УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕЧЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПАРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО КАНАЛА
DEVICE FOR INCREASING THE STABILITY OF FLOW AND EFFICIENCY OF OPERATION OF THE STEAM-GENERATING CHANNEL

Изобретение относится к парогенерирующим устройствам и может быть использовано в энергетическом машиностроении и криогенных системах.
Известен способ и устройство для повышения устойчивости системы, заключающийся в выборе места расположения гидравлического сопротивления по длине трубопровода парогененирующего канала (см. параграф 16.10 в книге: Теплопередача в двухфазном потоке. Под ред. Д. Баттервороса и Г. Хьюитта: пер. с англ. - М: Энергия, 1980. - 328 с).
Недостаток способа и устройства в том, что он трудоемок для осуществления, т.к. необходимо провести значительное количество экспериментальных работ по определению места постановки гидравлического сопротивления для обеспечения устойчивости системы, а также в том, что не всегда можно добиться устойчивости течения теплоносителя без дополнительных мероприятий, например, дополнительного увеличения гидравлического сопротивления на входе в парогенерирующий канал.
Известен способ и устройство для повышения устойчивости системы заключающийся в локализации процесса испарения жидкого продукта между двумя гидравлическими сопротивлениями (см. стр. 39, рис. 1.1., Устойчивость кипящих аппаратов. И.И. Морозов, В.А. Герлига. Атомиздат. 1969. - 280 с.).
Недостаток способа и устройства в том, что не всегда возможно обеспечение устойчивости системы без значительного увеличения гидравлического сопротивления на входе и выходе парогенерирующего канала, что требует дополнительной мощности на прокачку рабочего продукта через этот канал. Кроме этого каналы по длине имеют постоянное сечение, что не позволяет поддерживать эффективную теплопередачу через стенку постоянной площади.
Задачами изобретения являются повышение эффективности работы и устойчивости течения теплоносителя в парогенерирующем канале.
Указанные задачи в устройстве повышения устойчивости течения и эффективности работы парогенерирующего канала, содержащего дроссельные шайбы, установленные на входе и выходе, с тремя характерными участками экономайзерным, переходным и подогревательным газовым, решаются тем, что экономайзерный участок имеет площадь поперечного сечения, увеличивающуюся по длине от входа к выходу, обратно пропорционально изменению средней плотности жидкой фазы рабочего продукта, а также тем, что переходный участок выполнен с переменной площадью поперечного сечения, увеличивающуюся по длине от входа к выходу как минимум в два раза от площади поперечного сечения на выходе экономайзерного участка, а также тем, что подогревательный газовый участок имеет площадь поперечного сечения, увеличивающуюся по длине от входа к выходу, обратно пропорционально изменению средней плотности газовой фазы рабочего продукта и тем, что парогенерирующий канал или его часть выполнены в виде сильфона, причем, при продольном внешнем обтекании канала горячим теплоносителем сильфон имеет форму продольных гофр, а при поперечном обтекании в виде поперечных гофр.
В известных технических решениях признаков сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружено, следовательно, это решение обладает существенными отличиями. Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время, заявляемое техническое решение применимо в промышленности, в частности в энергетическом машиностроении и криогенных системах и может быть использовано в парогенерирующих системах и устройствах, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующими схемами.
На фиг. 1 представлена схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале с увеличением от входа к выходу площади поперечного сечения на экономайзерном участке в обратной зависимости от изменения плотности жидкой фазы рабочего продукта.
На фиг. 2 представлена схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале с увеличением от входа к выходу площади поперечного сечения на переходном участке как минимум в два раза.
На фиг. 3 представлена схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале с увеличением от входа к выходу площади поперечного сечения на подогревательном газовом участке в обратной зависимости от изменения плотности газовой фазы рабочего продукта.
На фиг. 4 представлена схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале, часть которого, а именно переходный участок, выполнен в виде сильфона с поперечным расположением гофр при поперечном наружным обтеканием горячим теплоносителем.
На фиг. 5 представлена схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале, часть которого, а именно переходный участок, выполнен в виде сильфона с продольным расположением гофр при продольном наружным обтеканием горячим теплоносителем.
2
1
2
3
4
Устройство по п. 1 (фиг. 1) формулы содержит парогенерирующий канал, состоящий из входного гидравлического сопротивления 1, экономайзерного участка 2 с увеличивающейся площадью поперечного сечения F>F от входа к выходу для нагрева жидкой фазы 3 рабочего продукта до линии насыщения, по длине экономайзерного участка 2 расположен увеличивающийся по толщине пограничный слой 4 паровой фазы рабочего продукта, далее расположены переходный участок 5 и подогревательный участок 6 с постоянными площадями поперечного сечения F=F=F, на выходе которого расположено выходное гидравлическое сопротивление 7.
3
2
3
4
Устройство по п. 2 (фиг. 2) формулы, в отличие от фиг. 1, содержит переходный участок 5 с увеличивающейся площадью поперечного сечения F≥2F по его длине от входа к выходу, а подогревательный участок 6 имеет постоянное поперечное сечение F=F.
4
3
Устройство по п. 3 (фиг. 3) формулы, в отличие от фиг. 1 и фиг. 2, содержит подогревательный газовый участок 6 с увеличивающейся площадью поперечного сечения по его длине от входа к выходу F>F.
Устройство по п. 4 (фиг. 4 и фиг. 5) формулы, в отличие от фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, содержит часть парогенерирующего канала, а именно переходный участок 5 в виде сильфона с поперечным расположением гофр при поперечном внешнем обтекании горячим Q теплоносителем фиг. 4 и с продольным расположением гофр при продольном внешнем обтекании горячим Q теплоносителем фиг. 5.
