ЦЕНТРОБЕЖНО-ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННИК (ЦВТ)
CENTRIFUGAL-VORTEX HEAT-MASS-EXCHANGER (CVH)

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве центробежно-вихревого тепломассообменника - ЦВТ (бойлера для контактного нагрева воды паром), а также для нагрева технологических жидкостей, например в микробиологической, пищевой, химической, нефтяной и других промышленностях. В определенных режимах давление жидкости на выходе из аппарата будет больше давления на входе, и он может выполнять функцию парового кинетического насоса (инжектора или эжектора), при остановленном центробежном насосе (совмещать функции бойлера и насоса).
Известны и нашли применение струйные тепломассообменники, в которых нагрев воды происходит при непосредственном контакте ее с паром. Пар достигает звуковой скорости, смешивается с водой, образуя гомогенную двухфазную смесь. Затем пар конденсируется. Давление воды на выходе из аппарата может при определенных условиях быть выше давления пара и давления воды па входе в аппарат.
Таков аппарат, называемый "Транссоник" (см. патент России №2016261). Недостатком этого аппарата является то, что пар инжектирует воду и его давление должно значительно превышать давление воды, кроме того - сильный шум, недостаточная глубина регулирования нагрузок по расходу пара и воды (практически может работать только па номинальной нагрузке). Как самостоятельный кинетический насос никогда не используется (всегда с электронасосом). Он имеет недостаточно большую производительность, поэтому на одну систему отопления приходится ставить несколько аппаратов. У этих аппаратов небольшой КПД использования энергии пара (не более 8%).
Более эффективными являются центробежно-вихревые тепломассообменники.
3
2
2
В качестве прототипа выбран «кинетический насос-тепломассообменник», защищенный патентом РФ №2210043. Он имеет широкий диапазон регулирования тепловой нагрузки от (0 до 100%). Испытан в качестве сетевого подогревателя при расходах воды 500 м/ч и тепловой нагрузке 10 Гкал/ч и в качестве небольших бойлеров. Преимущества: 1. Малая стоимость в сочетании с широким диапазоном регулирования нагрузок и высокой маневренностью; 2. Нулевое сопротивление по потоку воды даже при низком давлении пара (давление пара при испытаниях превышало давление воды на 0,1 кгс/см), что дает экономию электроэнергии на перекачку воды электронасосом (при превышении давления пара над давлением воды на 3-5 кгс/см давление воды за аппаратом будет превышать давление воды перед аппаратом за счет использования кинетической энергии пара); 3. Не боится плохого качества нагреваемой жидкости; 4. Неограниченный срок службы и практически «нулевые» ремонтные затраты.
Недостатком прототипа является повышенный уровень шума в аппаратах больших типоразмеров при низкой температуре поступающей воды (ниже 70°С), малом превышении давления пара над давлением воды (при испытании малых аппаратов, при достаточном давлении пара и температуре 70°С - шум отсутствовал). Причиной шума являются термоудары (гидроудары), когда струи пара, не успев быстро сконденсироваться, попадают в центр аппарата, образуя паровой жгут (пузырь) по оси аппарата, который конденсируется с шумом. Конденсация мелких пузырьков пара всегда происходит практически без шума.
Целью настоящего изобретения является снижение уровня шума при любых режимах работы (даже при низкой температуре воды и малых скоростях пара в соплах).
Указанная цель достигается тем, что в известном тепломассообменном аппарате, имеющем корпус круглого сечения, с подводящим и отводящим жидкостепроводами, внутри которого последовательно расположены входная камера, камера тепломассообмена между паром и жидкостью меньшего диаметра, выходная камера большего диаметра, чем камера тепломассообмена, как минимум одна паровая камера вокруг камеры тепломассообмена, с подводящим паропроводом и с тангенциальными паровыми соплами, соединяющими паровую камеру с камерой тепломассообмена, с лопаточными устройствами, перепускающими жидкость с большего радиуса на меньший (лопаточное устройство расположено во входной камере и пристыковано к камере тепломассообмена, второе лопаточное устройство может быть расположено в выходной камере перед отводящим трубопроводом, если он соединен с задней торцевой крышкой), по оси тепломассообменной и выходной камер установлен цилиндр меньшего диаметра (сплошной или полый в виде трубы).
Установка по оси тепломассообменной камеры цилиндра препятствует образованию парового жгута (парового пузыря большого объема) и схлопыванию большого объема пара, приводящего к термоударам (гидроударам) и к сильному шуму.
На фиг.1 изображен продольный разрез центробежно-вихревого тепломассообменника (ЦВТ), выполненного в одноступенчатом (однокорпусном) варианте.
На фиг.2 - поперечный разрез ЦВТ по лопаточному устройству перепуска жидкости с большего радиуса на меньший.
На фиг.3 - продольный разрез центробежно-вихревого тепломассообменника (ЦВТ), выполненного в многоступенчатом (двухступенчатом) варианте.
На фиг.4 - продольный разрез упрощенного варианта одноступенчатого ЦВТ с тангенциальным подводом жидкости к входной камере корпуса и тангенциальным отводом нагретой жидкости из выходной камеры (без лопаточного устройства).
