Многофункциональный струйно-вихревой нагнетатель

 

Изобретение относится к струйно-вихревым аппаратам. Нагнетатель содержит вихревую камеру с тангенциально прикрепленным к ней соплом с патрубком подвода активной среды, боковину с отверстием, закрепленную на вихревой камере, днище, спиральную камеру с напорным патрубком, всасывающий патрубок пассивной среды, включающий конический и входной участки и удлинитель. Нагнетатель содержит дроссельный клапан, смотровой люк, газовый патрубок и распределитель потока пассивной среды с прикрепленным к боковине завихрителем. Конический участок насадка пассивной среды совмещен с отверстием в боковине с образованием кольцевого зазора, входной участок насадка пассивной среды прикреплен к ходовому винту с опорной гайкой с образованием торцевого зазора между входным участком насадка пассивной среды и опорной гайкой, прикрепленной к завихрителю, всасывающий патрубок прикреплен тангенциально к завихрителю, дроссельный клапан включает входной патрубок, подключенный к патрубку подвода активной среды, и выходной патрубок, подключенный к всасывающему патрубку, смотровой люк закреплен на боковине, а газовый патрубок прикреплен к днищу соосно оси вращения вихревого потока. В результате повышается эффективность нагнетателя. 4 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к струйно-вихревым аппаратам и может использоваться для нагнетания текучих сред со смешением или тепловым разделением газовых сред, а также в энергетике.

Известны струйные аппараты [1], содержащие сопло с патрубком подвода активной среды, патрубком подвода пассивной среды и камеру смешения с диффузорным напорным патрубком.

Известны вихревые трубы [2], содержащие вихревую камеру с тангенциально прикрепленным к ней соплом с патрубком подвода активной среды, патрубок отвода горячего газа и патрубок отвода холодного газа.

Известны горелки [3], содержащие сопло с патрубком подвода газообразного топлива, патрубок подвода окислителя, камеру смешения, диффузор и камеру горения.

Известны нагнетатели (насосы, вентиляторы) [4,5], содержащие спиральную камеру с напорным диффузорным патрубком и боковинами, всасывающий конфузорный патрубок с завихрителями, прикрепленными к боковинам, центробежное колесо с закрытыми лопатками и входным отверстием, закрепленное на валу в подшипниковых опорах, прикрепленных к боковинам.

Известны турбины [5], содержащие спиральную камеру с днищем, колесо турбины, закрепленное на валу в подшипниковой опоре, прикрепленной к днищу, и конец вала отбора мощности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является вихревой эжектор [6] (нагреватель), содержащий вихревую камеру с тангенциально прикрепленным к ней соплом с патрубком подвода активной среды, боковину с отверстием, закрепленную на вихревой камере, днище, спиральную камеру с напорным диффузорным патрубком, закрепленным между вихревой камерой и днищем, всасывающий, например конфузорный, патрубок и соосно размещенный к вихревой камере насадок-сопло пассивной среды, включающий удлинитель, конический участок и входной участок, а также конфузорный патрубок подвода пассивной среды.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности функции нагнетателя и выполнение его многофункциональным.

Указанная задача решается за счет того, что нагнетатель, содержащий вихревую камеру с тангенциально прикрепленным к ней соплом с патрубком подвода активной среды, боковину с отверстием, закрепленную на вихревой камере, днище, спиральную камеру с напорным, например диффузорным, патрубком, закрепленным между вихревой камерой и днищем, всасывающий, например конфузорный, патрубок и соосно размещенный в вихревой камере насадок пассивной среды, включающий удлинитель, например, цилиндрический, конический и входной участки, при этом нагнетатель содержит дроссельный клапан, смотровой люк, газовый патрубок и распределитель потока пассивной среды с прикрепленным к боковине завихрителем, при этом конический участок насадка пассивной среды совмещен с отверстием в боковине с образованием кольцевого зазора, входной участок насадка пассивной среды прикреплен к ходовому винту с опорной гайкой с образованием торцевого зазора между входным участком насадка пассивной среды и опорной гайкой, прикрепленной к завихрителю, всасывающий патрубок прикреплен тангенциально к завихрителю, дроссельный клапан включает входной патрубок, подключенный, например, к патрубку подвода активной среды, и выходной патрубок, подключенный к всасывающему патрубку, смотровой люк закреплен на боковине, а газовый патрубок прикреплен к днищу соосно оси вращения вихревого потока.

