Теплообмінник

Изобретение относится к области теплообменных приборов, работающих по принципу смешивания жидкости и водяного пара, и может найти применение в различных отраслях для подогрева жидких сред. Из уровня техники, относящегося к теплообменникам, работающим по принципу смешивания жидкости и водяного пара, наиболее близким по совокупности признаков является теплообменник, содержащий концентрично расположенные камеру распределения и сопло подачи пара и соосно расположенные с ними сопло подачи жидкости, образованное стенками кoнфузора и поверхностью сопла подачи пара, расположенного в конфузоре, за которым находится камера смешивания, диаметр которой равен выходному диаметру конфузора, и диффузор, входной диаметр которого равен диаметру камеры смешивания (см. а. с. СССР №1507299). Известный теплообменник совпадает с заявляемым по следующим признакам: содержит камеру распределения с соплом подачи пара и соплом подачи жидкости, выходные отверстия которых сообщаются с конфузором, причем сопло подачи расположено соосно с камерой распределения, конфузором и камерой смешивания, диаметр которой равен выходному диаметру конфузора. Однако известный теплообменник, выбранный в качестве прототипа, не обеспечивает достижение технического результата заявляемого изобретения, что обусловлено следующими причинами: - соосное расположение элементов теплообменника обеспечивает мгновенную конденсацию пара в жидкости за счет создания скачка давления в двухфазном потоке, движущемся со скоростью, превышающей скорость распространения звука в ней, т. е. 10-50 м/с, что обеспечивается при переходе потока из сечения меньшего диаметра (камера смешивания) в сечение большего диаметра (диффузор), что требует высоких скоростей движения пара и жидкости через сопла; - конструктивные особенности теплообменника, требующие высоких скоростей движения пара и жидкости, позволяют регулировать теплоотдачу только при скорости движения пара не менее 500 м/с, что обусловлено необходимостью разгона образующегося двухфазного потока до скорости, превышающей скорость распространения звука в ней; - низкая надежность теплообменника, обусловленная тем, что мгновенность процесса конденсации пара в теплообменнике зависит от изменения гидравлического сопротивления в системе, к которой он подключен, так как повышение давления в системе, к которой он подключен, будет препятствовать достижению сверхзвуковой скорости двухфазного потока при тех же скоростях движения пара и жидкости, т. е. процесс конденсации пара в жидкости будет резко увеличиваться во времени, а теплоотдача - снижаться. Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании тепло-обменника, в котором новое взаиморасположение его элементов позволило бы обеспечить мгновенную конденсацию пара в жидкости при скорости движения двухфазного потока меньшей, чем скорость распространения звука в нем, и за счет этого расширить диапазон регулирования теплоотдачи путем изменения расхода • сред, и повысить надежность работы теплообменника. Поставленная задача решается в теплообменнике, содержащем камеру распределения с соплом подачи пара и соплом подачи жидкости, выходные отверстия которых сообщаются с конфузором, причем сопло подачи жидкости расположено соосно с конфузором и камерой смешивания, диаметр которой равен выходному диаметру конфузора, тем, что в отличие от прототипа, сопло подачи жидкости расположено концентрично камере распределения, при этом входное отверстие сопла подачи пара расположено в камере распределения, причем центры его входного и выходного отверстия лежат на окружностях, соосных с соплом подачи жидкости, а само сопло расположено в пространстве так, что проекция его оси на плоскость, в которой лежит ось сопла жидкости, составляет с ней угол 25-30°, а проекция его оси на плоскость, перпендикулярно к оси сопла подачи жидкости, составляет с ней угол 25-30°. Частным случаем выполнения теплообменника является наличие нескольких, преимущественно четырех, сопел подачи пара, которые расположены на равном удалении друг от друга. Частный случай выполнения теплообменника позволяет получить равномерное распределение пара в жидкости, и за счет этого повысить теплоотдачу, по сравнению с теплообменником с одним соплом. Однако количество сопел подачи пара не влияет на достижение технического результата заявленной совокупности существенных признаков, который обеспечивается за счет придания двухфазному потоку осевого и вращательного движения. Между заявляемой совокупностью существенных признаков и техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь. Поток жидкости, перед поступлением в конфузор, смешивается с потоком пара, образуя двухфазную систему. При этом, благодаря расположению сопла подачи относительно оси сопла подачи жидкости, двухфазный поток, кроме осевого движения, приобретает и вращательное вращение относительно оси теплообменника. При