ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ТЕПЛООБМЕННИК АКТИВНОГО НАГРЕВА
ENERGY-SAVING HEAT-EXCHANGER OF ACTIVE HEATING

Энергосберегающий теплообменник активного нагрева относится к области теплоэнергоснабжения потребителей и может быть применен для подогрева воды в технологических схемах предприятий, а также в системах отопления и горячего водоснабжения зданий и сооружений с применением инжекторов.
Известно большое число конструктивных типов инжекторов, различающихся взаимным расположением сопл активной и пассивной сред, геометрическими характеристиками камеры смешения сред, видом диффузоров и другими конструктивными элементами.
Известен теплообменный струйный аппарат «Фисоник», в котором рабочим телом является пар, а нагреваемой средой - вода. В них происходит смешение нагреваемой воды с паром. Давление нагретой жидкости на их выходе за счет скачка уплотнения выше исходного давления инжектирующего пара и инжектируемой жидкости на входе. (Патент РФ №2016261 C1, F04F 5/02, Фисенко В.В. Способ сжатия сред в струйном аппарате и устройство для его осуществления, опубликован 15.07.94 г. Бюл. №13). Несмотря на ряд положительных качеств для этих струйных аппаратов характерны ограниченные теплопроизводительность и диапазон гидродинамической устойчивости, повышенные вибрация и шум при их работе, необходимость применения систем автоматического регулирования.
Известна установка для подогрева воды МПЭ «ЭКОПАР», инжектирующая пар в воду (Патент РФ №2198323). МПЭ «ЭКОПАР» содержит трубопровод нагреваемой воды, водяное сопло, камеру предварительного смешения с напорной водяной камерой, снабженной форсуночными отверстиями (напорная водяная камера связана впрыскивающим трубопроводом воды с регулирующим органом на подаче пара и трубопроводом нагреваемой воды), основной смеситель, снабженный отбойной кольцевой пластиной, установленной перпендикулярно его корпусу, диффузор, трубопровод нагретой воды, вход камеры предварительного смешения связан с паропроводом греющего пара, а ее выход через паровой патрубок присоединен к основному смесителю, последний через диффузор соединен с трубопроводом нагретой воды.
Положительными качествами описанного струйного водопарового теплообменника МПЭ «ЭКОПАР», является возможность создания на его основе струйных водопаровых теплообменников тепловой мощностью до нескольких десятков гигакалорий в час при их устойчивой работе без пульсаций давления.
В то же время описанный струйный водопаровой теплообменник имеет следующие недостатки:
- недостаточно эффективно смешение пара и впрыскиваемой воды в камере предварительного смешения при возможных значительных колебаниях давления пара и воды в зимнем и летнем эксплуатационных режимах;
- недостаточно эффективен теплообмен при контакте воды и пара в основном смесителе, что приводит к необходимости применения в установке-прототипе перфорированных кольцевых решеток и их размещения в трубопроводе нагретой воды, что связано с повышенным гидравлическим сопротивлением данного струйного водопарового теплообменника, затрудняющего его параллельную работу с поверхностными пароводяными теплообменниками.
Частично эти недостатки устранены в установке для подогрева перегретой воды по патенту РФ на изобретение №2361166, МПК F28C 3/06, опубл. 10.07.2009 г., прототип.
Это устройство содержит трубопровод нагреваемой воды с запорной арматурой, водяное сопло, паропровод греющего пара с запорной арматурой, камеру предварительного смешения, впрыскивающий водяной трубопровод с запорным органом, основной смеситель, диффузор, трубопровод нагретой воды, вход камеры предварительного смешения связан с паропроводом греющего пара, а ее выход через паровой патрубок присоединен к основной камере смешения, связанной через диффузор с трубопроводом нагретой воды, впрыскивающий водяной трубопровод соединен с трубопроводом нагреваемой воды; при этом впрыскивающий водяной трубопровод соединен тангенциально с паропроводом греющего пара, в выходном сечении впрыскивающего водяного трубопровода размещена дополнительная перфорированная перегородка с форсуночными отверстиями; внутренняя часть камеры предварительного смешения снабжена отбойной кольцевой пластиной, установленной под углом 35÷45 градусов к плоскости поперечного сечения камеры предварительного смешения; между выходным сечением водяного сопла и диффузором дополнительно размещены конфузор.
