СТРУЙНЫЙ ВИХРЕВОЙ ДЕАЭРАТОР
JET VORTEX DEAERATOR

Изобретение относится к устройствам термической деаэрации воды и может быть использовано в малогабаритных отопительных и блочно-модульных котельных для удаления коррозионно-активных газов из питательной воды для паровых и водогрейных котлов, а также из подпиточной воды для тепловых сетей.
Известен циклонный деаэратор (патент №2102329), который содержит корпус, размещенный вертикально. Патрубок подвода нагретой деаэрируемой воды расположен в его верхней части тангенциально. Воронка с патрубком деаэрированной воды размещена в нижней части корпуса. Труба выпара установлена соосно внутри корпуса. В патрубок подвода нагретой деаэрируемой воды врезан дробящий узел, содержащий дробящую решетку. Известен также циклонный деаэратор (патент № 12407), содержащий вертикально размещенный корпус с патрубками подвода нагретой деаэрируемой воды в верхней его части, трубой выпара, установленной соосно внутри корпуса, и патрубком слива деаэрированной воды в нижней части, отличающийся тем, что дополнительно он снабжен не менее чем одной трубчатой вставкой, при этом трубчатые вставки установлены внутри корпуса соосно с разделением полости корпуса вокруг трубы выпара на кольцевые секции, кроме того, каждый патрубок подвода нагретой деаэрируемой воды выполнен с форкамерой, и форкамера со стороны трубы выпара ограничена верхней частью одной из имеющихся вставок или боковой стенки корпуса, частью, в которую вмонтированы сопловые аппараты с тангенциально ориентированной щелью.
Основным недостатком известных устройств является невозможность реализации с их использованием (при работе в вакуумном режиме) компактных компоновочных решений. При работе под вакуумом данные деаэраторы должны быть расположены на отметке 9-10 м над аккумуляторной емкостью, в которую производится слив воды, чтобы обеспечить свободный слив и исключить возможность всасывания деаэрированной воды эжектором через выпарную трубу. Однако это невозможно в условиях ограниченного конструкционного пространства блочно-модульной котельной.
Вторым недостатком известных устройств является унос деаэрируемой воды через трубу выпара. В деаэраторах (№ 2102329) и (№ 12407) труба выпара размещена вертикально, в связи с чем вода попадает на нее с внешней стороны, свободно стекает вниз и сносится с нижней кромки трубы восходящим потоком выпара. Для уменьшения брызгоуноса приходится снижать скорость движения выпара путем увеличения внутреннего объема устройства, что негативно сказывается на массогабаритных характеристиках деаэратора. Таким образом, данные устройства не позволяют добиться минимальных массогабаритных характеристик при условии отсутствия брызгоуноса, так как данные условия получаются взаимоисключающими.
В качестве наиболее близкого аналога может быть принят центробежный деаэратор (патент №2246446), содержащий цилиндрический корпус, завихритель, укрепленный на входе в деаэратор, трубу выпара, началом которой внутри корпуса является полое тело вращения, наружная поверхность которого вместе с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса образует сопло с сужающейся до минимального сечения и далее расширяющейся частью. Спрямляющие лопатки укреплены продольно на трубе выпара.
