Струйный подогреватель воды
Подогреватель предназначен для нагревания текущего потока воды паром или пароводяной смесью, вводимыми в поток воды, и содержит активное сопло, приемную камеру, тонкостенный полый насадок с острой кромкой и боковым параболическим вырезом, установленный в приемной камере концентрично соплу, охватывая его. Боковой вырез выполнен со стороны подвода пара, а острая кромка насадка - со стороны отвода нагретой воды. Технический результат - уменьшение пульсаций давления нагретого потока воды и снижение вибрационных эффектов. 1 ил.
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к струйным пароводяным подогревателям воды, используемым в системах теплоснабжения, горячего водоснабжения и водоподготовки.
Для нагревания текущего потока воды паром известен струйный подогреватель воды, описанный в книге Соколова Е.Я. и Зингера Н.М. «Струйные аппараты», изд. 2-е, М., «Энергия», 1970 г., стр.251-270. Работа подогревателя основана на явлении эжекции затопленной струей воды греющего пара, который при конденсации нагревает воду. Подогреватель состоит из водяного сужающегося сопла, приемной камеры, камеры смешения и диффузора.
Данный струйный подогреватель воды имеет ограничение по применению, т.к. при повышенных расходах пара в водяной магистрали формируется двухфазная структура течения с размерами паровых включений, близкими к размерам трубы, вызывающими ударно-вибрационное воздействие на трубопроводные системы, что недопустимо.
Известен другой, наиболее близкий к изобретению по технической сущности и достигаемому результату струйный подогреватель жидкости по патенту RU № 2258839 С1, МПК 7 F04F 5/04, приоритет 10.02.2004 г., опубл. в бюл. № 23 20.08.2005 г., принятый за прототип.
Взятое за прототип устройство содержит активное сопло, в котором осуществляется разгон нагреваемой воды с понижением давления, приемную камеру (в виде тройника с патрубками подвода и отвода нагреваемой и нагретой воды и патрубком подвода пара), в которой формируется зона разрежения, камеру предварительного смешения пара с нагреваемой водой, соединенную трубопроводом через вентиль с входной частью активного сопла. Для снижения вибрационных эффектов конструкция камеры предварительного смешения обеспечивает разбиение подаваемой в нее по трубопроводу нагреваемой воды в дисперсный поток с помощью струйных форсунок и интенсивное смешение ее с потоком пара с помощью генератора вихря, выполненного в виде коллектора с соплами.
Достоинством известного подогревателя является возможность расширения диапазонов расходов пара, воды, диаметров трубопроводов, при которых может быть оно использовано для нагревания воды, поскольку позволяет перейти от крупномасштабной двухфазной структуры течения среды в подогревателе к мелкомасштабной и приблизить зону разрежения в потоке, созданную соплом к точке подвода пара.
Однако несимметричный подвод пара в прототипе приводит к поперечному обтеканию наружной боковой поверхности активного сопла потоком пара (пароводяной смеси) с образованием вихрей в приемной камере. Это сопровождается пульсациями давления среды и вибрациями корпуса подогревателя. Частота и амплитуда этих пульсаций при обтекании тела конечной ширины (в данном случае - сопла), как известно, определяются скоростью среды, поперечными размерами тела и могут достигать значений, недопустимых для нормальной эксплуатации тепловых систем. При использовании в качестве приемной камеры штампованных тройников стандартных типоразмеров или при наличии на выходе из приемной камеры конструктивных выступов, наблюдается усиление негативных эффектов в связи с неоптимальным в этом случае соотношением поперечных размеров сопла (которые определяются расчетом из условия создания необходимого разрежения) и внутреннего диаметра приемной камеры (который определен рядом типовых размеров тройников).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение пульсаций давления нагретого потока воды и снижение при этом вибрационных эффектов.
Указанная задача решается за счет того, что струйный подогреватель воды, содержащий приемную камеру в виде тройника с патрубками подвода нагреваемой воды, отвода нагретой воды, подвода греющего пара и активное сопло, установленное в приемной камере на патрубке подвода нагреваемой воды, дополнительно снабжен тонкостенным полым насадком цилиндрической или конической формы, установленным с радиальным зазором внутри приемной камеры концентрично активному соплу, охватывая его, при этом в насадке выполнен параболический боковой вырез со стороны патрубка подвода греющего пара, а со стороны патрубка отвода нагретой воды в насадке образована острая кромка.
На чертеже схематично изображен предлагаемый струйный подогреватель воды.
