RU2435120C2

RU2435120C2 - Centrifugal-vortex heat-mass-exchanger (cvh)

Info

Publication number: RU2435120C2
Application number: RU2010104506/06A
Authority: RU
Inventors: Борис Алексеевич Зимин (RU); Борис Алексеевич Зимин
Original assignee: Борис Алексеевич Зимин
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-11-27
Also published as: RU2010104506A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: here is disclosed centrifugal-vortex heat-mass-exchanger (CVH) for heating liquid with vapour. The centrifugal-vortex heat-mass-exchanger has a case of round section with end covers, inside of which there is an input chamber of liquid, a swirling chamber of heat-mass-exchange, an outlet chamber with supplying and discharge branches of liquid, and at least one vapour chamber around the swirling chamber of heat-mass-exchange with a vapour supplying pipeline with tangential nozzles connecting the vapour chamber with the chamber of heat-mass-exchange. A solid or in form of a pipe cylinder of less diametre is installed along axis of the swirling chamber of heat-mass-exchange and outlet chamber.

EFFECT: reduced noise occurring at contact of vapour with water due to thermo-impacts.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве центробежно-вихревого тепломассообменника - ЦВТ (бойлера для контактного нагрева воды паром), а также для нагрева технологических жидкостей, например в микробиологической, пищевой, химической, нефтяной и других промышленностях. В определенных режимах давление жидкости на выходе из аппарата будет больше давления на входе, и он может выполнять функцию парового кинетического насоса (инжектора или эжектора), при остановленном центробежном насосе (совмещать функции бойлера и насоса).The invention relates to the field of power engineering and can be used as a centrifugal-vortex heat and mass exchanger - CVT (boiler for contact heating of water with steam), as well as for heating process fluids, for example, in microbiological, food, chemical, petroleum and other industries. In certain modes, the pressure of the liquid at the outlet of the apparatus will be greater than the pressure at the inlet, and it can act as a steam kinetic pump (injector or ejector), with the centrifugal pump stopped (combine the functions of a boiler and a pump).

Известны и нашли применение струйные тепломассообменники, в которых нагрев воды происходит при непосредственном контакте ее с паром. Пар достигает звуковой скорости, смешивается с водой, образуя гомогенную двухфазную смесь. Затем пар конденсируется. Давление воды на выходе из аппарата может при определенных условиях быть выше давления пара и давления воды па входе в аппарат.Known and found application are jet heat and mass exchangers in which water is heated when it is in direct contact with steam. Steam reaches sound speed, mixes with water, forming a homogeneous two-phase mixture. Then the steam condenses. The water pressure at the outlet of the apparatus may, under certain conditions, be higher than the vapor pressure and water pressure at the inlet of the apparatus.

Таков аппарат, называемый "Транссоник" (см. патент России №2016261). Недостатком этого аппарата является то, что пар инжектирует воду и его давление должно значительно превышать давление воды, кроме того - сильный шум, недостаточная глубина регулирования нагрузок по расходу пара и воды (практически может работать только па номинальной нагрузке). Как самостоятельный кинетический насос никогда не используется (всегда с электронасосом). Он имеет недостаточно большую производительность, поэтому на одну систему отопления приходится ставить несколько аппаратов. У этих аппаратов небольшой КПД использования энергии пара (не более 8%).This is the apparatus called the “Transonic” (see Russian patent No. 2016261). The disadvantage of this apparatus is that the steam injects water and its pressure should significantly exceed the pressure of the water, in addition - strong noise, insufficient depth of regulation of the loads for the consumption of steam and water (in practice, it can only work at the rated load). As an independent kinetic pump, it is never used (always with an electric pump). It does not have a large enough capacity, so several devices have to be installed on one heating system. These devices have a low efficiency of steam energy use (no more than 8%).

Более эффективными являются центробежно-вихревые тепломассообменники.More effective are centrifugal-vortex heat and mass exchangers.

