УСТРОЙСТВО ПАРОВОДЯНОГО СТРУЙНОГО ТЕПЛОНАГРЕВАТЕЛЯ
JET STEAM-WATER HEATING DEVICE

Изобретение относится к струйной технике и может быть использовано в отопительных системах для нагрева сетевой воды с одновременной организацией ее транспортировки или циркуляции, а также при утилизации низкопотенциального пара от технологических установок, где допускается смешение сред.
Известно устройство пароводяного насоса-подогревателя, включающее корпус, патрубок подвода воды, пароводяную камеру смешения с конфузором, диффузором и перепускными каналами, паровое сопло, установленное соосно с пароводяной камерой с образованием в последней кольцевого жидкостного сопла, при этом выход камеры снабжен дополнительным сопловым насадком и соединен с приемной камерой, снабженной патрубком подвода воды и установленной соосно с сопловым насадком, а перепускные каналы снабжены запорными элементами, размещены на участке постоянного сечения пароводяной камеры и соединяют последнюю с кольцевой полостью, сообщающейся с патрубком подвода воды (описание полезной модели RU №7155 U1, F04F 5/24, 1998 г. или описание изобретения RU №2152542 C1, F04F 5/24, 2000 г.
Также известно устройство пароводяного струйного аппарата (ПСА), включающее корпус с патрубками подвода холодной воды и отвода горячей воды, соосно размещенными в корпусе паровое сопло Лаваля, камеру смешения, горловину, диффузор и центральное тело, сформированное из цилиндрических и конических участков, причем паровое сопло Лаваля размещено в корпусе с образованием кольцевой диафрагмы, сообщающейся с патрубком подвода воды и имеющей по ходу расширения сужение и сопло, причем центральное тело установлено неподвижно и его участок, размещенный в расширяющейся части парового сопла Лаваля, по ходу расширения, выполнен в первой своей части с расширением, превосходящим степень расширения расширяющейся части сопла Лаваля (свидетельстве RU на полезную модель №16019 U1, F04F 5/00, 2000 г.).
Указанные устройства используются в системах для подогрева и перекачки сетевой воды. Принцип их действия основан на физическом явлении из области гидродинамики двухфазного потока, суть которого заключается в возникновении скачка уплотнения в двухфазном (вода в виде струи и пар) потоке при разгоне его до сверхзвуковой скорости и последующего торможения, после перехода звукового барьера. В результате на выходе из аппаратов формируется поток воды с более высокой температурой, чем на входе, и нагретая вода под давлением подается потребителю.
Недостатком рассмотренных аппаратов является сложность конструкции, а также невозможность использования водяного пара с температурой меньше 100°C, так как для разгона пара в соплах давление пара на входе в сопло должно быть больше атмосферного, а следовательно, температуру для его получения необходимо иметь не ниже 100°C. Кроме того, устройства не позволяют преобразовывать энергию потока в тепловую энергию без подведенной энергии активной среды (пара).
Наиболее близким аналогом по конструктивным признакам, принятым заявителем в качестве прототипа, является устройство пароводяного струйного теплонагревателя, которое отражено в описании к патенту RU №2114326 C1, F04F 5/54, 1998 г.
Известное устройство содержит электронасос для подачи холодной воды, струйный аппарат-генератор тепла с патрубками подвода холодной воды и отвода подогретой воды, магистрали подвода холодной воды и отвода подогретой. Это устройство используется для нагрева перекачиваемой воды путем преобразования энергии потока воды в тепловую энергию без подведенной в устройство энергии активной среды (пара).
Принцип действия прототипа и аналогов совпадают; происходит скачок уплотнения в двухфазном потоке, разгон образовавшегося потока до сверхзвуковой скорости и последующее торможение потока после перехода звукового барьера.
Основным недостатком прототипа является малый насосный эффект в работе струйного аппарата, который отражается на показателях потребления электроэнергии и тепловой мощности устройства в целом. Кроме того, указанное устройство не может обеспечить производство водяного пара не только с температурой 100°C и выше, но и для получения пара с температурой ниже 100°C, используя воду с температурой ниже 100°C.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение тепловой мощности теплонагревателя и расширение диапазона его функциональных возможностей.
Техническими результатами являются повышение эффективности преобразования гидродинамического напора теплоносителя в тепловую энергию, расширение температурного диапазона полученного теплоносителя и его функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что известное устройство пароводяного струйного теплонагревателя, содержащее струйный аппарат, электронасос, магистрали и патрубки подвода и отвода теплоносителя, оно дополнительно содержит вакуумный насос, выполненный в виде входной цилиндрической камеры с тангенциальным подводом холодного теплоносителя и патрубком подвода нагретого теплоносителя, расположенного в центральной ее части, и выходной цилиндрической камеры с патрубком отвода теплоносителя к потребителю, причем входная и выходная камеры соединены между собой кольцевым зазором, образованным расширяющимся диффузором и гидравлическим дросселем, установленным внутри диффузора, конструкция струйного аппарата аналогична конструкции вакуумного насоса, при этом его входная цилиндрическая камера снабжена патрубком отвода теплоносителя, расположенным в центральной ее части, а выходная - патрубком слива теплоносителя и струйный аппарат смонтирован относительно вакуумного насоса осесимметрично и оппозитно их входными камерами, при этом последние соединены между собой магистралью с запорным вентилем, магистрали подвода и отвода теплоносителя вакуумного насоса и магистраль слива теплоносителя из струйного аппарата снабжены электронасосами, а указанные магистрали и магистраль подвода теплоносителя в струйный аппарат снабжены термодатчиками. Кроме того, гидравлический дроссель струйного аппарата и вакуумного насоса выполнен в виде усеченного конуса.
