Система химической водоподготовки для котельных Российский патент 2024 года по МПК F17D3/12 C02F1/68 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах водоподготовки для дозирования реагентов в котельных и тепловых пунктах.

Подготовка воды в системе теплоносителя по большей части связана с химической обработкой реагентами, напрямую влияющими на надежность, качество и экономическую эффективность работы предприятий тепловых сетей, тепло- и электростанций. Система подготовки воды для котлов, питательных трактов, внутренних поверхностей теплоэнергетического и сетевого оборудования обеспечивает их надежную защиту от таких неблагоприятных явлений как: накипь - образование отложений силикатов, окислов железа, карбонатов и т.д.; шлам; коррозия (углекислотная, хлоридная, кислородная и проч.).

Из уровня техники известна система химводоподготовки (RU 2577676, кл. F17D 3/12, F04F 7/02, 2016 г.), использующая кинетическую энергию движения воды, в которую производится дозирование реагента, и содержащая подводящую трубу с ударным клапаном, дозирующее мембранное устройство в виде напорного колпака с впускным и перепускным клапанами, внутри которого размещена резиновая камера, разделяющая его полость на две изолированные друг от друга части, одна из которых связана с подводящей трубой на участке до ударного клапана по ходу движения жидкости, а вторая с впускным и перепускным клапанами. Устройство также содержит нагнетательную трубу, соединенную одним концом с перепускным клапаном, регулятор расхода с контролирующим элементом, три гидроаккумулятора, всасывающий трубопровод и емкость для реагента. Первый гидроаккумулятор включен в подводящую трубу за ударным клапаном, второй гидроаккумулятор включен в подводящую трубу до напорного колпака, третий гидроаккумулятор и регулятор расхода, последовательно подключены к нагнетательной трубе, соединенную вторым концом с подводящей трубой на участке перед контролирующим элементом. Всасывающий трубопровод соединен с впускным клапаном и емкостью для реагента.

Известная система химводоподготовки является сложной. Наличие трех гидроаккумуляторов, ударного клапана, регулятора расхода с контролирующим элементом ведет к удорожанию оборудования, что затруднительно для применения в малогабаритных котельных.

В качестве прототипа выбрана система химической водоподготовки (RU 2811005, кл. C02F 1/18, F04F 7/02, F17D 3/12, 2024 г.), использующая кинетическую энергию движения воды, в которую производится дозирование реагента, и содержащая питательный трубопровод с ударным узлом в виде ударного клапана, мембранного дозатора реагента в виде импульсного нагнетателя с обратными клапанами входа и выхода, внутри которого размещена эластичная диафрагма, разделяющая его внутреннюю полость на две изолированные друг от друга полости, всасывающий и нагнетательный трубопроводы, регулятор расхода с контролирующим элементом, емкость для жидкого реагента и три гидравлических аккумулятора, где первая гидравлически изолированная полость импульсного нагнетателя связана с питательным трубопроводом на входе ударного узла, а вторая полость - с обратными клапанами входа и выхода. Всасывающий трубопровод соединен одним концом с обратным клапаном входа, а вторым - с емкостью для жидкого реагента. Контролирующий элемент установлен в питательном трубопроводе на выходе ударного узла. Нагнетательный трубопровод соединен одним концом с обратным клапаном выхода, а вторым концом подключен к питательному трубопроводу между ударным узлом и контролирующим элементом. Первый гидравлический аккумулятор и регулятор расхода подключен последовательно в нагнетательный трубопровод, второй гидравлический аккумулятор подключен к питательному трубопроводу между ударным узлом и контролирующим элементом, а третий гидравлический аккумулятор подключен в питательную трубу до импульсного нагнетателя. Система химической водоподготовки также снабжена перепускным трубопроводом и двумя регуляторами давления. Первый регулятор давления установлен в нагнетательный трубопровод между первым гидравлическим аккумулятором и регулятором расхода, а второй регулятор давления установлен последовательно в перепускной трубопровод, один конец которого подключен к нагнетательному трубопроводу между первым гидравлическим аккумулятором и регулятором расхода, а второй конец - во всасывающий трубопровод.

Известная система очень сложна для возможности ее использования в малогабаритных котельных, требует многочисленных операций по настройке при подготовке к работе. Кроме того, всасывание реагента происходит за счёт импульса разрежения в питающем трубопроводе после импульсного пикового повышения давления при гидроударе во время закрытия ударного клапана, которого из-за кратковременного импульса разрежения может не хватить для полного засасывания реагента, что снижает точность дозирования. Соответственно, все клапаны и регуляторы давления должны иметь очень высокое быстродействие, что технически затруднительно. Постоянные гидроудары с высокими значениями пикового давления и следующие за ними импульсы появления вакуума приводят к кавитационным явлениям, снижающим надёжность работы всего оборудования.

