ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЙ СТРУЙНЫЙ АППАРАТ
HEAT GENERATING JET APPARATUS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область техники
Настоящее изобретение относится к струйной технике, например инжекторам, и способам инжекции для нагрева перекачиваемой и эжектирующей сред.
Описание предшествующего уровня техники
Известен струйный тепловыделяющий аппарат и способ, включающий две фазы преобразования жидкостного потока смеси теплоносителей, описанный в принадлежащем автору настоящего изобретения патенте RU 2110701, опубликованном 10 мая 1998. Одно из этих преобразований включает разгон смеси, вскипание, образование двухфазного сверхзвукового потока с числом Маха, большим 1, и организацию скачка давления с нагревом жидкостного потока. Другое преобразование включает разгон потока, вскипание его, организацию режима течения с числом Маха, равным 1, торможение потока и его преобразование в изотропический жидкостной поток, заполненный микроскопическими парогазовыми пузырьками, с дополнительным нагревом жидкости. В качестве одного из теплоносителей может быть использован пар. Данный способ позволяет интенсифицировать нагрев теплоносителя.
Однако настоящий способ недостаточно эффективен. Эффективность снижается за счет преобразования внутренней энергии потока в кинетическую энергию со сверхзвуковым потоком на втором этапе преобразования двухфазного потока в жидкостной поток с парогазовыми пузырьками. Вместе с тем известно, что чем выше число Маха, тем интенсивнее происходит преобразование внутренней энергии в кинетическую. Снижение эффективности особенно типично для двухфазных потоков, где число Маха может быть в несколько раз больше, чем в однофазных потоках при одинаковых или сходных параметрах тормозящегося потока. Дополнительно, ранее известные инжекторные сопла не обеспечивали непрерывного разгона вскипающего потока до сверхзвуковой скорости, необходимой для достижения преимуществ струйного инжектирования с двойным преобразованием.
Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретения, является преодоление этого и других ограничений предшествующего уровня техники в области струйных аппаратов и способов нагрева перекачиваемой и эжектирующей сред.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящая технология может решить эти и другие задачи для улучшенной струйной инжекции, такие как, например, достижение увеличения эффективности работы струйного аппарата посредством интенсификации нагрева теплоносителей более полным использованием как энергии нагреваемой среды за счет достижения сверхзвукового потока на выходе из разгонного сопла, так и увеличения энергии нагреваемого теплоносителя за счет уменьшения давления на выходе из разгонного сопла, что приводит к вскипанию перекачиваемой жидкости. В струйном аппарате в соответствии с новой технологией может использоваться сопло, ранее описанное автором настоящего изобретения в российской заявке на патент №2008138162, поданной 25 сентября 2008 и опубликованной 27 марта 2010, ссылка на которую приводится.
Способ работы струйного теплообменного аппарата содержит подачу горячего жидкостного теплоносителя в сопло под давлением и подачу холодного жидкостного теплоносителя и их смешение для осуществления следующих изменений состояния. В некоторых вариантах осуществления изобретения оба теплоносителя содержат воду. Первые два изменения состояния производятся с нагретой жидкостью и включают разгон горячего (нагреваемого) теплоносителя до первой скорости, при которой он вскипает с образованием неоднородного двухфазного потока. Двухфазный поток разгоняют в сопле до скорости с числом Маха, равным, по меньшей мере, 1, затем подвергают резкому увеличению давления за счет торможения, которое преобразует двухфазный поток в дозвуковой однородный и изотропический жидкостной поток, содержащий микроскопические газовые пузырьки, и нагревает жидкостной теплоноситель. Затем нагреваемый теплоноситель с газовыми пузырьками разгоняют до скорости, при которой смесь теплоносителей повторно вскипает и снова превращается в неоднородный двухфазный поток теплоносителя. Разгон производят таким образом, чтобы число Маха в расширяющемся сечении сопла возрастало до 1, а затем на выходе из сопла число Маха возрастает до значения, большего 1.