Нагнетатель может быть снабжен пусковым устройством, содержащим размещенное в напорном патрубке отверстие-седло с патрубком сброса среды, прикрепленным к напорному патрубку и подключенным, например, к всасывающему патрубку, и плоскую пружину-клапан с ограничителем подъема клапана, например, лепестковым, закрепленными в напорном патрубке и совмещенным с отверстием в положении "нормально отрыто".

Кроме того, нагнетатель может быть снабжен испарителем жидкого топлива, содержащим закрепленный на вихревой камере резервуар с патрубком подвода жидкого топлива и патрубком отвода газообразного топлива (парообразного), а последний подключен к патрубку подвода активной среды.

Нагнетатель также может быть снабжен сепаратором газа, содержащим выполненный в вихревой камере одно, например, щелевидное, или несколько отверстий, патрубок удаления газа с заслонкой, прикрепленной к вихревой камере, и теплообменник, например, поверхностного типа, с патрубками: входа газа, подключенным к патрубку удаления газа, выхода газа, входа и выхода окислителя, при этом последний подключен к всасывающему патрубку.

И наконец, нагнетатель может быть снабжен турбогенератором, содержащим турбину, включающую вентилятор, колесо турбины, размещенное в вихревой камере и закрепленное на валу, введенном в вихревую камеру через газовый патрубок с образованием кольцевого канала между патрубком и валом с концом вала отбора мощности, при этом вал установлен в подшипниковой опоре, прикрепленной к днищу, а вентилятор размещен между днищем и подшипниковой опорой и включает закрепленное на валу колесо вентилятора, например, центробежное с закрытыми лопатками, с входным отверстием, совмещенным с газовым патрубком и прикрепленным к днищу спиральным кожухом с газовой заслонкой и патрубком отвода "холодного газа", подключенным, например, к патрубку входа газа теплообменника.

На чертеже представлен разрез нагнетателя, а также вид А и сечение Б-Б по продольному разрезу нагнетателя.

Нагнетатель содержит вихревую камеру 1, сопло 2 с патрубком подвода активной среды 3, боковину 4 с отверстием 5 и днище 6, спиральную камеру 7 с напорным диффузорным патрубком 8 (на общем виде не показан), насадок 9, включающий удлинитель 10, например, цилиндрический, конический участок 11, входной участок 12 и всасывающий конфузорный патрубок 13 (на общем виде показан условно). Нагнетатель содержит распределитель 14, включающий завихритель 5, образующий кольцевой зазор 16 с насадком 9, ходовой винт 17, опорную гайку 18 и торцевой зазор 19, дроссельный клапан 20 с входным патрубком 21 и выходным патрубком 22, смотровой люк 23 и газовый патрубок 24; пусковое устройство 25, включающее отверстие-седло 26, патрубок сброса среды 27 и пружину-клапан 26 с ограничителем подъема 29; испаритель жидкого топлива 30, включающий резервуар 31, патрубок подвода жидкого 32 и патрубок отвода газообразного топлива 33; сепаратор газа 34, включающий щелевидное отверстие 35, патрубок удаления газа 36 с заслонкой 37, теплообменник 38 с патрубками: входа 39 и выхода газа 40, входа 41 и выхода окислителя 42; турбоагрегат 43, содержащий турбину 44, включающую колесо турбины 45, вал 46, кольцевой канал 47, подшипниковую опору 48 и конец вала отбора мощности 49, а также вентилятор 50, включающий колесо вентилятора 51 с входным отверстием 52, кожух 53, газовую заслонку 54 и патрубок отвода "холодного" газа 55.

Функции нагнетателя разделены на две основные группы (см. таблицу). К первой группе относятся струйно-вихревые аппараты без химического превращения взаимодействующих сред. Здесь два режима работы. Режим смешения сред, где кинетическая энергия струями активной среды тангенциально вводимой через сопло 2 в камеру 1 (см. чертеж) используется для получения вихревого потока (вихря) с пониженным давлением и убывающей к центру окружной скоростью. Пассивная среда, подсасываемая через конфузорный патрубок 13 с повышением скорости и закручиванием в завихрителе 15, вводится в зону вихря через кольцевой зазор 16 с соответствующей скоростью вращения и через насадок 9 с направленной осевой скоростью. Смешение сред и выравнивание поля скоростей по сечению вихревого потока происходит в камерах 1 и 7. Торможение потока с повышением давления и выдача потребителю смешанной среды через напорный диффузорный патрубок 8.