Проблемой, на решение которой направлено изобретение, является усовершенствование известных систем водоподготовки с возможностью использования кинетической энергии движения воды и статической энергии давления воды в трубопроводе, в который производится дозирование реагента.

Техническим результатом изобретения является упрощение системы химической водоподготовки, повышение ее надёжности и точности дозирования для возможности использования, в том числе и в малогабаритных котельных.

Поставленная проблема решается, а заявленный технический результат достигается за счёт того, что система химической водоподготовки для котельных содержит магистральный трубопровод, всасывающий трубопровод, связывающий с магистральным трубопроводом емкость для химического реагента через канал с впускным и выпускным клапанами мембранного дозатора, включающего дозаторную и приводную камеры, разделенные мембраной. Согласно изобретению к магистральному трубопроводу перед всасывающим трубопроводом по ходу движения воды подключен перепускной трубопровод, на котором последовательно установлены два управляемых моментом открытия/закрытия клапана, работающих в попеременном режиме, а между ними подключен патрубок, связывающий перепускной трубопровод с приводной камерой мембранного дозатора. В корпусе мембранного дозатора установлена сборка, включающая разделительное кольцо, в котором образован канал, связывающий полость разделительного кольца с окружающей атмосферой. С двух противоположных сторон разделительного кольца закреплены мембраны, одна из которых большая по размеру обращена в сторону приводной камеры, а другая, меньшая – в сторону дозаторной камеры. Между мембранами расположен толкатель. В мембранном дозаторе со стороны одной из мембран установлена возвратная пружина.

Выход перепускного трубопровода подключен к линии дренажа.

Приводная камера снабжена ограничителем хода мембраны приводной камеры для установки дозы химического реагента.

Площадь мембраны, обращенной к приводной камере, преимущественно превышает площадь мембраны, обращенной к дозаторной камере в два раза с учётом обычного диапазона давления в магистральном трубопроводе от 1 бара и выше и усилия возвратной пружины для засасывания реагента на высоту до 3 метров. Такой диапазон давления в магистральном трубопроводе поддерживается в котельной для обеспечения ее стабильной работы и является обычным для большинства котельных, а большего усилия возвратной пружины для засасывания реагента на высоту более 3 метров не требуется.

Подключение к магистральному трубопроводу перед всасывающим трубопроводом по ходу движения воды перепускного трубопровода с последовательно установленными на нем двумя управляемыми моментом открытия/закрытия клапанами, работающими в попеременном режиме, а также наличие патрубка, связывающего перепускной трубопровод с приводной камерой мембранного дозатора, создает условия для попеременного подведения в приводную камеру воды из магистрального трубопровода под давлением для вытеснения дозы химического реагента из дозаторной камеры в магистральный трубопровод с последующим сбросом давления до атмосферного при заполнении дозаторной камеры химическим реагентом.

Установка в корпусе мембранного дозатора сборки, включающей разделительное кольцо, с двух противоположных сторон которого установлены мембраны, одна из которых большая по размеру обращена в сторону приводной камеры, а другая, меньшая – в сторону дозаторной камеры, позволяет осуществлять вытеснение химического реагента из дозаторной камеры при одинаковом давлении в перепускном и всасывающем трубопроводах за счёт того, что усилие для вытеснения дозы реагента, развиваемое большой мембраной приводной камеры, намного больше усилия сопротивления, развиваемое малой мембраной дозаторной камеры и возвратной пружиной. За счет чего большее усилие от мембраны приводной камеры передаётся толкателем на меньшую мембрану, обращенную к дозаторной камере, приводя к вытеснению дозы реагента из дозаторной камеры.

Канал, связывающий полость разделительного кольца с атмосферой, обеспечивает поддержание давления внутри разделительного кольца всегда на уровне атмосферного, исключая колебания давления внутри разделительного кольца, которые иначе возникают при одновременном движении на одинаковую длину большой мембраны приводной камеры и малой дозаторной камеры и влияют на баланс сил на толкателе.

Наличие толкателя между мембранами осуществляет передачу большого усилия от большей мембраны приводной камеры на малую мембрану дозаторной камеры и тем самым производит вытеснение дозы химического реагента из дозаторной камеры.

Наличие в дозаторной и/или в приводной камере возвратной пружины позволяет по окончании вытеснения реагента из дозаторной камеры и снятия избыточного давления в приводной камере перевести сборку мембран и толкателя в сторону приводной камеры, увеличивая объём дозаторной камеры до максимального для засасывания реагента из емкости химического реагента и приводя мембранный дозатор в исходное состояние для вытеснения последующей дозы химического реагента в магистральный трубопровод. Как правило, усилие пружины подбирают таким образом, чтобы обеспечить засасывание реагента на высоту 3 метра.