В качестве прототипа выбран «кинетический насос-тепломассообменник», защищенный патентом РФ №2210043. Он имеет широкий диапазон регулирования тепловой нагрузки от (0 до 100%). Испытан в качестве сетевого подогревателя при расходах воды 500 м³/ч и тепловой нагрузке 10 Гкал/ч и в качестве небольших бойлеров. Преимущества: 1. Малая стоимость в сочетании с широким диапазоном регулирования нагрузок и высокой маневренностью; 2. Нулевое сопротивление по потоку воды даже при низком давлении пара (давление пара при испытаниях превышало давление воды на 0,1 кгс/см²), что дает экономию электроэнергии на перекачку воды электронасосом (при превышении давления пара над давлением воды на 3-5 кгс/см² давление воды за аппаратом будет превышать давление воды перед аппаратом за счет использования кинетической энергии пара); 3. Не боится плохого качества нагреваемой жидкости; 4. Неограниченный срок службы и практически «нулевые» ремонтные затраты.As a prototype, the selected “kinetic pump-heat and mass exchanger”, protected by RF patent No. 22210043. It has a wide range of regulation of thermal load from (0 to 100%). It was tested as a network heater at a flow rate of 500 m ³ / h and a heat load of 10 Gcal / h and as small boilers. Advantages: 1. Low cost combined with a wide range of load regulation and high maneuverability; 2. Zero resistance to water flow even at low vapor pressure (the vapor pressure during the tests exceeded the water pressure by 0.1 kgf / cm ² ), which saves electricity by pumping water by the electric pump (when the vapor pressure exceeds the water pressure by 3-5 kgf / cm ² the water pressure behind the device will exceed the water pressure in front of the device due to the use of kinetic energy of steam); 3. Not afraid of the poor quality of the heated fluid; 4. Unlimited service life and almost “zero” repair costs.

Недостатком прототипа является повышенный уровень шума в аппаратах больших типоразмеров при низкой температуре поступающей воды (ниже 70°С), малом превышении давления пара над давлением воды (при испытании малых аппаратов, при достаточном давлении пара и температуре 70°С - шум отсутствовал). Причиной шума являются термоудары (гидроудары), когда струи пара, не успев быстро сконденсироваться, попадают в центр аппарата, образуя паровой жгут (пузырь) по оси аппарата, который конденсируется с шумом. Конденсация мелких пузырьков пара всегда происходит практически без шума.The disadvantage of the prototype is the increased noise level in the apparatus of large sizes at a low temperature of the incoming water (below 70 ° C), a small excess of the vapor pressure over the water pressure (when testing small devices, with sufficient vapor pressure and a temperature of 70 ° C - there was no noise). The reason for the noise is thermal shock (water hammer), when the steam jets, not having time to quickly condense, fall into the center of the apparatus, forming a steam bundle (bubble) along the axis of the apparatus, which condenses with the noise. The condensation of small vapor bubbles always occurs almost without noise.

Целью настоящего изобретения является снижение уровня шума при любых режимах работы (даже при низкой температуре воды и малых скоростях пара в соплах).The aim of the present invention is to reduce the noise level under any operating conditions (even at low water temperature and low steam speeds in nozzles).

