КОНТАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ СТРУЙНЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к контактным тепломассообменным аппаратам, может быть использована в области теплоэнергетической промышленности для подогрева воды в технологических схемах предприятий и в системах отопления и горячего водоснабжения зданий и сооружений.
Известен тепломассообменный аппарат (RU 2206847, опубл. 20.06.2003 г., МПК F28C 3/06), состоящий из корпуса с камерой смешения и патрубками подвода пара и воды, паровое сопло, установленное по оси корпуса с образованием периферийного кольцевого зазора и размещенное в кольцевом зазоре жидкостное сопло, перекрытое сегментными элементами с образованием щелей и отверстиями.
Тепломассообменный аппарат не обеспечивает достаточно эффективное смешение пара и воды в результате наличия в установке только одной камеры смешения, что приводит к возникновению гидроударов и вибраций, а также к повышенному шумовому давлению в установке.
Известен теплообменник контактный струйный сетевой (RU 230225, опубл. 20.07.2007 г., МПК F28C 3/06), принятый в качестве ближайшего аналога, состоящий из корпуса с патрубками подачи воды и пара, с, по крайней мере, одним нагревателем контактным теплообменным с камерой смешения и выполненными на ее входе конфузорной частью и камерой турбулизации. Паропровод с паровым соплом теплообменника установлен в конфузорной части камеры смешения по оси нагревателя с образованием кольцевого зазора жидкостного сопла. На выходном конце камера смешения соединена с диффузорным патрубком и диссипативной насадкой, обеспечивающей рассеивание выходящего потока воды.
Известный теплообменник (теплообменный аппарат) также не обеспечивает достаточно эффективное смешение пара и воды, что при возможных значительных колебаниях давления пара и воды в трубопроводах приведет к возникновению гидроударов и вибраций, а также к повышенному шумовому давлению в установке.
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в повышении эффективности тепломассообменных процессов и, как следствие, в повышении эффективности работы теплообменного аппарата в целом.
Решение поставленной задачи в заявляемом контактном теплообменном струйном аппарате, состоящем из корпуса с патрубками подвода воды и пара, в котором установлена камера смешения с выполненной на входе конфузорной частью, паропровода с паровым соплом, установленным в конфузорной части камеры смешения соосно с образованием кольцевого зазора, достигается в том, что на выходе камеры смешения установлена соосно с образованием кольцевого зазора камера дополнительного смешения и винтовой завихритель. Камера дополнительного смешения выполнена в виде гидроэлеватора с цилиндрической проточной частью. Винтовой завихритель выполнен в виде пластины, скрученной на 90º.
Корпус выполнен цилиндрической формы.
Конфузорная часть камеры смешения соединена с камерой турбулизации, охватывающей паропровод с образованием кольцевого зазора. По внутренней поверхности камеры турбулизации равномерно распределены ориентированные под углом к оси теплообменного аппарата лопатки, например, криволинейной формы.
Патрубок подачи воды расположен тангенциально к корпусу теплообменного аппарата.
Камера дополнительного смешения, конструктивно представляющая собой гидроэлеватор с цилиндрической проточной частью, принцип работы которого основан на передаче кинетической энергии одного потока другому потоку путем непосредственного смешения, приводит к более эффективной конденсации пара в потоке воды, снижает давление пара, что значительно повышает коэффициент тепломассообмена, и, как следствие, приводит к снижению шума и вибрации при работе теплообменного аппарата, особенно при возможных скачках давления пара и воды.
Винтовое вращение, создаваемое винтовым завихрителем, увеличивает скорость движения потока нагретой воды и тем самым уменьшает пристеночный слой, что способствует уменьшению отложений солей и микроорганизмов в теплообменном аппарате и трубопроводах. Знакопеременное радиально-поступательное движение нагретой воды способствует сглаживанию пульсаций и вибраций, возникающих в результате кавитации при конденсации пара.
Замена в конструкции теплообменного аппарата диффузора с большим количеством выполненных в нем отверстий (согласно прототипу) на камеру дополнительного смешения, приводит к снижению общей стоимости теплообменного аппарата в результате исключения необходимости проведения работ по изготовлению специальной формы расширяющегося диффузора и выполнению в нем отверстий. Камера же дополнительного смешения выполнена цилиндрической формы.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом: на фигуре представлено схематичное изображение контактного теплообменного струйного аппарата (продольный разрез).
Заявляемое техническое решение относится к теплообменным струйным аппаратам контактного типа, в которых теплообмен происходит при непосредственном смешивании двух рабочих сред, например, нагреваемой воды и нагревающего пара.
Контактный теплообменный струйный аппарат состоит из цилиндрического корпуса 1 с подводящими патрубками подачи воды 2 и пара 3. Патрубок подвода воды 2 установлен тангенциально к корпусу 1 теплообменного аппарата. Паропровод 4 с паровым сужающимся соплом 5, соединенный с патрубком подвода пара 3, установлен с образованием кольцевого зазора в конфузорной части (конфузор) 6 камеры смешения 7 воды и пара. Конфузор 6 камеры смешения 7 соединен с камерой турбулизации 8 потока нагреваемой воды, охватывающей паропровод 4 с образованием кольцевого зазора. По внутренней поверхности камеры турбулизации 8 равномерно распределены ориентированные под углом к оси теплообменного аппарата лопатки 9 плоской, возможно криволинейной формы. На выходном конце камеры смешения 7 установлена камера дополнительного смешения 10 пароводяной смеси и нагреваемой воды для обеспечения окончательной конденсации пара в потоке нагреваемой воды. Камера смешения 7 воды и пара представляет собой первый каскад эжектирования, камера дополнительного смешения 10 пароводяной смеси и воды - второй каскад эжектирования.