Изобретение иллюстрируется принципиальной схемой, на которой позициями обозначено:

1 - магистральный трубопровод;

2 - емкость для химического реагента;

3 - мембранный дозатор;

4 - впускной клапан мембранного дозатора 3;

5 - выпускной клапан мембранного дозатора 3;

6 - дозаторная камера мембранного дозатора 3;

7 - мембрана, обращенная в сторону дозаторной камеры 6;

8 - приводная камера мембранного дозатора 3;

9 - мембрана, обращенная в сторону приводной камеры 8;

10 - толкатель;

11 - разделительное кольцо;

12 - корпус дозаторной камеры;

13 - корпус приводной камеры;

14 - перепускной трубопровод, подключенный к магистральному трубопроводу 1;

15 - всасывающий трубопровод, подключенный к магистральному трубопроводу 1 по ходу потока воды за перепускным трубопроводом 14;

16 - первый управляемый моментом открытия/закрытия клапан, установленный на перепускном трубопроводе 14;

17 - второй управляемый моментом открытия/закрытия клапан, установленный на перепускном трубопроводе 14, расположенный за клапаном 16;

18 - линия дренажа, которая подключена за выходом второго управляемого клапана 17;

19 - патрубок, подключенный между клапанами 16 и 17 к перепускному трубопроводу 14 и связывающий перепускной трубопровод 14 с приводной камерой 8 мембранного дозатора 3;

20 - канал, соединяющий впускной клапан 4 мембранного дозатора 3 с выпускным клапаном 5 и дозаторной камерой 6;

21 - возвратная пружина мембранного дозатора 3;

22 - ограничитель хода эластичных мембран 7 и 9 и толкателя 10;

23 - канал, соединяющий полость внутри разделительного кольца 11 с атмосферой.

Система химической водоподготовки работает следующим образом.

В исходном состоянии управляемые клапаны 16 и 17 закрыты. Объём дозаторной камеры 6 мембранного дозатора 3 максимальный и она заполнена дозируемым химическим реагентом. Впускной клапан 4 и выпускной клапан 5 мембранного дозатора 3 закрыты за счет противодавления от точки ввода дозируемого химического реагента в магистральный трубопровод 1. При поступлении сигнала (например, с датчика расхода воды о пройденном заданном количестве воды, на рисунке не показан) система управления (на рисунке не показана) для выдачи одной дозы реагента мембранным дозатором 3 открывает первый управляемый клапан 16, он соединяет магистральный трубопровод 1 с линией патрубка 19 и с приводной камерой 8. Давление в перепускном трубопроводе 14 и во всасывающем трубопроводе 15 одинаковые и равны давлению в магистральном трубопроводе 1, но усилия, развиваемые на мембранах 7 и 9, будут различны. При давлении воды в магистральном трубопроводе 1 от 1 бара и выше с площадью большей мембраны 9, превышающей в 2 раза площадь меньшей мембраны 7, усилие на толкатель 10 также будет в два раза больше. Такое соотношение площадей мембран 7 и 9 необходимо для преодоления суммарного усилия от давления меньшей мембраны 7 и возвратной пружины 21, рассчитанной на засасывание реагента на высоту до 3 метров. Вся сборка, включающая мембраны 7 и 9, а также толкатель 10 в разделительном кольце 11 будет перемещаться в сторону дозаторной камеры 6, уменьшая её объём и вытесняя из неё химический реагент в магистральный трубопровод 1 через открытый выпускной клапан 5. По достижении минимального объёма дозаторной камеры 6 вытеснение реагента прекращается и система управления закрывает первый управляемый клапан 16. Полость в приводной камере 8 остаётся под повышенным давлением. Система управления открывает второй управляемый клапан 17, давление в приводной камере 8 понижается до атмосферного. Усилия противодействия со стороны мембраны 9, обращенной к приводной камере 8 нет, и возвратная пружина 21 начинает возвращать мембрану 7 дозаторной камеры 6, толкатель 10 и мембрану 9 приводной камеры 8 в сторону уменьшения объёма приводной камеры 8 и, соответственно, увеличения объёма дозаторной камеры 6. В дозаторной камере 6 образуется разрежение и химический реагент через впускной клапан 4 из емкости реагента 2 засасывается в дозаторную камеру 6 до максимального увеличения её объёма, определяемого ограничителем хода 22. После заполнения дозаторной камеры 6 дозируемым химическим реагентом и вытеснения воды из приводной камеры в дренаж, система управления закрывает второй управляемый клапан 17. Канал 23, связывающий полость разделительного кольца 11 с атмосферой, позволяет всегда поддерживать давление на мембраны 7 и 9 внутри разделительного кольца 11 на уровне атмосферного, поддерживая расчётный баланс сил на толкателе 10 для обеспечения надежности работы системы и точности дозирования реагента в магистральный трубопровод 1.