Недостатки: отсутствие автоматизации подогрева пара, возникновение пульсаций при резком увеличении расхода и/или температуры пара, возникновение аварийных ситуаций при прекращении подачи воды и пульсаций подогретой водя при большом расходе пара или его высокой температуре.
Задачи создания изобретения: обеспечение автоматизации процесса подогрева воды и исключение аварийных ситуаций.
Достигнутые технические результаты: обеспечение автоматизации процесса подогрева воды и исключение аварийных ситуаций.
Энергосберегающий теплообменник активного нагрева, содержащий последовательно установленные: трубопровод нагреваемой воды, водяное сопло, установленное в основной камере смешения, диффузор, камеру предварительного смешения, установленную перпендикулярно основной камере смешения и водяному соплу, трубопровод нагретой воды, присоединенный к выходу из диффузора, при этом к трубопроводу нагреваемой воды присоединен вход трубопровода впрыска воды клапаном впрыска воды, выход из которого соединен с полостью над форсуночным модулем, установленным в камере предварительного смешения, к камере предварительного смешения присоединен трубопровод подачи пара, в котором установлен клапан подачи пара, тем, что в качестве клапана подачи пара использован регулирующий клапан пара, теплообменник содержит блок управления, который линией управления соединен с управляемым клапаном подачи пара и содержит контроллер датчиков, с которым линиями связи соединены датчики контроля, а именно: датчик давления нагреваемой воды, датчик температуры нагреваемой воды, контактный датчик наличия воды, датчик температуры пара, датчик давления пара, датчик давления нагретой воды, датчик температуры нагретой воды.
Клапан впрыска воды может быть выполнен управляемым. Трубопровод нагреваемой воды может быть байпасным трубопроводом, снабженным вентилем, соединен с выходом из диффузора.
В трубопроводе нагретой воды может быть установлен датчик пульсаций, который линией связи соединен с блоком управления, конкретно - с контроллером датчиков.
Блок управления каналом управления может быть соединен с регулирующим клапаном пара. Трубопровод нагреваемой воды содержит конфузор, переходящий в водяное сопло. Энергосберегающий теплообменник активного нагрева может содержать емкость слива воды, к которой присоединен трубопровод слива с управляемым клапаном слива. Энергосберегающий теплообменник активного нагрева может содержать насосы возврата воды, установленные между емкостью слива и трубопроводом нагретой воды.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…16, где:
на фиг. 1 показана простейшая принципиальная схема устройства,
на фиг. 2 приведена схема с двумя управляемыми клапанами,
на фиг. 3 приведена схема с байпасным трубопроводом,
на фиг. 4 приведена схема установки с трубопровод подогретой воды с защитным кожухом,
на фиг. 5 приведена полная схема системы контроля и управления устройством с датчиками,
на фиг. 6 приведен с трубопровод подогретой воды с защитным кожухом, первый вариант,
на фиг. 7 приведен с трубопровод подогретой воды с защитным кожухом, второй вариант,
на фиг. 8 приведена схема энергосберегающего теплообменника с подпиточными насосами на выходе,
на фиг. 9 приведена схема с возвратом воды из емкости слива,
на фиг. 10 приведен регулируемый клапан,
на фиг. 11 приведена сборка: трубопровод нагреваемой воды и водяное сопло,
на фиг. 12 приведено водяное сопло,
на фиг. 13 приведен вид А на фиг. 11, первый вариант,
на фиг. 14 приведен вид А на фиг. 11, второй вариант,
на фиг. 15 приведен форсуночный модуль,
на фиг. 16 приведена жидкостная форсунка.