Основным недостатком данного устройства является зависимость качества деаэрации от высоты расположения деаэратора над аккумуляторной емкостью. Чем ниже над аккумуляторной емкостью расположен деаэратор, тем выше получается рабочее противодавление. При этом давление в газовой полости деаэратора остается постоянным и равным давлению насыщения при температуре деаэрируемой воды. Чем больше получается разница между давлением в полости деаэратора и противодавлением, тем больше возрастает толщина вращающегося слоя воды внутри деаэратора. Учитывая, что за счет действия центробежных сил давление в ядре вращающегося потока воды (то есть между стенкой деаэратора и поверхностью раздела жидкой и газообразной фаз) всегда больше, чем давление насыщенных паров в газовой полости, то происходит только поверхностное вскипание воды на границе раздела фаз. При вскипании газовая полость заполняется парами воды, в связи с чем снижается парциальное давление кислорода над поверхностью воды пропорционально его мольной доле в парогазовой смеси. Это приводит к нарушению равновесной концентрации кислорода в воде и к диффузии кислорода через свободную поверхность жидкости в газовую среду. То есть происходит десорбция кислорода. При этом эффективно деаэрируется только поверхностный слой потока жидкости. Деаэрация ядра потока жидкости происходит менее эффективно по мере того, как частицы жидкости, составляющие ядро потока, попадают в поверхностный слой вследствие конвективного перемешивания в процессе движения. Однако при увеличении толщины вращающегося слоя воды ухудшаются условия конвективного массопереноса в ядре потока воды и одновременно снижается скорость молекулярной диффузии кислорода через поверхностный пограничный слой. В результате коэффициент массопередачи между фазами жидкость-газ уменьшается, десорбция кислорода ухудшается, остаточное содержание кислорода в ядре потока растет. Кроме того, часть потока жидкости, непосредственно примыкающая к внутренней поверхности стенки корпуса и образующая пристеночный ламинарный пограничный слой, вовсе не перемешивается с турбулентным ядром потока, поэтому концентрация кислорода в данном слое остается равной начальной концентрации. Практически это приводит к тому, что при компактном расположении данного деаэратора на одном уровне с емкостью в диапазоне температур деаэрируемой воды до 75°С добиться снижения содержания кислорода до заявленного значения 50 мкг/л невозможно.
Вторым недостатком данного устройства является неполное исключение брызгоуноса через трубу выпара, обусловленное выбранным расположением входа парогазовой смеси в выпарную трубу в конце камеры вращения (со стороны выхода воды из деаэратора). Поскольку на выходе из спиральных каналов в камеру вращения происходит взрывообразное выделение основного количества выпара, то образуется большое количество мелкодисперсных капель, причем значительная часть капель имеет осевую составляющую скорости, направленную непосредственно в сторону входа в канал для удаления выпара, что и является причиной повышенного брызгоуноса.
Третьим недостатком является периодическое затягивание воды в трубу выпара, обусловленное формой спиральных каналов. Поскольку завихритель данного устройства имеет каналы, образованные спирально навитыми ребрами на цилиндрическом теле вращения, то сечение каждого канала получается постоянным по всей длине. Известно, что при течении воды в протяженном узком канале постоянного сечения на входе в канал происходит местное сужение потока. В соответствии с законом Бернулли сужение потока сопровождается местным увеличением скорости потока и снижением статического давления в потоке. А поскольку для обеспечения вскипания давление на выходе из канала завихрителя (в камере вращения) должно получаться равным давлению насыщенных паров жидкости, то в зоне местного сужения давление в канале снижается ниже давления насыщенных паров. Особенно это проявляется при работе в области температур более 85°С. Это приводит к локальному вскипанию жидкости внутри канала и к возникновению снарядного течения двухфазной среды в канале, что в свою очередь является причиной неравномерного истечения жидкости в камеру вращения и появления механических пульсаций во вращающемся потоке жидкости. Кроме того, за счет действия сил вязкого трения между слоем быстро вращающейся воды и неподвижной внутренней поверхностью корпуса происходит интенсивное торможение потока воды, поэтому ближе к выходу из деаэратора окружная скорость движения воды получается значительно ниже, чем в начале камеры вращения. Известно, что центробежная сила прямо пропорциональна квадрату окружной скорости и обратно пропорциональна радиусу окружности. Снижение окружной скорости приводит к уменьшению радиуса вихря и увеличению толщины вращающегося слоя воды ближе к выходу из деаэратора. Поэтому толщина вращающегося слоя воды со стороны выхода всегда получается больше, чем со стороны входа. При этом внутренняя граница слоя воды подходит слишком близко к краю входа в канал для удаления выпара, который расположен в конце камеры вращения. А поскольку внутренняя граница слоя воды при работе деаэратора претерпевает механические пульсации, вызванные неравномерностью истечения воды через каналы завихрителя, то данное обстоятельство способствует периодическому затягиванию воды в трубу для отвода выпара.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является улучшение условий конвективного массопереноса в ядре потока воды, увеличение коэффициента массопередачи между жидкой и газообразной фазами, повышение эффективности сепарации капель жидкости из потока выпара, устранение механических пульсаций внутренней границы вихря.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемой конструкции струйного вихревого деаэратора, является снижение остаточного содержания кислорода в деаэрированной воде, уменьшение величины брызгоуноса, исключение втягивания воды в трубу выпара. Данный технический результат достигается за счет следующих технических решений.