движении потока через конфузор, диаметр которого уменьшается по направлению движения потока, происходит скачек давления, величина которого является результирующей скоростей осевого и вращательного движения, что обеспечивает мгновенную конденсацию пара в камере смешивания. Процесс мгновенной конденсации пара в жидкости при движении двухфазного потока со скоростью, меньшей скорости распространения звука в ней, как установили авторы, зависит от взаиморасположения осей сопла подачи пара и сопла подачи жидкости следующим образом; изменение угла расположения проекции оси сопла подачи пара на плоскость, в которой лежит ось сопла подачи жидкости, а также изменение ее проекции на плоскость, перпендикулярную к оси сопла подачи жидкости в большую или меньшую стороны от заявленного интервала приводит к резкому снижению скорости концентрации пара в жидкости, о чем свидетельствует температура потока на выходе из теплообменника. Влияние взаиморасположения осей сопла подачи пара и сопла подачи жидкости на температуру потока, выходящего из теплообменника, приведена в таблице. Так как конденсация пара в предложенном теплообменнике происходит мгновенно при скорости движения двухфазной среды меньшей, чем скорость распространения звука за счет изменения расхода одной из сред в широком диапазоне, т. к. нет необходимости за счет расхода сред обеспечивать необходимую скорость двухфазного потока. Кроме того, изменение давления в системе, в которой подключен теплообменник не будет существенно влиять на скорость конденсации пара, так как ее конденсация происходит при дозвуковых скоростях, поэтому надежность предложенного теплообменника увеличивается. Предложенный теплообменник поясняется следующими графическими материала-. ми: на фиг. 1 приведен чертеж теплообменника, а на фиг. 2 - его разрез по А-А, где: камера распределения 1, отверстие подачи пара 2, сопло подачи жидкости 3, конфузор 4, камера смешивания 5, сопло подачи пара 6. Теплообменник содержит концентрично расположенные: камеру распределения 1 с отверстием 2 подачи пара и сопло 3 подачи, жидкости, соосно расположенное с конфу-зором 4 и камерой смешивания 5, диаметр которой равен выходному диаметру конфузора 4. Входное отверстие сопла 6 подачи пара расположено в камере 1 распределения, причем центры входного и выходного отверстия сопла 6 подачи пара лежит на окружности, соосной подачи жидкости, сопло б подачи пара расположено в пространстве так, что проекция его оси на плоскость, в которой лежит ось сопла подачи жидкости составляет с ней угол 25-30°, а проекция его оси на плоскость, перпендикулярную к оси сопла подачи жидкости 3, составляет с ней угол 25-30°. В случае, когда сопел 6 несколько, они расположены на равном удалении друг от друга. Предложенный теплообменник работает следующим образом. Пар по трубопроводу (на фиг. 1 не показан) подается в камеру распределения 1 через отверстия 2 со скоростью 70-80 м/с. Одновременно по тру/ бопроводу (на фиг. 2 не показан) подается жидкость со скоростью 3-5 м/с, которая через сопло поступает в конфузор 4, где смешивается с потоком пара, поступающим через сопло 6 и, благодаря их расположению, образующийся двухфазный поток, кроме осевого, приобретает и вращательное движение относительно оси теплообменника. Далее поток поступает в камеру смешения 5, диаметр которой соответствует выходному диаметру конфузора 4, что обеспечивает создание скачка давления, величина которого является результирующей скоростью линейного и вращательного движения потока, что обеспечивает мгновенную конденсацию пара в теплообменнике. После камеры смешения 5 нагретая жидкость подается к потребителю (на фиг. 1 не показан). Пример 1. Осуществляют нагрев воды в теплообменнике, для чего в камеру распределения 1 через отверстие 2 подают пар с температурой 130°С, расход пара 0,111 мг/с, скорость 70 м/с. Одновременно через сопло 3 подают жидкость с температурой 10°С и расходом 0,111 мг/с, скорость 3 м/с, которая поступает в конфузор 4, где смешивается с паром, поступающим через сопла 6 подачи пара, которых в теплообменнике четыре. Сопла 6 подачи пара расположены так, что входное отверстие находится в камере 1 распределения, центры входного и выходного отверстия расположены на окружности, соосно с соплом подачи жидкости 3, а само сопло 6 подачи пара расположено в пространстве таким образом, что проекция ее оси на плоскость, в которой лежит ось сопла подачи жидкости, составляет с ней угол 25-30°, а ее проекция на плоскость, перпендикулярную к оси сопла, составляет угол 25-30 . Благодаря чему образующаяся двухфазная среда приобретает кроме линейного вращательное движение относительно оси теплообменника. Далее двухфазная среда поступает через конфузор 4 в камеру смешивания 5, диаметр которой равен выходному диаметру конфузора 4, что создает скачек давления, обеспечивающий мгновенную конденсацию пара. Температура воды на