Второй режим используется при тепловом разделении газовых сред. Активной средой, поступающей в камеру 1 через сопло 2, без подмешивания или с подмешиванием пассивной среды, поступающей через патрубок 13, завихритель 15, кольцевой зазор 16 и насадок 9. Смешение сред с последующим тепловым разделением в вихревой камере 1. В вихревом потоке происходит передача (диффузия) тепла от внутренних более горячих слоев к периферийным охлажденным за счет скорости. Контактный теплообмен. Торможение периферийного потока с повышением давления и температуры в диффузоре 8. Выдача "горячего" газа через патрубок 8, "холодного" - через газовый патрубок 24. Здесь аппарат выполняет функции прямоточной вихревой трубы.

Ко второй группе относятся струйно-вихревые горелки, где активной средой является газо- и парообразное топливо, или окислитель, поступающее в камеру 1 через сопло 2, пассивной, соответственно, окислитель или топливо (пылевидное, жидкое, смеси), поступающее через патрубок 13, завихритель 15, кольцевой зазор 16 и насадок 9. Горючая смесь зажигается через люк 23. Здесь вихревая камера выполняет функции камеры смешения и камеры горения. Выдача топочных газов через диффузорный патрубок 8. Нормальный тепловой режим. К этой группе относятся горелки с тепловым разделением продуктов сгорания (газа). В вихревом потоке происходит смешение топлива с окислителем, горение и тепловое разделение газа. Осуществляется передача тепла от внутренних к периферийным слоям вихревого потока, охлажденным за счет скорости. Контактный и лучевой теплообмен. Торможение периферийного потока с повышением давления и температуры, и выдача потребителю "горячего" газа через диффузорный патрубок 8, выдача внутреннего "холодного" газа через кольцевой канал 47, вентилятор 50 и патрубок 55. Здесь работает турбина 44. Тепловой режим регулируется газовой заслонкой 54. К этой группе относятся также реактивные и турбореактивные двигатели для дозвуковых транспортных средств. Здесь активной средой являются пары жидкого топлива, поступающие через сопло 2, пассивной - воздух, засасываемый через патрубок 13 и завихритель 15. Горение смеси с повышением температуры и объема в вихревой камере 1. Выдача топочных газов через патрубок-сопло 8. Работает турбина 44 с валом отбора мощности 49 для привода генератора тока, топливного насоса (на чертеже не показано), а также испаритель жидкого топлива 30.

По состоянию взаимодействующих активной и пассивной сред (см. таблицу) нагнетатели разделяются на равнофазные, например, водяной пар и воздух, разнофазные - воздух и сыпучие материалы, и с изменяющейся одной из них, например, конденсация пара, испарение воды, горение жидкого или твердого топлива, а также однофазные, например, вихревая труба без подмешивания пассивной среды.

В таблице представлены нагнетатели с характерными функциями по аналогии (1-6) и др. и указаны пункты формулы для их осуществления. Первый независимый пункт содержит все нагнетатели (распределитель потока пассивной среды).

Основными потерями в известных струйных аппаратах [1] являются потери на удар при смешении потоков. Активная среда вступает в контакт с пассивной сразу всей массой (прямой удар) в пространстве, ограниченном, например, цилиндрической прямоточной камерой смешения. При этом теряется 50% и более кинетической энергии на вихреобразование от удара и 6-8% на трение в камере. Потери на удар возрастают пропорционально квадрату разности скоростей смешиваемых потоков. Снижение ударных потерь достигается только уменьшением разности скоростей путем повышения скорости пассивной среды за счет понижения давления в зоне контакта сред.

В вихревых трубах [2] основными являются объемные потери, или обратные токи газа, снижающие эффективность теплоразделения в 2-3 раза.

Распределитель потока пассивной среды 14, включающий насадок 9, установленный с кольцевым зазором 16, предназначен для снижения объемных и ударных потерь. Ввод пассивной среды через зазор 16 в зону вихря с соответствующей скоростью вращения, без удара осуществляется за счет снижения давления среды. При одинаковой абсолютной скорости отдельные струйки потока имеют разные осевые и радиальные составляющие, что способствует рассеиванию пассивной среды в камере 1. Дальнейший рост скорости осуществляется за счет сил сцепления, вязкостного трения с набегающим активным потоком без вихреобразования. Абсолютная скорость пассивной среды к моменту непосредственного контакта с активной значительно возрастает, разность скоростей уменьшается. Установившийся активный спирально-вихревой поток имеет ограниченную профилем камеры внешнюю и коническую сужающуюся внутреннюю условную форму поверхности. Подмешивание пассивной среды происходит по всей внутренней поверхности активного потока. Здесь имеет скользящий рассредоточенный в пространстве и растянутый по времени удар. Вихреобразований, а следовательно, и потерь (учитывая квадратную зависимость) значительно меньше, чем от прямого удара. Протяженность активного, затем смешанного потоков в вихревой камере больше, чем в прямоточной. Поэтому потери на трение возрастают и могут достигать 18-20%. Однако увеличение потерь на трение с избытком компенсируется снижением ударных потерь до 18-20%. Очевидно, самый экономичный режим работы устройства наступает при равенстве этих потерь.

