устройство для непрерывной подачи пара в водяную магистраль с изменяемым по времени расходом воды в широких пределах

Формула изобретения

Устройство для непрерывной подачи пара в водяную магистраль с изменяемым во времени расходом воды в широких пределах, содержащее приемную камеру, активное сопло в виде двух полусопел, установленных на шарнирах с уплотнением по линии разъема и диффузор, отличающееся тем, что диффузор выполнен в виде двух полудиффузоров, установленных на шарнирах с уплотнением по линии разъема, концы полусопел и полудиффузоров имеют кронштейны, кинематически связывающие полусопла и полудиффузоры с возможностью соответственного изменения угла наклона стенок полудиффузоров при изменении угла наклона стенок полусопла.

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, диаметров трубопроводных систем, давлений 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 г. 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. Подогреватель состоит из активного сопла, приемной камеры, камеры смешения и диффузора.

Достоинством аналога является простота конструкции, а также несложность изготовления. Недостатком аналога является узкий диапазон расходов воды, при котором может быть обеспечена его устойчивая работа. Причиной этого является то, что активное сопло выполняется точно заданных размеров, рассчитанных на определенный диапазон расходов воды при заданных давлениях воды и пара. Это сужает эксплуатационные возможности таких аппаратов, например, при пиковых нагрузках в системах горячего водоснабжения, при сезонных колебаниях расхода потребителей воды.

Существует целый класс изобретений, усовершенствующих работу струйных аппаратов, например п.2041404, 2046220, 2061912, 2059893, 2059894, кл. 6 F 04 F 5/4; п.1809671-1809673, а. с.1044839, 1806296-1806300, кл. 5 F 04 F 5/4; а. с.901655, кл. F 04 F 5/16; а. с.892033, кл. F 04 F 5/14; а. с.787736, кл. F 04 F 5/20; а. с.787735, кл. F 04 F 5/02; а. с.785558, кл. F 04 F 5/14; а. с.403880, кл. F 04 F 5/4; а. с.415411, кл. F 04 F 5/14; п.2125187, кл. 6 F 04 F 5/02; RU 2198323 С 1, 10.02.2003; SU 1710857 А1, 07.02.1992; SU 383900 А, 23.05.1973; US 4595344A, 17.01.1986; US 930095A, 03.08.1909. Но все эти устройства не обеспечивают непрерывного ввода пара в водяную магистраль для подогрева текущего расхода воды, непрерывно изменяющегося в широком диапазоне. Так, например, в изобретении US 4 595 344А используется разрезное регулируемое активное сопло без герметизации линии разреза, и регулируемый тракт, состоящий из конфузора, камеры смешения и диффузора, имеющий цилиндрические уплотнения по линии разреза.

Такое решение является неприемлемым для решения задачи ввода пара в воду вследствие того, что во первых тракт - активное сопло, конфузор, камера смешения, диффузор используют в струйных газовых компрессорах, а во вторых в данном изобретении используется активное сопло и диффузор круглого сечения не позволяющие увеличить коэффициент эжекции.

Известны также струйные аппараты, в которых, для изменения соотношения потоков активного и пассивного газа (жидкости) в активное сопло вводят конический стержень (иглу), который перемещают соосно соплу (Щукин В.К., Калмыков И.И. Газоструйные компрессоры. М.: Машгиз, 1963 г.).

Недостатками аналога является несимметричный (боковой) подвод рабочей жидкости (газа), что снижает устойчивость аппарата при работе на переходных и предельных режимах, а также узкий диапазон регулирования расхода (обычно ±15%).

Создание аппаратов такого класса с более широким диапазоном регулирования расхода неизбежно связано как с повышением требований к точности изготовления аппарата, так и с увеличением длины консольно-разложенной иглы, что может приводить к ее вибрациям и срывам потока. Это не позволяет обеспечить непрерывный ввод пара в водяную магистраль для подогрева текущего расхода воды, изменяющегося в широком диапазоне.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является Патент РФ №2267659 С2, F 04 F 5/08, приоритет 08.12.2003 г., опубликованный 10.01.2006 г., принятый за прототип по устройству.