1
1
1
2
2
2
1
2
2
2
1
1
2
Устройство по п. 1 (фиг. 1) работает следующим образом. На экономайзерном участке 2 жидкая фаза 3 рабочего продукта нагревается до температуры на линии насыщения. При неразрывности течения рабочего продукта 3 расход на выходе из экономайзерного участка 2 равен расходу на входе: ρ W F=ρ W F, где ρ - средняя плотность рабочего продукта по сечению канала, W - скорость, F - площадь сечения, индекс 1 - на входе в экономайзерный участок 2, индекс 2 - на выходе экономайзерного участка 2. Скорость на входе W=W равна скорости на выходе из экономайзерного участка 2, площадь поперечного сечения F на выходе экономайзерного участка 2 обратно пропорциональна изменению средней плотности рабочего продукта: F=ρ F / ρ. Увеличение площади поперечного сечения на экономайзерном участке 2 позволяет не увеличивать гидравлическое сопротивление по его длине, что положительно сказывается на устойчивости течения рабочего продукта. Кроме этого, из-за уменьшения плотности жидкой фазы 3 рабочего продукта по длине экономайзерного участка 2 снижается коэффициент теплопередачи от греющей среды к рабочему продукту, но из-за увеличения площади внешней теплопередающей поверхности по длине экономайзерного участка 2 увеличивается количество подводимой теплоты Q от горячего теплоносителя к рабочему продукту.
2
3
2
2
2
3
3
2
Устройство по п. 2 формулы (фиг. 2) работает следующим образом. На переходном участке при постоянной температуре происходит изменение фазового состояния рабочего продукта от жидкого состояния до пара. На выходе переходного участка 5 скорость течения выше, чем на его входе: W<W. Если бы площади на входе и выходе переходного участка 5 были равны, то увеличение скорости на его выходе было бы обратно пропорционально изменению средней плотности рабочего продукта: W=ρ W / ρ, но это увеличение составляет для различных рабочих продуктов от 10 до 100 раз. Увеличение динамической составляющей давления по сравнению со статической составляющей рабочего продукта в газовой нагревательной части парогенерирующего канала приводит к тому, что возможны возникновения стержневого течения жидкой фазы 3, когда она достигает выходного гидравлического сопротивления 7, где испаряется и за счет резкого роста сопротивления на выходной шайбе 7 приводит к временному запиранию канала. Для снижения динамической составляющей давления в нагревательном газовом участке канала в предлагаемом устройстве площадь поперечного сечения на выходе переходного участка 5 выше, чем на входе как минимум в два раза: F≥2F.
4
3
3
4
Устройство по п. 3 формулы (фиг. 3) работает следующим образом. На подогревательном участке 6 увеличивается температура газовой фазы рабочего продукта. Площадь поперечного сечения подогревательного газового участка 6 по его длине от входа к выходу увеличивается обратно пропорционально изменению средней плотности газовой фазы рабочего продукта: F=ρ F / ρ. Увеличение площади поперечного сечения на газовом подогревательном участке 6 позволяет не увеличивать гидравлическое сопротивление по его длине, что положительно сказывается на устойчивости течения рабочего продукта. Кроме этого, из-за уменьшения плотности газовой фазы рабочего продукта по длине подогревательного участка 6 снижается коэффициент теплопередачи от внешней греющей среды к рабочему продукту, но из-за увеличения площади внешней теплопередающей поверхности по длине подогревательного участка 6 увеличивается количество подводимой теплоты Q от горячего теплоносителя к газовой фазе рабочего продукта.
Устройство по п. 4 формулы (фиг. 4 и фиг. 5) работает следующим образом. Часть парогенерирующего канала, а именно переходный участок 5 выполнен в виде сильфона. В переходной области 5 происходит фазовый переход жидкого рабочего продукта в пар, что значительно изменяет его объем. Это изменение приводит к местным пульсациям полного (статическое плюс динамическое составляющие) давления рабочего продукта во всем парогенерирующем канале. Подвижные гофры сильфона 5 части парогенерирующего канала демпфируют эти пульсации давления, что повышает устойчивость процесса парообразования и течения рабочего тела в канале. При поперечном движении горячего теплоносителя Q (фиг. 4) сильфон имеет поперечные гофры, а при продольном обтекании продольные гофры (фиг. 5), что снижает внешнее гидравлическое сопротивление канала, а также повышает эффективность внешнего его обтекания, а значит и увеличивает коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к наружной стенке парогенерирующего канала. Кроме этого, увеличена площадь теплопередающей поверхности парогенерирующего канала, что также увеличивает количество передаваемой теплоты Q от горячего теплоносителя к рабочему продукту и уменьшает длину переходного участка 5.
За счет увеличения проходного сечения парогенерирующего канала на экономайзерном, переходном и подогревательном газовом участках снижается скорость течения рабочего продукта, что, в свою очередь, увеличивает статическое давление и снижает динамическую составляющую полного давления, а это повышает устойчивость течения в парогенерирующем канале, кроме этого снижается вероятность образования стержневого течения в каналах. За счет увеличения площади теплопередачи на экономайзерном, переходном и подогревательном газовом участках уменьшается их длина, а значит и линейные габариты парогенерирующего канала. За счет применения сильфонов в конструкции парогенерирующего канала, во первых, увеличивается площадь теплопередающей поверхности, а значит и эффективность теплообменника и уменьшаются его линейные габариты, во вторых, на этих участках снижаются пульсационные составляющие статического, динамического и полного давления, что в свою очередь повышает устойчивость течения рабочего продукта.
Таким образом, изобретением усовершенствовано устройство для повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале, в котором изменены и оптимизированы характеристики парогенерирующего канала на экономайзерном, переходном и подогревательном газовом участках.