Устройство для нагревания жидкости и парогенератор

 

Изобретение предназначено для нагревания жидкости и(или) производства пара для бытовых и производственных нужд и может быть использовано в системах отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и в технологическом оборудовании. Для расширения функциональных возможностей и области применения устройство для нагревания жидкости, содержащее образующие замкнутый циркуляционный контур рабочий насос, вихревой теплогенератор и теплообменник, оснащено заполненным жидкостью побудителем давления, который соединен гидравлически с замкнутым циркуляционным контуром. Для выполнения функции парогенератора устройство оснащено регенератором, одна сторона которого включена в замкнутый циркуляционный контур на участке между теплогенератором и теплообменником, а другая сторона соединена гидравлически через редукционный вентиль с теплогенератором и побудителем расхода жидкости, который связан термодинамически с теплообменником и соединен гидравлически с замкнутым циркуляционным контуром. Использование изобретения позволяет получать более высокий температурный потенциал жидкого теплоносителя. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение предназначено для нагревания жидкости и (или) производства пара для бытовых и производственных нужд и может быть использовано в системах отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и в технологическом оборудовании по производству сельскохозяйственной и промышленной продукции.

Для нагревания воды и производства пара для бытовых и производственных нужд известны системы теплоснабжения, содержащие котельную установку и тепловую трассу, связывающую котельную установку с потребителями тепла и пара. К недостаткам таких систем относятся: - сравнительно невысокий кпд, требующий повышенного расхода топлива: - нерациональное использование тепловой энергии высокого температурного потенциала при сжигании топлива для нагревания низкотемпературного теплоносителя, что снижает надежность работы котельной установки и требует применения специальных жаропрочных материалов: - существенные потери тепловой энергии в тепловой трассе из-за большой разности температур подающей и обратной магистралей и грунта на глубине прокладки этих магистралей или воздуха при наружной прокладке тепловой трассы; - большие капитальные и эксплуатационные затраты на содержание тепловой трассы.

Более высокий кпд котельной установки и рациональное использование тепловой энергии высокого температурного потенциала имеют системы теплоснабжения, содержащие теплоэлектроцентраль и тепловую трассу [1, стр. 323-325].

Такие системы снабжают потребителей паром и водой в более широком диапазоне температур и давлений. Для технологических нужд используется насыщенный пар с давлением от 250 до 2000-3000 кПа (от 2,5 до 20-30 кг/см²), а для отопления насыщенный пар с давлением 150-260 кПа (1,5-2,6 кг/см²) или горячая вода с температурой до 180^oС.

Однако такие системы имеют более высокие потери тепловой энергии. капитальные и эксплуатационные затраты из-за большей протяженности тепловых трасс и более низкий кпд теплосиловой установки теплоэлектроцентрали (15-20% [2, стр. 93]) по сравнению с конденсаторной теплосиловой установкой электростанции (33% [1. стр. 307-308, рис.11, 17]).

Известны устройства для нагревания жидкости для бытовых нужд, имеющие более высокую эффективность преобразования электрической энергии в тепловую по сравнению с электронагревателями и содержащие образующие замкнутый циркуляционный контур рабочий насос, вихревой теплогенератор и теплообменник [патент 2045715, патент 2132517].

В качестве потребителя тепла в таких устройствах могут быть использованы радиаторы системы отопления, калориферы системы вентиляции или теплообменник системы горячего водоснабжения [3, стр. 18 (прототип)].

Благодаря малым габаритным размерам эти устройства размещены непосредственно в здании, что исключает необходимость в размещении снаружи тепловой трассы. Это позволяет исключить потери тепла в наружную среду, а также капитальные и эксплуатационные затраты на содержание тепловой трассы. Кроме того, эти устройства имеют высокую надежность работы в связи с отсутствием в вихревом теплогенераторе движущихся и трущихся деталей и существенно более низким, по сравнению с продуктами сгорания топлива, температурами жидкого теплоносителя.

Однако эти устройства имеют ограниченные функциональные возможности и область применения. Это обусловлено относительно низкой температурой жидкого теплоносителя и отсутствием возможности производства пара.

Относительно низкая температура жидкого теплоносителя объясняется тем, что в устройстве жидкость может быть нагрета только до температуры насыщения, которая ограничивается давлением жидкости в замкнутом циркуляционном контуре. Отсутствие возможности производства пара объясняется тем, что при парообразовании в работе насоса и вихревого теплогенератора наступает критический режим, при котором расходные характеристики насоса резко ухудшаются и в теплогенераторе практически приостанавливается преобразование энергии движения потока воды в тепловую энергию.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и областей применения устройства.