Третье изменение состояния осуществляется на нагреваемом (обычно с более низкой температурой) теплоносителе. Нагреваемый теплоноситель разгоняют до скорости, при которой он вскипает с формированием двухфазного потока с числом Маха, близким или равным 1, то есть до околозвуковой скорости. Таким образом, вышеописанный процесс приводит к получению двух двухфазных потоков: сверхзвукового потока нагреваемого теплоносителя и околозвукового потока нагреваемого теплоносителя. Сверхзвуковой и околозвуковой потоки смешиваются с формированием смеси сверхзвукового двухфазного потока, которая затем тормозится. В результате торможения смешанный поток преобразуется в однородный изотропический жидкостной поток смеси теплоносителей, заполненный микроскопическими парогазовыми пузырьками. Дополнительно, благодаря преобразованию потока в первоначальное жидкое состояние, жидкостной поток смеси нагревается, а нагреваемый жидкостной поток смеси теплоносителей с парогазовыми пузырьками подается потребителю под давлением, полученным в струйном аппарате.
Настоящая технология может включать следующие варианты способа, описанного выше. Например, в одном из альтернативных вариантов нагреваемый жидкостной носитель превращают в пар и подают под давлением в инжекционное сопло для смешения с холодной жидкостной нагреваемой средой. Например, горячая подаваемая среда может содержать пар, а холодная подаваемая среда - воду. Парообразный теплоноситель, подаваемый в сопло, смешивается с получаемой жидкостью с формированием сверхзвукового неоднородного двухфазного потока с числом Маха, большим 1, на выходе из сопла. Затем давление потока резко возрастает для преобразования сверхзвукового двухфазного потока в однофазный жидкостной поток смеси теплоносителей с одновременным нагревом смеси теплоносителей во время скачка давления за счет конденсации паровой фазы. Затем, поток смеси теплоносителей разгоняют до скорости, при которой смесь теплоносителей вскипает с повторным образованием сверхзвукового двухфазного потока с числом Маха, большим 1. Далее, поток тормозят до преобразования двухфазного потока в однородный изотропический жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками, дополнительного нагревания смеси теплоносителей и повышения давления. Затем нагреваемый жидкостной поток смеси теплоносителей может подаваться потребителю под давлением, полученным в струйном аппарате.
В другом варианте, нагреваемый жидкостной носитель превращают в пар и подают под давлением в инжекционное сопло для смешения с холодной жидкостной нагреваемой средой. Парообразный теплоноситель, подаваемый в сопло, смешивается с получаемой жидкостью с формированием сверхзвукового неоднородного двухфазного потока с числом Маха, большим 1, на выходе из сопла. Далее, двухфазный поток тормозят, и он преобразуется в однородный изотропический жидкостной поток смеси теплоносителей с микроскопическими парогазовыми пузырьками. Торможение также приводит к нагреванию потока путем конденсации паровой фазы и повышению давления в потоке. Далее, поток смеси теплоносителей разгоняют до скорости, при которой смесь теплоносителей повторно вскипает, для формирования сверхзвукового неоднородного двухфазного потока с числом Маха, большим 1. Затем подают дополнительный нагреваемый носитель и разгоняют его до скорости, при которой он вскипает, и формируется двухфазный поток с числом Маха, близким или равным 1, то есть до околозвуковой скорости. Таким образом, процесс приводит к получению двух двухфазных потоков: сверхзвукового потока смеси горячих теплоносителей и околозвукового потока нагреваемого теплоносителя. Сверхзвуковой и околозвуковой потоки смешиваются с формированием смеси сверхзвукового двухфазного потока, которая затем тормозится. В результате торможения смешанный поток преобразуется в однородный изотропический жидкостной поток смеси теплоносителей, заполненный микроскопическими парогазовыми пузырьками. Дополнительно, благодаря конденсации паровой фазы внутри потока до первоначального жидкого состояния, жидкостной поток смеси нагревается, а нагреваемый жидкостной поток смеси теплоносителей с микроскопическими парогазовыми пузырьками подается потребителю под давлением, полученным в струйном аппарате.
Струйный аппарат для осуществления вышеописанного способа, использующий подачу горячей жидкости, может содержать, по меньшей мере, два последовательно соединенных сопла, как указано далее. Первое сопло, сконфигурированное для вскипания горячей жидкости, подаваемой под давлением в первое сопло, и второе сопло, соединенное с выходом из первого сопла, сконфигурированное для торможения и уменьшения газовой фазы горячей жидкости, за которыми следуют разгон и повторное вскипание во втором сопле, и повторное торможение и уменьшение газовой фазы на выходе из второго сопла. Первое сопло содержит канал с постоянным сечением. Первое сопло далее содержит отверстие с острой входной кромкой, сконфигурированное для отрыва потока от подвода. Канал, как правило, цилиндрический и имеет длину, меняющуюся в диапазоне 0.5-1 значений его диаметра. Второе сопло содержит диффузор с переменным расширением. Струйный аппарат далее содержит третье сопло с жидкостной связью на его выходе с выходом из второго сопла и с жидкостной связью на его входе с соединением для подачи жидкости под давлением. Струйный аппарат далее содержит соединение для выводного канала, соединенного с выходом из второго сопла.