Указанная цель достигается тем, что в известном тепломассообменном аппарате, имеющем корпус круглого сечения, с подводящим и отводящим жидкостепроводами, внутри которого последовательно расположены входная камера, камера тепломассообмена между паром и жидкостью меньшего диаметра, выходная камера большего диаметра, чем камера тепломассообмена, как минимум одна паровая камера вокруг камеры тепломассообмена, с подводящим паропроводом и с тангенциальными паровыми соплами, соединяющими паровую камеру с камерой тепломассообмена, с лопаточными устройствами, перепускающими жидкость с большего радиуса на меньший (лопаточное устройство расположено во входной камере и пристыковано к камере тепломассообмена, второе лопаточное устройство может быть расположено в выходной камере перед отводящим трубопроводом, если он соединен с задней торцевой крышкой), по оси тепломассообменной и выходной камер установлен цилиндр меньшего диаметра (сплошной или полый в виде трубы).This goal is achieved by the fact that in the known heat and mass transfer apparatus having a circular cross-sectional body, with inlet and outlet liquid conduits, within which an inlet chamber is arranged sequentially, a heat and mass transfer chamber between steam and a liquid of a smaller diameter, an outlet chamber of a larger diameter than the heat and mass transfer chamber a steam chamber around the heat and mass transfer chamber, with an inlet steam line and with tangential steam nozzles connecting the steam chamber to the heat and mass transfer chamber, from shovels devices passing the liquid from a larger radius to a smaller one (the blade device is located in the inlet chamber and docked to the heat and mass transfer chamber, the second blade device can be located in the outlet chamber in front of the outlet pipe, if it is connected to the rear end cap), along the axis of the heat and mass transfer a smaller cylinder (solid or hollow in the form of a pipe) is installed in the chambers.

Установка по оси тепломассообменной камеры цилиндра препятствует образованию парового жгута (парового пузыря большого объема) и схлопыванию большого объема пара, приводящего к термоударам (гидроударам) и к сильному шуму.The installation along the axis of the heat and mass transfer chamber of the cylinder prevents the formation of a steam tow (steam bubble of large volume) and the collapse of a large volume of steam, leading to thermal shock (water hammer) and to loud noise.

На фиг.1 изображен продольный разрез центробежно-вихревого тепломассообменника (ЦВТ), выполненного в одноступенчатом (однокорпусном) варианте.Figure 1 shows a longitudinal section of a centrifugal vortex heat and mass exchanger (CVT), made in a single-stage (single-case) version.

На фиг.2 - поперечный разрез ЦВТ по лопаточному устройству перепуска жидкости с большего радиуса на меньший.Figure 2 is a cross-sectional view of the CVT along the blade device of the fluid bypass from a larger radius to a smaller one.

На фиг.3 - продольный разрез центробежно-вихревого тепломассообменника (ЦВТ), выполненного в многоступенчатом (двухступенчатом) варианте.Figure 3 is a longitudinal section of a centrifugal vortex heat and mass exchanger (CVT), made in a multi-stage (two-stage) version.

На фиг.4 - продольный разрез упрощенного варианта одноступенчатого ЦВТ с тангенциальным подводом жидкости к входной камере корпуса и тангенциальным отводом нагретой жидкости из выходной камеры (без лопаточного устройства).Figure 4 is a longitudinal section of a simplified version of a single-stage central heating circuit with a tangential supply of fluid to the input chamber of the housing and a tangential tap of heated fluid from the output chamber (without a blade device).