Для этого известное устройство для нагревания жидкости, содержащее образующие замкнутый циркуляционный контур рабочий насос, вихревой теплогенератор и теплообменник, оснащено заполненным жидкостью побудителем давления, который соединен гидравлически с замкнутым циркуляционным контуром.

Побудитель давления выполнен в виде герметичной емкости, пространство над жидкостью которой заполнено нерастворимым в жидкости сжатым газом, в виде емкости, которая соединена гидравлически с входным патрубком подпиточного насоса или в виде ветви водопровода.

Для выполнения функции парогенератора известное устройство для нагревания жидкости, содержащее образующие замкнутый циркуляционный контур рабочий насос, вихревой теплогенератор и теплообменник, оснащено регенератором, одна сторона которою включена в замкнутый циркуляционный контур на участке между вихревым теплогенератором и теплообменником, а другая сторона соединена гидравлически через редукционный вентиль с выходным патрубком вихревого теплогенератора и побудителем расхода жидкости, который термодинамически связан с теплообменником и соединен гидравлически с замкнутым циркуляционным контуром.

Побудитель расхода жидкости выполнен в виде ветви водопровода, которая соединена гидравлически с другой стороной теплообменника, или в виде заполненной жидкостью емкости, которая соединена гидравлически с входным патрубком подпиточного насоса, причем теплообменник размещен в емкости.

Кроме того, парогенератор с потребителем пара образует замкнутый циркуляционный контур.

На чертежах схематично изображено устройство для нагревания жидкости и парогенератор: - на фиг.1 показано устройство с побудителем давления в виде емкости с жидкостью и сжатым газом; - на фиг.2 - в виде емкости с подпиточным насосом; - на фиг.3 - в виде ветви водопровода; - на фиг.4 - парогенератор с побудителем расхода жидкости в виде ветви водопровода; - на фиг.5 - в виде емкости с подпиточным насосом;
- на фиг. 6 и 7 - парогенератор, который с потребителем пара образует замкнутый циркуляционный контур.

Устройство содержит (фиг. 1-3) заполненный, например, водой замкнутый циркуляционный контур 1, включающий рабочий насос 2, вихревой теплогенератор 3 и, например, радиатор 4 системы отопления и побудитель 5 давления воды.

Побудитель 5 выполнен в виде емкости 6 (фиг.1), пространство над водой которой заполнено, например, сжатым воздухом из баллона 7.

Побудитель 5 давления воды можно быть выполнен в виде емкости 6 (фиг.2), которая соединена гидравлически с входным патрубком подпиточного насоса 8, или в виде ветви водопровода (фиг.3) с регулирующим вентилем 9.

Парогенератор содержит (фиг.4-7) заполненные, например, водой замкнутый циркуляционный контур 10 и циркуляционный контур 11 побудителя расхода воды. Контур 10 включает в себя рабочий насос 2, вихревой теплогенератор 3, регенератор 12 и теплообменник 13. Другая сторона регенератора 12 включена в контур 10 через редукционный вентиль 14 на участке между вихревым теплогенератором 3 и регенератором 12. Контур 11 образован (фиг.4) ветвью водопровода с регулирующим вентилем 9 и другой стороной теплообменника 13.

Побудитель расхода воды может быть выполнен также в виде емкости 6 (фиг. 5), внутри которой размещен теплообменник 13. Эта емкость соединена гидравлически с входным патрубком подпиточного насоса 8.

Циркуляционный контур 11 может быть выполнен как открытым (фиг. 4, 5) с подачей пара потребителю через паропровод 15, так и замкнутым (фиг.6, 7) с включением в замкнутый циркуляционный контур теплообменника 16, например, системы горячего водоснабжения. При этом в замкнутый циркуляционный контур 11 емкость 6 может быть как не включена (фиг.6), так и включена (фиг.7).

В качестве воды в циркуляционных контурах устройства и парогенератора может быть также использована и любая другая жидкость.

В качестве радиатора 4 и теплообменника 16 может быть использован также и любой другой потребитель тепла и пара.

В качестве сжатого воздуха в емкости 6 (фиг.1) может быть использован также и любой другой нерастворимый в жидкости сжатый газ.

В качестве редукционного вентиля 14 может быть использовано также и любое другое устройство, обеспечивающее разность давлений в контурах 10 и 11.

При включении насоса 2 энергия движения потока воды в вихревом теплогенераторе 3 преобразуется в тепловую энергию, которая нагревает воду до температуры насыщения в зависимости от давления в замкнутом циркуляционном конуре 1 (фиг. 1-3). Избыточное давление в этом контуре регулируется путем изменения давления газа в емкости 6 (фиг.1), оборотов подпиточного насоса 8 (фиг.2) или открывания и закрывания регулирующего вентиля 9 (фиг.3).

