Установка для контактного нагрева воды паром

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности, может быть использовано для нагрева воды отопительных тепловых сетей или воды сетей горячего водоснабжения и тому подобное при помощи пара за счет прямого контакта воды с паром. Цель изобретения - обеспечение возможности безгидроударного нагрева воды за счет прямого контакта ее с паром в широком диапазоне изменения расхода воды и степени ее нагрева путем параллельной подачи исходной воды в две ступени аппарата с последующей подачей нагретой в первой ступени воды во вторую и перемешивания потоков нагретой и исходной воды. Установка для контактного нагрева воды паром содержит корпус в виде обечайки с тангенциальным патрубком или несколькими патрубками подвода нагреваемой воды, верхнюю торцевую крышку, на которой имеется патрубок подвода пара, нижнюю торцевую крышку или конусную воронку, патрубок отвода нагретой воды, присоединенный по центру нижней крышки или к нижней части воронки. Патрубок отвода нагретой воды присоединен к аппарату второй ступени, содержащему корпус в виде обечайки с тангенциальными патрубками подвода нагреваемой воды и отвода нагретой воды, верхней и нижней торцевыми крышками, патрубком в центре верхней крышки, причем патрубок отвода нагретой воды из первого аппарата присоединен к патрубку, установленному на центральной части торцевой крышки второго аппарата, а подводящие тангенциальные патрубки нагреваемой (исходной) воды обоих аппаратов присоединены к подводящему трубопроводу нагреваемой (исходной) воды. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для нагрева воды отопительных тепловых сетей или воды сетей горячего водоснабжения и тому подобное при помощи пара, за счет прямого контакта воды с паром.

Известны и нашли применение струйные паровые водонагреватели, в которых нагрев воды происходит при непосредственном контакте ее с паром. Пар, выходящий из сопла, достигает звуковой скорости, эжектирует воду, смешивается с водой, образуя гомогенную двухфазную смесь. Затем пар конденсируется.

Таков аппарат, называемый "Транссоник" (см. патент России №2016261). Недостатком этого аппарата является недостаточная глубина регулирования нагрузок по расходу пара и воды. Гидроудары при незначительном отклонении от заданного режима. Например, нагревать воду паром в системе отопления или горячего водоснабжения можно только в очень узком диапазоне нагрузок. Он имеет недостаточно большую производительность, поэтому на одну систему отопления приходится ставить несколько аппаратов.

Более эффективными являются центробежно-вихревые паровые водонагреватели. Таковыми паровыми водонагревателями являются центробежно-вихревые деаэраторы. Например, деаэратор (авторское свидетельство СССР №1134842) в деаэрационной установке (патент РФ №1454781) позволял безгидроударно нагревать от 50 до 250 т/ч воды с 18 до 104°С. Деаэратор (тепломассообменник) (патент РФ №2131555) позволял безгидроударно нагревать в деаэрационной установке до 1200 т/ч воды. Аналогичной является водонагревательная часть деаэратора, защищенного патентом РФ №2151341 и «тепломассообменник» (патент РФ №2095125). Особенностью этих водонагревателей являлось то, что они работали при малом противодавлении воды на выходе из аппарата и при нагревании воды всегда до температуры насыщения при данном давлении. Всегда обеспечивалось вращение воды внутри корпуса аппарата без заполнения водой его центральной части (центральную часть корпуса занимал пар). Подача пара в центральную часть аппарата никогда не вызывала гидроударов.

Недостатком этих аппаратов является то, что при противодавлении воды в выходном патрубке (например, подогрев сетевой воды при давлении 4-7 кгс/см²) центральная часть аппарата заполняется водой и при подаче пара через патрубок, примыкающий к верхней торцевой крышке, возникают гидроудары. Гидроудары прекращаются только при нагреве воды до температуры насыщения (при давлении 5 ата - до 151,11°C), когда пар с давлением немного большим, чем давление воды в центральной части аппарата, заполнит эту центральную часть аппарата. Барботирование пара во вращающийся поток воды через отверстия в корпусе так же приводит к гидроударам, если вся центральная часть аппарата заполнена водой (когда нет границы раздела фаз).

В качестве прототипа можно выбрать верхнюю часть «Деаэратора» (см. Патент РФ №2131555) с подводом пара через верхнюю крышку.

