ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ПРЯМОГО СМЕШИВАНИЯ ВОДЫ И ПАРА
HEAT EXCHANGING DEVICE OF DIRECT WATER AND STEAM MIXING

Изобретение относится к устройствам для подогрева воды или охлаждения пара и может использоваться в теплоэнергетике, химической промышленности и всех других пароводоиспользующих производствах и отдельных предприятиях (например, прачечных) с узлами подогрева воды или охлаждения пара путем их прямого смешивания.
Известны конструкции аналогов - конструкции редуцирующее-охлаждающих устройств - РОУ (быстродействующие - БРОУ), выпускаемых серийно и широко используемых в промышленности, см. например, каталог «Арматура энергетическая 5-77» НИИЭИНФОРМ-ЭНЕРГОМАШ, М., 1977 г., лист 34, БРОУ тип В-252. Конструкции аналогов предназначены для охлаждения пара с возможным сопутствующим охлаждению снижением его давления (редуцированием пара). Используемые в промышленности БРОУ представляют собой простые устройства в виде участка трубы, включенного прямо в трубопровод транспортирования пара к месту использования с, по меньшей мере, одним присоединенным к трубному участку маломерным штуцером подачи воды, направленным под острым углом к направлению транспортирования пара (или перпендикулярно ему). Перед местом присоединения штуцера подачи воды (по направлению движения пара) в трубном участке установлена рассекающая перегородка с отверстиями (перфорацией).
Работа конструкции аналогов заключается в следующем: - при транспортировании пара по трубопроводу с БРОУ (т.е. с трубным участком, имеющим штуцер подачи воды и перфорированную перегородку) в направлении к пароиспользующему приемнику, в штуцер подачи воды, нагнетается охлаждающая вода. Перед контактом с водой пар проходит через перфорированную перегородку, увеличивающую местную скорость и турбулентность парового потока. Одновременно в БРОУ может быть осуществлено увеличение контактной поверхности подаваемой воды за счет увеличения числа штуцеров ее подачи, располагаемых друг за другом вдоль оси трубного участка и распыления ее форсунками. Вспрыскиваемая струями (или распыляемая) вода попадает в турбулентное высокоскоростное паровое пространство, контактирует с паром и, воспринимая часть его тепловой энергии, испаряется (превращается в пар). Снятая испарением воды, тепловая энергия понижает температуру и давление общего смешанного выходного потока. Поэтому пар, следующий дальше за трубным участком БРОУ по транспортной трубе, имеет более низкие температуру и давление. Таким образом, в конструкции аналогов простейшими средствами реализован теплообменный процесс прямого смешивания воды и пара с целью охлаждения пара.
Недостатком известных конструкций - аналогов являются пониженные: безопасность работы, срок службы конструкции; повышенные: количество аварийных разрушений, шумовые характеристики.
2
2
Указанные недостатки аналогов обусловлены разнородностью смешиваемых потоков, принудительностью ввода добавочного потока, полнообъемностью первичного контактирования обеих фаз. Это и определяет резкий пульсационный характер смешивания и первичного существования общего потока в виде чередующихся участков разных фаз с разными температурами и давлениями. Пульсации внутреннего потока приводят к появлению вибрации трубной конструкции самого теплообменного устройства (прилегающих частей трубопровода и др.), возникновению шума. Особенно это характерно для начально-конечных периодов подачи сред и периодов настройки режимов. В любой момент пуска, работы и останова БРОУ давление в контуре подаваемой воды должно гарантированно (с запасом) превышать давление транспортируемого пара. В противном случае, возможно проникновение пара в водяной трубопровод с образованием эффекта вскипания воды, возникновения пульсирующего чередования паровых участков и водяных «пробок», теперь уже в трубопроводе подачи воды, еще более увеличивающих вибрации и шум в зонах мест установки БРОУ и прилегающих к ним трубопроводов, опор, площадок обслуживания. Другим недостатком аналогов является узкий интервал применения конструкции без использования повысительных агрегатов. Требование гарантированного превышения давления добавочного потока над основным в существующих сетях не всегда выполнимо. Общеизвестно, что в существующих производственных сетях водоснабжения и низкопотенциального пароснабжения уровень давления обоих фаз приблизительно одинаков и находится в интервале 4÷6 кГс/см. В этих условиях обеспечить гарантированный впрыск добавочных воды или пара в основную систему с равным, а иногда и с чуть большим давлением не представляется возможным без ввода повысительных агрегатов (насосов). Из-за этого повсеместно не используется энергия низкопотенциального пара в 2÷4 кГс/см, который без пользы сбрасывается в закрытые - расширительные емкости или даже в атмосферу (сбросной пар).