Однокорпусный аппарат ЦВТ (фиг.1, 2) имеет пустотелый цилиндрический корпус 1 в виде обечайки, переднюю 2 (верхнюю при вертикальной установке аппарата) и заднюю 3 (нижнюю) торцевые крышки, патрубки подвода жидкости 4 (всасывающий патрубок) и патрубок отвода жидкости от аппарата 5, присоединенные соответственно к передней и к задней крышкам, входную камеру 6, теломассообменную камеру 7 (она же завихривающая камера) и выходную камеру 8, цилиндр 9 по оси камер 7 и 8, патрубки подвода пара 10, кольцевую паровую камеру 11 (одну или несколько), тангенциальные сопла 12, соединяющие камеру 11 с камерой 7 (абсолютной тангенциальности достигнуть очень трудно, и сопла располагаются под острым углом к радиусу), лопаточное устройство для перепуска жидкости с большего радиуса на меньший, имеющее диск 13 и лопатки 14. На входе в камеру 7 может быть установлена шайба 15 (кольцевая перегородка), а диск может крепиться к корпусу при помощи креплений 16 (при наличии шайбы 15 и при тангенциальном присоединении входного патрубка 4 к входной камере 6, аппарат может работать и без лопаточного аппарата 13, 14, но с несколько меньшим повышением давления нагреваемой жидкости). Установка лопаточного устройства в выходной камере также необязательна, если выходной патрубок 5 присоединить тангенциально к выходной камере 8.The single-case apparatus of the CVT (Figs. 1, 2) has a hollow cylindrical body 1 in the form of a shell, a front 2 (upper for vertical installation of the apparatus) and a rear 3 (lower) end caps, fluid supply pipes 4 (suction pipe) and a fluid discharge pipe from apparatus 5, connected respectively to the front and back covers, the inlet chamber 6, the body and mass transfer chamber 7 (it is also a swirl chamber) and the outlet chamber 8, the cylinder 9 along the axis of the chambers 7 and 8, the steam supply nozzles 10, the annular steam chamber 11 (one or several), tangential opla 12 connecting the chamber 11 with the chamber 7 (it is very difficult to achieve absolute tangentiality, and the nozzles are at an acute angle to the radius), a blade device for transferring liquid from a larger radius to a smaller one having a disk 13 and vanes 14. At the entrance to the chamber 7, a washer 15 (an annular partition) is installed, and the disk can be attached to the case using fasteners 16 (if there is a washer 15 and when the inlet pipe 4 is tangentially connected to the inlet chamber 6, the device can work without a blade device 13, 14, but with me heated liquid shim increase pressure). The installation of a blade device in the outlet chamber is also optional if the outlet 5 is connected tangentially to the outlet 8.

Многокорпусный аппарат ЦВТ (фиг.3) отличается только тем, что тепломассообменная камера аппарата второй ступени присоединена к выходной камере аппарата первой ступени через лопаточное устройство, а тепломассообменная камера аппарата третьей ступени присоединена к выходной камере аппарата второй ступени, и так далее.The multi-body apparatus of the CVT (Fig. 3) differs only in that the heat and mass transfer chamber of the second stage apparatus is connected to the output chamber of the first stage apparatus through the blade device, and the heat and mass transfer chamber of the third stage apparatus is connected to the output chamber of the second stage apparatus, and so on.

Упрощенный вариант ЦВТ (фиг.4) отличается тем, что подводящий патрубок нагреваемой жидкости присоединен тангенциально входной камере, между входной камерой и камерой тепломассообмена имеется шайба, отводящий патрубок нагретой жидкости также присоединен тангенциально к выходной камере и в нем отсутствуют лопаточные аппараты 13, 14.A simplified version of the central heating circuit (Fig. 4) is characterized in that the inlet pipe of the heated fluid is connected tangentially to the inlet chamber, there is a washer between the inlet chamber and the heat and mass transfer chamber, the outlet pipe of the heated fluid is also tangentially connected to the outlet chamber and there are no vanes 13, 14.

