Напорный центробежно-вихревой деаэратор (2 варианта)
PRESSURE CENTRIFUGAL VORTEX DEAERATOR (2 OPTIONS)

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для удаления газов из питательной воды систем отопления и горячего водоснабжения.
Деаэрационные установки используются на тепловых электрических станциях (ТЭС) и в котельных для предотвращения коррозии энергетического оборудования путем удаления из воды коррозионно-активных газов. Наряду с традиционными конструкциями деаэрационных установок, таких как струйные, барботажные, пленочные, форсуночные в настоящее время все большую популярность приобретает центробежно-вихревой деаэратор (ДЦВ), в котором удалось существенно интенсифицировать процесс массообмена за счет вихревой организации потока в рабочей зоне. С учетом простоты изготовления, малой металлоемкости деаэрационных элементов, широкого диапазона регулирования рабочих нагрузок, простоты и безопасности эксплуатации, такие деаэраторы перспективны, в том числе на электростанциях, где ДЦВ установлены в качестве первой ступени деаэрационных установок подпитки теплосети и добавочной воды цикла. В связи с этим проведение экспериментальных исследований процессов формирования межфазной поверхности и тепломассопереноса в центробежно-вихревых деаэраторах с целью повышения их эффективности путем совершенствования конструкций, технологических режимов и схем включения является актуальным. Тематика исследований, направленных на повышение энергетической эффективности деаэрационного оборудования, соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники.
Известен вихревой деаэратор (RU 76017, МПК 6 С02F 1/20, 2008), включающий цилиндрический корпус с торцевыми крышками, одна из которых имеет осевое отверстие и/или патрубок, при этом на боковой поверхности корпуса рядом с крышкой, имеющей осевое отверстие, расположено выходное отверстие (отверстия) и/или патрубок около противоположной крышки. К боковой поверхности корпуса тангенциально присоединен входной патрубок, а между ними, ближе к выходному отверстию расположена перегородка, содержащая, как минимум, одно отверстие, выполненное рядом с боковой поверхностью цилиндрического корпуса. Вихревой деаэратор может быть снабжен завихрителем потока, выполненным в виде улитки.
Недостатком известного вихревого деаэратора является невозможность работы в режиме вакуумной деаэрации при низкой температуре исходной воды, невозможность подачи деаэрированной воды потребителю в теплосеть с противодавлением, что ведет к снижению качества деаэрации при повышенном давлении в корпусе деаэратора из-за обратного растворения выделившихся газов.
Известен  вакуумный деаэратор NETZSCH DA / DA-VS, содержащий камеру деаэрации с расположенным в ней вращающимся диском без завихряющих элементов, патрубок подвода исходной жидкости, патрубок отвода деаэрированной жидкости. (www.netzsch-grinding.com).
Недостатком такого деаэратора является низкая степень завихрения потока жидкости из-за отсутствия завихряющих элементов, небольшой диапазон расхода деаэрируемой жидкости из-за необходимости поддерживать тонкий слой на вращающемся диске, необходимость в дополнительном насосе для подачи в систему с противодавлением.
Известна кавитационно-струйная деаэрационная установка RU 2008120170, МПК 6 С 02 F 1/20, 2009), содержащая центробежный завихритель и обтекатель, расположенные в трубчатом корпусе деаэратора, к которому подключены трубопроводы исходной и деаэрированной воды, трубопровод водопаровоздушной смеси, соединяющий полость между завихрителем и обтекателем с эжектором, включенный в трубопровод водопаровоздушной смеси регулирующий орган. Установка снабжена регулятором структуры водопаровоздушной смеси, соединенным с датчиком остаточного содержания кислорода в деаэрированной воде и с включенным в трубопровод водопаровоздушной смеси регулирующим органом, формирующим структуру отводимой водопаровоздушной смеси.
Недостатком известной установки является необходимость использования насоса для подачи деаэрированной воды потребителю. Кавитационно-струйные деаэраторы используют только энергию движения струи воды для кавитации, что не обеспечивает глубокого удаления растворенных газов, необходимого для обеспечения норм по растворенному кислороду для теплосетей.