Система химической водоподготовки находится в исходном состоянии.

Использование системы химической водоподготовки для котельной позволяет при минимальных габаритах и простоте конструкции обеспечить надёжное (минимум простых элементов и отсутствие кавитационных явлений) и точное дозирование (всегда полное заполнение дозаторной камеры реагентом и его полное вытеснение на величину заданной дозы) химического реагента в магистральный трубопровод, используя собственное давление магистрального трубопровода, за счёт разности площадей мембран приводной камеры и дозаторной камеры и наличия толкателя для передачи усилия. Регулирование единичной дозы реагента осуществляется ограничителем 22 хода мембран 7 и 9 и толкателя 10, а величина общей подачи дозируемого реагента - путем изменением числа поданных доз через систему управления. Сброс воды в линию дренажа примерно равен количеству дозируемого химического реагента, умноженному на соотношение площадей мембран приводной и дозаторной камеры. Например, при расходе воды в магистральном трубопроводе 5 м³/час, при подаче дозируемого реагента 30 мл на 1 м³ воды (это большая дозировка) и соотношении площадей мембран приводной камеры и дозаторной камеры 2/1 сброс воды в дренаж составит 300 мл в час. Эту воду можно подавать в накопительную емкость и использовать в дальнейшем для хозяйственных нужд.

В настоящее время система химической водоподготовки прошла испытания с положительным результатом и готовится ее серийное производство для использования в котельных и тепловых узлах.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах водоподготовки для дозирования реагентов в котельных и тепловых пунктах. Система химической водоподготовки для котельных содержит магистральный трубопровод 1, всасывающий трубопровод 15, связывающий с магистральным трубопроводом 1 емкость 2 для химического реагента через канал 20 с впускным 4 и выпускным 5 клапанами мембранного дозатора 3, включающего дозаторную 6 и приводную 8 камеры, разделенные мембраной. Согласно изобретению к магистральному трубопроводу 1 перед всасывающим трубопроводом 15 по ходу движения воды подключен перепускной трубопровод 14, на котором последовательно установлены два управляемых моментом открытия/закрытия клапана 16 и 17, работающих в попеременном режиме, а между ними подключен патрубок 19, связывающий перепускной трубопровод 14 с приводной камерой 8 мембранного дозатора 3. В корпусе мембранного дозатора 3 установлена сборка, включающая разделительное кольцо 11, в котором образован канал 23, связывающий полость разделительного кольца 11 с окружающей атмосферой. С двух противоположных сторон разделительного кольца 11 закреплены мембраны 7 и 9, одна из которых, большая по размеру, обращена в сторону приводной камеры 8, а другая, меньшая, – в сторону дозаторной камеры 6. Между мембранами 7 и 9 расположен толкатель 10. В мембранном дозаторе 3 со стороны одной из мембран 7 или 9 установлена возвратная пружина 21. Техническим результатом изобретения является упрощение системы химической водоподготовки, повышение ее надёжности и точности дозирования для возможности использования, в том числе и в малогабаритных котельных. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система химической водоподготовки для котельных, содержащая магистральный трубопровод, всасывающий трубопровод, связывающий с магистральным трубопроводом емкость для химического реагента через канал с впускным и выпускным клапанами мембранного дозатора, включающего дозаторную и приводную камеры, разделенные мембраной, отличающаяся тем, что к магистральному трубопроводу перед всасывающим трубопроводом по ходу движения воды подключен перепускной трубопровод, на котором последовательно установлены два управляемых моментом открытия/закрытия клапана, работающих в попеременном режиме, а между ними подключен патрубок, связывающий перепускной трубопровод с приводной камерой мембранного дозатора, при этом в корпусе мембранного дозатора установлена сборка, включающая разделительное кольцо, в котором образован канал, связывающий полость разделительного кольца с окружающей атмосферой, с двух противоположных сторон разделительного кольца закреплены мембраны, одна из которых, большая по размеру, обращена в сторону приводной камеры, а другая, меньшая, – в сторону дозаторной камеры, между мембранами расположен толкатель, а также в мембранном дозаторе со стороны одной из мембран установлена возвратная пружина.

2. Система химической водоподготовки для котельных по п. 1, отличающаяся тем, что выход перепускного трубопровода подключен к линии дренажа.

3. Система химической водоподготовки для котельных по п. 1, отличающаяся тем, что приводная камера снабжена ограничителем хода мембраны приводной камеры.

4. Система химической водоподготовки для котельных по п. 1, отличающаяся тем, что площадь мембраны, обращенной к приводной камере, превышает площадь мембраны, обращенной к дозаторной камере в два раза.