Струйный аппарат для осуществления описанного способа с использованием подачи горячего пара, например, водяного пара, содержит, по меньшей мере, два последовательно соединенных сопла, как указано далее. Первое сопло, сконфигурированное для впрыскивания паровой фазы жидкого материала через первое сопло в холодную жидкую фазу материала для обеспечения вскипания горячего жидкостного потока в камере смешения ниже первого сопла, соединяется с каналом с постоянным сечением посредством камеры смешения. Канал сконфигурирован для торможения и уменьшения газовой фазы горячего жидкостного потока. Второе сопло, соединенное с выходом из канала с постоянным сечением, сконфигурированным для разгона и повторного вскипания во втором сопле с последующим повторным торможением и уменьшением газовой фазы на выходе из второго сопла. Первое сопло содержит сужающееся-расширяющееся сопло. Струйный аппарат содержит третье сопло с жидкостной связью на его выходе с выходом из первого сопла и с жидкостной связью на его входе с соединением для подачи жидкости под давлением. Канал с постоянным сечением, как правило, цилиндрический и имеет длину, меняющуюся в диапазоне 4-6 значений его диаметра. Второе сопло содержит диффузор с переменным расширением. Струйный аппарат содержит соединение для выводного канала, соединенного с выходом из второго сопла. Струйный аппарат содержит третье сопло с жидкостной связью на его выходе с выходом из второго сопла и с жидкостной связью на его входе с соединением для подачи жидкости под давлением.
Как видно из приведенных примеров, смешение и нагрев жидкого теплоносителя в струйном аппарате с использованием скачка давления в комбинации с преобразованием потока в однородный изотропический поток и неоднородный двухфазный поток производятся для повышения эффективности теплопередачи. Более полное понимание струйного аппарата и способа будет предоставлено специалистам в данной области, так же как и осуществление дополнительных преимуществ и объектов путем рассмотрения следующего подробного описания. Ссылки сделаны на приложенные чертежи, которые будут сначала кратко описаны.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 показано схематическое изображение потоковой секции струйного аппарата, подходящего для осуществления описанного способа работы с использованием горячей воды в качестве нагреваемой среды.
На Фиг.2 показано схематическое изображение потоковой секции струйного аппарата, подходящего для осуществления описанного способа работы с использованием пара в качестве нагреваемой среды.
Фиг.3 представляет альтернативную схему аппарата, показанного на Фиг.2.
На Фиг.4 приведена потоковая диаграмма, показывающая способ работы струйного аппарата с горячей жидкостью в качестве нагреваемой среды.
На Фиг.5 приведена потоковая диаграмма, показывающая способ работы струйного аппарата с горячим паром в качестве нагреваемой среды.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Прежде чем приступить к подробному описанию аппарата и способа, в поддержку раскрытых вариантов осуществления изобретения приводятся определенные теоретические соображения.
Одно такое соображение касается инициирования вскипания в ходе процесса. Для предотвращения отставания процесса вскипания при достижении давления насыщения пара необходимо наличие центров парообразования в потоке жидкости. При работе способа, когда в качестве горячего теплоносителя выступает пар, такой проблемы нет, поскольку нагнетание пара вызывает присутствие в потоке жидкости большого количества микроскопических пузырьков, которые содержат пар с температурой, намного превосходящей температуру несущего их потока, и, таким образом, эти пузырьки выступают в качестве центров парообразования.
Иначе обстоит дело, если в качестве греющей среды выступает горячая жидкость, например вода. Подходящее сопло для горячей жидкости, описанное в заявке на патент РФ №2008138162, принадлежащей автору настоящего изобретения, имеет плавный вход в сходящейся части, что в отсутствие центров парообразования приводит к задержке вскипания жидкости даже после значительного снижения давления ниже давления насыщения. Это в свою очередь приводит к работе сопла в режиме, отличном от расчетного, а следовательно, к снижению его эффективности и эффективности работы всего устройства в целом.