В качестве прототипа выбран центробежно-вихревой деаэратор (RU 123407, МПК C02F 1/20, 2012), содержащий цилиндрический корпус с центробежным завихрителем, патрубок подачи исходной воды, патрубок отвода деаэрированной воды и патрубок отвода паровоздушной смеси. Центробежный завихритель деаэратора выполнен составленным из жестко закрепленной на цилиндрическом корпусе деаэратора неподвижной части, выполненной в виде перевернутого стакана с фланцем, и приводного диска. Выходной вал привода жестко закреплен на наружной поверхности дна стакана, в дне которого выполнено отверстие для прохода выходного вала привода. На конце вала жестко закреплен приводной диск с жестко закрепленными на его поверхности со стороны фланца стакана, по крайней мере, двумя концентрическими кольцами. На поверхности фланца стакана со стороны приводного диска расположен, по крайней мере, один кольцевой ряд жестко закрепленных направляющих лопаток, а на поверхности каждого из концентрических колец приводного диска расположен кольцевой ряд жестко закрепленных завихряющих лопаток. Патрубок подачи исходной воды размещен в стенке стакана центробежного завихрителя. Концентрические кольца с соответствующим кольцевым рядом завихряющих лопаток приводного диска расположены относительно друг друга с обеспечением возможности свободного размещения между ними ряда направляющих лопаток фланца стакана. Приводной диск установлен с обеспечением возможности последовательного прохода исходной воды из полости стакана центробежного завихрителя к внутренней стенке корпуса деаэратора. Патрубок отвода деаэрированной воды расположен в донной части деаэратора, а патрубок отвода паровоздушной смеси размещен внутри корпуса деаэратора и выведен наружу через его дно, а заборная часть патрубка отвода паровоздушной смеси расположена в верхней части корпуса деаэратора. Каждое из концентрических колец выполнено выступающим над поверхностью приводного диска на высоту, большую величины зазора между поверхностью приводного диска и нижним торцом направляющих лопаток фланца стакана. Каждая из завихряющих лопаток выполнена в виде плоской или изогнутой пластины, размещенной под углом к радиусу, проведенному к ней от оси вращения, с обеспечением возможности быстрого увеличения скорости вращения поступающих на них струй исходной воды. Каждая из направляющих лопаток фланца стакана выполнена в виде плоской или изогнутой пластины, размещенной под углом к радиусу, проведенному к ней от оси вращения, для возможности быстрой остановки струй воды, поступающих от завихряющих лопаток приводного диска центробежного завихрителя.
Недостатком известной установки является наличие большой накопительной емкости и необходимость использования насоса для подачи деаэрированной воды потребителю. Кроме того при работе в режиме вакуумной деаэрации при низких температурах исходной воды, ее использование затруднительно из-за необходимости наличия разности высот расположения деаэратора и насоса, т.к. близкое расположение между ними негативно влияет на стабильность работы насоса, что, в свою очередь, также ведет к еще большему увеличению габаритов установки, материалоемкости, усложнению конструкции и ее эксплуатации. Известная конструкция неприемлема для малогабаритных блочно-модульных котельных.
Проблемой, на которую направлено изобретение, является разработка конструкции центробежно-вихревого деаэратора для возможности ее использования в малогабаритных многофункционаьных блочно-модульных котельных за счет объединения процесса деаэрирования и подачи воды потребителям в одном устройстве.
Техническим результатом изобретения является упрощение установок деаэрирования за счет исключения накопительной емкости для деаэрированной воды и насоса для подачи воды потребителю, увеличение производительности за счет расширения диапазона допустимых расходов воды на деаэрацию, в том числе при низкотемпературной вакуумной деаэрации, повышение надежности работы устройства, а также расширение арсенала технических средств, направленных на деаэрацию воды.