Условные обозначения, принятые в описании:
трубопровод нагреваемой воды 1,
водяное сопло 2,
основная камера смешения 3,
диффузор 4,
камера предварительного смешения 5,
трубопровод нагретой воды 6,
трубопровод впрыска воды 7,
клапан впрыска воды 8,
полость 9,
торец 10,
форсуночный модуль 11,
патрубок подвода пара 12,
центральное отверстие 13,
полость 14,
шайба 15,
обратный клапан 16,
регулирующий клапан пара 17,
запорный вентиль 18,
паропровод 19,
блок управления 20,
контроллер датчиков 21,
канал управления 22,
датчик температуры нагретой воды 23,
линия связи 24,
байпасный трубопровод 25,
задвижка 26,
защитный кожух 27.
защитная полость 28,
отверстия 29,
полость 30,
датчик давления пара 31,
датчик температуры пара 32,
датчик давления воды 33,
датчик температуры воды 34,
контактный манометр 35,
датчик давления нагретой воды 36,
датчик пульсаций нагретой воды 37,
датчик вибраций 38,
радиальные перегородки 39
полости 40,
сетевые насосы 41
потребитель тепла 42
второй управляемый клапан пара 43,
линия связи 44,
байпасная линия, 45,
вентиль 46,
вентиль 47,
емкости слива 48,
трубопровод слива 49,
трубопровод возврата воды 50,
подпиточные насосы 51,
управляемый клапан слива 52,
линия связи 53,
конфузор 54,
фланец 55.
коническая часть 56,
цилиндрическая часть 57,
входное отверстие 58,
выходное отверстие 59,
остроконечный выступ 60,
сквозные прямоугольные прорези 61,
жидкостные форсунки 62,
цилиндрический корпус 63,
торец 64,
осевой канал 65,
тангенциальные отверстия 66.
Энергосберегающий теплообменник активного нагрева (фиг. 1) содержит последовательно установленные: трубопровод нагреваемой воды 1, водяное сопло 2, установленное в основной камере смешения 3, диффузор 4, камеру предварительного смешения 5, установленную перпендикулярно основной камере смешения 3 и водяному соплу 2, трубопровод нагретой воды 6, присоединенный к выходу из диффузора 4.
К трубопроводу нагреваемой воды 1 присоединен вход трубопровода впрыска воды 7 с клапаном впрыска воды 8, выход из которого соединен с полостью 9, в камере предварительного смешения 5, выполненной между торцом 10 и форсуночным модулем 11. Вдоль оси камеры предварительного смешения 5 установлен патрубок подвода пара 12, который посредством центрального отверстия 13 сообщается с полостью 14, в которой установлена шайба 15.
К входу в патрубок подвода пара 12 присоединен обратный клапан 16, к выходу которого присоединен регулирующий клапан пара 17, а к входу в него присоединен запорный вентиль 18, к входу в который присоединен паропровод 19 (фиг. 1)
Энергосберегающий теплообменник может содержать блок управления 20, содержащий, в свою очередь контроллер датчиков 21. Блок управления 20 каналом управления 22 соединен с регулирующим клапаном пара 17. В трубопроводе нагретой воды 6 установлен датчик температуры нагретой воды 23, который линией связи 24 соединен с блоком управления 20, конкретно - с контроллером датчиков 21.
Блок управления 20 (фиг. 2) каналом управления 22 может быть соединен с регулирующим клапаном пара 17 для дозированного впуска пара в камеру предварительного смешения 5.
На фиг. 2 приведена схема с двумя управляемыми клапанами: клапаном впрыска воды 8 и регулирующим клапаном пара 17.
Расход воды в камеру предварительного смешения 5 может составить от 0 до 10% от общего расхода подогреваемой воды.
На фиг. 3 приведена схема энергосберегающего теплообменника с байпасным трубопроводом 25, содержащим задвижку 26. Вход байпасного трубопровода 25 соединен с трубопроводом нагреваемой воды 1, а выход - с выходом из диффузора 4.
На фиг. 4 приведен трубопровод нагретой воды 6 с защитным кожухом 27. Между защитным кожухом 27 и трубопроводом нагретой воды 6 образована защитная полость 28. В трубопроводе нагретой воды 6 выполнены отверстия 29, сообщающие его полость 30 с защитной полостью 28.
На фиг. 5 приведена полная схема системы контроля и управления устройством с датчиками.