Наиболее близким по технической сущности решением, принятым за прототип, является конструкция инжекторного смесителя трубчатого типа, описанная в заявке на патент №2006128679/06 (031147) приоритет от 07.08.2006 г. «Теплообменное устройство прямого смешивания воды и пара. Решение о выдаче патента на изобретение от 29.11.2007 г. Конструкция инжекторного смесителя трубчатого типа включает инжекторную камеру (патрубки, закрепленные в двух трубных перегородках), вмонтированных в трубопровод основного - разбавляемого потока со штуцером, присоединенным к корпусу камеры для ввода добавочного потока. (Здесь и далее за основной трубопровод или трубопровод основного потока принят трубопровод разбавляемого потока, не меняющего своего фазового состояния).
Работа конструкции прототипа состоит в том, что разбавляемый (основной) поток подается насосом по основному трубопроводу. Перед инжекторной камерой, вмонтированной в основной трубопровод, поток разбивается на струи и входит в патрубки. Проходя патрубки, струи создают зоны разрежения, которые суммируются в межпатрубочном пространстве (где конструктивно расположен штуцер ввода добавочного потока). Благодаря возникающему разрежению, распространяющемуся на штуцер ввода добавочного потока, поток поступает без принудительного впрыска (нагнетания), т.е. без использования повысительных агрегатов (насосов). «Всасывание» («рассасывание») добавочного потока происходит плавно. Зона разрежения, по существу, является переходным - условно «прокладочным» промежутком, сглаживающим-смягчающим резкость контактного взаимодействия разнородных фаз. Другими словами, за счет разрежения условно увеличивается гидравлическое пространство зоны контактирования - взаимодействия обоих компонентов, обеспечивается постепенность, сглаженность газожидкостного взаимодействия.
Недостатком конструкции, принятой за прототип, является узкий диапазон изменения температуры смешанного потока при использовании его в качестве теплообменного устройства прямого смешивания воды и пара. Объем поступающего добавочного потока строго определен - обусловлен величиной реализующегося разрежения-всасывания, возникающего при движении основного (разбавляемого) потока. То есть максимальная (при подогреве воды) или минимальная (при охлаждении пара) температура выходного (смешанного) потока лимитируется объемом (массой) «затянутого» в зону разрежения добавочного потока. Поэтому превысить достигнутые в конструкции прототипа: максимальную температуру основной воды при подогреве или понизить температуру основного пара при охлаждении невозможно.
Целью заявленного изобретения является расширение диапазона изменения температуры выходного смешанного потока путем повышения ее при подогреве основной воды или понижении ее при охлаждении основного пара.
Указанная цель достигается тем, что в известном теплообменном устройстве прямого смешивания воды и пара, включающем трубопровод основного (разбавляемого) потока; инжекторную камеру, вмонтированную в него, по трубному пространству; трубопровод добавочного потока и штуцер его ввода в межтрубное пространство инжекторной камеры, трубопровод основного потока дооснащен, по меньшей мере, еще одной инжекторной камерой, отстоящей от первой на 5÷10 диаметров трубопровода основного потока, со штуцером ввода в межтрубное пространство, также соединенным с трубопроводом добавочного потока. Введен трубопровод возврата части выходного (смешанного) потока, соединенный одним концом с выходной частью основного трубопровода, а другим со штуцером ввода в межтрубное пространство инжекторной камеры, предшествующей (по ходу основного потока) камере со штуцером ввода в межтрубное пространство добавочного потока (от трубопровода добавочного потока).
Изобретение поясняется фиг.1-3.
На фиг.1 представлена схема предложенного теплообменного устройства прямого смешивания воды и пара, состоящего из двух последовательно расположенных в основном трубопроводе инжекторных камер, вмонтированных в основной трубопровод (трубным пространством). Оба штуцера ввода в межтрубные пространства (обеих инжекторных камер) соединены с трубопроводом добавочного потока.
На фиг.2 приведена схема теплообменного устройства, составленная также из двух последовательно включенных в основной трубопровод инжекторных камер. С трубопроводом добавочного потока соединен только штуцер ввода в межтрубное пространство второй (по ходу основного потока) инжекторной камеры. Штуцер ввода в межтрубное пространство первой (по ходу основного потока) дополнительно введенной инжекторной камеры соединен с одним концом вновь введенного трубопровода возврата части выходного потока, другой конец которого врезан в выходную часть основного трубопровода после второй камеры.
На фиг.3 изображено продольное сечение инжекторной камеры.
Конструкция предложенного теплообменного устройства прямого смешивания воды и пара включает две инжекторные камеры 1 и 2, вмонтированные трубными пространствами 3 и 4 в трубопровод 5 основного потока последовательно друг за другом (фиг.1-3). По варианту фиг.1 оба штуцера 6 и 7 ввода в межтрубные пространства 8 и 9 обеих инжекторных камер 1 и 2 соединены с трубопроводом 10 добавочного потока. По варианту фиг.2 только штуцер 7 второй инжекторной камеры 2 соединен с трубопроводом 10 добавочного потока. Штуцер 6 первой камеры 1 соединен с одним концом вновь введенного трубопровода 11 возврата части выходного потока, другой конец которого врезан в выходную часть основного (смешанного) потока после инжекторной камеры 2.
