RU2073172C1 - Способ генерации перегретого пара постоянной температуры и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Использование: в теплотехнике для получения перегретого пара заданного давления. Сущность изобретения: перегретый пар генерирует дросселированием и последующим нагреванием насыщенного пара, причем насыщенный пар получают в емкости нагреванием находящейся в нем жидкости при постоянном давлении насыщения, меньшем давления в критической точке и равном давлению до дросселирования, а нагревание сдросселированного пара осуществляют путем рекуперативного теплообмена с этой же жидкостью в этой же емкости. При работе устройства жидкость по патрубку 7 поступает в корпус 1, где нагревается с помощью нагревателя 2. Нагрев жидкости происходит при постоянном давлении. Образующийся насыщенный пар поднимается в верхнюю часть корпуса 1 и поступает в дроссель 3. Сдросселированный пар по магистрали 4 проходит в теплообменник 5, который погружен в нагреваемую в корпусе жидкость. При теплообмене сдросселированного пара с жидкостью происходит перегрев пара, и перегретый пар по магистрали 6 поступает потребителю. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в таких устройствах (в том числе и мобильных), которым для работы необходим перегретый пар заданного давления и температуры, а централизованная подача такого пара отсутствует.

Известен способ получения перегретого пара из влажного пара высокого давления путем отделения жидкости и дросселирования насыщенного пара (Бальке Г. Рационализация теплового хозяйства. М.-Л. Госнаучиздат, 1931, с. 213).

Недостатками данного способа являются необходимость в отдельном источнике пара высокого давления, нестабильность температуры перегретого пара при колебаниях параметров влажного пара высокого давления, недостаточная экономичность вследствие того, что не используется энтальпия конденсата.

Известен способ получения газообразного криоагента (Авт. свид. СССР N 581958, кл. F 17 C 9/00, 1990 г.) путем дросселирования жидкого криоагента до двухфазного состояния, разделения двухфазного потока на газообразную и жидкую фазы и теплообмена газообразного потока с криоагентом в резервуаре.

Недостатком данного способа является нестабильность параметров получаемого пара, так как температура перегретого пара определяется температурой внутри резервуара, которая будет изменяться по мере изменения давления в резервуаре.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу (прототипом) является способ получения перегретого пара из влажного пара высокого давления (Авт. свид. СССР N 561048, кл. F 22 G 1/10, 1977 г.) путем отделения жидкости от пара, дросселирования полученного насыщенного пара и перегрева сдросселированного пара за счет теплообмена с насыщенным паром высокого давления.

Недостатками данного способа являются необходимость в отдельном источнике пара высокого давления, нестабильность температуры перегретого пара при колебаниях параметров влажного пара высокого давления, недостаточная экономичность вследствие того, что не используется энтальпия конденсата.

Известен пароперегреватель, содержащий корпус с влагоотделителем, электрическим нагревателем и дросселем в виде запорного вентиля, установленного на патрубке подвода влажного пара (Справочник по производству консервов. М. 1965, т.1, с. 506-510).

Недостатком данного устройства являются повышенные энергетические затраты на перегрев.

Известен источник перегретого пара (редукторная станция), содержащий корпус с патрубком подвода влажного пара высокого давления и влагоотделителем и сообщенный с последним через дроссель теплообменник потребителя пара с патрубком отвода пара (Бальке Г. Рационализация теплового хозяйства. М. Л. Госнаучиздат, 1931, с. 213.).

Для работы данного пароперегревателя необходим отдельный источник пара и, кроме того, не используется энтальпия влажного пара и конденсата.

Известно устройство для выдачи криоагента (Авт. свид. СССР N 1581958, кл. F 17 C 9/00, 1990 г.), содержащее резервуар с криоагентом, паровую и жидкостную магистрали выдачи криоагента, дроссель, змеевик, установленный внутри резервуара, и вентили, размещенные на магистралях.

Недостатком данного устройства является нестабильность параметров получаемого пара, так как температура перегретого пара определяется температурой внутри резервуара, которая будет изменяться по мере изменения давления в резервуаре.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является пароперегреватель (Авт. свид. СССР N 561048, кл. F 22 G 1/10, 1977 г.), содержащий корпус с патрубком подвода влажного пара высокого давления и влагоотделителем и сообщенный с последним через дроссель теплообменник с патрубком отвода пара, причем с целью повышения экономичности путем утилизации тепла влажного пара и уменьшения габаритов теплообменник размещен в верхней полости корпуса, а последняя в нижней части сообщена по пару с влагоотделителем, а в верхней с входом в дроссель.