Известный водонагреватель центробежно-вихревого типа имеет цилиндрический корпус с тангенциальными патрубками для подвода нагреваемой воды, верхнюю торцевую крышку с центральным патрубком для подвода пара, патрубок или отверстие для отвода нагретой воды, шайбу (кольцевую перегородку) внутри корпуса (установка шайбы не обязательна).

Недостатком этого аппарата является невозможность установки его на трубопроводе с повышенным давлением (более 0,4 кгс/см²), например в системе отопления или горячего водоснабжения, когда вращающийся поток воды заполняет все пространство внутри корпуса аппарата, температуру воды нужно регулировать по температурному графику, невозможность при этом нагревать воду до температуры ниже температуры насыщания пара при установившемся повышенном давлении воды в аппарате (аппарат может нагревать воду без гидроударов, но только после достижения водой температуры насыщения на выходе из аппарата, когда внутри корпуса образуется полость, заполненная паром с тем же давлением, что и вода, которая вращается внутри корпуса в виде полого цилиндра).

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности безгидроударного нагрева воды паром в широком диапазоне изменения расхода воды и степени ее нагрева.

Задача решается тем, что установка для контактного нагрева воды паром содержит аппарат, имеющий корпус в виде обечайки с тангенциальным патрубком или несколькими патрубками подвода нагреваемой воды с верхней торцевой крышкой, на которой имеется патрубок подвода пара с нижней торцевой крышкой или с конусной воронкой, патрубком отвода нагретой воды, присоединенным тангенциально корпусу, или к центру нижней крышки, или к нижней части конусной воронки. Патрубок отвода нагретой воды присоединен к аппарату второй ступени, содержащему корпус в виде обечайки с тангенциальными патрубками подвода нагреваемой воды и отвода нагретой воды, верхней и нижней торцевыми крышками, патрубком в центре верхней крышки, причем патрубок отвода нагретой воды из первого аппарата присоединен к патрубку, установленному на центральной части торцевой крышки второго аппарата, а подводящие тангенциальные патрубки исходной воды обоих аппаратов присоединены к подводящему трубопроводу нагреваемой исходной воды.

На подводящем паропроводе греющего пара установлен регулятор расхода пара, работающий по сигналу о давлении пара внутри первого аппарата или, что равноценно, по сигналу о температуре воды в выходном патрубке первого аппарата, а на трубопроводе подачи воды в первый аппарат установлен регулятор расхода воды, работающий по сигналу о температуре воды на выходе из установки.

Переходной патрубок, подводящий нагретую воду от аппарата первой ступени к аппарату второй ступени, выполнен удлиненным, заглушенным с торца и имеющим перфорации в виде отверстий круглого или иного сечения, например, в виде горизонтальных щелей и опущенным нижним концом внутрь объема аппарата второй ступени.

Устройство для перемещения потока воды с большего радиуса закрутки на меньший выполнено, например, в виде воронки, в виде лопаточного аппарата, находящегося между нижней крышкой и дополнительно установленным диском диаметром меньшим, чем диаметр корпуса, или в виде тангенциального патрубка, присоединенного одним концом к нижней части корпуса аппарата первой ступени, другим концом - к верхней крышке аппарата второй ступени.

На фиг.1 показана предлагаемая установка с продольным разрезом по оси двух аппаратов, составляющих установку.

На фиг.2 - фрагмент варианта конструкции аппарата первой ступени, в которой нижняя крышка выполнена плоской с центральным отверстием и с лопаточным устройством для перевода вращающегося потока воды с большего радиуса на радиус центрального отверстия без заполнения водой центральной части аппарата.

На фиг.3 - предлагаемая установка с вариантом конструкции аппарата второй ступени, в котором патрубок, соединяющий аппарат второй ступени с аппаратом первой ступени, выполнен удлиненным, с заглушкой на конце, имеющим перфорированную часть, погруженную вглубь корпуса аппарата второй ступени.

