способ непрерывной подачи пара или пароводяной смеси в водяную магистраль и струйный подогреватель воды для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ непрерывной подачи пара или пароводяной смеси в водяную магистраль, включающий разгон воды в сопле с созданием зоны разрежения, подачу пара или пароводяной смеси в зону разрежения, восстановление давления нагретой воды, отличающийся тем, что предварительно определяют длину начального участка водяной струи и ниже нее по потоку формируют дополнительное возвратное течение двухфазной смеси под свободной поверхностью, изолированное проницаемой стенкой от основного потока воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно изменяют давление газа над свободной поверхностью.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно изменяют температуру дополнительного возвратного течения воды.

4. Струйный подогреватель воды, содержащий сопло, приемную камеру, отводящую трубу, отличающийся тем, что в нем отводящая труба пропущена через герметичный бак и имеет проницаемую стенку в пределах бака, при этом отношение поперечных размеров бака и отводящей трубы, по меньшей мере, равно 1.5, а проницаемая стенка расположена на расстоянии не менее 4 диаметров сопла от его выходного сечения.

5. Струйный подогреватель воды по п.4, отличающийся тем, что вход сопла соединен с баком через трубопровод с вентилем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может применяться в любых отраслях народного хозяйства, имеющих в эксплуатации трубопроводные водяные системы и источники пара. В частности, изобретение относится к способам и устройствам для непрерывного введения пара в поток воды для его нагревания на необходимый интервал температур в системах теплоснабжения, горячего водоснабжения и водоподготовки для обеспечения их работоспособности в широком диапазоне расходов нагреваемой воды и греющего пара.

Известны струйные аппараты для введения газовых сред и пара в поток жидкости, описанные, например, в книге Соколова Е.Я., Зингера Н.М. "Струйные аппараты". Изд. 2-е, М., "Энергия", 1970 год. Работа аппаратов основана на явлении эжекции затопленной струей рабочей среды (жидкости или газа), пассивной среды (тоже жидкости или газа). Например, на страницах 251-270 описан смешивающий струйный подогреватель воды, рабочей средой в котором является вода, а инжектируемой - пар, который при конденсации нагревает воду.

Известный подогреватель состоит из сопла, приемной камеры, камеры смешения и диффузора.

Достоинством аналога является простота конструкции, а также несложность изготовления. Недостатком его является узкий диапазон расходов воды и пара, при котором может быть обеспечена его устойчивая работа. При больших расходах пара появляются шумы, вибрации и гидравлические удары трубопроводов, вызванные схлопыванием несконденсировавшейся части пара. Это сужает эксплутационные возможности таких аппаратов, например, при пиковых нагрузках в системах теплоснабжения.

Существует целый класс изобретений, усовершенствующих работу струйных аппаратов, например, п.2041404, 2046220, 2061912, 2059893, 2059894, Кл. 6 F04F 5/04; п.1809671-1809673, а.с. 1044839, 1806296-1806300, Кл. 5 F04F 5/04; а.с. 901655, Кл. F04F 5/16; а.с. 787736, Кл. F04F 5/20; а.с. 706572, а.с. 787735, Кл. F04F 5/02; а.с. 403880, Кл. F04F 5/04; а.с. 415411, а.с. 442316, а.с. 785558, а.с. 892033, Кл. F04F 5/14; п.2209350, 7 F04F 5/14, п.2125187, Кл. 6 F04F 5/02. Но все эти устройства не обеспечивают непрерывного ввода пара в водяную магистраль для подогрева текущего потока воды в широком диапазоне расходов пара, воды и диаметров трубопроводных систем.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является патент РФ №2198323, Кл. 7 F04F 5/08, приоритет 21.06.2000 года, опубликованный 10.02.2003 года, принятый за прототип по способу и прототип по устройству.

По п.2198323 в части способа разгоняют воду с понижением давления, в трубопроводе водяной магистрали формируют зону разрежения и непрерывную подачу пара осуществляют в зону разрежения. Перед разгоном воды часть ее отбирают из основного потока, превращают в дисперсную среду, смешивают с потоком пара и полученную двухфазную смесь подают в зону разрежения.

Устройство для подачи пара по п.2198323 состоит из сопла, приемной камеры, камеры предварительного смешения, паровой камеры, отводящего трубопровода.

