способ эжекции и теплообмена и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ эжекции и теплообмена перекачиваемой и активной среды, преимущественно в больших объемах, включающий подачу активной среды (пара) с закруткой ее вокруг продольной оси эжектора, осевой подвод перекачиваемой среды (воды) и смешение сред, отличающийся тем, что активную среду подают двумя независимыми потоками и закручивают потоки в противоположные стороны, причем параметры потоков активной среды (давление, температуру, расход) регулируют автономно, а пароводяную смесь направляют в диффузор двумя винтовыми потоками - центральным, направленным по оси диффузора, и периферийным, прилегающим к стенкам диффузора.

2. Устройство для осуществления способа, содержащее корпус с камерой смешения, конфузоры, диффузоры, систему подвода активной среды, концентрично установленные сопла и трубу подвода пассивной среды, отличающееся тем, что патрубок подвода основного потока активной среды расположен тангенциально к кольцевой камере, а сопло в камере образовано в форме кольцевой щели стенкой наружного конфузора и стенкой корпуса, причем патрубок подвода вспомогательного потока активной среды установлен на стенке автономной кольцевой камеры, а камера соединена наклонными к оси корпуса устройства патрубками со стенкой внутреннего диффузора, жестко связанного с перфорированной кольцевой перегородкой, смонтированной внутри корпуса на центральной трубе подвода перекачиваемой среды, причем отверстия в перегородке выполнены под углом к оси устройства, при этом с кольцевой перегородкой жестко связана стенка внутреннего конфузора, образующая с центральной трубой вторую кольцевую щель (сопло).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к струйной технике, преимущественно к способам перекачки жидкости путем эжекции в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения и других теплоэнергетических системах.

Известны способы перекачки жидкостей, основанные на передаче в струйном аппарате энергии рабочего (активного) потока перекачиваемой (пассивной) среде и последующем их совместном транспортировании (например, авт. св. 1581872, М. кл. F 04 F 5/04 "Способ эжекции перекачиваемой среды", авт. св. 305279, М. кл. F 04 F 5/08 "Способ откачки жидкостей", монография Лямаев Б. Ф. Гидроструйные насосы и установки. Л., Машиностроение, Ленингр. отд-ние, с. 20-30 и с. 60-69), а также устройства для их реализации (например, авт. св. 901653, М. кл. F 04 F 5/02 "Струйный насос ", авт. св. 1536076, М. кл. F 04 F 5/04 "Эжектор" Трансзвуковой струйный аппарат - "Фисоник" Информационно-рекламный проспект ООО фирмы "Робби", М., Шмитовский проезд, д. 17; ИНТЕРНЕТ МАГАЗИН WWW.ROBBI.RU).

Недостатком известных способов и устройств является ограниченность объемов перекачиваемой среды (воды) в системах теплоснабжения для передачи теплоносителя на теплообменные пункты и для горячего водоснабжения удаленных потребителей, а также сложность регулирования выходных характеристик транспортируемого потока (температура, давление и др. параметры). Известные струйные аппараты, применяемые в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения, например аппараты "Фисоник", рассчитаны на максимальный диаметр транспортирующего трубопровода до 100 мм, а в системах теплоснабжения используются трубы диаметром 400-600 мм при расходе воды 250-1500 м³/ч. При этом важно обеспечить эффективный теплообмен активной среды (пара) с перекачиваемой средой (водой), а также иметь возможность регулирования и управления входными характеристиками потоков активной и перекачиваемой сред, а соответственно, выходными параметрами транспортируемой среды.

Наиболее близким заявляемому способу является способ транспортирования перекачиваемой среды по авт. св. 1581872, М. кл. F 04 F 5/04. В соответствии с этим способом для повышения эффективности смешения активной и пассивной сред их потоки закручивают в противоположные стороны. При этом существенно интенсифицируется процесс теплообмена и возрастает эффективность эжекции.

Недостатком известного способа является ограниченность перекачиваемого объема пассивной среды, конструктивная сложность в реализации при использовании транспортирующих труб большого диаметра и ограниченные возможности регулирования входных и выходных характеристик транспортируемой среды.

Устройствам для реализации известного способа присущи те же недостатки, что и способу. При этом для повышения производительности струйных аппаратов рекомендуется использовать вместо гидроструйных насосов с центральным соплом струйные аппараты с кольцевым соплом (например, авт. свид. 901653, M. кл. F 04 F 5/02 "Струйный насос"). Использование кольцевого активного сопла позволяет повысить эффективность эжекции. Предложенное техническое решение позволяет кроме того разделить транспортируемый поток пассивной среды на два, один из которых имеет возможность перемещения по центру, а второй по периферии камеры смешения, что повышает производительность насоса и интенсифицирует теплообмен за счет лучшего смешения потоков активной и пассивной сред. Однако использование этой схемы струйного аппарата для транспортирования больших объемов пассивной среды также носит проблемный характер и не позволяет эффективно управлять выходными параметрами транспортируемой среды.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение процесса теплообмена путем интенсификации смешения сред и регулирования производительности.