Установка содержит: а) аппарат первой ступени для нагрева части воды до температуры насыщения, соответствующей давлению воды в аппарате, б) аппарат второй ступени (водоводяной смесительный теплообменник), служащий для поддержания температуры общего потока воды на заданном уровне за счет смешения холодного потока воды с водой, нагретой в аппарате первой ступени до температуры насыщения. Аппарат первой ступени содержит корпус 1 с тангенциальными патрубками подвода нагреваемой воды 2 и 3, верхнюю крышку 4 с паровым парубком 5, шайбу 6 (кольцевую перегородку), конусную воронку 7, отводящий патрубок 8 нагретой воды (он же и подводящий патрубок аппарата второй ступени). Вместо конусной воронки 7 может содержать нижнюю крышку 7а с центральным отверстием, к которому присоединен патрубок 8, лопаточный аппарат 24, выше которого находится диск 23. Крышка 7а может быть выполнена сплошной, а патрубок 8 может быть присоединен тангенциально к корпусу 1 (аналогично патрубку 15 аппарата второй ступени), иметь изогнутый вид и быть подсоединенным к центральному отверстию крышки аппарата второй ступени (на чертеже не показано). Аппарат второй ступени содержит корпус 9 с тангенциальными подводящими патрубками исходной воды 10 и 11, верхнюю крышку 12 с подводящим патрубком 8 (патрубок 8 может быть выполнен удлиненным, заглушенным с торца, имеющим перфорированную часть 26, погруженную вглубь корпуса аппарата второй ступени, причем перфорации могут быть как круглого, так и другого сечения, например, в виде горизонтальных щелей), шайбу 13, нижнюю крышку 14, тангенциальный отводящий патрубок нагретой воды 15. Имеется общий трубопровод исходной воды 16 с запорно-регулирующим органом 17 (например, задвижкой) и общий трубопровод нагретой воды 18. На паропроводе 19 установлен регулирующий клапан 20, могущий работать от системы автоматического регулирования по давлению внутри корпуса 1 или по температуре в патрубке 8, а на трубопроводе 21 подачи исходной воды в аппарат первой ступени установлен регулирующий клапан 22, могущий работать в системе автоматического регулирования по температуре воды в трубопроводе 18. На фиг.2 показан вариант устройства аппарата первой ступени с иным, чем на фиг.1 устройством по перемещению вращающегося потока воды с периферии к центру, в котором имеется диск 23, нижняя крышка 25, завихривающие лопатки 24 (завихривающее устройство аналогично такому же, описанному в патенте РФ №2151341).

Работает установка следующим образом. Исходная вода по трубопроводу 16 подается в аппараты первой и второй ступени. Часть исходной воды поступает в первый аппарат по трубопроводу 21, через регулятор 22 и патрубки 2 и (или) З. Вода приобретает вращательное движение внутри корпуса. В центре корпуса давление воды ниже, а скорость вращения воды выше, чем у стенок. Пар по паропроводу 19, через клапан 20 и патрубок 5 подается в центр корпуса аппарата. В период запуска неизбежны гидроудары. Как только вода нагреется до температуры насыщения, пар занимает центральную часть аппарата, а вода вращается в виде полого цилиндра около стенок корпуса, и гидроудары прекращаются. Далее нагретая вода через конусную воронку и патрубок 8 (или через завихривающие лопатки 24 между диском 23 и нижней крышкой 25) поступает в аппарат второй ступени, внутрь корпуса 9. Вода приобретает вращательное движение и выходит через тангенциальный патрубок 15 в трубопровод 18. Аппарат обладает эжектирующим действием, поэтому в центре аппарата давление воды ниже, чем у стенок корпуса. По патрубку 8 в центр аппарата поступает вода, нагретая в аппарате 1 ступени. Потоки холодной и нагретой воды перемешиваются без гидроударов и общий поток выходит через патрубок 15 в трубопровод 18. Задвижкой 17 можно отрегулировать необходимую разность давлений для обеспечения расхода воды из аппарата 1 ступени в аппарат 2 ступени (задвижка 17 на общем трубопроводе исходной воды, служащая для обеспечения необходимой разности давлений между двумя ступенями установки, может и не понадобиться, за счет эжектирующего эффекта закрученного потока воды). Регулятор температуры 22 настраивается на заданную температуру воды в трубопроводе 18 и поддерживает ее на заданном уровне. Расход воды через установку, как правило, постоянный. Если автоматикой дается команда на увеличение температуры воды в трубопроводе 18, то клапан 22 увеличивает расход воды в аппарат 1 ступени. При постоянном расходе пара начнет снижаться температура воды в патрубке 8 и падать давление пара внутри аппарата (сокращаться объем, занимаемый паром). Регулятор 20 дает команду увеличить расход пара и восстановить давление пара внутри корпуса 1 и повысить температуру выходящей воды. При уменьшении тепловой нагрузки установки клапан 20 уменьшит расход пара. Если уменьшить расход воды через установку, то начнет увеличиваться температура воды в трубопроводе 18 и регулятор 22 уменьшит расход воды через аппарат первой ступени, а регулятор 20 уменьшит расход пара и наоборот. Номинальную производительность аппарата по расходу воды можно изменять закрытием или открытием по одному из патрубков 2, 3 и 10, 11 (При изготовлении аппаратов с тремя подводящими тангенциальными патрубками номинальный расход воды может меняться на одну или две трети).