Инжекторная камера 1 или 2 (Фиг.3) образована двумя перегородками 12 и 13, в которые вварены трубки 14 с каналами - отверстиями 15 в стенках трубок 14. Обе ветви трубопровода 10 добавочного потока (Фиг.1) и трубопровод возврата части выходного потока 11 (Фиг.2) оснащены запорно-регулирующей арматурой 16; 17; 18.
Работа предложенного теплообменного устройства прямого смешивания воды и пара заключается в следующем. Основной поток, двигаясь по трубопроводу 5, перед перегородкой 12, первой по ходу потока инжекторной камеры 1, разбивается на струи, которые входят в трубки 14. При движении струй по трубкам 14 в пристеночных зонах трубок на расстояниях, равных 0,5 диаметра трубок 14 от входной перегородки 12, образуются зоны условного вакуумирования. Выполнение в этих зонах (в стенках трубок 14) каналов - отверстий 15 распространяет и объединяет зоны условного вакуума с отдельных трубок 14 на все межтрубное пространство 8 (9) между перегородками 12 и 13 инжекторной камеры 1 (и также 2). По трубопроводу 10 добавочного потока через штуцер 6 при открытом вентиле 16, под действием образующегося разрежения (условного вакуума) в межтрубное пространство попадает добавочный поток. Этот поток по отверстиям - каналам 15 всасывается в трубочные струи, изменяя температуру основного потока за счет прямого тепломассообменного смешивания.
Если объема всасываемого добавочного потока недостаточно, по варианту фиг.1, открывают второй вентиль 17 и в инжекторной камере 2 (расположенной за камерой 1 по ходу основного потока) возникает тот же (описанный выше) механизм всасывания «тепло»- (или «холодо»-) агента, удваивающий первоначально достигнутый результат (эффект) теплообмена, т.е. увеличения выходной температуры смешанного потока. В случае, когда резкое увеличение потребления «тепло»- или «холодо»- агента невозможно (большие объемы за короткий промежуток времени), т.е. открывать второй вентиль 17 нельзя, т.к. можно «посадить» сеть добавочного потока, используют вариант по фиг.2. По варианту фиг.2 открывают вентиль 18 возврата уже охлажденного или нагретого первично уже смешанного потока по трубопроводу 11 в первую инжекторную камеру 1, а затем в смеси со свежей частью потока, вызвавшей подсос в камеру 1, возвращенная часть потока вновь поступает на смешивающий подогрев или охлаждение новыми порциями добавочного потока в камеру 2.
При необходимости, по каждому варианту фиг.1 или 2 могут быть установлены не по две, а большее число инжекторных камер. При этом по варианту фиг.2 при чередовании камер должно быть обеспечено условие включения в общий набор камер камеры с подсосом добавочного потока - последней - заключительной - выходной по ходу основного потока, и камеры подсоса возвратной части потока, обязательно предшествующей камере с подсосом добавочного потока. Естественно, что в одной и той же схеме подогрева (или охлаждения), собранной по заявленному предложению, могут быть использованы и вариант фиг.1 и вариант фиг.2 одновременно, когда число введенных инжекторных камер составляет три и более.
Возможна реализация обоих вариантов одновременно в схеме с двумя инжекторными камерами, если в первую камеру (по ходу основного потока) через один (или два) штуцера подаются попеременно - добавочный поток или возвратная часть потока.
Благодаря предложенному техническому решению расширен диапазон изменения температуры выходного смешанного потока путем повышения ее при подогреве основной воды или понижении ее при охлаждении основного пара. Увеличение нагрева воды или охлаждения пара, реализованное также, как и в конструкции прототипа, непринудительным (безопасным, безвибрационным, бесшумным) путем - путем естественного подсоса за счет механической энергии движения основного потока. Причем для наиболее выгодного случая использования предложенного решения - применения на подсосе сбросного низкопотенциального пара (низкого давления) для подогрева воды в цехе водоподготовки тепловой станции (котельной), предложен второй вариант подключения - по фиг.2. Второй (по фиг.2), «щадящий» или нефорсированный вариант подсоса пара, растянутый по времени, без резкого увеличения по фиг.1 мгновенных расходов пара, способных привести к полному «истощению» - «посадке» сети низкопотенциального пара (при более медленном его образовании и накапливании), реализован введением трубопровода возвратной части смешанного потока (подключаемого к штуцеру ввода в межтрубное пространство дополнительно установленной камеры). Дополнительно установленная камера расположена перед основной («штатной») инжекторной камерой (по ходу основного потока).
3
2
Использование только одного килограмма сбросного насыщенного пара избыточным давлением 2 кГс/см возвращает в производство 650 ккал тепловой энергии. Конструктивно безопасное, безвибрационное, бесшумное и безнасосное использование сбросного пара с минимальным давлением в 1 кГс/см (и менее); пара вторичного вскипания реализует 5% и более экономию тепловой энергии от общего объема паропроизводства.