Вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения Российский патент 2023 года по МПК F24D3/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для удаления газов из питательной воды систем отопления и горячего водоснабжения одновременно с введением реагентов для коррекционной обработки воды.

Деаэраторные установки используют на тепловых электрических станциях (ТЭС) и в котельных для предотвращения коррозии энергетического оборудования путём удаления из воды коррозионно-активных газов. Для водогрейных котельных, где отсутствует пар и работающие с применением пара атмосферные деаэраторы, а температура нагрева воды часто менее 100 градусов, приходится применять вакуумную деаэрацию.

Известен деаэратор вакуумный ДВ-5 (https://boiler-teplo.ru/vodopodgotovitelnoe-oborudovanie/deaeratoryi/deaeratoryi-vakuumnyie/deaeratoryi-vakuumnyie-dv/deaerator-vakuumnyij-dv-5.html). Вакуумный деаэратор ДВ-5- сложное техническое устройство, включающее двухступенчатую схему деаэрации воды: 1-ая - струйная, 2-ая - барботажная, где применяется непровальная дырчатая тарелка.

При номинальном расходе воды 5 м³/час он характеризуется большими габаритами и весом (только высота колонки деаэраторной камеры составляет около 3 метров, и вся конструкция должна располагаться на высоте около 10 метров), а также большими энергозатратами на создание вакуума. При таких габаритах очень трудно обеспечить герметичность конструкции. Кроме того, деаэрированная вода выходит без давления и не может сразу подаваться на подпитку теплосети.

Известен вакуумный деаэратор БВД-5 (https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293843/4293843014.pdf), содержащий деаэраторный бак с насадками объемом 1м³, водокольцевые вакуумные насосы и насосы подачи воды потребителю. Габариты деаэратора составляют 1,9*2,04*3,44м, масса установки (без воды) 580кг, с водой 1100кг. Деаэратор БВД-5 обеспечивает получение хорошей деаэрации при температуре исходной воды 65 градусов и выше, и давлении воды на входе 0,2-0,5 МПа.

Недостатком такого деаэратора является большие габариты, металлоемкость и энергозатраты, что затрудняет их применение в блочно-модульных котельных.

Из уровня техники известен вакуумный деаэратор системы тепло - или горячего водоснабжения (RU 85611, кл. F24D 3/02, F24D 17/00, C02F 1/20, 2009 г), содержащий источник подачи нагретой исходной воды с выходным трубопроводным участком принудительного подвода нагретой исходной воды, имеющим встроенный в его трубопровод автоматический регулирующий клапан и подключенный к входу вакуумного деаэратора, который соединен своим выходом с помощью трубопроводного участка выхода деаэрированной горячей воды с входом бака для аккумулирования деаэрированной горячей воды, снабженного датчиком уровня воды, связанным с упомянутым автоматическим регулирующим клапаном, и имеющего выход на трубопроводный участок потребления деаэрированной горячей воды с встроенным в нем насосом подачи потребителю деаэрированной горячей воды. В устройство также введен трубопроводный участок непрерывного отвода деаэрированной воды со встроенным в него насосом, имеющим автоматический регулятор производительности последнего, связанный с датчиком расхода воды на входе вакуумного деаэратора, Указанный трубопроводный участок непрерывного отвода деаэрированной воды соединяет выход вакуумного деаэратора с врезкой в трубопровод участка принудительного подвода нагретой исходной воды на участке между его автоматическим регулирующим клапаном и датчиком расхода воды на входе вакуумного деаэратора. Бак для аккумулирования деаэрированной горячей воды выполнен в виде мерного бака с уменьшенным объемом.

Недостатком известной системы является работа только на подогретой воде, необходимость применения эжектора с соответствующим насосом для создания вакуума, дополнительного насоса для рециркуляции со сложной системой взаиморегуляции потоков воды потребителю и возврата на рециркуляцию, что значительно увеличивает энергозатраты, материалоемкость установки и габариты.