По первому варианту технический результат достигается за счет того, что напорный центробежно-вихревой деаэратор содержит цилиндрический корпус с центробежным завихрителем, включающим закрепленный в корпусе неподвижный диск и, закрепленный на приводном валу, связанный с приводом, подвижный диск, выполненный с кольцевыми выступами, на которых закреплены завихряющие лопатки, обращенные навстречу неподвижному диску, а также патрубки подачи исходной воды, отвода деаэрированной воды и отвода паровоздушной смеси. Согласно изобретению на нижней поверхности неподвижного диска закреплены сетчатые цилиндрические поверхности, расположенные концентрическими рядами, обращенные в сторону подвижного диска. В теле неподвижного диска образованы отверстия для выхода паровоздушной смеси в полость над неподвижным диском, связанную с патрубком отвода паровоздушной смеси. Патрубок подачи исходной воды расположен в верхней части цилиндрического корпуса над неподвижным диском, а его свободный конец изогнут и заведен в промежуток, образованный между приводным валом и внутренним краем неподвижного диска для подачи исходной воды непосредственно на подвижный диск. В непосредственной близости от дна цилиндрического корпуса, в его боковых стенках образована кольцевая полость, в которой расположены напорные лопатки, закрепленные по внешнему краю подвижного диска, при этом на подвижном диске возле приводного вала, в углублениях между кольцевыми выступами и перед напорными лопатками дополнительно закреплены ускоряющие лопатки. Кольцевая полость связана с патрубком отвода деаэрированной воды, тангенциально смонтированного на боковой стенке корпуса и ориентированного по направлению движения деаэрированной воды.
Завихряющие и ускоряющие лопатки подвижного диска закреплены таким образом, что они свободно проходят в промежутки между рядами сетчатых цилиндрических поверхностей неподвижного диска.
Сетчатые цилиндрические поверхности включают преимущественно от 1 до 5 концентрических рядов.
Отверстия для выхода паровоздушной смеси желательно располагать в промежутках между концентрическими рядами сетчатых цилиндрических поверхностей.
Ускоряющие лопатки, установленные в углублении между кольцевыми выступами подвижного диска и перед напорными лопатками, могут быть выполнены изогнутыми в сторону вращения диска.
Высота сетчатых цилиндрических поверхностей неподвижного диска выбрана из расчета возможности свободного прохождения между ними завихряющих лопаток подвижного диска.
Наличие на нижней поверхности неподвижного диска сетчатых цилиндрических поверхностей, которые расположены концентрическими рядами, обращенные в сторону подвижного диска, позволяют, в отличие от прототипа, повысить степень диспергирования струй воды от завихряющих лопаток и тем самым улучшить процесс деаэрации воды. Выполнение отверстий в теле неподвижного диска облегчает выход паровоздушной среды, образованной в процессе деаэрации воды, в полость над неподвижным диском и далее в патрубок отвода паровоздушной смеси, что также улучшает процесс деаэрации, т.к. своевременное отведение выделившихся газов препятствует их обратному растворению в воде.
Выполнение патрубка подачи исходной воды и его расположение над неподвижным диском обеспечивает подачу воды на исходную позицию для деаэрирования и создает условия для последовательного прохождение водой всех этапов деаэрации.
Наличие в углублениях между кольцевыми выступами подвижного диска, а также возле приводного вала, и перед напорными лопатками ускоряющих лопаток в совокупности с завихряющими лопатками позволяет значительно ускорить процесс деаэрации воды за счет своевременного удаления воды из углублений между кольцевыми выступами подвижного диска завихряющих лопаток, что значительно повышает производительность деаэрации и улучшает качество, т.к. не происходит переполнение водой центробежного завихрителя.
Выполнение в цилиндрическом корпусе кольцевой полости, в которой расположены напорные лопатки, закрепленные по краю подвижного диска, вместе с размещением дна корпуса в непосредственной близости от кольцевой полости позволяет исключить использование дополнительного повышающего давление насоса для подачи потребителю. Таким образом, исключается накопительная емкость, а, следовательно, значительно уменьшаются, по сравнению с известными устройствами, габариты установки и расширяется функциональность установки.