Технический результат достигается тем, что в способе эжекции и теплообмена перекачиваемой и активной среды (пара), преимущественно в больших объемах, при подаче активной среды с закруткой ее вокруг оси эжектора и осевом подводе перекачиваемой среды (воды) и смешении сред, активную среду (пар) подают двумя независимыми потоками и закручивают потоки в противоположные стороны, причем параметры потоков активной среды (давление, температуру, расход) регулируют автономно, а пароводяную смесь направляют в диффузор двумя винтовыми потоками - центральным, направленным по оси диффузора, и периферийным, прилегающим к стенкам диффузора.

В устройстве для реализации способа, содержащем корпус с камерой смешения, конфузоры, диффузоры, систему подвода активной среды, концентрично установленные сопла и трубу подвода пассивной среды, патрубок подвода основного потока активной среды расположен тангенциально к кольцевой камере, а сопло в камере образовано в форме кольцевой щели стенкой наружного конфузора и стенкой корпуса, причем патрубок подвода вспомогательного потока активной среды установлен на стенке автономной кольцевой камеры, а камера соединена наклонными к оси корпуса устройства патрубками со стенкой внутреннего диффузора, жестко связанного с перфорированной кольцевой перегородкой, смонтированной внутри корпуса на центральной трубе подвода перекачиваемой среды, причем отверстия в перегородке выполнены под углом к оси устройства, при этом с кольцевой перегородкой жестко связана стенка внутреннего конфузора, образующая с центральной трубой вторую кольцевую щель (сопло).

Предлагаемый способ и конструкция для его осуществления позволяют повысить эффективность теплообмена путем активизации процесса смешения сред (пара и воды) и обеспечить регулирование производительности эжектируемой среды за счет формирования в струйном аппарате винтовых потоков активной среды с различными входными характеристиками (давление, температура, расход), причем винтовые потоки пароводяной смеси перемещают в противоположных направлениях и смешивают, достигая требуемых выходных характеристик пароводяной смеси. Применение способа и устройства для систем тепло- и водоснабжения позволяет без сетевых насосов и водогрейных котлов осуществить подачу в систему нагретой воды под давлением, значительно превышающим давление компонентов на входе, т.е. совместить в себе функции бойлера и насоса и обеспечить транспортирование к теплообменным пунктам и потребителям больших объемов горячей воды.

В устройстве для осуществления способа предусмотрена возможность встраивания струйного аппарата посредством фланцев на корпусе как на действующие, так и на вновь создаваемые системы. Тангенциальное расположение патрубка подвода основного потока к кольцевой камере, образованной на корпусе, позволяет закрутить поток пара и направить его в кольцевое сопло, образованное стенками корпуса и наружного конфузора. Патрубок подвода вспомогательного потока пара установлен на стенке второй (автономной) кольцевой камеры, также образованной на корпусе устройства, и соединенной патрубками со стенкой внутреннего диффузора, образующего со стенками центральной трубы подвода перекачиваемой среды кольцевую полость, причем на трубе перпендикулярно оси смонтирована перфорированная кольцевая перегородка с отверстиями, расположенными под углом к оси устройства, что обеспечивает закрутку в винтовой поток вспомогательного потока пара в направлении, противоположном основному потоку, и передачу его во второе сопло, образованное стенкой внутреннего конфузора, жестко связанного с перфорированной перегородкой, и центральной трубой подвода пассивной среды (воды). Винтовые потоки пароводяной смеси поступают в диффузор, где происходит их смешение. При этом оба потока - центральный, направленный вдоль оси диффузора, и периферийный, прилегающий к стенкам диффузора, могут отличаться по основным характеристикам (давление, температура, расход), что позволяет управлять параметрами транспортируемого теплоносителя (горячей воды).

Сравнение известных технических решений с заявляемым показало, что существенными отличительными признаками заявляемого способа являются: подача активной среды (пара) двумя независимыми потоками с закручиванием их в противоположные стороны и формированием в полости диффузора двух винтовых потоков пароводяной смеси с различными характеристиками.

Устройство для реализации способа также характеризуется существенными отличительными признаками, совокупностью новых функциональных узлов и связей, которыми являются: тангенциальное расположение патрубка подвода основного потока активной среды к кольцевой камере устройства, причем сопло в камере образовано в форме кольцевой щели стенкой наружного конфузора и стенкой корпуса; патрубок подвода вспомогательного потока активной среды установлен на стенке изолированной (автономной) кольцевой камеры, а камера соединена наклонными к оси корпуса патрубками со стенкой внутреннего диффузора, жестко соединенного с перфорированной кольцевой перегородкой, смонтированной внутри корпуса на центральной трубе подвода перекачиваемой среды, причем отверстия в перегородке выполнены под углом к оси устройства, при этом с кольцевой перегородкой жестко связана стенка внутреннего конфузора, образующая с центральной трубой вторую кольцевую щель (сопло).

Технических решений со сходными отличительными признаками по патентной и научно-технической литературе не обнаружено, следовательно, заявляемые способ и устройство обладают существенными отличиями.

