Парогенерирующее устройство

 

Предназначено для получения пара в энергетических установках или фазового разделения смесей. Сущность изобретения: во входной отсек 4 цилиндрического корпуса 1 по тангенциальному патрубку 8 под напором подают нагретую рабочую жидкость, вихревой поток которой при прохождении к центру отсека вскипает. Пузырьки пара собираются в центральной части корпуса, и через центральную трубу 10 пар отводится потребителю. Из входного отсека 4 рабочая жидкость поступает в выходной отсек 5 через центральное отверстие 3 в поперечной перегородке 2, вращаясь движется от оси к периферии отсека и через диффузорный патрубок 9 отводится из цилиндрического корпуса 1. Отсеки 4 и 5 имеют форму конфузора, переходящего по ходу рабочей жидкости в диффузор 7. Изобретение позволяет уменьшить мощность для прокачки рабочей жидкости, проходящей через парогенерирующее устройство. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

Заявляемое изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к парогенерирующим устройствам, используемым в энергетических установках для получения пара, которые также могут быть использованы для фазового разделения смесей.

Известно парогенерирующее устройство, содержащее цилиндрический корпус, разделенный поперечной перегородкой с центральным отверстием на входной и выходной отсеки, снабженный тангенциальными патрубками соответственно для подвода и отвода рабочей жидкости и центральной трубой для отвода пара. Диаметр центральной трубы для отвода пара в известном устройстве меньше центрального отверстия поперечной перегородки (а.с. N 411269, кл. F 22 B 29/08, 1972) Рабочую жидкость, предварительно нагретую в теплообменнике до температуры ниже температуры насыщения, под напором подают через тангенциальный патрубок во входной отсек. При прохождении рабочей жидкости к центру отсека наступает такой момент, когда давление в ней становится равным давлению насыщения при данной температуре. При дальнейшем движении жидкость стремится пройти в центр отверстия поперечной перегородки. При этом уменьшается радиус закрутки и увеличивается скорость рабочей жидкости (закон сохранения момента количества движения). Давление рабочей жидкости становится меньшим давления насыщения при данной температуре, и жидкость вскипает.

Пузырьки пара собираются в центральной части отсека, и пар через центральную трубу поступает потребителю.

Из входного отсека рабочая жидкость поступает в выходной отсек.

Недостатком известного парогенерирующего устройства является пониженное качество пара, отводимого потребителю. Это объясняется выносом капель жидкости и твердых частиц вдоль стенок корпуса паром вследствие потери окружной скорости каплями жидкости и твердыми частицами на плоских стенках отсеков.

Плоскостенная конструкция отсеков является причиной другого существенного недостатка известного устройства, который заключается в значительных энергозатратах на нагнетание рабочей жидкости вследствие потери давления в отсеках из-за большого положительного градиента давления по радиусу и недостаточного радиального скоростного напора.

Частично указанные недостатки устранены в известном парогенерирующем устройстве, содержащем цилиндрический корпус, разделенный поперечной перегородкой с центральным отверстием на входной и выходной отсеки. На боковой цилиндрической стенке корпуса закреплены тангенциальные патрубки для подвода и отвода рабочей жидкости. На торцевых стенках корпуса установлены центральные трубы для отвода пара. Входной отсек корпуса в известном устройстве имеет форму конфузора, переходящего по ходу рабочей жидкости в диффузор.

Выходной отсек выполнен плоскостенным. Диаметр центральной трубы для отвода пара меньше диаметра центрального отверстия перегородки (патент РФ N 2045700, кл. F 22 B 29/08, 1995).

Благодаря криволинейному профилю входного отсека это устройство обеспечивает удержание капель влаги и твердых частиц, попавших на стенки отсека, в кипящем объеме. Выполненный в виде конфузора, переходящего по ходу рабочей жидкости в диффузор, входной отсек обеспечивает максимальное количество генерируемого пара вследствие радиального увеличения зеркала испарения, увеличения скорости жидкости при уменьшении проходного сечения входного отсека и дополнительного падения давления вследствие его расширения.

Однако известное парогенерирующее устройство требует повышенных энергозатрат на прокачку рабочей жидкости из-за недостаточного повышения давления жидкости при прохождении неиспарившегося вращающегося ее остатка через плоскостенный выходной отсек.

Здесь возможен отрыв потока жидкости от стенок из-за большого положительного градиента давления по радиусу и недостаточного радиального скоростного напора. Это отражается на качестве получаемого пара.

Для сокращения энергозатрат и дальнейшего повышения качества пара в известном парогенерирующем устройстве, содержащем цилиндрический корпус, разделенный поперечной перегородкой с центральным отверстием на входной и выходной отсеки, снабженный тангенциальными патрубками соответственно для подвода и отвода рабочей жидкости и центральной трубой для отвода пара, установленной на одной из торцевых стенок, в котором входной отсек имеет форму конфузора, переходящего по ходу рабочей жидкости в диффузор, а диаметр центральной трубы для отвода пара меньше диаметра центрального отверстия поперечной перегородки, согласно изобретению, выходной отсек имеет форму конфузора, переходящего по ходу рабочей жидкости в диффузор.