Известен вакуумный деаэратор периодического действия (RU 2194671, кл. C02F 1/20, 200 г), содержащий деаэратор с патрубком подвода деаэрируемой воды на криволинейную поверхность, патрубками отвода парогазовой фазы и деаэрированной воды. Устройство снабжено механизмом изменения объема деаэратора в виде мембраны с жестким центром и накопителем, выполненным заодно с деаэратором. Патрубок подвода деаэрируемой воды снабжен впускным клапаном, а каждый из патрубков отвода снабжен выпускным клапаном. Механизм изменения объема деаэратора и выпускной клапан патрубка отвода парогазовой фазы соединен с приводом с возможностью синхронизации их работы.

Принцип действия вакуумного деаэратора основан на периодическом изменении внутреннего объёма деаэратора с созданием вакуума при увеличении объёма и проведении этапа деаэрации с последующем уменьшении внутреннего объёма и проведением этапа вытеснения сначала выделившихся газов в атмосферу через клапан выпуска газов, а после этого вытеснением деаэрированной воды потребителю через выпускной клапан воды при избыточном давлении.

Недостатком данного вакуумного деаэратора является техническая затруднёность большого относительного изменения внутреннего объёма деаэратора для обеспечения достаточного вакуума из-за того, что при увеличении площади и хода мембраны с жестким центром значительно возрастают силовые нагрузки на механизм привода жесткого центра. Учитывая необходимость создания достаточного избыточного давления для подачи деаэрированной воды потребителю, это приводит к увеличению массы установки и энергозатрат. При этом получаемое значение вакуума недостаточно, чтобы проводить деаэрацию воды без подогрева.

В качестве прототипа выбран вакуумный деаэратор (Руководство по эксплуатации SI1456ru_9125393_Servitec_Sonderanlage.pdf). Вакуумный деаэратор включает деаэрационную камеру в виде вакуумной распылительной трубы внутренним объемом от 40 до 104 дм³, насос, форсунку для распыления исходной воды в деаэраторной камере, клапан подачи воды на форсунку, запорную арматуру, датчик нижнего уровня воды в деаэрационной камере и систему управления.

Принцип работы установки основан на том, что при откачивании воды из деаэрационной камеры насосом в количестве, превышающем объем подачи воды на деаэрацию, над поверхностью воды в деаэрационной камере образуется зона разрежения и при впрыскивании через форсунку исходной подогретой воды происходит выделение растворенных газов и пара. Вода после насоса по магистрали подается потребителю. В исходном состоянии деаэрационная камера и насос заполнены водой, клапан подачи воды на форсунку закрыт.

Недостатками известной установки является низкое качество деаэрированной воды из-за того, что на стадии выпуска парогазовой смеси вытеснение газов производится недеаэрированной водой, которая остаётся в деаэрационной камере до начала следующего цикла деаэрации и попадает потребителю, а также из-за малого времени нахождения капель распылённой воды в вакууме, особенно в начале цикла деаэрации, из-за чего часть растворенных газов не успевает выделиться. Это приводит к тому, что количество удалённого кислорода из деаэрируемой воды составляет менее 90% от имевшегося, т.е. более 10% растворённого кислорода остаётся в деаэрированной воде и поступает к потребителю, вызывая коррозионные разрушения оборудования и теплосети. Недостаточное качество деаэрации при одном проходе воды через деаэрационную камеру принуждает постоянно пропускать сетевую воду для дополнительной деаэрации, что увеличивает энергозатраты.

Проблемой, на решение которой направлено изобретение, является разработка конструкции вакуумного деаэратора для возможности его использования в малогабаритных блочно - модульных котельных без использования вакуумного насоса и без подогрева воды для деаэрации.

Техническим результатом изобретения является повышение качества деаэрированной воды.

Поставленная проблема и заявленный технический результат достигаются за счет того, что вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения включает систему управления, деаэрационную камеру, в верхней части которой установлена форсунка для распыления исходной воды, клапан подачи воды на форсунку и клапан выпуска газов, а снизу, датчик нижнего уровня воды, выходной патрубок, связанный с насосом и обратный клапан. Согласно изобретению, в верхней части деаэрационной камеры, на уровне от 0,1 до 0,5 ее высоты от верха дополнительно установлен датчик начала деаэрации, а за насосом дополнительно смонтирован мембранный расширительный резервуар запаса деаэрированной воды для вытеснения парогазовой смеси, за которым расположен обратный клапан, подсоединенный к магистрали подачи подготовленной воды потребителю.

