RU2253047C2

RU2253047C2 - Method of conversion of electric power to thermal power in ejection and vortex plant

Info

Publication number: RU2253047C2
Application number: RU2002132569/06A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Мамаев (RU); А.Н. Мамаев
Original assignee: Мамаев Александр Николаевич
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2005-05-27

Abstract

FIELD: heat-power engineering; heating systems; water heating systems, public services, agricultural sector and transport facilities.

SUBSTANCE: steam from electric steam generator is delivered to jet apparatus nozzle where it is mixed with cold liquid flow for forming two-phase flow at acceleration to supersonic velocity. At mixing chamber outlet, this two-phase flow is decelerated for forming shock wave and converting the flow into liquid flow after shock wave. Then, flow is divided and one part is directed to heat exchanger of vortex tube where it is heated and directed for replenishment of electric steam generator. Other part is directed to nozzle apparatus where it is accelerated to supersonic velocity for forming two-phase flow, after which it is decelerated for converting it into liquid flow saturated with micro-bubble component. Nozzle apparatus outlet is connected with swirler inlet where vortex flow is formed; from swirler, flow is directed to vortex tube where heat is released and flow is divided into hot and cold components. From vortex tube, flow is directed to heat exchanger for transfer of heat to second loop; cooled liquid flow is directed to ejector inlet.

EFFECT: enhanced efficiency of plant.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области нагревательной техники, в котором оказалось возможным организовать процесс нагрева циркулирующей жидкости.The invention relates to the field of heating equipment, in which it was possible to organize the process of heating a circulating liquid.

Известен способ преобразования электрической энергии в тепловую в вихревом теплогенераторе, включающий подачу воды из центробежного насоса через инжекционный патрубок в ускоритель, который выполнен в виде завихрителя с цилиндрической вихревой трубой, где происходит выделение тепла из воды, на другом конце вихревой трубы смонтировано тормозное устройство, и последующую подачу части воды обратно на вход в насос, другой части воды с систему отопления с дальнейшим возвращением на вход в насос (патент №2045715, МПК F 25 В 29/00).A known method of converting electrical energy into heat in a vortex heat generator, comprising supplying water from a centrifugal pump through an injection pipe to an accelerator, which is made in the form of a swirl with a cylindrical vortex tube, where heat is generated from water, a brake device is mounted on the other end of the vortex tube, and the subsequent supply of part of the water back to the pump inlet, another part of the water from the heating system with a further return to the pump inlet (patent No. 2045715, IPC F 25 V 29/00).

Недостатком этого изобретения является наличие в качестве источника механической энергии центробежного насоса, который обладает низким коэффициентом преобразования электрической энергии в механическую - 0.6 - 0.65, что значительно снижает эффективность данной установки. Наиболее близким к описываемому является способ работы эжекторной тепловыделяющей установки, включающий подачу нагретого теплоносителя - пара и охлажденного жидкостного потока на вход струйного аппарата, где происходит их смешение с образованием двухфазного потока и разгона потока до сверхзвуковой скорости с формированием в потоке скачка уплотнения, с нагревом в нем жидкости, с последующей подачей части жидкости в паровой котел, подачу другой части потока в теплогенерирующую решетку с разгоном в ней потока до скорости, при которой давление падает до давления насыщенных паров, и формированием двухфазного сверхзвукового потока, формированием скачка давления, в котором происходит нагрев жидкости. Затем поток подают в тепловыделяющее устройство и далее на вход струйного аппарата (патент №2127832, МПК F 04 Р 5/54).The disadvantage of this invention is the presence as a source of mechanical energy of a centrifugal pump, which has a low coefficient of conversion of electrical energy into mechanical energy - 0.6 - 0.65, which significantly reduces the efficiency of this installation. Closest to the described is the method of operation of the ejector fuel plant, which includes supplying a heated coolant - steam and a cooled liquid stream to the inlet of the jet apparatus, where they are mixed with the formation of a two-phase stream and acceleration of the stream to supersonic speed with the formation of a shock wave in the stream, with heating in liquid, with the subsequent supply of a part of the liquid to the steam boiler, the supply of another part of the stream to the heat-generating grid with acceleration of the flow in it to a speed at which the pressure drops to the saturated vapor pressure, and by the formation of a two-phase supersonic flow, by the formation of a pressure jump in which the liquid is heated. Then the flow is fed into the fuel device and then to the input of the inkjet apparatus (patent No. 2127832, IPC F 04 P 5/54).

Недостатком данного технического решения является то, что в ней не полностью используют кинетическую и внутреннюю энергию потока, подача потока с тепловыделяющего устройства на теплопотребляющее устройство не позволяет полностью снять тепловую энергию схлопывания микроскопических парогазовых пузырьков.The disadvantage of this technical solution is that it does not fully use the kinetic and internal energy of the flow, the flow from the heat-generating device to the heat-consuming device does not completely remove the thermal energy of the collapse of microscopic vapor-gas bubbles.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности способа путем организации более оптимального процесса тепловыделения и теплопотребления, что обуславливает увеличение КПД.The technical result of the invention is to increase the efficiency of the method by organizing a more optimal process of heat dissipation and heat consumption, which leads to an increase in efficiency.