Новым является также то, что тангенциальные патрубки для подвода и отвода рабочей жидкости выполнены в форме соответственно конфузора и диффузора, при этом конусность конфузора составляет не менее 20^o, а конусность диффузора - не более 15^o.

Кроме того, центральная труба для отвода пара установлена со стороны входного отсека так, что ее нижний конец выступает внутрь входного отсека на расстояние не менее 0,2 ее диаметра, а внутренняя кромка выступающего конца имеет радиус округления не менее 0,2 ее диаметра.

Центральная труба для отвода пара установлена со стороны выходного отсека и ее внутренняя кромка на выходе из отсека имеет радиус округления не менее 0,2 ее диаметра, при этом диаметр центрального отверстия составляет не менее 1,05 диаметра центральной трубы. Это позволяет уменьшить диаметр корпуса при данной производительности.

Кромки центрального отверстия поперечной перегородки имеют радиус округления не менее 0,2 его диаметра.

На фиг. 1 приведен общий вид парогенерирующего устройства с центральной трубой, установленной со стороны входного отсека; на фиг. 2 - общий вид парогенерирующего устройства с центральной трубой, установленной со стороны выходного отсека; на фиг. 3 - разрез А-А фиг. 1.

Парогенерирующее устройство содержит цилиндрический корпус 1, разделенный поперечной перегородкой 2 с центральным отверстием 3 на входной отсек 4 и выходной отсек 5.

Отсеки 4 и 5 имеют форму конфузоров 6, переходящих по ходу рабочей жидкости в диффузоры 7.

Входной отсек 4 снабжен тангенциальным патрубком 8 для подвода рабочей жидкости (фиг. 3), который имеет форму конфузора, конусность которого составляет не менее 20^o. Выходной отсек 5 снабжен тангенциальным патрубком 9 для отвода рабочей жидкости, который имеет форму диффузора, конусность которого составляет не более 15^o.

Устройство снабжено центральной трубой 10 для отвода пара, установленной на одной из торцевых стенок цилиндрического корпуса 1, диаметр которой меньше диаметра центрального отверстия 3 поперечной перегородки 2.

В случае, когда центральная труба 10 установлена на торцевой стенке 11 со стороны входного отсека 4 (фиг. 1), ее нижний конец выступает внутрь отсека на расстояние 0,2 ее диаметра. Внутренняя кромка, выступающего конца трубы 10, имеет радиус скругления не менее 0,2 ее диаметра.

Если центральная труба установлена со стороны выходного отсека 5 (фиг. 2), то в этом случае диаметр центрального отверстия может быть предельно уменьшен до 1,05 диаметра центральной трубы.

Кромки центрального отверстия 3 имеют радиус скругления не менее 0,2 его диаметра.

Устройство работает следующим образом.

Жидкость, нагретую до температуры ниже насыщения при заданном давлении подают по тангенциальному конфузорному патрубку 8 во входной отсек 4 корпуса 1. Разогнавшийся в патрубке 8 вихревой поток жидкости стремится через центральное отверстие 3 в поперечной перегородке 2 попасть в выходной отсек 5 корпуса 1. При прохождении жидкости через конфузорный участок 6 отсека 4 радиус вращения жидкости уменьшается. При этом возрастает тангенциальная составляющая скорости (закон сохранения количества движения) и радиальная ее составляющая (закон неразрывности), а давление падает (закон Бернулли). Вследствие этого скорость жидкости возрастает.

На определенном радиусе закрутки давление во входном отсеке 4 становится равным давлению насыщения при данной температуре, а на меньших радиусах - меньше давления насыщения, и жидкость вскипает. На конфузорном участке 6 входного отсека 4 обеспечивается максимальное количество генерируемого пара в результате увеличения скорости жидкости только из-за уменьшения проходного сечения входного отсека 4. Под действием возникшего в результате вращения жидкости градиента давления по радиусу, пузырьки пара выталкиваются к оси корпуса и собираются в осевой зоне, из которой пар отводится по центральной трубе 10 потребителю.

При прохождении парожидкостной среды через диффузорный выходной участок входного отсека 4 происходит дополнительное падение давления вследствие сильного увеличения тангенциальной составляющей скорости. Снижается влажность пара в результате исключения выноса капель жидкости вдоль торцевых стенок входного отсека 4.

Неиспарившийся вращающийся остаток жидкости через центральное отверстие 3 в поперечной перегородке попадает в выходной отсек 5 корпуса, где вращаясь, движется от оси последнего к периферии.

При прохождении через конфузорный участок 6 с увеличением радиуса вращения жидкости тангенциальная составляющая скорости уменьшается, а радиальная возрастает и приближается к тангенциальной или превышает ее. Таким образом, скорость рабочей жидкости не уменьшается или увеличивается, а давление, соответственно, не возрастает или уменьшается. Отсутствие положительного градиента давления ведет к получению равномерного профиля скорости на входе в диффузорный участок 7 отсека 5. Высокое значение радиальной составляющей скорости на выходе из конфузорного участка 6 обеспечивает эффективное повышение давления при переходе жидкости на диффузорный участок 7 отсека 5.