На чертеже изображено устройство пароводяного струйного теплонагревателя.
Устройство содержит струйный аппарат 1, электронасос 2, вакуумный насос 3, включающий входную цилиндрическую камеру 4 с тангенциальным подводом 5 холодного теплоносителя, патрубком 6 подвода нагретого теплоносителя, расположенного в центральной ее части 7, выходную цилиндрическую камеру 8 с патрубком 9 отвода теплоносителя потребителю, кольцевой зазор 10, соединяющий входную и выходную камеры, образованный диффузором 11 и гидравлическим дросселем 12, составляющие струйного аппарата, в частности входную цилиндрическую камеру 13 с патрубком 14 отвода нагретого теплоносителя, расположенного в центральной ее части 15, выходную цилиндрическую камеру 16 с патрубком 17 слива теплоносителя, кроме того, устройство включает магистраль 18 с запорным вентилем 19, магистрали 20 и 21 вакуумного насоса для подвода и отвода теплоносителя соответственно, магистраль 22 слива теплоносителя из струйного аппарата, электронасосы 23, 24, 25, термодатчики 26, 27, 28, 29, тангенциальный подвод 30 холодного теплоносителя в входную камеру струйного аппарата и последний имеет кольцевой зазор 31, диффузор 32, дроссель 33 и магистраль 34 подвода теплоносителя.
Заявленное устройство работает следующим образом.
При закрытом вентиле 19 включают электронасос 23, который по магистрали 20 под заданным давлением подает холодную воду из сети через тангенциальный подвод 5 вакуумного насоса 3 во входную цилиндрическую камеру 4. Далее вода через кольцевой зазор 10, образованный расширяющимся диффузором 11 и гидравлическим дросселем 12, выполненным в виде усеченного конуса, поступает в выходную цилиндрическую камеру 8 вакуумного насоса 3 и далее через патрубок 9 отвода теплоносителя, магистраль 21 и электронасос 24 отводится к потребителю. При движении воды к центральной части 7 входной камеры 4 ее тангенциальная скорость за счет сохранения момента количества движения возрастает, а давление в соответствии с законом Бернулли падает и на определенном радиусе закрутки достигает своего минимального значения, равного давлению насыщения для заданной температуры холодной жидкости. В результате чего происходит вакуумирование в полости центральной части 7 входной камеры 4 вплоть до запорного вентиля 19. Движение воды в кольцевом зазоре 10 вакуумного насоса 3 меняется с меньшего радиуса закрутки на больший, в результате чего тангенциальная скорость уменьшается, а давление растет и восстанавливается до первоначального за вычетом потерь давления затраченных на преодоление трения.
После того как будет получен необходимый вакуум в полости центральной части 7 вакуумного насоса 3, включают электронасос 2 и из сети при заданном давлении и с температурой ниже температуры насыщения подают холодную воду через тангенциальный подвод 30 в входную цилиндрическую камеру 13 струйного аппарата 1. За счет сохранения момента количества движения скорость воды возрастает, а давление в соответствии с законом Бернулли падает и на определенном радиусе закрутки становится меньше давления насыщения для заданной температуры, в результате чего жидкость вскипает за счет отбора тепла от самой жидкости, понижая ее температуру до равновесного состояния с паром. Пар собирается в центральной части 15 входной цилиндрической камеры 13 струйного аппарата 1. Поскольку давление насыщенных паров нагретой воды больше давления в центральной части 7 входной цилиндрической камеры 4 вакуумного насоса 3, то после открытия запорного вентиля 19 за счет перепада давления пара насыщенные пары нагретой воды из паровой полости в центральной части 15 струйного аппарата 1 через патрубок 14 отвода теплоносителя по магистрали 18 и через патрубок 6 подвода теплоносителя будут поступать в полость входной камеры вакуумного насоса 3, находящейся в центральной ее части 7. В полости насыщенные пары теплоносителя конденсируются на вращающейся поверхности холодной воды, повышая при этом ее температуру. Подогретая вода из выходной камеры 8 с увеличенным расходом на величину сконденсированного пара отводится к потребителю по магистрали 21.
В струйном аппарате 1 теплоноситель проходит кольцевой зазор 31, образованный расширяющимся диффузором 32 и гидравлическим дросселем 33, и поступает в выходную цилиндрическую камеру 16, откуда через патрубок 17 слива электронасос 25 по магистрали 22 отводится в сливной приемник (поз. не указана). Магистрали 34 и 22 струйного аппарата 1 снабжены термодатчиками 29 и 28 соответственно, а магистрали 20 и 21 вакуумного насоса - термодатчиками 26 и 27 соответственно.
В предлагаемом устройстве пароводяного струйного теплонагревателя функция вакуумного насоса сводится к: получению вакуума в устройстве, его поддержанию в системе, подогреву теплоносителя и организации транспортировки нагретого теплоносителя, а функция струйного аппарата - к получению пара не только с температурой 100°C и выше, но и пара с температурой ниже 100°C, используя воду с температурой ниже 100°C.
Заявленное устройство не сложно в изготовлении и надежно в эксплуатации. При его использовании повышается эффект преобразования гидродинамического напора теплоносителя в тепловую энергию и при этом решается одна из задач реализации программ энергосбережения и внедрения ресурсо-энергосберегающих технологий. Устройство может быть также использовано в технологических схемах в качестве кавитационного смесителя, гомогенизатора и диспергатора.