Недостатком данного устройства является необходимость в отдельном парогенераторе. Устройство не позволяет стабилизировать температуру перегретого пара, так как все колебания параметров влажного пара, поступающего в патрубок 2, будут вызывать изменение параметров в камере 8, после дросселя 7 и в выходном патрубке 5. Устройство сложно в регулировке, так как для поддержания необходимых параметров перегретого пара необходимо согласовать работу трех элементов: регулируемого органа в магистрали 2, дросселя 7 и регулирующего органа в магистрали 3. Кроме того, с точки зрения утилизации тепла неэкономично отводить конденсат с высокой энтальпией.

Изобретение направлено на повышение экономичности и расширение функциональных возможностей.

Для решения указанных задач в способе генерации перегретого пара постоянной температуры путем получения и дросселирования насыщенного пара и нагревания сдросселированного пара насыщенный пар получает в емкости нагреванием находящейся в ней жидкости при постоянном давлении насыщения, меньшем давления в критической точке и равном давлению до дросселирования, а нагревание сдросселированного пара осуществляют путем рекуперативного теплообмена с этой же жидкостью в этой же емкости.

В устройстве для генерации перегретого пара постоянной температуры, содержащем корпус с размещенным внутри него теплообменником, дроссель, вход которого сообщен с верхней частью внутренней полости корпуса, а выход с входом теплообменника, корпус снабжен патрубком подвода жидкости и нагревателем, а теплообменник размещен в нижней части корпуса и погружен в жидкость.

При кипении жидкости при постоянном давлении температура образующегося насыщенного пара также остается постоянной. При этом температуры жидкости и насыщенного пара практически одинаковы. Дросселирование насыщенного пара приводит к падению его давления и изменению температуры. Если давление насыщенного пара не слишком близко к критическому давлению, то пар после дросселирования будет находиться в перегретом состоянии; при давлении, близком к критическому, пар после дросселирования может стать влажным.

При подводе тепла к сдросселированному пару происходит повышение его температуры, если пар после дросселирования перегретый, и его подсушка и повышение температуры, если пар после дросселелирования влажный. Для обеспечения постоянства температуры генерируемого перегретого пара необходимого обеспечить постоянство температуры подвода тепла. Теплоносителем с постоянной температурой является кипящая при постоянном давлении жидкость, из которой получается насыщенный пар.

Заявляемый способ обладает большей экономичностью, чем способ-прототип, так как в нем отсутствуют потери жидкости, поскольку насыщенный пар получают непосредственно нагреванием жидкости, а не отделением жидкости от влажного пара; энергозатраты на единицу массы перегретого пара также будут меньше, так как в способе-прототипе конденсат с высоким давлением и температурой не используется для перегрева пара, но для получения этого конденсата была затрачена энергия.

Расширение функциональных возможностей достигается за счет автономности процесса получения насыщенного пара. В способе-прототипе насыщенный пар получают из влажного пара от внешнего источника. Менять параметры пара в этом источнике, как правило, очень сложно. В заявляемом способе для изменения температуры и давления перегретого пара необходимо лишь изменить давление до и после дросселирования. Таким образом обеспечивается стабильность параметров перегретого пара и возможность легко их изменять в зависимости от запросов потребителя.

В заявляемом устройстве пар получают нагреванием жидкости в корпусе устройства. Нагреватель расположен в нижней части корпуса и образующийся при подводе тепла пар поднимается в верхнюю часть корпуса. Таким образом, разделение фаз происходит за счет гравитационного поля без применения специальных разделителей фаз.

Для поддержания постоянства давления в корпусе устройства необходимо отводить образующийся пар. Отвод пара осуществляется путем выпуска его через дроссель. При этом давление дросселируемого пара уменьшается. Дроссель настроен таким образом, чтобы его клапан открывался только при достижении в корпусе устройства определенного значения давления, которое однозначно связано с необходимой температурой перегретого пара. Пока давление в корпусе остается постоянным, будет постоянной и температура кипящей жидкости.

Сдросселированный пар перегревают в теплообменнике, который размещен в корпусе генератора и полностью погружен в кипящую жидкость. Подвод тепла при перегреве пара осуществляют при постоянном давлении.