В известном способе преобразования электрической энергии в тепловую в эжекторно-вихревой установке, в которой в эжекторе производят смешение горячего теплоносителя - пара и охлажденного жидкостного потока с образованием двухфазного потока и переводом его на сверхзвуковой режим, с формированием в потоке скачка давления и выделением в нем тепла, преобразованием потока в жидкостный, далее часть нагретого жидкостного потока направляют в электропарогенератор, а другую часть в сопловой аппарат, где поток преобразуют в двухфазный поток, разгоняют до сверхзвуковой скорости, организуют скачок давления и переводят в жидкостный поток, наполненный микропузырьками пара с дополнительным нагревом потока, при этом новым является то, что далее поток направляют в завихритель, из него жидкостный поток, насыщенный микропузырьковой составляющей, направляют в вихревую трубу, где происходит схлопывание пузырьков, с выделением тепловой энергии, затем из вихревой трубы поток направляют в теплообменник, в котором обеспечивают снятие тепла и передачу его потребителю, при этом другую часть потока из эжектора направляют в теплообменник вихревой трубы, в котором нагревают поток от более горячих внешних слоев вихревого потока в вихревой трубе, далее эту подогретую часть потока подают на подпитку в электропарогенератор.In the known method of converting electrical energy into heat in an ejector-vortex installation, in which an ejector is used to mix a hot heat carrier — steam and a cooled liquid stream to form a two-phase stream and transfer it to a supersonic mode, with the formation of a pressure jump in the stream and the generation of heat in it by converting the stream to liquid, then part of the heated liquid stream is sent to an electric steam generator, and the other part to a nozzle apparatus, where the stream is converted into a two-phase stream, times they are reduced to supersonic speed, they organize a pressure jump and are transferred to a liquid stream filled with microbubbles of steam with additional heating of the stream, while it is new that the stream is then sent to the swirl, from which the liquid stream saturated with the microbubble component is sent to the vortex tube, where the bubbles collapse, with the release of thermal energy, then the flow from the vortex tube is directed to a heat exchanger, in which heat is removed and transferred to the consumer, while the other part of current from the ejector to a heat exchanger of vortex tube, which is heated by a stream of hotter outer layers of the vortex flow in the vortex tube, then the heated part stream is fed to a feeding elektroparogeneratory.

Важное значение имеет то, что применение эжектора в качестве насоса для организации вихревого движения потока в вихревой трубе и нагрева жидкостного потока позволило отказаться от механического привода - центробежного насоса, что, во-первых, повысило эффективность установки, и, во-вторых, значительно упростило конструкцию.It is important that the use of an ejector as a pump for organizing the swirling motion of a stream in a vortex tube and heating the liquid flow allowed us to abandon the mechanical drive - a centrifugal pump, which, firstly, increased the efficiency of the installation, and, secondly, greatly simplified construction.

Важное значение имеет и то, что данная конструкция позволяет не просто организовать циркуляцию потока, но и придать потоку, возвращаемому в электропарогенератор, дополнительную тепловую энергию, выделяемую в вихревой трубе, а следовательно, повысить КПД всей установки.Of great importance is the fact that this design allows not only to organize the circulation of the flow, but also to give the flow returned to the electric steam generator additional thermal energy released in the vortex tube and, therefore, increase the efficiency of the entire installation.

Сущность изобретения поясняется прилагаемым чертежом. Эжекторно-вихревая установка для реализации способа содержит электропарогенератор 1, эжектор 2, сопловой аппарат 3, завихритель 4, вихревую трубу 5, теплообменную трубу 6, теплообменник потребителя 7.The invention is illustrated by the attached drawing. An ejector-vortex installation for implementing the method comprises an electric steam generator 1, an ejector 2, a nozzle apparatus 3, a swirler 4, a vortex tube 5, a heat exchange tube 6, a consumer heat exchanger 7.