1. Внутренняя поверхность камеры вращения выполнена профилированной при помощи пластин, вваренных в стенку камеры. Это позволяет разрушить пристеночный ламинарный пограничный слой, примыкающий к поверхности, повысить конвективный массоперенос в ядре потока, в связи с чем обновление поверхностного пограничного слоя происходит более интенсивно, следовательно, скорость диффузии кислорода через поверхностный пограничный слой возрастает, остаточное содержание кислорода снижается.
2. Выпар из деаэратора удаляют со стороны входа воды. Для этого завихритель выполнен полым с осевым каналом для удаления выпара. Диаметр осевого канала выбирается таким, чтобы обеспечить скорость движения выпара в самом узком сечении канала 30-50 м/с.
3. На входе в каналы выполнена приемная камера для равномерного распределения потока по каналам. Спиральные каналы на внешней поверхности завихрителя, примыкающей к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, нарезаны так, чтобы обеспечивалось непрерывное сужение сечения канала от входа к выходу.
4. На выходе из спиральных каналов выполнена камера внезапного расширения. Для этого вход в канал выпара выполнен в виде раструба и смещен в глубину камеры вращения относительно выходных кромок спиральных каналов на величину не менее 1 диаметра осевого канала. При этом между внешней поверхностью раструба и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса образуется полость кольцевого сечения, сужающаяся к выходу. Сечение выхода камеры внезапного расширения выбирают таким, чтобы обеспечить скорость движения выпара на выходе камеры 100-150 м/с.
Конструкция струйного вихревого деаэратора раскрыта более подробно на приведенных чертежах, где показаны:
фиг.1 - деаэратор на виде сверху;
фиг.2 - деаэратор на виде сбоку в разрезе по линии А-А по фиг.1;
фиг.3 - камера вращения в разрезе по линии Б-Б по фиг.2.
На фиг.2 видно, что струйный вихревой деаэратор состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с боковым патрубком 2 и фланцем 3 для присоединения трубы, подводящей нагретую воду. В верхней части корпуса соосно установлен завихритель 4. На внешней поверхности завихрителя, примыкающей к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, нарезаны спиральные каналы 5 с непрерывно сужающимся сечением по всей длине каналов. В зоне расположения бокового патрубка между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью завихрителя образована форкамера 6 кольцевого сечения, необходимая для равномерного распределения воды по входам в спиральные каналы. Для отвода выпара завихритель имеет осевой канал 7. Вход в канал выпара выполнен в виде раструба 8, который смещен в глубину камеры вращения относительно выходных кромок спиральных каналов на величину не менее одного диаметра осевого канала. При этом между внешней поверхностью раструба 8 и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 образуется камера внезапного расширения 9, имеющая кольцевое сечение и сужающаяся в направлении осевого движения потока. В нижней части корпуса соосно установлен обтекатель 10, имеющий опору, наружная поверхность которого вместе с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса образует кольцевой диффузор 11. Между нижним краем завихрителя 4 и верхним краем обтекателя 10 в корпусе образована цилиндрическая камера вращения 12. Как показано на фиг.3, внутренняя поверхность камеры вращения выполнена профилированной при помощи пластин 13, вваренных в стенку камеры. Опора обтекателя снабжена отверстиями 14 для выпуска воды. Корпус имеет нижний фланец 15 и верхний фланец 16, к которым присоединяются трубы для слива деаэрированной воды и отвода выпара.
