступательного перемещения). Данное совмещение приводит к тому, что долговечность смесителя, его безремонтный «пробег» снижены на порядок, т.к. становятся равными безремонтному пробегу механизма с подвижными элементами.

Целью предложенного решения является увеличение срока службы конструкции, повышение безопасности эксплуатации, снижение количества аварийных разрушений и шумовых характеристик теплообменных устройств прямого смешивания воды и пара.

Указанная цель достигается тем, что в известном теплообменном устройстве прямого смешивания воды и пара, включающем трубный участок транспортирования потока пара (или воды) с, по меньшей мере, одним штуцером введения воды (или пара) и перегородкой с отверстиями перегородка соединена с одним торцом введенного и размещенного вдоль оси трубного участка, по меньшей мере, одного патрубка, так, что в патрубке оставлено, по меньшей мере, одно отверстие перегородки, причем на втором торце установлена вторая перегородка так, что обеими перегородками в трубном участке образована межпатрубковая полость, с которой соединен штуцер введения потока воды (или пара), а в стенках патрубков выполнен, по меньшей мере, один канал, размещенный вблизи входной перегородки. Отверстия в перегородках выполнены по наружному диаметру патрубков, которые вставлены в них заподлицо. Оси всех выполненных в патрубках каналов расположены на расстояниях, приблизительно равных половине внутреннего диаметра патрубка от плоскости входной перегородки.

Предложенное изобретение поясняется на Фиг.1, 2, 3.

На Фиг.1 приведено продольное сечение транспортного трубопровода пара (или воды) с предложенным теплообменным устройством прямого смешивания воды и пара в виде трубного участка с замкнутой полостью, образованной двумя перегородками, и системой патрубков. Полость соединена со штуцером введения потока воды (или пара). Диаметр отверстия в перегородке «d_o» меньше внутреннего диаметра отверстия патрубка «D_o». Диаметр основного трубопровода и трубного участка равны.

На Фиг.2 приведен фрагмент продольного сечения того же трубного участка с диаметром отверстия «d₁», равным внутреннему диаметру «D₁» патрубка, с размещением патрубка в перегородке заподлицо. Расстояние «L» - это расстояние между осью выполненного в патрубке канала и входной плоскостью перегородки. Диаметр трубного участка больше диаметра основного транспортного трубопровода.

На Фиг.3 приведено поперечное сечение межпатрубковой полости по плоскости осей каналов, выполненных в патрубках.

Конструкция предложенного теплообменного устройства прямого смешивания воды и пара состоит из установленного в трубопроводе 1 транспортирования потока пара (тогда теплообменное устройство предназначено для его охлаждения, или воды - тогда устройство служит для ее подогрева) трубного участка 2. Трубный участок 2 может быть выполнен с расширением диаметра относительно основного трубопровода 1 посредством переходов 3 (Фиг.2) или быть того же диаметра, что и основной трубопровод 1 (Фиг.1). В трубном участке 2 установлены: входная перегородка 4 с отверстиями 5, которые по Фиг.1 имеют диаметр «d_o» меньше внутреннего диаметра «D_o» патрубков 6. В варианте по Фиг.2 диаметр отверстия в перегородке «d₁» равен наружному диаметру «D₁» патрубков 6. Вторая выходная перегородка 7 в обоих вариантах выполнена с диаметром отверстий «d₁» всегда равным наружному диаметру «D₁» патрубков 6. Образованная перегородками 4 и 7 межпатрубковая полость 8 соединена со штуцером 9 подачи добавочного потока. В патрубках 6, вблизи входной перегородки 4, а по варианту Фиг.2 - на расстоянии «L» от внешней полости входной перегородки 4, равном половине внутреннего диаметра патрубка 6, выполнен канал 10. Трубный участок 2 может быть вварен в транспортный трубопровод 1, а может быть присоединен к нему разъемными фланцевыми парами 11 и 12.

Работа предложенной конструкции теплообменного устройства, например, в режиме РОУ (редуцирующе-охлаждающего устройства) для пара заключается в следующем. По трубопроводу 1 основной поток - поток пара транспортируется к пароиспользующему приемнику. Войдя в трубный участок 2, вставленный в трубопровод 1 посредством фланцевых соединений 11 и 12, поток пара разбивается входной перегородкой 4 на проникающие в отверстия 5 мини-потоки, следующие затем по патрубкам 6 к их дальнему торцу, закрепленному в выходной перегородке 7. В это же время в межпатрубковую полость 8 (межтрубное пространство, образованное перегородками 4 и 7) подается охлаждающая (обессоленная) вода или конденсат через штуцер 9. Из полости 8 вода поступает в выполненные в патрубках 6 вблизи входной перегородки 4 (по варианту Фиг.1) каналы 10 (по Фиг.2 оси каналов 10 отстоят от полости входной перегородки 4 на расстояние «L», равное половине внутреннего диаметра патрубков 6 - «D_o»). Таким образом, по каналам 10 охлаждающая вода попадает внутрь патрубков 6 с паровыми мини-потоками. Так же как и в конструкции прототипа, воспринимая часть тепловой энергии пара, вода испаряется (превращается в пар). Затраченная на нагрев и испарение введенной (охлаждающей) воды тепловая энергия входного пара понижает температуру и давления исходного - первичного пара, поступившего в трубный участок 2. Образующаяся на выходе (после выходной перегородки 7) паровая фаза представляет собой смешанный поток исходного пара, отдавшего часть тепловой энергии и вновь образованного - испаренного пара из добавленной воды.