Устройство дополнительно содержит датчик давления пара 31 и датчик температуры пара 32, установленные в паропроводе 19.
Для контроля параметров и наличия воды в трубопроводе нагреваемой воды 1 установлены датчик давления воды 33, датчик температуры воды 34, контактный манометр 35.
Для контроля нагретой воды в трубопроводе нагретой воды 6 установлены: датчик температуры нагретой воды 23, датчик давления нагретой воды 36, датчик пульсации нагретой воды 37, датчик вибраций 38.
На фиг. 6 и 7 приведены два варианта трубопровода нагретой воды 6 с защитным кожухом 27. На фиг. 6 приведен первый вариант. Между защитным кожухом 27 и трубопроводом нагретой воды 6 образована защитная полость 28. В трубопроводе нагретой воды 6 выполнены отверстия 29, сообщающие его полость 30 с защитной полостью 28.
На фиг. 7 приведен второй вариант. Защитная полость 28 разделена радиальными перегородками 39 на полости 40, которые выполнены разного объема для того, чтобы при возникновении пульсация давления в полости 30 демпфировать пульсации в более широком диапазоне частот.
На фиг. 8 приведена схема энергосберегающего теплообменника с сетевыми насосами 41 в трубопроводе нагретой воды 6, которые установлены перед потребителем тепла 42 (например, батареи водяного отопления помещения).
В паропроводе 19 перед регулирующим клапаном пара 17 установлен второй управляемый клапан пара 43, который линией связи 44 соединен с контактным манометром 35 для отключения подачи пара при отсутствии подогреваемой воды.
Параллельно регулирующему клапану пара 17 выполнена байпасная линия 45, содержащая вентиль 46 для ручного управления подачей пара при отказе регулирующего клапана пара 17. Трубопровод подачи нагреваемой воды 1 содержит вентиль 47.
На фиг. 9 приведена схема с возвратом воды из емкости слива 48.
В этом варианте она содержит трубопровод слива 49, соединяющий трубопровод нагреваемой воды 1 с емкостью слива 48, трубопровод возврата воды 50, подпиточные насосы, установленные между емкостью слива 48 и вентилем 47. В трубопроводе слива 49 установлен управляемый клапан слива 52, соединенный линией связи 53 с одним из датчиков 33, 34 или 35 (фиг. 9).
На фиг. 10 приведен внешний вид регулирующего клапана пара 17.
На фиг. 11 приведена сборка водяное сопло 2 и конфузор 54, установленные перед ним
На фиг. 11 приведено водяное сопло 2 в сборе с фланцем 55.
Оно содержит кроме фланца 55, коническую часть 56, цилиндрическую часть 57, входное отверстие сборки 58, с учетом конфузора 54, выходное отверстие 59.
При этом оптимальное соотношение площадей входного 58 и выходного отверстий 59 (фиг. 11 и 12) обеспечивает необходимое снижение статического давления.
вх
вых
S/S=10-15,
вх
где: S - площадь входного отверстия 58,
вых
S - площадь выходного отверстия 59.
На фиг. 13 приведен вид А на фиг. 11, первый вариант. На торце цилиндрической части 57 выполнен остроконечный выступ 60. Угол заострения γ должен быть менее 30°. Это уменьшает потери давления при смешении воды и пара.
На фиг. 14 приведен второй вариант, цилиндрическая часть 57 имеет сквозные прямоугольные прорези 61 параллельные оси ОО устройства. Такая конструкция интенсифицирует перемешивание воды и пара.
На фиг. 15 приведен форсуночный модуль 11. Он содержит жидкостные форсунки 62, установленные концентричными рядами параллельно оси патрубка подвода пара 12.
Жидкостные форсунки 62 могут быть выполнены центробежными (фиг. 16) и содержать цилиндрический корпус 63, торец 64, осевой канал 65 в который входят тангенциальные отверстия.
РАБОТА УСТРОЙСТВА
Энергосберегающая установка активного нагрева (фиг. 1…16) работает следующим образом. По ходу нагреваемой воды она проходит трубопровод нагреваемой воды 1 и водяное сопло 2, установленное в основной камере смешения 3, где смешивается с паром, поступающим из камеры предварительного смешения 5. Подогретая вода поступает в диффузор 4 и далее в трубопровод нагретой воды 6.