Предлагаемое в прототипе техническое решение содержит приемную камеру и активное сопло в виде двух полусопел, установленных на шарнирах, при этом зазоры по линии разъема полусопел закрыты уплотняющими пластинами, прикрепленными к полусоплу, на внешней поверхности полусопел вдоль линии разъема выполнены лыски, по которым скользят с возможностью прижатия уплотняющие пластины. При увеличении расхода воды в водяной магистрали полусопла раздвигаются, форма сечения водяной струи изменяется с круглой на эллиптическую.

Но это решение имеет ограничение при использовании в условиях, когда необходимо обеспечить неизменным гидравлическое сопротивление устройства и температуру нагреваемой воды при значительном увеличении расхода воды, пропускаемой через водяную магистраль. Так, например, для снижения гидравлического сопротивления после активного сопла устанавливают диффузор, однако при минимальных значениях воды в диффузоре, рассчитанном на максимальный расход воды, реализуется повышенное на 0,3-0,4 кгс/см² гидравлическое сопротивление вследствие неоптимальных условий течения струи воды в диффузоре, т.е. реализуется так называемое «внезапное расширение струи». Уменьшение входного сечения диффузора, направленного на снижение гидравлического сопротивления, при минимальных расходах воды приводит к невозможности необходимого подогрева воды при максимальных расходах воды вследствие того, что при увеличении расхода активное сопло раскрывается (увеличивается площадь выходного сечения, изменяясь с круглой на эллиптическую), перекрывая при этом сечение, предназначенное для введения пара в водяную магистраль (площадь между входным сечением диффузора и выходным сечением сопла). Кроме этого, при раскрытии активного сопла форма водяной струи меняется с круглой на эллиптическую, наличие же входного круглого сечения диффузора приводит к неравномерному взаимодействию водяной струи с инжектируемой струей пара.

Сущность изобретения.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение непрерывного ввода пара в водяную магистраль для подогрева текущего расхода на определенный интервал температур с обеспечением неизменным гидравлического сопротивления при непрерывном изменении во времени расхода нагреваемой воды в широких пределах.

Задача решена тем, что устройство для непрерывной подачи пара в водяную магистраль содержит приемную камеру, активное сопло в виде двух полусопел, установленных на шарнирах с уплотнением по линии разъема, и диффузор, выполненный в виде двух полудиффузоров, установленных на шарнирах с уплотнением по линии разъема. Концы полусопел и полудиффузоров имеют кронштейны, кинематически связывающие полусопла и полудиффузоры с возможностью соответственного изменения угла наклона стенок полудиффузоров при изменении угла наклона стенок полусопел.

Существенные признаки изобретения:

- приемная камера;

- активное сопло в виде двух полусопел, установленных на шарнирах с уплотнением по линии разъема;

- диффузор, выполненный в виде двух полудиффузоров, установленных на шарнирах, с уплотнением по линии разъема;

- концы полусопел и полудиффузоров имеют кронштейны, кинематически связывающие полусопла и полудиффузоры с возможностью соответственного изменения угла наклона стенок полудиффузоров при изменении угла наклона стенок полусопел.

Признаки «приемная камера и активное сопло в виде двух полусопел, установленных на шарнирах с уплотнением по линии разъема», являются общими, остальные - отличительными.

На фиг.1,2 и 3 представлена конструкция пароэжекторного устройства, обеспечивающего непрерывную подачу пара в водяную магистраль.

На фиг.4 дан вариант механизма привода раздвижных полусопел пароэжекторного устройства.

На фиг.5 и 6 представлены формы водяной и паровой струй в разрезе при разных положениях раздвижного сопла.

На чертежах обозначено следующее:

1. Подающая водяная магистраль.

2. Конфузор.

3. Шарнир полусопла.

4. Полусопло.

5. Зазор между полусоплами.

6. Приемная камера.

7. Тяга полусопла.

8. Уплотнение тяги.

9. Отводная водяная магистраль.

10. Полусопло.

11. Щека.

12. Уплотняющая платина.

13. Рычаг.

14. Ползун.

15. Штурвал.

16. Стержень стягивающий.

17. Винт.

18. Ребро.

19. Трубка отвода давления.

20. Манометр (датчик давления).

21. Рабочая плоскость уплотнения зазора полусопел.

22. Шарнир полудиффузора.

23. Полудиффузор.

24. Зазор между полудиффузорами.

25. Кронштейн полусопла.

26. Паз кронштейна.

27. Кронштейны полудиффузора.

28. Штифт.