Для устранения этого недостатка можно в качестве парогенерирующего устройства использовать на входе в это или сходное сопло отверстие с острой входной кромкой. В этом случае, диаметр узкого сечения сопла должен быть верно рассчитан в соответствии с нижеописанным. В гидродинамике Жуковским Н.Е. была предложена следующая формуладля определения коэффициента расхода при истечении в атмосферу жидкости из емкости трубопровода большого диаметра:
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mn>.57</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>.043</mn></mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1.1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>d</mi><mi>D</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
где d - диаметр отверстия; D - диаметр подводящего трубопровода.
При D>>d, µ=0.609.
Приведенная зависимость достаточно хорошо описывает результаты истечения холодной жидкости в неограниченное пространство с атмосферным давлением в виде свободно расширяющейся струи. Однако формула недостаточно точно описывает истечение в ограниченное и затопленное пространство, имеющее противодавление большее, чем атмосферное, и вопрос диаметра горловины оставался открытым для широкого спектра первоначальных температур и давлений. Не совсем понятной оставалась и физическая сущность происходящих в струе процессов. Поведение вскипающего жидкостного потока в сопле с парогенерирующей вставкой и расходящейся частью, выполненной в соответствии со способом расчета, описанным в заявке №2008138162 для устройства, показано на Фиг.1. Отличительной чертой сопла 102 является то, что по мере снижения давления по его оси и связанного с этим вскипания жидкости в нем дважды происходит переход через скорость звука. Первый раз это происходит при минимальном объемном соотношении фаз β, определяемом как отношение объема газовой компоненты к суммарному объему смеси жидкости и газа, имеющем значение 1/3 (одна треть). Это происходит на выходе из отверстия с острой кромкой, расположенного в узком сечении сопла на входе 107 в его расширяющуюся секцию 103. Второй раз переход через звуковую скорость происходит при β(Р01) при максимальном объемном соотношении фаз на выходе 104 из сопла в зависимости от давления Р01 на выходном сечении сопла. Расход смеси на входе и выходе из сопла является одним и тем же и определяется одной и той же зависимостью:
cr
cr
q(P01)·ƒ, где ƒ - площадь сечения, а q(P01) - удельный критический расход смеси в функции давления перед скачком, которое связано с давлением торможения зависимостью:
<mrow><mi>P</mi><mn>01</mn><mo>=</mo><mi>P</mi><mi>o</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>k</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
, где k - показатель изоэнтропы, которая так же как объемное соотношение фаз и давление торможения является функцией изменяющегося давления Р01 в расходящейся части сопла. Удельный критический расход равен:
cr
5
g(P01)=(k(P01)·P01·ρ· (1-β(P01))), где ρ - плотность жидкости, поскольку отношение площадей сечений сопла равно обратному отношению удельных расходов:
<mrow><mfrac><mi>ƒ</mi><mi>F</mi></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>k</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>P</mi><mn>01</mn><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>k</mi><mn>1</mn><mo>⋅</mo><mi>P</mi><mn>01</mn><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>β</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mn>5</mn></msup></mrow>
С учетом приведенных зависимостей при равенстве давления торможения в выходном сечении разгонного сопла 102 и на входе 107 в расходящуюся часть 103 сопла, отношение площадей отверстия с острой кромкой и выходного сечения сопла будет обратно пропорционально отношению объемных отношений М жидкости к газовой фазе в этих сечениях, а отношение диаметров будет равно
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>β</mi><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>5</mn></msup></mrow>
Ввиду скачка давления:
2
a(P01)=wl(P01)-w2(P01), где
a(Р01) - скорость звука, w1(P01) - скорость двухфазной смеси до скачка давления, w2(P01)=wl(P01)×(l-βP(P01)) - скорость двухфазной смеси после скачка давления. Подставляя это выражение в условие существования скачка давления, получим:
<mrow><mi>M</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
Соответственно отношение квадратов диаметров отверстия на входе в разгонное сопло и выходного сечения сопла можно записать как:
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>D</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>M</mi><msup><mn>1</mn><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>M</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Где d - диаметр на входе сопла, D - диаметр на выходе из сопла, а M - объемное отношение фаз жидкость/газ. Если подставить это отношение в формулу Жуковского Н.Е., указанную выше, получим:
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>.57</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>.043</mn></mrow><mrow><mn>1.1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>M</mi><msup><mn>1</mn><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>M</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow></mfrac></mrow>
или ввиду того, что объемное отношении фаз на входе в расширяющееся сечение сопла равно 1/3 M1=1.5, получим формулу, в которой коэффициент расхода не зависит ни от диаметра отверстия, ни от диаметра подводящего трубопровода, а зависит только от свойств жидкости в том случае, когда форма и геометрические размеры струи, истекающей через отверстие с острой входной кромкой, заданы специальным сверхзвуковым соплом для вскипающего двухфазного потока, как описано заявке на патент РФ №2008138162, принадлежащей автору настоящего изобретения:
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>.57</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>.043</mn><mo>⋅</mo><mi>M</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1.1</mn><mo>⋅</mo><mi>M</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2.25</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
Несмотря на то что данное выражение для коэффициента расхода является величиной, зависящей от давления на выходе из сопла, которое в свою очередь зависит от параметров жидкости (в данном случае воды) на входе в сопло, а расчеты выполнены по данной формуле в широком диапазоне температур (от 20°C до 200°C) и давлений (от.2 до 2 МПа) на входе в сопло, коэффициент расхода остается величиной постоянной, равной его значению, высчитанному по формуле Жуковского Н.Е. для условия D>>d: µ=.609.