Камеры смешения 7 и 10 установлены соосно друг с другом с кольцевым зазором, образованным между выходным концом камеры смешения 7 и входным концом камеры дополнительного смешения 10, обеспечивающим прохождение нагреваемой воды во второй каскад эжектирования за счет вакуума, создаваемого потоком из первого каскада эжектирования.
Камера дополнительного смешения 10 по конструкции представляет собой гидроэлеватор с цилиндрической проточной частью, принцип работы которого основан на передаче кинетической энергии одного потока - пароводяной смеси, другому потоку нагретой воды, путем непосредственного смешения.
На выходе камеры дополнительного смешения 10 установлен винтовой завихритель 11, представляющий собой пластину, скрученную на 90º, установленную на выходе из теплообменного аппарата. Винтовой завихритель 11 способствует выравниванию поля температур пароводяной смеси.
В конструкции теплообменного аппарата предусмотрены радиально расположенные к его оси крепежные лопатки 12 и 13, обеспечивающие жесткость, прочность конструкции.
Контактный теплообменный струйный аппарат работает следующим образом.
Из патрубка подвода воды 2 нагреваемая вода поступает через камеру турбулизации 8, в которой водяной поток разбивается лопатками 9 на струи и закручивается, в конфузорную часть 6 камеры смешения 7. Нагревающий пар из паропровода 4 через сопло 5 поступает непосредственно в камеру смешения 7. В камеру смешения 7 через кольцевой зазор между конфузором 6 камеры смешения 7 и стенками сопла 5 за счет разряжения, создаваемого струей пара, эжектируется поток воды. Эжектируемый поток воды под воздействием скоростной струи пара ускоряется, дробится на макрочастицы, формируя развитую поверхность для тепломассообмена между паром и водой.
В камере смешения 7 происходит перемешивание потоков воды и пара, конденсация пара, преобразование гетерогенной массы в гомогенную, выравнивание поля температур пароводяной смеси.
Для окончательной конденсации пара в потоке воды в конструкции теплообменного аппарата предусмотрен второй каскад эжектирования, выполненный в виде камеры дополнительного смешения 10.
В камеру дополнительного смешения 10 поступает пароводяная смесь, а также через кольцевой зазор нагнетаемая за счет разряжения нагреваемая вода. В камере дополнительного смешения 10 происходит окончательная конденсация пара в потоке воды посредством передачи кинетической энергии от паровоздушной смеси нагнетаемому потоку воды.
Далее нагретый поток воды через винтовой завихритель 11, преобразующий поступательное ламинарное движение потока жидкости после второй ступени эжектирования во вращательное, вихревое движение, выводится по техническому назначению. Частицы воды приобретают радиальное перемещение относительно потока жидкости, выравнивая градиент температуры по всему объему. Винтовое вращение также увеличивает скорость движения потока. Получаемое на выходе из теплообменного аппарата знакопеременное радиально-поступательное движение способствует сглаживанию пульсаций и вибраций, возникающих в результате кавитации при конденсации пара.
Таким образом, часть потока воды проходит в камеру смешения 7, а часть потока в окружающее пространство камеры смешения 7, принимая тепло от наружной поверхности камеры смешения 7, попадая далее в камеру дополнительного смешения 10 и в окружающее пространство камеры дополнительного смешения 10, что повышает устойчивость и эффективность работы теплообменного аппарата.
Контактный теплообменный струйный аппарат может быть установлен в закрытых и открытых тепловых сетях, применяется в системах отопления, горячего водоснабжения, химводоподготовки.
Для регулирования температуры выходящей из теплообменного аппарата нагретой воды в теплообменном аппарате может быть предусмотрена запорная арматура, посредством которой возможно регулирование объема подачи нагревающего пара. Запорная арматура может регулироваться вручную, либо посредством системы автоматического регулирования, управляемого датчиком температуры, установленным на выходе нагретой воды из теплообменного аппарата.
Контактный теплообменный струйный аппарат монтируют в разрыв трубопровода нагреваемой среды, при этом давление в трубопроводе не должно превышать 1,2 МПа, а температура нагреваемой воды должна быть в диапазоне от 0 до 130ºС. Перед включением теплообменного аппарата в работу проверяется давление рабочей жидкости - воды до и после теплообменного аппарата. Давление пара подбирают таким, чтобы оно было выше давления рабочей жидкости - воды. Для исключения попадания воды в паровую магистраль при снижении давления пара в конструкции на линии пара предусмотрен обратный клапан (на чертеже не показан).
Контактный теплообменный струйный аппарат может быть изготовлен в условиях отечественной промышленности, с использованием известных технологических процессов и стандартного оборудования.