Потери кинетической энергии и торможение потока приводят к возрастанию давления к концу камеры смешения и появлению обратных осевых токов, объемных потерь. Направленный встречный осевой поток пассивной среды через насадок 9 препятствует возникновению обратных токов и снижает объемные потери. Удлинитель 10 предотвращает рассеивание потока. Перемещая по оси насадок 9 с конусом 11 и входным участком 12 вращением винта 17, можно изменять соотношение сечений зазоров 16 и 19 и, соответственно, подачу пассивной среды через насадок 9 и кольцевой зазор 16, добиваясь оптимального режима работы нагнетателя с минимальными потерями.

В однофазных вихревых трубах в насадок 9 подается активная среда через дроссельный клапан 20 и патрубок 13. Кольцевой зазор 6 полностью или частично закрывается вращением винта 17.

Струйно-вихревые аппараты, работающие с большим противодавлением, например, пароводяной инжектор для подпитки водой паровых котлов [1], снабжены пусковым устройством 25. В момент пуска холодная вода из камер 1, 7 и патрубка 8 через открытый клапан 28, отверстие 26 и патрубок 27 сбрасывается во всасывающий патрубок 13. Происходит циркуляция, предотвращающая перегрев воды в зоне контакта и прекращение конденсации пара. После раскручивания водяного вихря и повышения давления в напорном патрубке 8 клапан 28 прижимается к отверстию 26, циркуляция прекращается, и вода через патрубок 8 направляется к потребителю, в котел. После остановки нагнетателя и падения давления в патрубке 8, пружина-клапан 28 открывается до упора с ограничителем подъема 29, препятствующему полному открыванию клапана, предотвращая вибрации последнего при пуске.

Струйно-вихревые горелки, реактивные двигатели, работающие на жидком топливе снабжены испарителем 30. Жидкость через патрубок 32 поступает в резервуар 31, испаряется от тепла камеры горения 1, и пар через патрубок 33 подается в сопло 2.

Низкотемпературные горелки с функциями, например, газовоздушного отопления, снабжены сепаратором 34 для удаления газа с повышенным содержанием вредных веществ (пункт 4 формулы). Через отверстие 35 удаляется газ из зоны вихревого потока с высокой концентрацией тяжелых соединений (CO, SO₂ и др.). После торможения в патрубке 36 и возрастания давления газ направляется в теплообмен 38, охлаждается и удаляется в атмосферу через патрубок 40. Подогретый в теплообменнике приточный воздух с избытком, превышающим в 2-3 раза и более необходимое для горения количество, направляется в горелку через патрубок 42. Горение происходит в периферийной зоне камеры 1 в виде вращающегося кольцевого факела, куда подается необходимое количество воздуха через кольцевой зазор 16. Не участвующий в горении приточный воздух поступающий через насадок 9, заполняет внутреннюю часть камеры, нагревается от тепла факела, расширяется и, раскручиваясь, вытесняет продуты сгорания к стенке камеры. Высокая скорость, разрежение горящего потока способствуют разделению газа по фракциям. Твердые несгоревшие частицы (зола, сажа, пыль), а также тяжелые вредные соединения (оксиды и диоксиды углерода, серы, азота и др.) под действием центробежных сил отделяются из потоков и прижимаются к стенке камеры 1, откуда удаляются через отверстие 35. Степень очистки газа регулируется заслонкой 37. Приточный воздух проходит три ступени подогрева: поверхностный в теплообменнике 38, лучевой в камере 1 и контактный при смешении с газом в камерах 1, 7 и диффузоре 8. Смесь подогретого воздуха с безвредным, очищенным в сепараторе 34 газом выдается через патрубок 8.

Высокотемпературные горелки с тепловым разделением продуктов сгорания снабжены турбоагрегатом 43, включающим турбину 44 с валом отбора мощности 49 и вентилятор 50 для отвода низкотемпературного "холодного" газа с последующим более полным его охлаждением и возвратом тепла в горелку 1 (пункт 5 формулы). Относительно холодный газ из центральной зоны вихря через кольцевой канал 47 вентилятором 50 и патрубок 55 направляется в теплообменник 38, охлаждается и удаляется в атмосферу через патрубок 40. Подогретый в теплообменнике окислитель, например кислород, через патрубок 42 направляется в горелку 1. Горячий газ выдается через патрубок 8. Температурный режим регулируется газовой заслонкой 54.