Нагретая в вихревом теплогенераторе 3 вода поступает в радиатор 4, в котором тепловая энергия передается воздуху отапливаемого помещения, а вода остывает и насосом 2 возвращается в теплогенератор 3. Затем цикл повторяется. При этом, чем выше избыточное давление в контуре, тем более высокая температура жидкости.

В парогенераторе (фиг.4-7) после вихревого теплогенератора 3 поток нагретой в нем воды раздваивается. Один поток поступает в регенератор 12, потом в теплообменник 13 и насосом 2 возвращается в вихревой теплогенератор 3. Затем цикл повторяется. При этом избыточное давление в замкнутом циркуляционном контуре 10 обеспечивается давлением воды в ветви водопровода (фиг.4) или создаваемым подпиточным насосом 8 давлением (фиг.5-7).

В контуре 11 побудителя расхода вода через регулирующий вентиль 9 (фиг. 4) поступает в теплообменник 13, предварительно подогревается и насосом 2 вместе с первым потоком воды подается в вихревой теплогенератор 3. После теплогенератора 3 второй поток нагретой до состояния насыщения воды поступает в редукционный вентиль 14. После редукционного вентиля 14 в связи с резким уменьшением давления вода разбрызгивается, кипит в регенераторе 12, превращается в пар за счет тепловой энергии, передаваемой из контура 10, и через паропровод 15 подается потребителю пара.

При выполнении побудителя расхода воды в виде емкости 6 (фиг.5) с установленным в ней теплообменником 13 и подпиточным насосом 8 предварительно подогретая теплообменником 13 вода подается подпиточным насосом 8 в контур 10. В остальном принцип работы аналогичен рассмотренному.

При выполнении циркуляционного контура 11 замкнутым (фиг.6) в теплообменнике 16 пар конденсируется, передает тепловую энергию потребителю тепла, а конденсат, минуя емкость 6, подпиточным насосом 8 возвращается в контур 10. Конденсат из теплообменника 16 может поступать и в емкость 6 (фиг.7), а из нее подпиточным насосом 8 возвращаться в контур 10. В остальном принцип работы аналогичен рассмотренному.

Положительный эффект при использовании изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и, в связи с этим, областей применения устройства, благодаря достижению жидким теплоносителем более высокого температурного потенциала и возможности производства пара как для бытовых, так и производственных нужд.

Кроме того, использование жидкого теплоносителя более высокого температурного потенциала и пара позволяет, по сравнению с прототипом, уменьшить размеры и массу теплообменных аппаратов потребителей тепловой энергии.

Источники информации
1. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин A.Е. Техническая термодинамика. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

2. Дроздов В.Ф. Санитарно-технические устройства зданий. - М.: Стройиздат, 1980.

3. Автономная отопительная система на основе вихревого термогенератора. //Инженер. - 2001. - 3. - С. 18.

Формула изобретения

1. Устройство для нагревания жидкости, содержащее образующие замкнутый циркуляционный контур рабочий насос, вихревой теплогенератор и теплообменник, отличающееся тем, что оно оснащено заполненным жидкостью побудителем давления, который соединен гидравлически с замкнутым циркуляционным контуром.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что побудитель давления выполнен в виде герметичной емкости, пространство над жидкостью в которой заполнено не растворимым в жидкости сжатым газом.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что побудитель давления выполнен в виде емкости, которая соединена гидравлически с входным патрубком подпиточного насоса.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что побудитель давления выполнен в виде ветви водопровода.

5. Парогенератор, содержащий образующие замкнутый циркуляционный контур рабочий насос, вихревой теплогенератор и теплообменник, отличающийся тем, что он оснащен регенератором, одна сторона которого включена в замкнутый циркуляционный контур на участке между вихревым теплогенератором и теплообменником, а другая сторона соединена гидравлически через редукционный вентиль с выходным патрубком вихревого теплогенератора, и побудителем расхода жидкости, который термодинамически связан с теплообменником и соединен гидравлически с замкнутым циркуляционным контуром.

6. Парогенератор по п. 5, отличающийся тем, что побудитель расхода жидкости выполнен в виде ветви водопровода, которая соединена гидравлически с другой стороной теплообменника.

7. Парогенератор по п. 5, отличающийся тем, что побудитель расхода жидкости выполнен в виде заполненной жидкостью емкости, которая соединена гидравлически с входным патрубком подпиточного насоса, причем теплообменник размещен в емкости.

8. Парогенератор по пп. 5 и 7, отличающийся тем, что он с потребителем пара образует замкнутый циркуляционный контур.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7