При малых расходах пара управлением посредством регулирующего клапана пара 17 (фиг. 1) добиваются стационарного режима работы установки.
При больших расходах пара основную часть расхода из трубопровода нагреваемой воды 1 (до 90%) подают в водяное сопло 2 и расширяют его до давления меньшего, чем давление в камере предварительного смешения 5.
2
Статическое давление воды ниже, чем полное на 0,5-0,7 кгс/см за счет ее разгона в сужающемся водяном сопле 2. Это способствует перемешиванию воды и пара.
При этом оптимальное соотношение площадей входного 58 и выходного отверстий 59 для сборки конфузор 52 и водяное сопло 2 (фиг. 11 и 12) обеспечивает это снижение статического давления.
вх
вых
S/S=10-15,
вх
где: S- площадь входного отверстия 58,
вых
S - площадь выходного отверстия 59.
При меньшем соотношении перемешивание пара и воды не эффективно и к потребителям тепла поступает двухфазная смесь, а при большем соотношении уменьшается пропускная способность установки.
Другую часть потока воды по трубопроводу впрыска воды 7 через клапан впрыска воды 8 (фиг. 2) подают через форсуночный модуль 11 и впрыскивают в камеру предварительного смешения 5, где интенсивно перемешивается с греющим паром, и в камере предварительного смешения 5 в полости 14 образуют влажный насыщенный пар. Клапан впрыска воды 8 может быть регулирующим.
При смене сезона (осень или весна) необходимо снизить температуру подогретой воды. Для этого открывают задвижку 26 (фиг. 4) и перепускают часть воды, минуя водяное сопло 2.
При резком увеличении расхода и/или температуры пара до внедрения изобретения в трубопроводе нагретой воды 6 возникали пульсации и их амплитуда бесконтрольно возрастала.
Для исключения этого негативного явления измеряют датчиком температуры нагретой воды 23 ее температуру и передают ее значение по линии связи 24 через контроллер датчиков 21 в блок управления 20, который вырабатывает сигнал на частичное закрытие регулирующего клапана пара 17 (фиг. 1) Увеличивается расход перепускаемой воды, снижается температура пара и уменьшается амплитуда пульсаций.
Контроль снижения уровня (амплитуды) пульсаций может выполниться датчиком пульсаций нагретой воды 37 и/или датчиком вибрации 38. При достижении регламентируемого уровня пульсаций прекращают закрытие регулирующего клапана пара 17.
Если используется схема (фиг. 2), то по команде с блока управления 20 осуществляют открытие клапана впрыска воды 8.
Если на практике используется схема (фиг. 3), то вручную открывают задвижку 26. Автоматического регулирования этой задвижки не предусмотрено и им пользуются редко в межсезонный период.
В случае применения схемы (фиг. 9) с подпиточными насосами 51 и емкости слива при прекращении подачи воды установка может работать несколько часов, пока выполняют ремонт водопровода.
В полной комплектации датчиками (фиг. 5) измеряют:
Давление пара - датчиком давления пара 31,
Температуру пара - датчиком температуры пара 32,
Давление подогреваемой воды - датчиком давления воды 33,
Температуру подогреваемой воды - датчиком температуры воды 34,
Предельно низкое давление воды (отключение подачи воды) - контактным манометром 35,
Температуру подогретой воды - датчиком температуры нагретой воды 23,
Давление подогретой воды - датчиком давления нагретой воды 36,
Пульсации подогретой воды - датчиком пульсации нагретой воды 37,
Вибрацию установки - датчиком вибрации 38.
Предлагаемая компоновка энергосберегающего теплообменника активного нагрева обеспечивает:
- полную автоматизацию процесса подготовки воды для отопления потребителей,
- работу установки без пульсаций при резком повышение температуры и/или расхода пара,
- аварийное выключение при отсутствии подачи воды,
- подпитку в течение длительного времени системы отопления водой при аварии в системе подачи подогреваемой воды за счет ее использования из емкости слива.