Многофункциональный струйно-вихревой нагнетатель предназначен в основном для работы в котельных с паровыми котлами, например, с функциями сетевого насоса и бойлера одновременно. При коэффициенте подмешивания 25-30 и полной конденсации рабочего пара температура нагреваемой воды возрастает на 20-25^oC , что остаточно для систем отопления и горячего водоснабжения. Имея турбину с гидроприводом (гидротурбину) с валом отбора мощности 49, нагнетатель может осуществлять привод других машин, например генератора тока, обеспечивающего котельную электроэнергией.

Котельные с котлами малой и средней мощности, например теплогенератор "Рязань-2" по патенту 2088856 или "Рязань-3", оснащенные описываемым нагнетателем, могут выдавать перегретый пар, горячую воду и электроэнергию, а потреблять только топливо, воздух и холодную воду.

Источники информации 1. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

2. Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергия, 1968.

3. Иссерман А.С. Газовые горелки. - М.: Недра, 1973.

4. Черкасский В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. - М.: Энергия, 1973.

5. Угинчус А.А. Гидравлика и гидравлические машины. - Харьков, 1966.

6. Патент РФ 1675589, 07.09.1991.

Формула изобретения

1. Нагнетатель, содержащий вихревую камеру с тангенциально прикрепленным к ней соплом с патрубком подвода активной среды, боковину с отверстием, закрепленную на вихревой камере, днище, спиральную камеру с напорным, например, диффузорным патрубком, закрепленным между вихревой камерой и днищем, всасывающий, например, конфузорный, патрубок и соосно размещенный в вихревой камере насадок пассивной среды, включающий конический и входной участки и удлинитель, например, цилиндрический, отличающийся тем, что он содержит дроссельный клапан, смотровой люк, газовый патрубок и распределитель потока пассивной среды с прикрепленным к боковине завихрителем, при этом конический участок насадка пассивной среды совмещен с отверстием в боковине с образованием кольцевого зазора, входной участок насадка пассивной среды прикреплен к ходовому винту с опорной гайкой с образованием торцевого зазора между входным участком насадка пассивной среды и опорной гайкой, прикрепленной к завихрителю, всасывающий патрубок прикреплен тангенциально к завихрителю, дроссельный клапан включает входной патрубок, подключенный, например, к патрубку подвода активной среды, и выходной патрубок, подключенный к всасывающему патрубку, смотровой люк закреплен на боковине, а газовый патрубок прикреплен к днищу соосно оси вращения вихревого потока.

2. Нагнетатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен пусковым устройством, содержащим размещенное в напорном патрубке отверстие-седло с патрубком сброса среды, прикрепленным к напорному патрубку и подключенным, например, к всасывающему патрубку, и плоскую пружину-клапан с ограничителем подъема клапана, например, лепестковым, закрепленным в напорном патрубке и совмещенным с отверстием в положении "нормально открыто".

3. Нагнетатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен испарителем жидкого топлива, содержащим закрепленный на вихревой камере резервуар с патрубком подвода жидкого топлива и патрубком отвода газообразного топлива (парообразного), а последний подключен к патрубку подвода активной среды.

4. Нагнетатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что он снабжен сепаратором газа, содержащим выполненное в вихревой камере одно, например, щелевидное или несколько отверстий, патрубок удаления газа с заслонкой, прикрепленной к вихревой камере, и теплообменник, например, поверхностного типа с патрубками входа газа, подключенным к патрубку удаления газа, выхода газа, входа и выхода окислителя, при этом последний подключен к всасывающему патрубку.

5. Нагнетатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что он снабжен турбоагрегатом, содержащим турбину, включающую вентилятор, колесо турбины, размещенное в вихревой камере и закрепленное на валу, введенном в вихревую камеру через газовый патрубок с образованием кольцевого канала между патрубком и валом с концом вала отбора мощности, при этом вал установлен в подшипниковой опоре, прикрепленной к днищу, а вентилятор размещен между днищем и подшипниковой опорой и включает закрепленное на валу колесо вентилятора, например, центробежное с закрытыми лопатками, с входным отверстием, совмещенным с газовым патрубком и прикрепленным к днищу спиральным кожухом с газовой заслонкой и патрубком отвода "холодного" газа, подключенным, например, к патрубку входа газа теплообменника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2