выходе их теплообменника 70°С. . Расчет теплового баланса, проведенный по формуле: где D1 - расход греющего пара (кг/с); I 1 - энтальпия греющего пара (КДж/кг); Q - количество тепла (Ккал); Gb - расход нагреваемой воды (кг/с); I 10~ энтальпия нагреваемой воды с температурой 10°С при значениях параметров пара и воды выполнения примера составляет 70°С, что подтверждает мгновенный характер конденсации пара в жидкости. Пример 2. Осуществляют нагрев воды в теплообменнике, описанном в примере 1 за исключением расположения сопел 6 подачи пара. Они расположены в пространстве так, что проекция оси сопла 6 на плоскость, в которой лежит ось сопла 3 подачи жидкости, образует с ней угол 30°, а проекция на ппоскость. перпендикулярную к оси сопла 3 составляет с ней угол 30 . Параметры сред на входе в теплообменник аналогичны примеру 1 за исключением скорости: пар - 80 м/с; вода - 5 м/с. Температура воды на выходе из теплообменника -70°С. Расчётная температура 70°С, что свидетельствует о мгновенной конденсации пара. Пример 3. Осуществляют нагрев воды в теплооб-меннше, описанном в примере 1 за исключением расположений сопел подачи пара 6. Они расположены в пространстве так, что проекция оси сопла б на плоскость, в которой лежит ось сопла подачи жидкости 3. составляет с ней угол 20°, а проекция на плоскость, перпендикулярную к оси сопла, составляет 20 С. Параметры среды на входе аналогичны примеру 1. Температура воды на выходе из теплообменника 37°С, расчетная температура 70°С, что свидетельствует о низкой теплоотдаче в теплообменнике, Пример 4. Осуществляют нагрев воды в теплообменнике, описанном в примере 1, за исключением расположения сопел 6 подачи пара. Сопло 6 расположено в пространстве так, что проекция его оси на плоскость, в которой лежит ось сопла подачи жидкости, составляет с ней угол 35°, а проекция ее на плоскость, перпендикулярную к оси сопла, составляет с ней угол 35°. Параметры среды на входе аналогичны примеру 2. Температура воды на выходе из теплообменника 42°С, расчетная температура 70°, что свидетельствует о низкой теплоотдаче в теплообменнике, обусловленной длительностью процесса конденсации пара, Пример 5. Осуществляют нагрев воды в теплообменнике, описанном в примере 1. Параметры сред на входе; пар 130°С, расход 0,056 кг/с, скорость 70 м/с, вода 10°С, расход 0.056 кг/с, скорость 3 м/с. п- Температура воды на выходе из теплообменника 70°С, расчетная температура 70°С, что свидетельствует о возможности урегулирования теплоотдачи за счет изменения расхода пара в жидкости. Пример 6, Осуществляют нагрев воды в теплообменнике, описанном в примере 1. Параметры сред на входе: пар 130°С, расход 0.056 кг/с, скорость 70 м/с. вода - 10°С. расход-0,111 кг/с, скорость - 3 м/с. Температура воды на выходе - 35°С, расчетная температура 35°С. что свидетельствует, подтверждает возможность регулирования теплоотдачи при изменении расхода одной из сред, когда скорость двухфазного потока меньше скорости распространения звука в ней.. Пример 7, Осуществляют нагрев воды в теплообменнике, содержащем одно сопло 6 подачи пара. Сопло 6 расположено аналогично, как и в примере 1. Параметры воды и пара на входе в теплообменник аналогичны примеру 1. Температура воды на выходе из теплообменника 54°С, расчетная температура 70°С, что свидетельствует о снижении скорости конденсации пара в теплообменнике по сравнению с теплообменником, содержащим четыре сопла, из-за неравномерного распределения пара в воде. Однако скорость конденсации пара в воде остается высокой при дозвуковой скорости движения двухфазного потока меньшей, чем скорость распространения звука в ней. Пример 8. Осуществляют нагрев воды в теплообменнике, содержащем одно сопло 6 подачи пара, расположенное в пространстве, так и в примере 2. Параметры пара и воды на входе в теплообменник аналогичны примеру 2. Температура воды на выходе из теплообменника 55°С, что свидетельствует о снижении скорости конденсации пара no-сравнению с теплообменником по примеру 2, вследствие неравномерного распределения пара в жидкости, но при скорости движения двухфазного потока меньшей, чем скорость распространения звука в ней. Пример 9. Осуществляют нагрев воды в теплообменнике, содержащем одно сопло подачи пара 6, расположенное в пространстве аналогично соплу 6 примера 3. Параметры пара и воды на входе в теплообменник аналогичны примеру 1. Температура воды на выходе из теплообменника 27°С, что свидетельствует о резком падении скорости конденсации пара в жидкости. Пример 10. Осуществляют нагрев воды в теплообменнике, содержащем одно сопло подачи пара 6. расположенное в пространстве аналогично соплу 6 примера 4. Параметры пара и воды на входе в теплообменник аналогичны примеру 4, Температура воды на выходе из теплообменника 29°С, расчетная температура 70°С, что свидетельствует о низкой теплоотдаче, вследствие резкого падения скорости конденсации пара.