Принципиально таким же образом предложенное теплообменное устройство прямого смешивания воды и пара работает в «перевернутом» режиме - подогревателя воды, когда основной поток - вода, а добавочный - пар (поэтому отдельно условно не описывается).

Благодаря предложенному решению достигнуто следующее. Разбивкой основного потока на мини-потоки введенными патрубками 6, образованием двумя введенными перегородками 4 и 7 полости 8, к центральной части (к стенке) которой свободно присоединен штуцер 9 нужного диаметра подачи добавочного потока, а также выполнением в патрубках 6 вводных каналов 10 (с размещением их у самого торца входной перегородки 4) реализовано попадание добавочного потока в большое количество сравнительно коротких зон разрежения (вакуума), возникающих сразу за каждым местным резким сужением потока, т.е. за плоскостью входа в каждый патрубок. (В отличие от конструкции прототипа, где контактирование фаз реализовано в одном общем камерном пространстве). Введенное дробление общей зоны разрежения на более мелкие внутрипатрубочные микрообъемы увеличивает условную продолжительность контактирования фаз (в предельном варианте в количество раз равное числу патрубков). Множественность патрубков и каналов (в каждом патрубке по одному каналу, как показано на Фиг.3, но может быть и больше) уменьшает (на общее число каналов) порционность введения добавочной фазы увеличивает контактные поверхности взаимодействия обоих потоков. Пар от вскипающей воды после всасывания сначала заполняет многочисленные зоны разрежения патрубков 6 и только в следующие мгновения уносится основным потоком. За счет введенных: многопатрубочности и многоканальности возникает автоматическое регулирование («добровольная раздача») добавочного потока из плоскости по патрубкам и каналам. То есть, например, если полученная подсосом отдельным каналам отдельного патрубка порция добавочного потока еще не «рассосалась» и не отправилась «на выход», следующую порцию, имея чуть повышенное давление, канал «не берет», в это время работают другие каналы других патрубков, затем, после окончания обработки ранее принятой порции, вновь приходит очередь и этого канала. Смягчена резкость контактного процесса.

Реализация описанных механизмов и дает исключение: - пульсаций смешивания и пульсаций движения, высокой степени неоднородности существующих (смешиваемых и смешанного) потоков, тем самым исключает вибрации и шум, приводит к обеспечению безаварийности и увеличению срока службы конструкции теплообменного устройства. Массовое использование предложенной конструкции в виде серийно выпускаемых РОУ, БРОУ, подогревателей питательной и речной воды создаст большой экономический эффект, т.к. снизятся затраты на обеспечение безопасности, безаварийности (исключение частых ремонтов и замен), на защиту рабочих мест от вибрации и шума.

Изобретение предназначено для теплообмена и может быть использовано в любых производствах. Теплообменное устройство прямого смешивания воды и пара включает трубный участок транспортирования потока пара (или воды) с, по меньшей мере, одним штуцером введения потока воды (или пара) и перегородкой с отверстиями. Перегородка соединена с одним торцом введенного и размещенного вдоль оси трубного участка, по меньшей мере, одного патрубка так, что в патрубке оставлено, по меньшей мере, одно отверстие перегородки. На втором торце установлена вторая перегородка так, что обеими перегородками в трубном пространстве образована межпатрубковая полость, с которой соединен штуцер введения потока воды, а в стенках патрубков выполнен, по меньшей мере, один канал, размещенный вблизи входной перегородки. Изобретение позволяет увеличить срок службы конструкции, снизить число аварийных разрушений, повысить безопасность, уменьшить шум при нормальной работе и в неустановившихся режимах. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменное устройство прямого смешивания воды и пара, включающее трубный участок транспортирования потока пара (или воды) с, по меньшей мере, одним штуцером введения потока воды (или пара) и перегородкой с отверстиями, отличающееся тем, что перегородка соединена с одним торцом введенного и размещенного вдоль оси трубного участка, по меньшей мере, одного патрубка так, что в патрубке оставлено, по меньшей мере, одно отверстие перегородки, причем на втором торце установлена вторая перегородка так, что обеими перегородками в трубном пространстве образована межпатрубковая полость, с которой соединен штуцер введения потока воды, а в стенках патрубков выполнен, по меньшей мере, один канал, размещенный вблизи входной перегородки.2. Теплообменное устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия в перегородках выполнены по наружному диаметру патрубков, которые вставлены в них заподлицо.3. Теплообменное устройство по п.2, отличающееся тем, что оси всех выполненных в патрубках каналов расположены на расстояниях от плоскости входной перегородки, приблизительно равных половине внутреннего диаметра патрубка.