Это указывает на тот факт, что эта величина носит фундаментальный характер и определяет важнейшие свойства воды: ее сжимаемость и потенциальную внутреннюю энергию.
В заявке №2008138162 описывается зависимость диаметра D(P01) на выходной секции разгонного сопла, работающего на вскипающей жидкости. Диаметр отверстия на входе в сопло определяется следующей зависимостью:
<mrow><mi>d</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1.5</mn><mo>⋅</mo><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mn>01</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
где длина сопла 102 находится в диапазоне от около 0.5 до 1.0 диаметров отверстия d.
В соответствии с вышеизложенным Фиг.1 представляет схематическое изображение потоковой секции струйного аппарата 100 для осуществления описанного способа с использованием воды в качестве нагревающей среды. Теплогенерирующий струйный аппарат 100 содержит вход 101, сопло 102 с профилированным расширяющимся соплом 103, смешивающее сопло 104, подводящий патрубок 105 и выход 106.
Теплогенерирующий струйный аппарат 100 работает следующим образом. В случае, когда в качестве теплоносителя используется жидкая среда, эта среда подается под давлением в сопло 102. Нагреваемый жидкостной теплоноситель подается от входа 101 в разгонный диффузор 103 через парогенерирующее сопло 102. При этом, в секции (а) происходит отрыв потока от острой кромки, поток сужается, давление в нем падает, происходит его вскипание и в узком сечении (b). Объемное отношение фаз газ/жидкость становится равным 1/3, поток становится сверхзвуковым, и на выходе 107 из сопла 102 в секции (с) происходит скачок давления. На входе в разгонное сопло 103 поток представляет собой жидкость с микроскопическими пузырьками пара, которые, являясь центрами парообразования, обеспечивают вскипание жидкости по мере снижения давления в двухфазном потоке. Сопло 103 имеет диффундирующий профиль с переменным расхождением, как показано. Таким образом, плотность смеси уменьшается и скорость растет, в секции (d) поток становится критическим и дальнейшее его расширение происходит со сверхзвуковой скоростью. В секции (е) скорость достигает максимума, а давление минимума. Нагреваемая вода, поступающая в кольцевое смешивающее сопло 104 через патрубок 105, также вскипает за счет низкого давления в секции (е) и смешивается с двухфазным потоком, идущим из разгонного сопла.
При этом потоки смешиваются в таком отношении и при таких параметрах, что после практически мгновенного обмена количеством движений двухфазная смесь подается на выходной трубопровод 106 на сверхзвуковой скорости. В результате возникает скачок давления (повышение) в трубопроводе 106. Во время скачка давления двухфазный поток резко преобразуется в однородный изотропический однофазный жидкостной дозвуковой поток, характеризующийся объемным отношением газ/жидкость, равным не менее 1/3. Такое резкое изменение фазового состояния потока одновременно сопровождается нагревом потока в скачке давления. Поток однородной жидкости наполнен микроскопическими паровыми пузырьками, сформированными на этом этапе. Этот поток подается потребителю в виде нагретой жидкости, чем достигается эффективный и быстрый термальный перенос со входа нагреваемой среды.
