УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕЧЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПАРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО КАНАЛА
DEVICE FOR INCREASING FLOW STABILITY AND OPERATING EFFICIENCY OF 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.
Известен способ (авторское свидетельство SU 1740956, от 9.01.1989) теплогидравлической стабилизации парогенерирующего канала, содержащего входной однофазный и двухфазные участки, путем дросселирования потока на входном однофазном участке, одновременно с дросселированием потока на входном участке осуществляют его закрутку путем размещения на входе канала многозаходного шнека с безударным входом и переменным шагом закрутки.
Недостаток способа в том, что закрутка потока снижается за многозаходным шнеком по длине экономайзерного участка и практически отсутствует на переходном участке парогенерирующего канала, что снижает теплопередачу от внешнего теплоносителя к рабочему продукту, при этом не исключается возникновение стержневого режима течения.
Известно устройство повышения устойчивости течения и эффективности работы парогенерирующего канала (патент RU №2666834, от 12.07.2017), содержащего дроссельные шайбы, установленные на входе и выходе, с тремя характерными участками экономайзерным, переходным и подогревательным газовым, при этом 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.
Недостаток устройства в том, что не всегда возможно обеспечение устойчивости системы из-за недостаточности увеличения площади проходного сечения экономайзерного участка в зависимости от плотности жидкой фазы рабочего продукта на экономайзерном участке. Например, плотность воды при увеличении температуры от 273К до 373К изменяется на 4,149%, т.е. площадь сечения экономайзерного участка увеличивается на эту же величину, что не достаточно для устойчивости течения рабочего продукта в парогенерирующем канале. Кроме этого стенки экономайзерного участка парогенерирующего канала всегда удалены от жидкой фазы, при этом толщина пограничного слоя паровой фазы увеличивается по длине экономайзерного участка.
Задачами изобретения являются повышение эффективности работы и устойчивости течения рабочего продукта в парогенерирующем канале.
Указанные задачи в устройстве, содержащем 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, на величину соответствующей площади поперечного сечения паровой фазы в пограничном слое, а также тем, что на экономайзерном участке площадь поперечного сечения увеличивается от входа к выходу на величину соответствующей площади поперечного сечения пограничного слоя умноженной на коэффициент N, где 0,05≤N≤1 для жидких сред с температурой кипения равной или выше 353К и 1≤N≤4 для жидких сред с температурой кипения ниже 353К, а также тем, что на экономайзерном и переходном участках парогенерирующего канала установлены турбулизаторы, направляющие жидкую фазу рабочего продукта на стенки парогенерирующего канала, а паровую фазу к его центральной оси и тем, что винтовой шнек расположен по всей длине экономайзерного с переменным проходным сечением и переходного с постоянным проходным сечением участках парогенерирующего канала, при этом по оси винтового шнека на переходном участке расположено центральное отверстие, увеличивающееся по диаметру от входа к выходу переходного участка.
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.
На фиг. 2 представлена схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале с турбулизаторами на экономайзерном и переходном участках, направляющие жидкую фазу рабочего продукта на стенки парогенерирующего канала, а паровую фазу к его центральной оси.
На фиг. 3 представлена схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале с винтовым шнеком на экономайзерном и переходном участках, при этом по оси винтового шнека на переходном участке расположено центральное отверстие, увеличивающееся по диаметру от входа к выходу переходного участка.
2
1
2
3
4
Устройство по п. 1 или п. 2 (фиг. 1) формулы содержит парогенерирующий канал с внешним подводом теплоты Q, 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 с постоянными площадями поперечного сечения F=F=F последовательно расположены переходный участок 5 и подогревательный участок 6, на выходе которого расположено выходное гидравлическое сопротивление 7.
Устройство по п. 3 (фиг. 2) формулы, на экономайзерном 2 и переходном 5 участках содержит турбулизаторы 8 для направления жидкой фазы рабочего продукта от оси парогенерирующего канала на его внутренние стенки и турбулизаторы 9 для направления паровой фазы из пограничного слоя 4 от стенки к его оси.