Расположение патрубка отвода деаэрированной воды тангенциально к кольцевой полости, ориентированного по направлению движения деаэрированной воды, обеспечивает минимальную потерю напора при переходе воды из кольцевой полости в патрубок отвода деаэрированной воды, что особенно необходимо при вакуумной деаэрации, когда внутри корпуса пониженное давление.
По второму варианту - напорный центробежно-вихревой деаэратор, в отличие от первого варианта, включает несколько центробежных завихрителей, которые расположены в цилиндрическом корпусе друг под другом. Каждый центробежный завихритель снабжен патрубком подачи исходной воды и патрубком отвода паровоздушной среды. На подвижном диске возле приводного вала, в углублениях между кольцевыми выступами и перед напорными лопатками дополнительно закреплены ускоряющие лопатки. Каждый неподвижный диск закреплен на боковой стенке корпуса на опорах с образованием зазора между стенкой корпуса и краем неподвижного диска для пропуска деаэрированной воды. На боковых стенках цилиндрического корпуса непосредственно возле дна корпуса образована кольцевая полость, в которой расположены напорные лопатки, закрепленные по краю приводного диска, смонтированного на конце приводного вала, а перед входом в кольцевую полость на приводном диске закреплены ускоряющие лопатки. Между подвижным диском нижнего центробежного завихрителя и приводным диском образована промежуточная полость для исключения переполнения водой завихрителей и попадания деаэрированной воды в патрубок отвода паровоздушной смеси.
Установка неподвижных дисков на опорах с образованием зазора между боковой стенкой цилиндрического корпуса и краем неподвижного диска необходимо для беспрепятственного прохождения воды от ускоряющих лопаток подвижного диска каждого завихрителя вниз по боковым стенкам корпуса на приводной диск и далее в кольцевую полость.
Наличие приводного диска с напорными лопатками, установленными по его краю и расположенными в кольцевой полости, а также установка на приводном диске перед напорными лопатками дополнительных ускоряющих лопаток обеспечивают быстрый отвод деаэрированной воды из корпуса деаэратора, создание напора в кольцевой полости даже при наличии вакуума внутри корпуса деаэратора, возможность подачи деаэрированной воды непосредственно в теплосеть или потребителю с противодавлением без дополнительного насоса.
Наличие промежуточной полости способствует созданию условия для своевременного срабатывания автоматики и снижения подачи воды при возможном дисбалансе подвода и отвода воды в деаэратор для обеспечения стабильного режима деаэрации, исключения переполнения водой завихрителей и попадания деаэрированной воды в патрубок отвода паровоздушной смеси.
В цилиндрическом корпусе может быть расположено несколько центробежных завихрителей, количество которых зависит от производительности одного завихрителя и общей требуемой производительностью установки и обычно находится в пределах от 2 до 5.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг. 1 представлен напорный центробежно-вихревой диаэратор по первому варианту; на фиг. 2 - разрез по А-А; на фиг. 3 - напорный центробежно-вихревой диаэратор по второму варианту; на фиг. 4 - разрез по А-А.
На чертежах позициями обозначено:
1 - цилиндрический корпус;
2 - центробежный завихритель;
3 - неподвижный диск;
4 - отверстия для выхода паровоздушной смеси;
5 - сетчатые цилиндрические поверхности, расположенные концентрическими рядами;
6 - приводной вал;
7 - привод;
8 - патрубок подачи исходной воды;
9 - патрубок отвода паровоздушной среды;
10 - полость, образованная над неподвижным диском 3;
11 - подвижный диск;
12 - кольцевые выступы подвижного диска 11;
13 - завихряющие лопатки, закрепленные на кольцевых выступах 12;
14 - ускоряющие лопатки, закрепленные в углублениях между кольцевыми выступами 12 и перед напорными лопатками;
15 - дно цилиндрического корпуса 1;
16 - кольцевая полость;
17 - приводной диск;
18- патрубок отвода деаэрированной воды;
19 - опоры, на которых закреплены неподвижные диски 3;
20 - зазор между стенкой корпуса 1 и краем неподвижного диска 3;
21 - дополнительные ускоряющие лопатки;
22 - напорные лопатки;
23 - промежуточная полость.