Струйный подогреватель воды содержит приемную камеру 1, активное сопло 2, насадок 3. Приемная камера выполнена в виде тройника и имеет соосно установленные патрубок 4 для подвода нагреваемой воды и патрубок 5 для отвода нагретой воды, а также патрубок 6 для подвода греющего пара под некоторым углом, преимущественно 90°, к осям вышеуказанных водяных патрубков и сопла. Активное сопло, например конфузорного типа, установлено внутри приемной камеры и крепится на патрубке подвода нагреваемой воды. Насадок выполнен в виде тонкостенной трубы, преимущественно цилиндрической или конической формы, и установлен внутри приемной камеры концентрично активному соплу и охватывает его в пределах длины сопла с образованием кольцевого радиального зазора 7, образованного между наружной поверхностью насадка и приемной камерой, и радиального зазора 8 - между наружной поверхностью сопла и внутренней поверхностью насадка. На боковой поверхности насадка со стороны, обращенной к патрубку подвода греющего пара, выполнен криволинейный вырез 9, преимущественно параболической формы. Такая форма обеспечивает наиболее равномерное распределение подводимого пара в зону разрежения. Со стороны патрубка отвода нагретой воды в насадке образована острая кромка 10. Насадок может быть закреплен как к соплу, так и к приемной камере, например, сваркой. Длина насадка выбирается конструктивно: насадок может охватывать сопло полностью по всей длине либо частично, а также длина насадка может превышать длину сопла - это влияет лишь на его эффективность. Форма насадка и диаметр его выходного сечения выбираются расчетным путем из условия дозвуковых режимов течения пара, а при наличии выступов на выходе из приемной камеры или в ней (на чертеже для примера условно показан выступ 11 диффузорной формы) - диаметр насадка определяется диаметром выступа. Площадь параболического выреза выбирается равной или большей площади проходного сечения патрубка подвода греющего пара.
Работа подогревателя осуществляется следующим образом. Вода под давлением поступает на вход в активное сопло. В активном сопле происходит снижение статического давления вследствие разгона воды, и на выходе из него формируется зона разрежения воды с давлением меньшим, чем давление пара. Пар (пароводяную смесь) подают через патрубок 6 в приемную камеру. Поступающий в приемную камеру поток пара разделяется насадком на два: первый поток 12, проходя через боковой вырез 9 и обтекая наружную поверхность активного сопла, поступает внутри насадка и далее в зону разрежения. Второй поток 13 обтекает наружную поверхность насадка, попадает в кольцевой зазор 7 и, двигаясь вдоль стенки приемной камеры, поступает также в зону разрежения, попутно гася возвратные пристеночные течения в приемной камере и на выходе из нее. В результате интенсивной конденсации пара на водяной струе происходит нагревание воды. Эффект введения насадка состоит в том, что насадок разделяет область пульсаций (образующуюся вниз по потоку пара при обтекании сопла вследствие отрыва частиц от его поверхности) на две подобласти (условно отмечены на чертеже радиальными зазорами 8 и 13) с помощью твердой непроницаемой поверхности насадка. Это позволяет уменьшить колебания давления среды в следе за боковой поверхностью сопла, т.к. изменяется протяженность вихревой зоны, а также изменять частоту пульсаций, которая, как известно, обратно пропорциональна ширине обтекаемого препятствия. Полезным является также и то, что при делении зоны отрыва насадок обеспечивает более равномерное распределение по периметру подачи пара в зону разрежения, т.к. на это уже не влияют паразитные вихревые отрывные течения в приемной камере в области следа за боковой наружной поверхностью активного сопла или отрывные течения перед выступом.
Признаками изобретения являются:
- активное сопло, установленное на патрубке подвода нагреваемой воды;
- приемная камера в виде тройника с патрубками подвода нагреваемой воды, отвода нагретой воды и подвода греющего пара;
- тонкостенный полый насадок цилиндрической или конической формы;
- насадок установлен внутри приемной камеры с радиальным зазором концентрично активному соплу, охватывая его;
- в насадке выполнен параболический боковой вырез со стороны патрубка подвода греющего пара;
- в насадке образована острая кромка со стороны патрубка отвода нагретой воды.
Признаки: «активное сопло, установленное на патрубке подвода нагреваемой воды; приемная камера в виде тройника с патрубками подвода нагреваемой воды, отвода нагретой воды и подвода греющего пара» - общие, остальные - отличительные.
Таким образом, предлагаемый струйный подогреватель воды обладает изобретательским уровнем, так как совокупность признаков данного технического решения обуславливает новое свойство, дающее требуемый технический эффект: обеспечивает уменьшение пульсаций давления потока воды и снижение вибрационных эффектов корпуса подогревателя и подводящих трубопроводов при несимметричном боковом подводе пара или пароводяной смеси с реализацией поперечного обтекания греющим паром наружной поверхности активного сопла, а также при наличии выступов на выходе из приемной камеры.
Струйный подогреватель воды, содержащий приемную камеру в виде тройника с патрубками подвода нагреваемой воды, подвода греющего пара, отвода нагретой воды и активное сопло, установленное в приемной камере на патрубке подвода нагреваемой воды, отличающийся тем, что он снабжен тонкостенным полым насадком преимущественно цилиндрической или конической формы, установленным с радиальным зазором внутри приемной камеры концентрично активному соплу, охватывая его, при этом в насадке выполнен параболический боковой вырез со стороны патрубка подвода греющего пара, а со стороны патрубка отвода нагретой воды в насадке образована острая кромка.