Устройство по п. 4 (фиг. 3) формулы, содержит винтовой шнек 10, расположенный по всей длине с переменным проходным сечением экономайзерного 2 и с постоянным проходным сечением переходного 5 участках парогенерирующего канала, при этом по оси винтового шнека 10 на переходном участке 5 расположено центральное отверстие 11, увеличивающееся по диаметру от входа к выходу переходного участка 5.
э
1
пс
2
э(i)
1
пс(i)
1
пс(i)
1
2
2
пс
1
2
2
2
2
2
2
Устройство по п. 1 формулы (фиг. 1) работает следующим образом. На экономайзерном участке 2 по его длине от входа к выходу за счет внешнего подвода теплоты Q увеличивается толщина пограничного слоя 4 паровой фазы между жидкой фазой 3 рабочего продукта и стенкой экономайзерного участка 2. Увеличение толщины пограничного слоя 4 снижает коэффициент теплопередачи от горячего внешнего теплоносителя к жидкой фазе 3 рабочего продукта, а также увеличивает гидравлическое сопротивление движению жидкой фазы 3 рабочего продукта, что влияет на устойчивость течения в парогенерирующем канале. Для компенсации данного явления площадь F поперечного сечения экономайзерного участка 2 по его длине от входа к выходу увеличивают от F на величину соответствующей площади F поперечного сечения парового пограничного слоя 4 до сечения F, т.е. каждое последующее i сечение экономайзерного 2 участка F=F+F больше его начального значения F на величину соответствующей площади сечения пограничного слоя F, что, в свою очередь, дополнительно увеличивает площадь внешней теплопередающей поверхности экономайзерного участка 3 и увеличивает количество передаваемой теплоты Q от внешнего горячего теплоносителя к жидкой фазе 3 рабочего продукта. Например, радиус канала равен 10 мм, а пограничный слой 4 на экономайзерном участке 2 увеличивается по толщине от 0 мм в сечении F до 3 мм в сечении F, т.е. площадь сечения пограничного слоя 4 в сечении F будет равна F=π(10-7) мм, что составляет около 51% площади сечения канала в сечении F. Увеличение площади сечения экономайзерного участка 2 от сечения F до сечения F, в этом примере, составит 51%, а радиус канала в сечении F на выходе экономайзерного участка 2 составит примерно 12,288 мм. Это увеличение площади поперечного сечения на экономайзерном участке 2 практически не увеличит гидравлического сопротивления движению как жидкой 3, так и паровой фазы рабочего продукта в пограничном слое 4, что повышает устойчивость течения в парогенерирующем канале.
эс
рп
эс
рп
Устройство по п. 2 формулы (фиг. 1) работает следующим образом. На экономайзерном участке 2 площадь поперечного сечения увеличивается по его длине от входа к выходу на величину площади поперечного сечения паровой фазы в пограничном слое умноженной на коэффициент N, изменяющийся в диапазоне от 0,05 до 4 для различных рабочих продуктов. Для рабочих продуктов с высокой плотностью жидкой фазы, например, вода или жидкие углеводороды с температурой кипения равной или выше 353К, коэффициент 0,05≤N≤1, а для рабочих продуктов с низкой плотностью жидкой фазы и температурой кипения ниже 353К, например, криогенные рабочие продукты, коэффициент 1≤N≤4. Использование коэффициента N позволяет оптимизировать сечение экономайзерного участка 2 парогенерирующего канала для повышения устойчивости течения для различных рабочих продуктов без значительных увеличений его габаритов и получением достаточных запасов по устойчивости течения рабочего продукта. Рабочие продукты с температурой кипения ниже 353К имеют низкую теплоту испарения и низкую теплопроводность паровой фазы. Для этих рабочих продуктов с низкой теплотой испарения при сравнении с рабочими продуктами с высокой теплотой испарения на одинаковой длине экономайзерного участка 2 и при подводе внешней одинаковой теплоты Q толщина пограничного слоя 4 будет увеличиваться намного больше, при этом увеличение