29. Рабочая плоскость уплотнения зазора полудиффузоров.

30. Полудиффузор.

31. Щека.

32. Уплотняющая пластина.

В состав устройства входит активное сопло, состоящее из конфузора 2 и полусопел 4 и 10. Полусопла установлены на цилиндрических шарнирах 3, закрепленных сваркой на конфузоре. На наружной поверхности каждого полусопла выполнены ребра 18 с пазами, к которым разъемным соединением крепятся тяги 7, пропущенные через корпус приемной камеры 6. Для уплотнения тяг в приемной камере использованы сальниковые уплотнения 8. Полусопла образованы рассечением осесимметричного сопла, например, по меридиональному сечению. Зазор 5 по линии рассечения герметично закрыт уплотняющей пластиной 12 (например, из фторопласта), прикрепленной к щеке 11 (клеем, заклепками). Щека выполнена в виде пластины по всей длине зазора и прикреплена, например, сваркой к полусоплу 10. Вдоль линии разъема полусопел на их наружной поверхности по всей длине каждого полусопла выполнены рабочие плоскости (лыски) 21, по которым скользят при перемещении и прижимаются в работе уплотняющие пластины 12.

Для создания углового отклонения полусопел перемещение тяг может производиться различными механизмами. Вариант реализации механизма привода тяг с помощью передачи винт - гайка дан на фиг.4. Такой механизм состоит из рычагов 13, винта 17, имеющего правую и левую резьбы, ползуна 14. Для повышения жесткости и эффективности уплотнения зазора между полусоплами, щеки стянуты стержнем 16.

В входу конфузора присоединяется подающая водяная магистраль 1. К выходу приемной камеры 6 подсоединена отводящая водяная магистраль 9, имеющая на входе конический участок и заканчивающаяся цилиндрическим участком.

Полудиффузоры 23 и 30 установлены на цилиндрических шарнирах 22, закрепленных сваркой на конической части отводящей водяной магистрали 9. Полусопла 4, 10 имеют кронштейны 25 с пазами 26. Полудиффузоры 23,30 имеют кронштейны 27 со штифтами 28, входящими без зазоров в пазы 26 кронштейнов полусопел.

Полудиффузоры образованы рассечением осесимметричного диффузора, например, по меридиональному сечению. Зазор 24 по линии рассечения герметично закрыт уплотняющей пластиной 32, например, из фторопласта, прикрепленной к щеке 31, клеем, заклепками. Щека выполнена в виде пластины по всей длине зазора и прикреплена, например, сваркой, к полудиффузору 23. Вдоль линии разъема полудиффузоров на их наружной поверхности по всей длине каждого полудиффузора выполнены рабочие плоскости (лыски) 29, по которым скользят при перемещении и прижимаются в работе уплотняющие пластины 32.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Вода под давлением по подающей магистрали 1 поступает на вход в конфузор 2 и далее в область, ограниченную полусоплами 4 и 10. В полусоплах вода разгоняется до определенных скоростей, и на выходе формируется высоконапорная струя с величиной давления, определяемой из интеграла Бернулли, меньшей, чем давление пара. Струйная структура течения сохраняется по всей длине участка приемной камеры 6, полудиффузоров 23, 30, конической части отводящей водяной магистрали 9 и присоединяемом к ней прямолинейном участке отводящей магистрали на протяжении 15...30 диаметров магистрали, при этом в пространстве между струей, корпусом приемной камеры, полудиффузорами и стенкой отводящей магистрали формируется зона разрежения с давлением, близким к давлению в струе, что обеспечивает ввод пара в водяную магистраль (направление подачи пара показано на фиг.2 и 3). При изменении расхода воды в подающей магистрали 1 происходит в соответствии с уравнением неразрывности соответствующее изменение скорости течения воды в полусоплах и связанное с этим изменение давления в зоне разрежения.

Указанное давление, регистрируемое, например, манометром 20 или датчиком давления, отбирается на уровне среза полусопел с помощью трубки 19. С помощью тяг 7 изменяют угол наклона полусопел 4 и 10 по отношению к направлению основного потока (к оси полусопел), вследствие этого изменяется как площадь критического сечения водяного сопла, так и потери напора в нем, что позволяет эффективно регулировать давление в зоне разрежения и поддерживать его постоянным.