Электропарогенератор 1 своим выходом подключен к входу в эжектор 2, эжектор 2 одним выходом соединен с входом в сопловой аппарат 3, выход соплового аппарата подключен к входу завихрителя 4, который соединен с вихревой трубой 5. Вихревая труба своим выходом соединена с входом в теплообменник потребителя 7, выход теплообменника подключен к входу в эжектор 2. Другим выходом эжектор 2 подключен к входу в теплообменную трубу 6, выход которой соединен с парогенератором 1. Установка работает следующим образом. Пар из электропарогенератора 1 поступает в сопло эжектора 2, где смешивается с охлажденным жидкостным потоком, разгоняется с образованием двухфазной смеси. Двухфазный поток преобразуется в сверхзвуковой поток, в котором организуют скачок давления с преобразованием двухфазного потока в однофазный жидкостный. С ростом давления происходит реструктуризация жидкости, что приводит к выделению тепла. Из эжектора 2 часть потока направляется в сопловой аппарат 3, в котором жидкостный поток разгоняется до скорости, при которой давление падает до давления насыщения, при этом поток вскипает, превращается в двухфазный с переходом на сверхзвуковой режим. В сверхзвуковом потоке формируется скачок давления с переходом двухфазного потока в жидкостный поток, заполненный микропузырьковой составляющей. Форма и размеры сопла выбраны таким образом, что позволяют увеличить парогазосодержание потока. В скачке поток дополнительно нагревается. Далее поток направляется в завихритель 4. В поле закрученного потока характер распределения скорости, давления и энтальпии определяет перенос энергии между слоями закрученного потока с вихревым температурным разделением. Процесс перестройки поля скоростей с уменьшением окружной скорости внутреннего потока способствует отводу кинетической энергии от него к внешним слоям с большими значениями окружной скорости. В результате такого эффекта внешние слои нагреваются, а внутренние охлаждаются. Дополнительно в соответствии с характером распределения давления в вихревом потоке интенсивность схлопывания микропузырьковой составляющей выше в месте большего давления, т.е. у внешних слоев. Таким образом в вихревой трубе создается поле температур. Далее из вихревой трубы поток попадает в теплообменник 7, который обеспечивает снятие тепла и передачу его потребителю через вторичный контур. Теплоносителем во вторичном контуре может быть газ или жидкость.The electric steam generator 1 is connected with its output to the entrance to the ejector 2, the ejector 2 is connected with the input to the nozzle apparatus 3 by one output, the output of the nozzle device is connected to the input of the swirl 4, which is connected to the vortex tube 5. The vortex tube is connected by its output to the input to the consumer heat exchanger 7 , the output of the heat exchanger is connected to the entrance to the ejector 2. Another output of the ejector 2 is connected to the entrance to the heat exchange pipe 6, the output of which is connected to the steam generator 1. The installation works as follows. Steam from the electric steam generator 1 enters the nozzle of the ejector 2, where it is mixed with a cooled liquid stream, accelerates with the formation of a two-phase mixture. The two-phase flow is converted into a supersonic flow, in which a pressure surge is organized with the conversion of the two-phase flow into a single-phase liquid flow. With increasing pressure, liquid restructuring occurs, which leads to heat generation. Part of the flow from the ejector 2 is directed to the nozzle apparatus 3, in which the liquid flow accelerates to a speed at which the pressure drops to the saturation pressure, while the flow boils, turns into two-phase with the transition to supersonic mode. In a supersonic flow, a pressure jump is formed with the transition of a two-phase flow into a liquid flow filled with a microbubble component. The shape and dimensions of the nozzle are selected in such a way that they increase the gas and vapor content of the stream. In the jump, the flow is additionally heated. Then the flow is directed to the swirl 4. In the field of swirling flow, the nature of the distribution of speed, pressure and enthalpy determines the energy transfer between the layers of the swirling flow with a vortex temperature separation. The process of tuning the velocity field with a decrease in the peripheral velocity of the internal flow contributes to the removal of kinetic energy from it to the outer layers with large values of the peripheral velocity. As a result of this effect, the outer layers are heated, and the inner ones are cooled. Additionally, in accordance with the nature of the pressure distribution in the vortex flow, the intensity of collapse of the microbubble component is higher at the place of higher pressure, i.e. at the outer layers. Thus, a temperature field is created in the vortex tube. Further, from the vortex tube, the flow enters the heat exchanger 7, which provides heat removal and its transfer to the consumer through the secondary circuit. The coolant in the secondary circuit may be gas or liquid.

Другую часть потока из струйного аппарата 2 подают в теплообменную трубу 6, нагревают от горячих стенок вихревой трубы и с более высокими значениями давления и температуры направляют в электропарогенератор 1 для подпитки.Another part of the stream from the jet apparatus 2 is fed into the heat exchange tube 6, heated from the hot walls of the vortex tube and, with higher pressure and temperature, is sent to the electric steam generator 1 for recharge.

Предлагаемый способ работы установки может быть использован для автономного отопления различных помещений, зданий, там, где нет централизованного отопления, или взамен централизованного, а также для горячего бытового и технического водоснабжения.The proposed method of operation of the installation can be used for autonomous heating of various rooms, buildings, where there is no centralized heating, or instead of centralized, as well as for domestic and technical hot water supply.

Claims

A method of converting electric energy into heat in an ejector-vortex installation, in which an ejector is used to mix a hot heat carrier - steam and a cooled liquid stream to form a two-phase stream and transfer it to a supersonic mode, with the formation of a pressure jump in the stream and the release of heat in it, conversion flow into a liquid, then part of the heated liquid flow is sent to an electric steam generator, and the other part to a nozzle apparatus, where the flow is converted into a two-phase flow, accelerated to sonic velocity, organize a pressure jump and transfer to a liquid stream filled with microbubbles of steam with additional heating of the stream, characterized in that the stream is then sent to the swirl, from which the liquid stream saturated with the microbubble component is directed into the vortex tube, where the bubbles collapse with evolution thermal energy, then from the vortex tube the flow is directed to a heat exchanger, in which heat is removed and transferred to the consumer, while the other part of the flow from the ejector, for example they add a vortex tube to the heat exchanger, in which the stream is heated from the hotter layers of the vortex stream in the vortex tube, then this heated part of the stream is fed to the electric steam generator.