Объем мембранного расширительного резервуара запаса деаэрированной воды целесообразно выполнять от 0,8 до 1,5 объема деаэраторной камеры. При этом уменьшение объема мембранного расширительного резервуара меньше 0,8 объема деаэраторной камеры не обеспечит полного вытеснения парогазовой смеси из деаэраторной камеры, а превышение объема мембранного расширительного резервуара свыше 1,5 объема деаэраторной камеры - нецелесообразно, т.к. ведет к неоправданным увеличениям габаритов.

Форсунка для распыления исходной воды в деаэрационной камере должна быть смонтирована над датчиком начала деаэрации.

Наличие датчика начала деаэрации на уровне от 0,1 до 0,5 высоты деаэрационной камеры от верха позволяет проводить деаэрацию исходной воды только при достижении достаточного объёма вакуумной среды в верхней части деаэраторной камеры, что обеспечивает хорошее качество деаэрации. При этом установка датчика начала деаэрации выше 0,1 высоты деаэрационной камеры от верха не обеспечит необходимого объема вакуумной среды для достаточного извлечения из исходной воды газов, а, следовательно, и качества деаэрации, а установка датчика начала деаэрации ниже 0,5 высоты деаэраторной камеры от верха - нецелесообразна из-за снижения производительности деаэратора.

Установка мембранного расширительного резервуара за насосом и перед обратным клапаном позволяет исключить вытеснение парогазовой смеси недеаэрированной водой и её попадание потребителю, что многократно снижает содержание растворённого кислорода в деаэрированной воде по сравнению с вытеснением недеаэрированной водой и, соответственно, исключает коррозию оборудования и теплосетей.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена функциональная схема вакуумного деаэратора периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения.

На чертеже позициями обозначено:

1 - деаэрационная камера;

2 - форсунка для распыления исходной воды;

3 - клапан подачи исходной воды на форсунку;

4 - клапан выпуска газов;

5 - датчик начала деаэрации;

6 - датчик нижнего уровня воды;

7 - насос;

8 - выходной патрубок;

9 - магистраль подачи воды потребителю;

10 - мембранный расширительный резервуар запаса деаэрированной воды;

11 - обратный клапан.

Вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения работает следующим образом.