На фиг.1 изображена принципиальная схема отопительной системы и горячего водоснабжения; на фиг. 2 - схема устройства для осуществления способа; на фиг.3 - вид А на фиг.2 со схемой расположения патрубков для подвода пара; на фиг. 4 - перфорированная перегородка; на фиг.5 - разрез В-В, на фиг.4, по наклонным отверстиям для закручивания пара; на фиг.6 - разрез по Б-Б на фиг. 2 со схемой образования двух винтовых потоков пара.

Устройство (струйный аппарат СА) 1 (фиг.1), реализующее способ, устанавливают при помощи фланцев на магистральный трубопровод 2.

Для питания системы активной средой (паром) предназначен паровой котел 3, из которого пар через струйный аппарат 1 может смешиваться с пассивной средой (водой) и под давлением в виде горячей воды транспортироваться потребителям. Расход пара регулируется задвижкой 4.

Устройство 1 (струйный аппарат) состоит (фиг.2) из корпуса 5, выполненного в форме трубы и снабженного кольцевыми фланцами для монтажа на магистральный трубопровод, наружных диффузора 6 и конфузора 7, внутреннего диффузора 8 и внутреннего конфузора 9, центральной трубы 10 подвода транспортируемой среды, перфорированной перегородки 11, наклонных патрубков 12, двух кольцевых изолированных камер 13 и 14, подводящих патрубков 15 и 16.

Способ осуществляют следующим образом. Активную среду (пар) от парового котла подают в кольцевые камеры 13 и 14 на корпусе 5 устройства 1 двумя независимыми потоками и закручивают потоки относительно оси устройства в противоположные стороны. Винтовые потоки пара направляют в кольцевые щели (сопла). Подсос транспортируемой среды (воды) осуществляют также двумя потоками - центральным и периферийным. Закрученные винтовые потоки пароводяной смеси направляют в наружный диффузор 6 устройства, смешивают их и в виде горячей воды транспортируют в тепловую магистраль.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом.

Активная среда (пар) через патрубки 15 и 16 (см. фиг.2) поступает в кольцевые камеры 13 и 14, образованные на корпусе 5 устройства 1.

Патрубок 15 подвода основного потока пара установлен тангенциально (по касательной) к кольцевой камере 13 (фиг.3) для закручивания потока пара вокруг оси устройства. Сформировавшийся винтовой поток пара направляется в сопло в форме кольцевой щели, образованное стенкой наружного конфузора 7 (см. фиг.2) и стенкой корпуса 5 устройства.

Транспортируемая среда (вода) эжектируется из внутренней полости корпуса и, смешиваясь с паром, образует винтовой поток пароводяной смеси, прилегающий к стенкам наружного диффузора 6 устройства (фиг.6).

Вспомогательный поток пара через патрубок 16 (см. фиг.2), установленный на цилиндрической стенке изолированной кольцевой камеры 14, поступает в полость камеры 14 и по наклонным патрубкам 12 переходит в торовую полость, образованную стенками внутреннего диффузора 8 центральной трубы 10 и торцовой перфорированной перегородкой 11. Проходя через отверстия, выполненные в перегородке 11 под углом к оси устройства (фиг.4 и 5), поток пара закручивается в направлении, противоположном основному потоку пара, и поступает в сопло в форме кольцевой щели, образованной стенками внутреннего конфузора 9 (см. фиг. 2) и центральной трубы 10. Транспортируемая среда (вода) эжектируется через отверстия в центральной трубе 10, смешиваясь с паром, закручивается и образует центральный винтовой поток (см. фиг.6), направленный вдоль оси наружного диффузора 6.

В полости диффузора 6 происходит активное смешивание двух противоположно закрученных потоков и смесь теплоносителей поступает в тепловую магистраль.

За счет обмена импульсами между потоками пара и транспортируемой воды создается высокое давление на выходе устройства. Поэтому в магистральную трубу поступает нагретая вода под давлением, значительно превышающим давление на входе в струйный аппарат. Возникшее избыточное давление обеспечивает циркуляцию теплоносителя по замкнутому контуру (см. фиг.1).

Закручивание теплоносителей в два потока с независимыми входными характеристиками позволяет произвести эффективный нагрев воды и обеспечить ее транспортирование без использования в системах отопления и горячего водоснабжения сетевых насосов большой мощности и неэкономичных водогрейных котлов.

Пример

На котельной для отопления и горячего водоснабжения использовался паровой котел, обеспечивающий максимальную производительность до 20 т/ч при давлении 0,6-0,9 МПа. Температура пара составляла при давлении 0,6 МПа - 165^oС, а при давлении 0,9 МПа - 179^oС. Диаметр магистрального трубопровода 400 мм.

Применение встроенного струйного аппарата с подводящими пар патрубками 100 и 80 мм обеспечило создание в напорной магистрали давления до 1 МПа при температуре воды 80^oС и при общем расходе воды 400 м³/ч. Расход пара составил около 5% от объема транспортируемой воды. Температура возвратной воды от потребителя ("обратка") достигала 50^oС.

Экономия только по энергопотреблению по сравнению с традиционной технологией с насосно-бойлерными установками и водогрейным котлом составила свыше 300000 рублей в месяц.