толщины пограничного слоя от входа до выхода экономайзерного участка 2 будет во столько раз больше во сколько отличаются теплоты испарения рабочих продуктов с высокой и низкой теплотой испарения. Увеличение толщины пограничного слоя 4 ухудшает теплопередачу и может привести к стержневому неустойчивому режиму течения (стержневой режим - это течение жидкой фазы 3 в осевой области по всей длине парогенерирующего канала до выходного гидравлического сопротивления 7). Поэтому для рабочих продуктов с температурой кипения ниже 353К требуется большее увеличение от входа к выходу проходного сечения экономайзерного участка 2, чем для рабочих продуктов с температурой кипения выше 353К. Необходимо отметить, что коэффициент N=С(r/r) пропорционален отношению теплоты r испарения, например этилового спирта (температура кипения этилового спирта 351,3 К при 760 мм.рт.ст.) к теплоте r испарения рабочего продукта, где С - функция, учитывает коэффициент теплопроводности паровой фазы рабочего продукта и конвективный теплообмен в пограничном слое 4 для различных чисел рейнольдса.
Устройство по п. 3 формулы (фиг. 2) работает следующим образом. На экономайзерном 2 и переходном 5 участках происходит изменение фазового состояния рабочего продукта от жидкого фазы 3 до паровой фазы. Для увеличения коэффициента теплоотдачи необходимо, что бы жидкая фаза 3 рабочего продукта соприкасалась с внутренними стенками парогенерирующего канала на экономайзерном 2 и переходном 5 участках. Турбулизаторы 8, установленные в полости экономайзерного 2 и переходного 5 участков парогенерирующего канала направляют жидкую фазу 3 рабочего продукта от центра канала на внутренние стенки парогенерирующего канала, а турбулизизаторы 9 направляют из пограничного слоя 4 паровую фазу рабочего продукта от стенки парогенерирующего канала к его центральной оси. За счет увеличения площади касания жидкой фазы 3 рабочего продукта внутренних стенок парогенерирующего канала повышен коэффициент теплоотдачи, а значит и коэффициент теплопередачи, а это позволяет уменьшить линейные габариты парогенерирующего канала, а также снизить вероятность появления стержневого режима течения рабочего продукта.
Устройство по п. 4 формулы (фиг. 3) работает следующим образом. На экономайзерном 2 и переходном 5 участках поток рабочего продукта закручивают в винтовом шнеке 10. За счет закрутки потока появляется центробежная сила, которая отбрасывает жидкую фазу 3 рабочего продукта к внутренней стенке парогенерирующего канала, при этом за счет вытеснения жидкой фазой 3 паровая фаза рабочего продукта из пограничного слоя 4 проходит в центральное отверстие 11 винтового шнека в приосевой части канала на переходном участке 5, где полное давление ниже, чем в пристеночной области парогенерирующего канала. Увеличение диаметра осевого отверстия 11 в винтовом шнеке 10 от входа к выходу на переходном участке 5 позволяет не увеличить гидравлическое сопротивление для прохода паровой фазы. За счет этого повышается эффективность теплопередачи, как на экономайзерном 2, так и на переходном 5 участках парогенерирующего канала, а также повышается устойчивость течения за счет исключения образования стержневого режима течения.
За счет увеличения проходного сечения парогенерирующего канала на экономайзерном участке 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 участке уменьшена его длина, а значит и линейные габариты парогенерирующего канала. За счет применения турбулизаторов и винтового шнека в конструкции парогенерирующего канала, во первых, увеличена площадь теплопередающей поверхности, соприкасающаяся с жидкой фазой рабочего продукта, а значит и эффективность теплообменника и уменьшены его линейные габариты, во вторых, на этих участках снижены 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 и переходном участках.