Теоретические значения параметров для водо-водяного котла, как показано на Фиг.1, были рассчитаны для работающего устройства по прототипу, сконструированного в качестве примера описанной технологии. С даты этой заявки эмпирические данные от опытного образца еще не доступны. Расчетные значения входных параметров были следующие:
Давление горячей воды на входе:
Р1=0.44 МПа
Температура горячей воды на входе:
T1=110ºС
Подведенная к воде мощность:
ME=500 кВт
Использованные геометрические значения:
Диаметр узкого сечения сопла
d=18 мм
Диаметр выходного сечения сопла
D=116 мм
Расчетные параметры:
Давление на выходе:
P2=0.138 МПа
Температура воды на выходе:
Т2=77.6°С
Выходная мощность:
Q=1000.6 кВт
Расход воды:
g=15 куб.м/ч
Скорость звука перед скачком:
а=27.56 м/с
Давление перед скачком:
Р0=0.0085 МПа
Скорость потока перед скачком:
W1=231.39 м/с
Число Маха перед скачком:
М=8.39
Указанные расчетные значения просто иллюстративны и не должны восприниматься как ограничение изложенной здесь изобретательской концепции. Также следует отметить, что эмпирические результаты могут отличаться от представленных здесь теоретических значений.
Другие варианты осуществления способа работы теплогенерирующего струйного аппарата отличаются от описанных выше в основном тем, что пар подается под давлением на вход 101 струйного аппарата в качестве нагретого теплоносителя. То есть теплоноситель впрыскивается в виде пара. Следовательно, интенсифицируется процесс нагревания холодного теплоносителя путем переноса на него большего количества тепла, а также процесс формирования двухфазного потока. Как описано выше, в потоке проводят два преобразования, т.е. преобразование потока смеси теплоносителей за счет скачка давления и преобразование потока смеси теплоносителей с установлением сверхкритического режима течения. Существенным отличием является то, что преобразование потока смеси теплоносителей, которое проводят первым, не требует специального разгона смеси теплоносителей для вскипания, что позволяет ускорить процесс нагрева смеси теплоносителей, а находящиеся после скачка давления в жидкости пузырьки служат центрами парообразования при вскипании жидкости в разгонном сопле.
На Фиг.2 представлено схематическое изображение другого аппарата 200, подходящего для описанного здесь способа работы с использованием пара в качестве нагревающей среды.
Фиг.3 представляет альтернативный вид струйного аппарата 200. Под аппаратом понимается осуществление следующих операций: подача теплоносителя - пара под давлением в сужающееся-расширяющееся сопло 202 секции (а), истечение его из сопла 202 с подачей в камеру смешения 204, при одновременной подаче первого холодного потока для нагревания в камеру смешения 204 из получающей камеры 201 через сопло 203. Во время смешения теплоносителей между секциями (b и с) в камере смешения 204 ниже сопел 202 и 203 образуется парожидкостная смесь теплоносителей. Парожидкостной поток разгоняют до сверхзвуковой скорости на входе в цилиндрическую часть 205 камеры смешения. Парожидкостной поток имеет объемное отношение газ/жидкость около 1/3 у входа в цилиндрическую часть 205.
После поступления в цилиндрическую часть 205 камеры, парожидкостной поток тормозят, и происходит скачок давления. Цилиндрическая часть 205 сконструирована, как описано выше, для торможения и повышения давления. При резком повышении давления, двухфазный парожидкостной поток преобразуется в однородный изотропический однофазный дозвуковой жидкостной поток, содержащий микроскопические пузырьки, имеющий объемное отношение газ/жидкость менее 1/3.
Дополнительно, нагревание этого потока смеси теплоносителей происходит во время скачка давления в цилиндрической части 205 камеры смешения в результате уменьшения паровой фазы. Поток истекает в нижележащее сопло 206 на дозвуковой скорости и при повышенной температуре.
Далее жидкостной поток разгоняют до скорости, при которой он вскипает в разгонном парожидкостном сопле 206. Сопло 206 имеет диффундирующий профиль с переменным расхождением, как показано. Поток снова достигает состояния неоднородного двухфазного потока с объемным отношением жидкость/газ более 1/3 и числом Маха, равным 1, внутри разгонного сопла секции (е) части профилированного расширяющегося сопла 206. Затем, жидкостной поток разгоняют до максимальной скорости с числом Маха значительно больше 1 на выходе из разгонного сопла 206.