Напорный центробежно-вихревой деаэратор воды по первому варианту предназначен для работы на низконапорного или безнапорного потребителя (накопительные емкости под атмосферным или небольшим давлением, системы с небольшим противодавлением) и работает следующим образом.
Включают электродвигатель привода 7. Подвижный диск 11, закрепленный на приводном валу 6, раскручивается. Исходную воду подают по патрубку 8 подачи воды непосредственно на внутренний край подвижного диска 11, на котором вода захватывается ускоряющими лопатками 14, поднимается выше кольцевого выступа 12 подвижного диска 11, захватывается вращающимися завихряющими лопатками 13 и разгоняется, получая значительную кинетическую энергию. Высокоскоростные струи воды после лопаток 13 попадают на расположенных концентрическими рядами неподвижные сетчатые цилиндрические поверхности 5 неподвижного диска 3, где разбиваются и резко снижают скорость, испытывая значительные кавитационные явления и перегрузки, в результате которых происходит выделение парогазовой фракции и ее отделение от воды. Парогазовая смесь попадает в полость 10 и далее по патрубку 9 удаляется из корпуса 1 в атмосферу при атмосферной деаэрации или откачивается вакуумным насосом при вакуумной деаэрации. Замедлившиеся струи деаэрированной воды после последнего концентрического ряда сетчатой цилиндрической поверхности 5 стекают вниз под действием силы тяжести, отбрасываются ускоряющими лопатками 14 на напорные лопатки 22 и через патрубок 18 отвода деаэрированной воды деаэрированная вода поступает потребителям.
Если теплосеть потребителя находится под давлением, а это самый частый случай, и требуется больший диапазон расходов подпитки, применяется центробежно-вихревой деаэратор по второму варианту с приводным диском 17 и промежуточной полостью 23.
Устройство по второму варианту работает следующим образом.
Исходная вода подается по патрубкам 8, расположенным над каждым неподвижным диском 3, на подвижные диски 11. Деаэрация воды в завихрителях 2 происходит аналогично первому варианту. При этом деаэрированная вода, прошедшая процесс деаэрации в каждом центробежном завихрителе 2, стекает вниз по боковой стенке цилиндрического корпуса 1 через зазоры 20 на приводной диск 17, где она сначала попадает на дополнительные ускоряющие лопатки 21, затем на напорные лопатки 22 в кольцевой полости 16, где вода разгоняется до скорости, обеспечивающей достаточное давление в патрубке 18 и ее подачу потребителю через патрубок 18 отвода деаэрированной воды без дополнительных промежуточных насосов.
3
3
3
Если отвод деаэрированной воды уменьшится из-за повышения противодавления в патрубке 18 отвода деаэрированной воды, в промежуточной полости 23 появится избыток воды и автоматика немедленно уменьшит подачу исходной воды на деаэрацию, исключив переполнение деаэратора и попадание воды в патрубок 9 отвода паровоздушной смеси. Объем промежуточной полости 23 должен быть достаточен для надежного срабатывания автоматики и равен приблизительно объему воды при максимальном расчетном расходе за 5-10 секунд. Например, для максимального расчетного расхода воды 5 м в час объем промежуточной полости 23 находится в пределах 7 - 14 дм. Для примера, объем накопительной емкости для такого расхода воды обычно составляет более 1000дм.
Использование заявленного напорного центробежно-вихревого деаэратора воды позволяет значительно уменьшить габариты за счет отсутствия накопительной емкости и необходимости создавать гидростатический напор, необходимый для работы откачивающего насоса при вакуумной деаэрации, исключить использование дополнительного насоса для откачки деаэрированной воды и подачи потребителям, повысить надежность работы и упростить управление процессом деаэрации и подачи ее потребителям в одном устройстве, расширить диапазон допустимых расходов воды на деаэрацию, что значительно увеличивает функциональность деаэратора и возможность применения его в режиме вакуумной низкотемпературной деаэрации в малогабаритных блочно-модульных котельных.