Положение полусопел при измененном угле наклона изображено пунктирными линиями. Полусопла 4 и 10 кинематически связаны с полудиффузорами 23 и 30, например, следующим образом: полусопла на выходе имеют кронштейны 25 с пазами 26, в которые входят в зацепление штифты 28, закрепленные в кронштейнах 27 на входе полудиффузоров. На фиг.5 и 6. приведены проекции контура полусопел на выходном срезе и контура полудиффузоров на входе на плоскость, проходящую через оси штифтов 28. Штриховкой показано сечение водяной и паровой струй для минимального расхода воды (полусопла сомкнуты) - фиг.5, и максимального расхода воды (полусопла раздвинуты) - фиг.6.

При изменении угла наклона полусопел происходит изменение формы истекающей водяной струи, которая из круглой становится эллиптической и соответственно повышается коэффициент эжекции (при одинаковом импульсе струи), и ускоряются процессы теплообмена вследствие увеличения поверхности водяной струи. Наличие кинематической связи между полусоплами и полудиффузорами (см. фиг.1) приводит к тому, что форма струи пара, вводимой в водяную струю, также изменяется с круглой на эллиптическую, причем неизменным остается расстояние С (фиг.5,6), что обеспечивает минимальные и не зависящие от расхода воды потери гидравлического сопротивления при расширении водяной струи и наилучшие условия для конденсации пара в расширяющейся водяной струе, так как паровая струя охватывает водяную равномерно.

Управление углом раскрытия полусопел и полудиффузоров может быть осуществлено с помощью винтовой передачи с рычагами (фиг.4). При вращении штурвала 15 по часовой стрелке обеспечивается равномерное раскрытие полусопел 4, 10 и полудиффузоров 23, 30, а при вращении штурвала против часовой стрелки обеспечивается сужение проходного сечения сопла и диффузора. На фиг.4 пунктиром показано положение одного из рычагов 13 в крайних положениях.

Признаками изобретения являются:

- Приемная камера.

- Активное сопло, выполненное в виде полу сопел, установленных на шарнирах.

- Диффузор, выполненный в виде полудиффузоров, установленных на шарнирах.

- Зазор по линии разъема (полусопел и полудиффузоров) закрыт уплотняющей платиной, прикрепленной к полусоплу и полудиффузору.

- Вдоль линии разъема выполнены лыски, по которым скользят при перемещении с возможностью прижатия в работе уплотняющие пластины.

- Полусопла на выходе имеют кронштейны с пазами, направленными к полудиффузорам.

- Полудиффузоры на входе имеют кронштейны со штифтами, входящими без зазоров в пазы кронштейнов полусопел.

Признаки «приемная камера; активное сопло, выполненное в виде полусопел, установленных на шарнирах; зазор по линии разъема (полусопел и полудиффузоров) закрыт уплотняющей платиной, прикрепленной к полусоплу и полудиффузору; вдоль линии разъема выполнены лыски, по которым скользят при перемещении с возможностью прижатия в работе уплотняющие пластины» - общие, остальные - отличительные. Таким образом, предлагаемое устройство обладают изобретательским уровнем, так как совокупность признаков данного устройства обуславливает новое устройство, дающее требуемый технический эффект: обеспечивает непрерывный ввод пара в водяную магистраль для подогрева текущего расхода воды на определенный интервал температур при непрерывном изменении расхода воды во времени в широких пределах. Кроме того, снижаются гидравлические потери напора воды, повышается коэффициент эжекции и равномерность ввода пара в водяную струю при увеличении расхода воды.

Для водяной трубопроводной системы с условным диаметром 200 мм, с расходом воды, изменяющимся в диапазоне 500...200 т/час, избыточным рабочим давлением воды 0,4-0,5 МПа, давлением пара 0,5-0,55 МПа с целью непрерывного нагревания воды на 20-30°С было спроектировано и изготовлено в соответствии с предлагаемым изобретением пароэжекторное устройство. Устройство выполнено с регулирующей площадью активного сопла и площадью для подачи пара в диапазонах 610...2440 мм² и 760...3070 мм² соответственно, что обеспечивает непрерывный ввод пара расходом до 10 т/час и постоянное, не зависящее от расхода воды, значение потери гидравлического напора при прохождении воды через установку, равное 0,05 МПа. Опытный образец подтвердил свою эффективность и работоспособность.