Предлагаемое в прототипе техническое решение обеспечивает непрерывный ввод пара в водяную магистраль для повышения температуры воды и утилизации пара без шума и гидравлических ударов при максимальном коэффициенте инжекции до значений u=0.06 (u=Gp/Gv, где u - коэффициент инжекции, Gp - расход инжектируемого пара, Gv - расход нагреваемой воды).

Но это решение имеет ограничение при использовании в условиях, когда расход пара увеличивается до значений, при которых коэффициент инжекции превышает это предельное значение (u>0.06), например при пиковых нагрузках систем теплоснабжения и горячего водоснабжения, а также в случае значительных колебаний давлений воды в тепловых сетях.

Сущность изобретения.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является увеличение количества пара, вводимого в поток жидкости без пульсаций давления, вибраций трубопроводов и гидравлических ударов, а также улучшение эксплуатационных качеств и повышение надежности тепловых систем.

Задача решена тем, что в водяной магистрали осуществляют разгон воды с понижением давления, например, путем установки конфузорного сопла, с созданием зоны разрежения с величиной давления, меньшей, чем давление источника пара, и непрерывную подачу пара (пароводяной смеси) осуществляют в зону разрежения. Конденсацию пара на струе воды и восстановление (увеличение) давления потока нагретой воды осуществляют в диффузоре или отводящей трубе, при этом предварительно определяют длину начального участка струи воды, истекающей из сопла, и ниже начального участка струи по потоку формируют дополнительное возвратное течение двухфазной смеси пара и воды под свободной поверхностью в протяженной герметичной локальной зоне, изолированное от основного потока проницаемой стенкой. Кроме того, одновременно изменяют давление газа над свободной поверхностью и температуру возвратного течения. Длину начального участка струи L (участок струи между выходным сечением сопла и сечением, в котором сохраняется ядро равных скоростей) определяют экпериментально измерением поля скоростей в различных сечениях струи, либо используя известные из теории струй соотношения для турбулентных струй, например, Г.Н.Абрамович "Турбулентные свободные струи жидкостей и газов". Госэнергоиздат. М., 1948, издание 2-е, с.93.

Существенные признаки изобретения:

- разгон жидкости в сопле и создание зоны разрежения;

- подача пара или пароводяной смеси в зону разрежения;

- восстановление давления нагретой воды;

- определение длины начального участка струи воды;

- формирование ниже по потоку дополнительного возвратного течения двухфазной смеси пара и воды под свободной поверхностью, изолированного от основного потока воды проницаемой стенкой;

- одновременно изменяют давление над свободной поверхностью;

- одновременно изменяют температуру дополнительного возвратного течения.

Признаки "разгон воды в сопле с созданием зоны разрежения, подача пара или пароводяной смеси в зону разрежения, восстановление давления нагретой воды" являются общими, остальные - отличительными. Предлагаемое техническое решение поясняется конструктивной схемой струйного подогревателя воды, обеспечивающего выполнение процессов, заложенных в предлагаемом способе.

На графических изображениях обозначено следующее:

1 - сопло,

2 - приемная камера,

3 - отводящая труба,

4 - проницаемая стенка отводящей трубы,

5 - герметичный бак,

6 - трубопровод с вентилем,

7 - начальный участок затопленной струи воды,

8 - обратные токи между стенкой отводящей трубы и внешней границей струи воды, истекающей из сопла,

9 - дополнительное возвратное течение двухфазной смеси пара и воды,

10 - свободная поверхность воды,

11 - парогазовая подушка,

12 - основной поток воды.

В состав устройства входит сопло 1, приемная камера 2 цилиндрической или диффузорной формы, отводящая труба 3 с проницаемым участком 4 (например, перфорированным по длине), пропущенная через герметичный бак 5, трубопровод с вентилем 6 для перепуска части холодной воды в бак. Герметичный бак может выполняться цилиндрической, конической формы или в виде параллелепипеда.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Вода под давлением по подающей магистрали поступает в сопло. В сопле, выполненном в виде конфузора или обратного сопла Ловаля, вода разгоняется до определенных скоростей и на выходе формируется высоконапорная струя с величиной давления, определяемого из интеграла Бернулли, меньшей, чем давление пара. Струйная структура течения сохраняется на значительной длине отводящей магистрали 3 (в зависимости от скоростей водяной струи и пара может достигать нескольких десятков диаметра трубы), при этом в пространстве между струей, корпусом приемной камеры и стенкой отводящей магистрали формируется зона разрежения с давлением, близким к давлению в струе, что обеспечивает ввод пара в водяную магистраль. При больших отношениях площадей отводящей трубы и сопла вдоль ее стенок образуются обратные токи 8. Увлекаясь движущейся струей воды, обратные токи захватывают пар и, образуя вихри, турбулизируют весь поток, ускоряя конденсацию пара и образование двухфазной пенной структуры. Осевая скорость струи воды сохраняется на некотором участке, называемом в теории струй начальным участком струи 7, в котором существует ядро равных скоростей.