В исходном состоянии деаэрационная камера 1 и насос 7 заполнены водой. Клапан 3 подачи исходной воды на форсунку 2 закрыт. Установка находится в режиме ожидания. При поступлении в систему управления (на чертеже не показано) сигнала, например, от датчика давления теплосети (на чертеже не показано) о снижении давления, система управления включает насос 7, который через выходной патрубок 8 начинает откачивать воду из деаэрационной камеры 1. При откачивании воды из деаэрационной камеры 1 в ней создается глубокий вакуум (-0,9-0,95 бар) и в воде начинает осуществляться усиленное парообразование, что позволяет насосу 7 откачать воду в объеме образовавшихся разреженных паров до уровня датчика 5 начала деаэрации, обеспечивающего необходимое качество деаэрации. При срабатывании датчик 5 начала деаэрации система управления открывает клапан 3 подачи исходной воды на форсунку 2, начинается цикл деаэрации. В вакуумную среду над поверхностью воды начинает распыляться форсункой 2 исходная вода. В распылённой воде начинает осуществляться выделение растворённых газов в вакуумную среду. Насос 7 продолжает откачку деаэрированной воды из деаэрационной камеры 1, при этом сначала деаэрированная вода поступает в мембранный расширительный резервуар 10 запаса воды, т.к. давление в нём небольшое после предыдущего процесса вытеснения парогазовой среды и он опорожнен, а после его заполнения и повышения давления, поступает потребителю через обратный клапан 11 в магистраль 9. В деаэрационной камере 1 сохраняется глубокий вакуум, происходит выделение газов и паров и уровень воды в деаэрационной камере 1 продолжает постепенно понижаться, а объем над поверхностью воды занимают выделившиеся пары и газы в очень разреженном состоянии. Когда уровень воды в деаэрационной камере 1 становится низким, срабатывает датчик 6 нижнего уровня воды и система управления закрывает клапан 3 подачи исходной воды на форсунку 2 и выключает насос 7. Цикл деаэрации закончен. Деаэрированная вода из мембранного расширительного резервуара 10 запаса воды через насос 7 обратным ходом поступает в деаэрационную камеру 1. Вакуум в деаэрационной камере 1 уменьшается и по мере повышения уровня воды становится выше атмосферного, т.к. давление воды в мембранном расширительном резервуаре 10 выше атмосферного, газы и пары удаляются в атмосферу через клапан 4 выпуска газов. За счет того, что площадь контакта воды и газов в деаэрационной камере 1 минимальна, вода не перемешивается струями, как в прототипе, а поднимается вверх как поршень и процесс вытеснения парогазовой смеси происходит быстро. Обратное растворение газов в воде практически не происходит и то малое количество, которое успеет появиться в верхнем тонком слое воды при начале следующего цикла деаэрации, удаляется до включения клапана 3 подачи исходной воды на форсунку 2 за счет глубокого вакуума над поверхностью воды. Когда вода полностью заполнит деаэрационную камеру 1, вакуумный деаэратор периодического действия переходит в исходное состояние и ждет сигнал на следующее включение.

Использование заявленного вакуумного деаэратора периодического действия позволяет при минимальных габаритах, металлоемкости и энергозатратах повысить качество деаэрации, исключив попадание недеаэрированной исходной воды в деаэрированную при вытеснении парогазовой смеси. За счет нахождения продолжительное время исходной воды в распыленном виде в вакуумной среде уже в начале деаэрации, повышается качество деаэрации, доводя его близким к нормативным значениям содержания остаточного кислорода в воде без использования предварительного подогрева воды.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для удаления газов из питательной воды систем отопления и горячего водоснабжения одновременно с введением реагентов для коррекционной обработки воды. Техническим результатом изобретения является повышение качества деаэрированной воды. Вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения включает систему управления, деаэрационную камеру 1, в верхней части которой установлена форсунка 2 для распыления исходной воды, клапан 3 подачи воды на форсунку 2 и клапан 4 выпуска газов, а снизу - датчик 6 нижнего уровня воды, выходной патрубок 8, связанный с насосом 7, и обратный клапан 11. Согласно изобретению в верхней части деаэрационной камеры 1 на уровне от 0,1 до 0,5 ее высоты от верха дополнительно установлен датчик 5 начала деаэрации, а за насосом 7 дополнительно смонтирован мембранный расширительный резервуар 10 запаса деаэрированной воды для вытеснения парогазовой смеси, за которым расположен обратный клапан 11, подсоединенный к магистрали 9 подачи подготовленной воды потребителю. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения, включающий систему управления, деаэрационную камеру, в верхней части которой установлена форсунка для распыления исходной воды, клапан подачи воды на форсунку и клапан выпуска газов, а снизу - датчик нижнего уровня воды, выходной патрубок, связанный с насосом, и обратный клапан, отличающийся тем, что в верхней части деаэрационной камеры на уровне от 0,1 до 0,5 ее высоты от верха дополнительно установлен датчик начала деаэрации, а за насосом дополнительно смонтирован мембранный расширительный резервуар запаса деаэрированной воды для вытеснения парогазовой смеси, за которым расположен обратный клапан, подсоединенный к магистрали подачи подготовленной воды потребителю.

2. Вакуумный деаэратор по п. 1, отличающийся тем, что объем мембранного расширительного резервуара запаса деаэрированной воды выполнен от 0,8 до 1,5 объема деаэраторной камеры.

3. Вакуумный деаэратор по п. 1, отличающийся тем, что форсунка для распыления исходной воды в деаэрационной камере смонтирована над датчиком начала деаэрации.