Работа аппарата ЦВП осуществляется следующим образом. Нагреваемая вода или другая технологическая жидкость (даже загрязненная) подается во входную камеру 6 через патрубок 4, присоединенный к передней торцевой крышке 2 (фиг.1, 3), или через патрубок 4 (фиг.4), присоединенный тангенциально к камере 6. Далее жидкость попадает в лопаточное устройство для перепуска жидкости с большего радиуса закрутки на меньший, состоящий из диска 13 и лопаток 14. Пространство между лопатками 14, диском 13 и стенкой камеры 11 представляет собой сужающиеся сопла, направляющие жидкость от периферии к центру с небольшой закруткой. Кольцевое пространство после этих сопел соединено с камерой тепломассообмена. Попадая в камеру тепломассообмена 7, жидкость контактирует со струями пара, выходящими тангенциально потоку вращающейся жидкости, которые и раскручивает ее, увеличивая многократно скорость вращения жидкости. Энергия вращения жидкости передается в центральную часть лопаточного устройства и эжектирует жидкость из камеры 6. Лопаточный аппарат препятствует передачи энергии вращения жидкости из камеры 7 в камеру 6 (чем больше скорость вращения жидкости в камере 6, тем больше давление на стенки камеры, тем больше противодавление входящему потоку жидкости, тем меньше повышение давления жидкости на выходе из аппарата, тем меньше способность аппарата работать как кинетический насос). Раскрученный до большой скорости поток жидкости выходит из камеры 7 в камеру 8, увеличивая радиус закрутки. Согласно закону сохранения момента количества движения с увеличением радиуса закрутки скорость вращения жидкости падает, а давление возрастает. Можно отводить нагретую жидкость с повышенным давлением через патрубок 5, тангенциально присоединенный к камере 8, и можно отводить через лопаточное устройство (13, 14) и через патрубок 5, присоединенный соосно к крышке 3. Аппарат по фиг.1 обеспечивает больший подъем давления жидкости, чем аппарат по фиг.4. Цилиндр 9 препятствует пару простреливать слой воды и образовывать вращающийся паровой жгут по оси аппарата. Пар обтекает цилиндр 9 тонким слоем, что многократно уменьшает силу гидроударов при конденсации пара. Наличие нескольких подводящих патрубков пара позволяет сохранять скорость и кинетическую энергию пара при уменьшенных нагрузках за счет отключения части патрубков, что способствует увеличению давления жидкости на выходе из аппарата. Если на аппарате установлен один паровой патрубок, то максимальное увеличение давления жидкости можно получить только на максимальной нагрузке. Для использования аппарата только как бойлера количество патрубков 10 не имеет значения. Скорость вращения воды в камере 8 имеет свое оптимальное значение (при малой скорости недостаточен прирост давления жидкости, при большой - возрастают потери на трение). Чтобы иметь значительное повышение давления жидкости, необходимо выполнить аппарат двух- или более ступенчатым (см. фиг.3). Из выходной камеры 8 первой ступени нагретая жидкость с повышенным давлением поступает во вторую аналогичную ступень через лопаточное устройство 14а, где дополнительно нагревается и повышает давление, и так далее.The operation of the DAC apparatus is as follows. Heated water or other process fluid (even contaminated) is supplied to the inlet chamber 6 through a pipe 4 connected to the front end cover 2 (1, 3), or through a pipe 4 (figure 4), connected tangentially to the chamber 6. Next the liquid enters the blade device for bypassing the liquid from a larger swirl radius to a smaller one consisting of a disk 13 and blades 14. The space between the blades 14, the disk 13 and the wall of the chamber 11 is a tapering nozzle directing the liquid from the periphery to the center with a small twist oh. The annular space after these nozzles is connected to the heat and mass transfer chamber. Getting into the heat and mass transfer chamber 7, the liquid contacts the steam jets that exit tangentially to the flow of a rotating liquid, which spins it, repeatedly increasing the speed of rotation of the liquid. The energy of rotation of the liquid is transferred to the central part of the blade device and ejects the liquid from the chamber 6. The spatula prevents the transfer of energy of rotation of the liquid from the chamber 7 to the chamber 6 (the higher the speed of rotation of the liquid in the chamber 6, the greater the pressure on the walls of the chamber, the greater the back pressure to the incoming fluid flow, the smaller the increase in fluid pressure at the outlet of the apparatus, the lower the ability of the apparatus to work as a kinetic pump). The flow of fluid untwisted to a high speed exits chamber 7 into chamber 8, increasing the swirl radius. According to the law of conservation of angular momentum with increasing spin radius, the fluid rotation speed decreases, and the pressure increases. It is possible to divert the heated liquid with increased pressure through the nozzle 5 tangentially attached to the chamber 8, and it can be diverted through the blade device (13, 14) and through the nozzle 5 connected coaxially to the cover 3. The apparatus of FIG. 1 provides a greater increase in the pressure of the liquid, than the apparatus of figure 4. The cylinder 9 prevents the steam from shooting through the water layer and forming a rotating steam tow along the axis of the apparatus. Steam flows around the cylinder 9 in a thin layer, which greatly reduces the force of water hammer during condensation. The presence of several steam supply pipes allows you to save the speed and kinetic energy of the steam at reduced loads due to the disconnection of part of the pipes, which contributes to an increase in fluid pressure at the outlet of the apparatus. If one steam nozzle is installed on the apparatus, then the maximum increase in fluid pressure can be obtained only at maximum load. For using the device only as a boiler, the number of nozzles 10 does not matter. The speed of rotation of the water in the chamber 8 has its optimum value (at a low speed, the increase in fluid pressure is insufficient, at a high speed, friction losses increase). In order to have a significant increase in fluid pressure, it is necessary to perform the apparatus in two or more steps (see figure 3). From the output chamber 8 of the first stage, the heated liquid with increased pressure enters the second similar stage through the blade device 14a, where it additionally heats up and increases the pressure, and so on.