Таким образом, уже на конфузорном участке 6 устраняется причина для возникновения отрыва потока от стенок. Это устраняет выброс жидкости в поток пара и повышает чистоту последнего.

При прохождении через диффузорный участок 7 вследствие расширения потока происходит уменьшение радиальной и тангенциальной составляющих скорости, при этом скорость жидкости уменьшается, а давление восстанавливается, и при выходе жидкости из выходного отсека 5 через диффузорный патрубок 9 давление еще больше повышается.

Высокое значение радиальной составляющей скорости и равномерность профиля скорости на входе в диффузорный участок 7 обеспечивают эффективное восстановление давления в выходном отсеке 5.

Из парогенерирующего устройства пар по центральной трубе 10 отводится потребителю.

Как следует из формулы изобретения в предлагаемом парогенерирующем устройстве возможны два варианта отвода пара потребителю: со стороны входного отсека 4 (фиг. 1) и со стороны выходного отсека 5 (фиг. 2).

В первом варианте благодаря выполнению центрального отверстия 3 с диаметром, большим, чем диаметр центральной трубы 10 для отвода пара, предотвращается попадание рабочей жидкости в последнюю. А вступающий в отсек 4 ее нижний конец задерживает оторвавшиеся от поверхности раздела "жидкость-пар" капли.

Во втором варианте диаметр центрального отверстия 3 может быть существенно уменьшен и приближен к диаметру центральной трубы 10, составляя 1,05 его величины. Эта возможность объясняется тем, что благодаря выполнению выходного отсека в виде конфузора, а затем диффузора по ходу рабочей жидкости, устраняется ее обратный ток и выброс в приосевую зону. При этом капли жидкости, попавшие из входного отсека вместе с паром в приосевую зону с нулевым градиентом давления, сохраняют свою тангенциальную скорость и под действием центробежной силы возвращаются в поток жидкости, устремленный в выходной отсек 5.

Таким образом, отвод пара со стороны выходного отсека имеет преимущество, т.к. давая возможность уменьшения диаметра центрального отверстия при том же диаметре центральной трубы и той же производительности, позволяет уменьшить диаметр корпуса 1 устройства. Это объясняется тем, что указанные диаметры связаны между собой необходимым соотношением, вытекающим из закона сохранения момента количества движения, которое определяется отношением тангенциальных скоростей в месте подвода и отвода рабочей жидкости на внешнем радиусе корпуса 1 и на радиусе центрального отверстия, а скорость на радиусе центрального отверстия определяется условием достижения давления более низкого или равного давлению насыщенных паров, чтобы обеспечить кипение.

Экономический эффект достигается за счет уменьшения мощности для прокачки рабочей жидкости, проходящей через парогенерирующее устройство вследствие: снабжения выходного отсека 5 конфузорным 6 и диффузорным 7 участками; выполнения тангенциальных патрубков 8 и 9 для подвода и отвода рабочей жидкости в форме соответственно конфузора и диффузора; выполнения внутренних кромок центральной трубы 10 и центрального отверстия 5 центральной перегородки 2 со скруглением.

Экономический эффект достигается также за счет улучшения качества пара, не требующего дополнительных затрат на очистку.

Кроме того, предлагаемое парогенерирующее устройство позволяет уменьшить диаметральные размеры корпуса при том же диаметре центральной трубы и той же производительности.

Формула изобретения

1. Парогенерирующее устройство, содержащее цилиндрический корпус, разделенный поперечной перегородкой с центральным отверстием на входной и выходной отсеки, снабженный тангенциальными патрубками соответственно для подвода и отвода рабочей жидкости и центральной трубой для отвода пара, установленной на одной из торцевых стенок, при этом входной отсек имеет форму конфузора, переходящего по ходу рабочей жидкости в диффузор, а диаметр центральной трубы для отвода пара меньше диаметра центрального отверстия поперечной перегородки, отличающееся тем, что выходной отсек имеет форму конфузора, переходящего по ходу рабочей жидкости в диффузор.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тангенциальные патрубки для подвода и отвода рабочей жидкости выполнены в форме соответственно конфузора и диффузора, при этом конусность конфузора составляет не менее 20^o, а конусность диффузора - не более 15^o.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центральная труба для отвода пара установлена со стороны входного отсека так, что ее нижний конец выступает внутрь входного отсека на расстояние не менее 0,2 ее диаметра, а внутренняя кромка выступающего конца имеет радиус скругления не менее 0,2 ее диаметра.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центральная труба для отвода пара установлена со стороны выходного отсека и ее внутренняя кромка на выходе из отсека имеет радиус скругления не менее 0,2 ее диаметра, при этом диаметр центрального отверстия составляет не менее 1,05 диаметра центральной трубы.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кромки центрального отверстия поперечной перегородки имеют радиус скругления не менее 0,2 его диаметра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3