По мере удаления от сопла сечение ядра равных скоростей уменьшается и на некотором расстоянии (L) исчезает. После начального участка струи происходит постепенное падение скорости потока и обратное преобразование кинетической энергии струи в потенциальную, сопровождаемую ростом давления воды. После окончания начального участка струи часть потока, в том числе и двухфазного, отбирают из основного потока воды 12 через проницаемую стенку 4 отводящей трубы и формируют дополнительное возвратное течение двухфазной смеси 9 под свободной поверхностью 10 в герметичном баке 5. По мере движения двухфазной смеси в баке происходит конденсация пара в дополнительном возвратном течении и выделение пузырьков из него через свободную поверхность и конденсация на ней, то есть увеличивается время взаимодействия пара и воды, что обеспечивает гарантированное завершение процесса конденсации. Отобранная для формирования дополнительного возвратного течения часть воды возвращается через проницаемую стенку выше по потоку основного потока вследствие положительного градиента давления воды по длине отводящей трубы. Вследствие наличия парогазовой подушки 11 над свободной поверхностью в баке демпфируются (за счет упругости газа) пульсации давления как при схлопывании пузырьков пара в дополнительном возвратном течении 9, так и в основном потоке 12, а также снижаются периодические колебания давления потока воды, вызванные обратными токами 8. Для регулирования демпфирующих свойств одновременно изменяют давление над свободной поверхностью, например, изменяя объем или давление в парогазовой подушке (нагнетанием или вакуумированием). Для ускорения конденсации одновременно изменяют температуру дополнительного возвратного течения воды путем перепуска части холодной воды из широкой части сопла в бак по трубопроводу 6 с вентилем. Как показали исследования на прозрачных моделях, дополнительное возвратное течение наиболее эффективно при соотношении поперечных размеров бака (Н) и отводящей трубы (h), равном или большем H/h 1.5. Для струи воды круглого сечения длину начального участка струи принимают равной L=4-5 диаметров сопла.

Признаками изобретения являются:

- приемная камера;

- сопло;

- отводящая труба;

- отводящая труба пропущена через герметичный бак;

- отводящая труба имеет проницаемую по длине стенку в пределах бака;

- отношение поперечных размеров бака и отводящей трубы по меньшей мере равно 1.5;

- проницаемая стенка выполнена на расстоянии, по меньшей мере равном четырем диаметрам сопла от его выходного сечения;

- вход сопла соединен с баком трубопроводом с вентилем.

Признаки "приемная камера, сопло, отводящая труба" - общие, остальные отличительные. Таким образом, предлагаемые способ и устройство обладают изобретательским уровнем, так как совокупность признаков данного способа и устройства обусловливает новое свойство, дающее требуемый технический эффект:

- позволяет повысить количество пара или пароводяной смеси, вводимого в поток воды для ее нагревания без пульсаций давления потока, без шума и гидравлических ударов;

- позволяет улучшить эксплуатационные качества и повысить надежность работы тепловых систем и существующих струйных подогревателей воды, например:

а) уменьшить влияние колебаний давления сети потребителя после подогревателя на его работу, так как давление демпфируется в баке предлагаемого подогревателя, не доходя до сопла и приемной камеры;

б) при работе в замкнутой системе с периодическими резкими колебаниями давления воды в контуре на несколько атмосфер(автоклавные производства, горячее водоснабжение и т.п.) герметичный бак выполняет роль аккумулирующего бака, сглаживающего негативные эффекты в период, необходимый для подпитки системы.

Для водяной трубопроводной системы с условным диаметром 300 мм, с расходом воды 400 т/ч, избыточным рабочим давлением воды 0,6-0,7 МПа, давлением пара 0,6-0,7 МПа был, в соответствии с предлагаемым изобретением, изготовлен струйный подогреватель воды. Работа подогревателя в реальных условиях эксплуатации позволила увеличить расход пара на 20% по сравнению с прототипом. При этом подогреватель работал устойчиво, без пульсаций.