Наличие цилиндра по оси аппарата предотвращает образование парового жгута по центру аппарата (паровой полости достаточно большого объема) и предотвращает термоудары (гидроудары), возникающие при конденсации пара в жгуте большого объема.The presence of a cylinder along the axis of the apparatus prevents the formation of a steam bundle in the center of the apparatus (a vapor cavity of a sufficiently large volume) and prevents thermal shock (water hammer) that occurs when steam condenses in a large bundle.

Наличие тангенциальных патрубков и шайбы (кольцевой перегородки) перед камерой тепломассообмена вместо лопаточного устройства упрощает и удешевляет конструкцию, но уменьшает увеличение полезного напора нагреваемой жидкости.The presence of tangential nozzles and a washer (annular partition) in front of the heat and mass transfer chamber instead of the blade device simplifies and cheapens the design, but reduces the increase in the useful pressure of the heated fluid.

Наличие лопаточного устройства для перемещения жидкости из входной камеры в камеру тепломассообмена создает эжекцию входящих потоков жидкости за счет быстровращающейся жидкости в камере тепломассообмена и повышает давление жидкости на выходе из аппарата по сравнению с давлением на входе в аппарат. То есть позволяет работать аппарату в качестве кинетического насоса. Наличие лопаточного аппарата в выходной камере равноценно установке отводящего патрубка 5 тангенциально отводящей камере.The presence of a blade device for moving fluid from the inlet chamber to the heat and mass transfer chamber creates an ejection of the incoming fluid flows due to the rapidly rotating liquid in the heat and mass transfer chamber and increases the liquid pressure at the outlet of the apparatus compared to the pressure at the inlet of the apparatus. That is, it allows the apparatus to work as a kinetic pump. The presence of a spatula in the outlet chamber is equivalent to the installation of the outlet pipe 5 tangentially outlet chamber.

Claims

1. Centrifugal-vortex heat and mass exchanger (CVT) for heating liquid with steam, having a circular housing with end caps, inside which there is an inlet fluid chamber, a swirling heat and mass transfer chamber, an outlet chamber, there are fluid inlet and outlet pipes, at least one steam chamber around the swirl heat and mass transfer chambers with an inlet steam line, with tangential nozzles connecting the steam chamber to the heat and mass transfer chamber, characterized in that along the axis of the swirl chamber the heat and mass transfer and a discharge chamber is set smaller diameter cylinder made solid or a tube.

2. Centrifugal-vortex heat and mass exchanger (CVT) for heating liquid with steam according to claim 1, characterized in that the inlet or outlet pipes of the liquid are connected tangentially to the inlet and outlet chambers, and the inlet chamber is connected to the swirling chamber of heat and mass transfer through an annular partition (washer) .

3. Centrifugal-vortex heat and mass exchanger (CVT) for heating liquid with steam according to claim 1, characterized in that the liquid inlet pipe is connected to the front end cover, and the liquid discharge pipe to the rear end cover, and blade devices are installed in the inlet and outlet chambers to move the liquid from a larger radius to a smaller one, consisting of a disk and blades, the first of which is attached to the swirling chamber of heat and mass transfer, and the second is installed in front of the discharge pipe of the liquid.