Устройство работает следующим образом.
Вода, нагретая до температуры 70-90°С, через патрубок 2 поступает в форкамеру 6 и равномерно распределяется по входам в спиральные каналы 5. Проходя через непрерывно сужающиеся спиральные каналы, вода постепенно разгоняется и закручивается вокруг оси деаэратора. По мере увеличения скорости статическое давление в каналах снижается. В выходном сечении каналов вода приобретает максимальную скорость и минимальное давление. При выходе из каналов вода попадает в камеру внезапного расширения 9, где происходит мгновенное вскипание потока. В этой зоне из ядра потока воды выделяется основное количество выпара, что приводит к существенному снижению парциального давления кислорода в газовой фазе и обеспечивает десорбцию кислорода из потока воды в выпар. Образовавшийся выпар, как более легкая фаза, под действием центробежных сил вытесняется ближе к оси, а вода прижимается к стенке корпуса 1. Однако часть потока жидкости, непосредственно примыкающая к внутренней поверхности стенки корпуса и образующая пристеночный ламинарный пограничный слой, вскипеть не может, так как за счет действия центробежных сил находится под давлением более высоким, чем давление насыщенных паров. Кроме того, жидкость, составляющая пристеночный пограничный слой, движется ламинарно, то есть не перемешивается с ядром потока, следовательно, концентрация кислорода в данном слое остается равной начальной концентрации. В камере вращения 12 за счет профилированной поверхности происходит разрушение пристеночного ламинарного пограничного слоя и обеспечивается интенсивное перемешивание потока. При этом усиливается конвективный массоперенос в ядре потока и возрастает скорость молекулярной диффузии кислорода через поверхностный пограничный слой в поток выпара. Выпар, выделившийся в камере внезапного расширения 9, содержит большое количество воды в мелкодисперсном капельном состоянии. Благодаря сужению, образованному между наружной поверхностью раструба 8 и внутренней поверхностью корпуса 1, на выходе из камеры внезапного расширения 9 происходит разгон газовой фазы в осевом направлении. При этом на входе в камеру вращения 12 осевая скорость движения потока выпара достигает 150 м/с и направлена вдоль поверхности потока вращающейся воды от завихрителя к обтекателю. Ближе к обтекателю поток выпара меняет свое направление и движется в приосевой зоне от обтекателя к завихрителю в направлении входа в трубу выпара. Поскольку плотность жидкой фазы более чем в 1000 раз превышает плотность газовой фазы, то при изменении направления движения потока выпара на противоположное под действием сил инерции происходит сепарация капель жидкости из потока выпара. Поэтому приосевой поток выпара получается осушенным и содержит значительно меньше капель жидкости. Таким образом, в камере вращения формируется газожидкостный вихрь со сложной структурой. Периферийная пристеночная область вихря занята потоком воды, движущимся вдоль стенки по спирали в направлении от завихрителя к обтекателю. Центральная приосевая область занята осушенным потоком выпара, движущимся в осевом направлении от обтекателя 10 к завихрителю 4. Пограничная область между потоком жидкости и осушенным потоком выпара занята двухфазным капельным потоком, движущимся с высокой скоростью вдоль границы раздела фаз от завихрителя 4 к обтекателю 10. Из камеры вращения 12 деаэрированная вода попадает в горловину кольцевого диффузора 11, который обеспечивает плавное расширение потока воды, приводящее к снижению скорости и восстановлению статического давления. Из корпуса деаэратора деаэрированная вода выходит через отверстия в опоре 14 и отводится по трубопроводу, присоединенному к нижнему фланцу 15. Выпар отводится по трубопроводу, присоединенному к верхнему фланцу 16.
Предлагаемая конструкция струйного вихревого деаэратора обеспечивает скоростную деаэрацию нагретой воды от начального содержания коррозионно-активных газов порядка 3000-5000 мкг/л до остаточного содержания 15-50 мкг/л.