Выполнение установки двухступенчатой с подводом воды от трубопровода исходной воды к обеим ступеням установки, подводом пара к аппарату первой ступени, а отвода общего потока нагреваемой воды от аппарата второй ступени позволяет иметь в аппарате первой ступени вращающуюся вертикальную границу раздела фаз, что позволяет безгидроударно нагревать воду на выходе из этой ступени до температуры насыщения пара, а в аппарате второй ступени смешивать безгидроударно потоки холодной и горячей воды с доведением температуры общего потока до расчетной величины.

Выполнение системы регулирования работы установки таким образом, что регулятор расхода пара регулирует подачу пара по давлению в первом аппарате, а регулятор расхода воды на первый аппарат регулирует температуру общего потока воды после аппарата, путем косвенного воздействия на регулятор подачи пара, позволяет вести безгидроударный нагрев воды паром в широком диапазоне нагрузок, как по температуре, так и по расходу воды.

Выполнение переходного патрубка, подводящего нагретую воду от аппарата первой ступени к аппарату второй ступени удлиненным и опущенным внутрь аппарата второй ступени и имеющим перфорации, позволяет исключить гидроудары при переходных режимах. Например, когда клапан 22 уменьшит расход воды, то временно (на период настройки автоматики) может повыситься давление пара внутри аппарата первой ступени и пар вместе с водой может неорганизованно попасть в аппарат второй ступени. Перфорации обеспечат проход пара через них только с перегретой водой, равномерно по большой площади и исключат гидроудары.

Выполнение устройства для перемещения вращающегося потока воды с большего радиуса закрутки на меньший в виде лопаточного аппарата, конусной воронки или в виде тангенциального патрубка, присоединенного одним концом к корпусу 1, а вторым концом к центру крышки 12, позволяет уменьшить толщину слоя вращающегося внутри корпуса 1 потока воды и освободить место для пара.

1. Установка для контактного нагрева воды паром содержит аппарат, имеющий корпус в виде обечайки с тангенциальным патрубком или несколькими патрубками подвода нагреваемой воды с верхней торцевой крышкой, на которой имеется патрубок подвода пара с нижней торцевой крышкой или с конусной воронкой, патрубком отвода нагретой воды, присоединенным тангенциально корпусу, или к центру нижней крышки, или к нижней части конусной воронки, отличающаяся тем, что патрубок отвода нагретой воды присоединен к аппарату второй ступени, содержащему корпус в виде обечайки с тангенциальными патрубками подвода нагреваемой воды и отвода нагретой воды, верхней и нижней торцевыми крышками, патрубком в центре верхней крышки, причем патрубок отвода нагретой воды из первого аппарата присоединен к патрубку, установленному на центральной части торцевой крышки второго аппарата, а подводящие тангенциальные патрубки исходной воды обоих аппаратов присоединены к подводящему трубопроводу нагреваемой исходной воды.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на подводящем паропроводе греющего пара установлен регулятор расхода пара, работающий по сигналу о давлении пара внутри первого аппарата или, что равноценно, по сигналу о температуре воды в выходном патрубке первого аппарата, а на трубопроводе подачи воды в первый аппарат установлен регулятор расхода воды, работающий по сигналу о температуре воды на выходе из установки.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что переходной патрубок, подводящий нагретую воду от аппарата первой ступени к аппарату второй ступени, выполнен удлиненным, заглушенным с торца и имеющим перфорации в виде отверстий круглого или иного сечения, например, в виде горизонтальных щелей, и опущенным нижним концом внутрь объема аппарата второй ступени.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство для перемещения потока воды с большего радиуса закрутки на меньший выполнено, например, в виде воронки, в виде лопаточного аппарата, находящегося между нижней крышкой и дополнительно установленным диском диаметром, меньшим, чем диаметр корпуса, или в виде тангенциального патрубка, присоединенного одним концом к нижней части корпуса аппарата первой ступени, другим концом - к верхней крышке аппарата второй ступени.