Однокорпусный аппарат ЦВТ (фиг.1, 2) имеет пустотелый цилиндрический корпус 1 в виде обечайки, переднюю 2 (верхнюю при вертикальной установке аппарата) и заднюю 3 (нижнюю) торцевые крышки, патрубки подвода жидкости 4 (всасывающий патрубок) и патрубок отвода жидкости от аппарата 5, присоединенные соответственно к передней и к задней крышкам, входную камеру 6, теломассообменную камеру 7 (она же завихривающая камера) и выходную камеру 8, цилиндр 9 по оси камер 7 и 8, патрубки подвода пара 10, кольцевую паровую камеру 11 (одну или несколько), тангенциальные сопла 12, соединяющие камеру 11 с камерой 7 (абсолютной тангенциальности достигнуть очень трудно, и сопла располагаются под острым углом к радиусу), лопаточное устройство для перепуска жидкости с большего радиуса на меньший, имеющее диск 13 и лопатки 14. На входе в камеру 7 может быть установлена шайба 15 (кольцевая перегородка), а диск может крепиться к корпусу при помощи креплений 16 (при наличии шайбы 15 и при тангенциальном присоединении входного патрубка 4 к входной камере 6, аппарат может работать и без лопаточного аппарата 13, 14, но с несколько меньшим повышением давления нагреваемой жидкости). Установка лопаточного устройства в выходной камере также необязательна, если выходной патрубок 5 присоединить тангенциально к выходной камере 8.
Многокорпусный аппарат ЦВТ (фиг.3) отличается только тем, что тепломассообменная камера аппарата второй ступени присоединена к выходной камере аппарата первой ступени через лопаточное устройство, а тепломассообменная камера аппарата третьей ступени присоединена к выходной камере аппарата второй ступени, и так далее.
Упрощенный вариант ЦВТ (фиг.4) отличается тем, что подводящий патрубок нагреваемой жидкости присоединен тангенциально входной камере, между входной камерой и камерой тепломассообмена имеется шайба, отводящий патрубок нагретой жидкости также присоединен тангенциально к выходной камере и в нем отсутствуют лопаточные аппараты 13, 14.
Работа аппарата ЦВП осуществляется следующим образом. Нагреваемая вода или другая технологическая жидкость (даже загрязненная) подается во входную камеру 6 через патрубок 4, присоединенный к передней торцевой крышке 2 (фиг.1, 3), или через патрубок 4 (фиг.4), присоединенный тангенциально к камере 6. Далее жидкость попадает в лопаточное устройство для перепуска жидкости с большего радиуса закрутки на меньший, состоящий из диска 13 и лопаток 14. Пространство между лопатками 14, диском 13 и стенкой камеры 11 представляет собой сужающиеся сопла, направляющие жидкость от периферии к центру с небольшой закруткой. Кольцевое пространство после этих сопел соединено с камерой тепломассообмена. Попадая в камеру тепломассообмена 7, жидкость контактирует со струями пара, выходящими тангенциально потоку вращающейся жидкости, которые и раскручивает ее, увеличивая многократно скорость вращения жидкости. Энергия вращения жидкости передается в центральную часть лопаточного устройства и эжектирует жидкость из камеры 6. Лопаточный аппарат препятствует передачи энергии вращения жидкости из камеры 7 в камеру 6 (чем больше скорость вращения жидкости в камере 6, тем больше давление на стенки камеры, тем больше противодавление входящему потоку жидкости, тем меньше повышение давления жидкости на выходе из аппарата, тем меньше способность аппарата работать как кинетический насос). Раскрученный до большой скорости поток жидкости выходит из камеры 7 в камеру 8, увеличивая радиус закрутки. Согласно закону сохранения момента количества движения с увеличением радиуса закрутки скорость вращения жидкости падает, а давление возрастает. Можно отводить нагретую жидкость с повышенным давлением через патрубок 5, тангенциально присоединенный к камере 8, и можно отводить через лопаточное устройство (13, 14) и через патрубок 5, присоединенный соосно к крышке 3. Аппарат по фиг.1 обеспечивает больший подъем давления жидкости, чем аппарат по фиг.4. Цилиндр 9 препятствует пару простреливать слой воды и образовывать вращающийся паровой жгут по оси аппарата. Пар обтекает цилиндр 9 тонким слоем, что многократно уменьшает силу гидроударов при конденсации пара. Наличие нескольких подводящих патрубков пара позволяет сохранять скорость и кинетическую энергию пара при уменьшенных нагрузках за счет отключения части патрубков, что способствует увеличению давления жидкости на выходе из аппарата. Если на аппарате установлен один паровой патрубок, то максимальное увеличение давления жидкости можно получить только на максимальной нагрузке. Для использования аппарата только как бойлера количество патрубков 10 не имеет значения. Скорость вращения воды в камере 8 имеет свое оптимальное значение (при малой скорости недостаточен прирост давления жидкости, при большой - возрастают потери на трение). Чтобы иметь значительное повышение давления жидкости, необходимо выполнить аппарат двух- или более ступенчатым (см. фиг.3). Из выходной камеры 8 первой ступени нагретая жидкость с повышенным давлением поступает во вторую аналогичную ступень через лопаточное устройство 14а, где дополнительно нагревается и повышает давление, и так далее.
Наличие цилиндра по оси аппарата предотвращает образование парового жгута по центру аппарата (паровой полости достаточно большого объема) и предотвращает термоудары (гидроудары), возникающие при конденсации пара в жгуте большого объема.
Наличие тангенциальных патрубков и шайбы (кольцевой перегородки) перед камерой тепломассообмена вместо лопаточного устройства упрощает и удешевляет конструкцию, но уменьшает увеличение полезного напора нагреваемой жидкости.
Наличие лопаточного устройства для перемещения жидкости из входной камеры в камеру тепломассообмена создает эжекцию входящих потоков жидкости за счет быстровращающейся жидкости в камере тепломассообмена и повышает давление жидкости на выходе из аппарата по сравнению с давлением на входе в аппарат. То есть позволяет работать аппарату в качестве кинетического насоса. Наличие лопаточного аппарата в выходной камере равноценно установке отводящего патрубка 5 тангенциально отводящей камере.