Два отличных варианта работы способа для аппарата 200, оба с использованием пара в качестве горячего входного носителя, осуществляются следующим образом. В одном варианте осуществления изобретения аппарат 200 сконфигурирован для работы так, чтобы после того, как сверхзвуковой поток достигнет выхода из разгонного сопла 206, за счет торможения потока во время скачка давления, он превратится в однородный изотропический жидкостной поток смеси теплоносителей, наполненный микроскопическими парогазовыми пузырьками, на выходе из трубопровода 208. Такое преобразование осуществляется с дополнительным одновременным нагреванием жидкостного потока смеси теплоносителей за счет уменьшения паровой фазы и с повышением давления в потоке. Затем нагретый жидкостной поток смеси теплоносителей подается потребителю под полученным давлением. Через патрубок 207 не подается ничего, и этот элемент может быть удален.
В альтернативном варианте осуществления изобретения аппарат 200 сконфигурирован для работы таким образом, что подача горячего пара отличается от описанного выше варианта следующим. Второй холодный поток дополнительно подается через патрубок 207 и на выход расширительного сопла 206 в секции (f). Благодаря низкому давлению в этом сегменте, второй холодный входящий поток также вскипает и разгоняется до околозвуковой скорости с числом Маха, близким 1. Затем второй холодный поток смешивается с горячим двухфазным сверхзвуковым потоком, подаваемым в секцию (f) из разгонного сопла 206. Смешанный двухфазный поток является сверхкритическим. Во время скачка (повышения) давления на выходе из трубопровода 208 указанный смешанный двухфазный поток превращается в однородный изотропический жидкостной поток с микроскопическими паровыми пузырьками. В таком состоянии нагретая жидкость подается потребителю под давлением, полученным на выходе 208.
Первая часть аппарата 200 содержит трансзвуковой струйный аппарат (ТСА), как описано в патенте РФ RU 2155280, принадлежащем автору настоящего изобретения, опубликованном 27 августа 2000, модифицированном для достижения максимально возможного давления торможения во время скачка давления в цилиндрической части камеры смешения 204.
Для сравнения, соответствующая часть ТСА, описанная в патенте RU 2155280, сконфигурирована в форме диффузора с углом конусности (γ). Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что при трансзвуковом течении для любых заданных параметров пара и воды на входе в ТСА, давление торможения после скачка имеет максимум при строго определенном значении давления в сопле перед скачком. Как показано выше, диаметр сечения вскипающего двухфазного потока при заданном массовом расходе также является функцией давления перед скачком. Таким образом, имея определенное значение перед скачком, при котором давление торможения имеет свой максимум, можно определить соответствующее значение диаметра цилиндрической части 205 камеры смешения 204. Из опыта установлена оптимальная длина 'L' цилиндрической части камеры смешения, определяемая как L=4-6 значений диаметра камеры смешения.
В соответствии с изложенным, способ 300 работы струйного аппарат для нагрева жидкости с использованием подачи горячей жидкости осуществляется следующим образом, как показано на Фиг.4. Способ включает подачу 302 в первое сопло горячего жидкостного потока под давлением до вскипания горячего жидкостного потока с получением объемного отношения газ-жидкость, по меньшей мере, 1/3, с разгоном горячего жидкостного потока в первом сопле до сверхзвуковой скорости. Горячий жидкостной поток подается в первое сопло через отверстие с острой кромкой (вход) для отделения потока и быстрого вскипания.
Затем, способ включает вывод 304 горячей жидкости из первого сопла в расширяющуюся часть второго сопла, вызывающий торможение горячей жидкости до дозвуковой скорости, уменьшение объемного отношения газ-жидкость до менее 1/3 и нагревание горячего жидкостного потока, превращающее поток в однородную изотропическую жидкость с микроскопическими паровыми пузырьками. Способ далее включает разгон 306 потока во втором сечении второго сопла до повторного вскипания горячего жидкостного потока с получением объемного отношения газ-жидкость, по меньшей мере, 1/3, с разгоном горячего жидкостного потока на выходе из второго сопла до сверхзвуковой скорости.