Заявляемое устройство позволяет получать перегретый пар со стабильными значениями давления и температуры. Стабильность обеспечивается дросселем и размещением теплообменника в кипящей жидкости. Дроссель наряду со своей основной функцией осуществляет функцию регулятора давления, не допуская превышения давления в корпусе выше заданного значения при заданном перепаде на дросселе. Таким образом, настройка дросселя определяет давление пара на выходе устройства и температуру кипящей жидкости внутри устройства Если температура греющей среды (кипящей жидкости) будет оставаться постоянной, то постоянной будет температура перегретого пара на выходе. Несмотря на то, что температура пара перед дросселем также постоянна и практически равна температуре кипящей жидкости, теплообменник выгоднее размещать в жидкости, а не в паре, то есть в нижней части корпуса устройства, а не в верхней. Это связано с тем, что энтальпия единицы объема жидкости при параметрах, не слишком близких к критическим, существенно больше энтальпии единицы объема насыщенного пара (например, для воды и водяного пара при температуре t 100^oС энтальпия насыщенной жидкости h' 419,06 кДж/кг при удельном объеме v' 0,001044 м³/кг, энтальпия насыщенного пара h"= 2676,3 кДж/кг при удельном объеме v" 1,6738 м³/кг, откуда следует, что энтальпия единицы объема жидкости составляет 401398,4 кДж/м³, а энтальпия единицы объема пара - 1598,4 кДж/м³, т.е. энтальпия единицы объема насыщенной жидкости в 251 раз больше энтальпии единицы объема насыщенного пара; при температуре t 200^oC энтальпия единицы в объема жидкости больше энтальпии единицы объема пара в 33 раза (Ривкин С.Л. Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М. Энергия, 1975. с. 14-16).

С точки зрения сглаживания возможных пульсаций температуры целесообразно размещать теплообменник в среде, обладающей большей тепловой инерцией (большей объемной энтальпией).

Несмотря на то, что коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на поверхности теплообмена может быть при определенных условиях (при капельной конденсации) выше коэффициента теплоотдачи от жидкости

, основной вклад в термическое сопротивление вносит коэффициент теплоотдачи от стенки к сдросселированному пару внутри теплообменника α_п= 80...1000 Вт/м²К (Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2 Пер. с англ. под ред. О.Г.Мартыненко и др. М. Энергоатомиздат, 1987, с. 15). Поэтому увеличение коэффициента теплоотдачи с наружной стороны поверхности теплообмена при прочих равных условиях не окажет существенного влияния на коэффициент теплопередачи, но пульсации температуры при размещении теплообменника в жидкости будут меньше.

Заявляемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями, чем устройство-прототип. Расширение функциональных возможностей (возможность независимо задавать как давление, так и температуру перегретого пара) обеспечивается за счет независимой регулировки дросселя и мощности нагревателя.

Более высокая экономичность устройства по сравнению с прототипом обеспечивается тем, что практически вся подводимая от нагревателя энергия расходуется на получение конечного продукта перегретого пара и отсутствуют затраты на получение и последующий сброс высокоэнтальпийного конденсата.

На чертеже изображена схема устройства для генерации перегретого пара постоянной температуры.

Устройство содержит частично заполненный жидкостью корпус 1, нагреватель 2, дроссель 3, соединительную магистраль 4, теплообменник 5, отводящую магистраль 6, патрубок подвода жидкости 7.

Устройство работает следующим образом.

С помощью нагревателя 2 подводят тепло к жидкости, находящейся в нижней части корпуса 1. Жидкость закипает, и образующийся насыщенный пар поднимается в верхнюю часть корпуса 1. Пока давление насыщенного пара в корпусе 1 остается меньше давления, на которое настроен дроссель 3, дроссель не открывается, потребитель пара не получает, и давление насыщенного пара в корпусе 1 непрерывно растет. После достижения заданного значения давления в корпусе 1 открывается дроссель 3, вход которого сообщен с верхней частью корпуса 1, и насыщенный пар дросселируют. Сдросселированный пар по соединительной магистрали 4 подают в теплообменник 5, расположенный в нижней части корпуса 1 и полностью погруженный в кипящую жидкость. В теплообменнике 5 осуществляют перегрев пара за счет подвода тепла от кипящей жидкости. По отводящей магистрали 6 перегретый пар подают потребителю. С помощью патрубка подвода жидкости 7 в корпус 1 подают жидкость по мере ее расходования.

При необходимости получить другие значения температуры и давления перегретого пара изменяют настройку дросселя 3 и мощность нагревателя 2. Конкретные значения параметров настройки дросселя и мощности нагревателя устанавливают расчетным либо опытным путем в зависимости от величины расхода перегретого пара.

Claims (2)

1. Способ генерации перегретого пара постоянной температуры путем получения и дросселирования насыщенного пара и нагревания сдросселированного пара, отличающийся тем, что насыщенный пар получают в емкости нагреванием находящейся в ней жидкости при постоянном давления насыщения, меньшим давления в критической точке и равным давлению до дросселирования, а нагревание сдросселированного пара осуществляют путем рекуперативного теплообмена с этой же жидкостью в этой же емкости.

2. Устройство для генерации перегретого пара постоянной температуры, содержащее корпус с размещенным внутри него теплообменником, дроссель, вход которого сообщен с верхней частью внутренней полости корпуса, а выход с входом теплообменника, отличающееся тем, что корпус снабжен патрубком подвода жидкости и нагревателем, а теплообменник размещен в нижней части корпуса и погружен в жидкость.