Способ 300 далее включает подачу 308 холодного жидкостного потока под давлением через третье сопло с выбросом около выхода из второго сопла до ускорения и вскипания холодного жидкостного потока непосредственно перед смешиванием с потоком горячей воды. Способ далее включает смешение 310 горячего жидкостного потока и холодного жидкостного потока непосредственно после выхода из второго сопла. Способ далее включает вывод 312 смеси горячего жидкостного потока и холодного жидкостного потока на выход, сконфигурированный для замедления смеси до дозвуковой скорости, уменьшение объемного отношения газ-жидкость до не менее чем 1/3 и нагревание смеси. В альтернативном варианте, способ далее включает вывод 314 горячего жидкостного потока без какого-либо промежуточного смешивания на выход, сконфигурированный для замедления горячего жидкостного потока до дозвуковой скорости, уменьшение объемного отношения газ-жидкость до не менее чем 1 и дальнейшее нагревание горячего жидкостного потока.
Аналогично способ 400 работы струйного аппарата для нагрева жидкости с использованием подачи горячего пара осуществляется следующим образом, как показано на Фиг.5. Способ включает впрыскивание 402 жидкостного материала в газообразной фазе через первое сопло в холодную жидкую фазу материала для обеспечения вскипания горячего жидкостного потока в камере смешения ниже первого сопла. Способ далее включает подачу 404 горячего жидкостного потока через сужающееся сечение камеры смешения,вызывающую ускорение горячего жидкостного потока до сверхзвуковой скорости и получение объемного отношения газ-жидкость, по меньшей мере, 1/3. Способ далее включает вывод 406 горячей жидкости из сужающегося сечения в постоянное сечение канала, ведущего к сужающейся части второго сопла, вызывающий торможение горячей жидкости до дозвуковой скорости, уменьшение объемного отношения газ-жидкость до менее чем 1/3 и нагревание горячего жидкостного потока, с преобразованием потока в однородную изотропическую жидкость с микроскопическими паровыми пузырьками. Постоянное сечение канала содержит цилиндрический канал с длиной в диапазоне 4-6 его диаметров. Способ далее включает разгон 408 потока во втором сопле до повторного вскипания горячего жидкостного потока с получением объемного отношения газ-жидкость, по меньшей мере, 1/3, с разгоном горячего жидкостного потока до сверхзвуковой скорости на выходе из второго сопла.
Способ 400 далее включает подачу холодной жидкостной фазы материала через сопло в камеру смешения. Способ далее включает подачу 410 холодного жидкостного потока под давлением через третье сопло с выбросом около выхода из второго сопла до разгона и вскипания холодного жидкостного потока непосредственно перед смешиванием с потоком горячей воды. Способ далее включает смешение 412 горячего жидкостного потока и холодного жидкостного потока непосредственно после выхода из второго сопла. Способ далее включает вывод 414 смеси горячего жидкостного потока и холодного жидкостного потока на выход, сконфигурированный для торможения смеси до дозвуковой скорости, уменьшение объемного отношения газ-жидкость до менее чем 1/3 и нагревание смеси. В альтернативном варианте способ содержит вывод 416 горячего жидкостного потока без какого-либо промежуточного смешивания на выход, сконфигурированный для замедления горячего жидкостного потока до дозвуковой скорости, уменьшение объемного отношения газ-жидкость до менее чем 1/3 и дальнейшее нагревание горячего жидкостного потока.
Способы, которые могут быть применены в соответствии с раскрытым объектом изобретения, были описаны со ссылкой на диаграммы. Для простоты объяснения, способы показаны и описаны как серия блоков. Необходимо пояснить, что заявленный объект изобретения не ограничивается порядком блоков, поскольку некоторые блоки могут следовать в разном порядке и/или одновременно с другими блоками в отличие от того, что изображено и описано здесь. Кроме того, не все проиллюстрированные блоки могут быть необходимы для осуществления способов, описанных здесь; упущение различных блоков может привести к работе остающимися блоками одного из альтернативных вариантов осуществления изобретения, описанных здесь или заявленных.
Описанные способы работы тепловыделяющего струйного аппарата могут быть реализованы как при создании и реконструкции крупных источников теплоты, так и при создании автономных тепловыделяющих установок, например систем отопления различного рода помещений, где нет системы централизованного отопления, в том числе в районах Дальнего Севера, а также для отопления и горячего водоснабжения бытовых и служебных зданий, сооружений, коттеджей и дач. Эти способы могут быть также реализованы при создании и реконструкции очистных сооружений промышленных отходов, заводов размещения радиоактивных отходов, водных средств для опреснения воды и заводов для получения чистой питьевой воды. Варианты осуществления изобретения, описанные здесь, просто иллюстрируют различные аппарат и способы струйной инжекции. Настоящая технология не ограничивается этими примерами.