Сравнение пароводяного струйного аппарата ПСА из пароутилизатором

1 Принцип действия пароутилизатора

Пароутилизатор не является прямым аналогом пароводяного струйного аппарата ПСА. Основное назначение пароутилизатора, конечно же, таково же, как и у ПСА - это подогрев воды с помощью пары. Но техническая реализация процесса смешения пары и воды принципиально отличается. Для объяснения сути отличия необходимо остановится на конструкции обоих пристроил.

Пароутилизатор состоит из двух основных узлов – конденсационной колонны и водяного эжектора. В конденсационную колонну подается пара и вода. В колонне вода диспергирует на мелкие капли методом разбрызгивания и конденсирует пару. В нижней части колонны скапливается перегретая вода, смешанная с конденсатом пары. Из колонны полученная смесь отсасывается водоструйным эжектором. Рабочей водой, которая подается и на эжектор и в конденсационную колонну, является сетевая вода. При этом основная часть воды подается на эжектор, а меньшая часть воды – в конденсационную колонну. Вот в общих чертах и все "ноу-хау", которое заложено в конструкцию пароутилизатора.

2 Особенности конструкции ПСА

Теперь то, которое касается конструкции нашего аппарата. Мы применяем другой подход и к конструкции аппарата, а также к пониманию выражения "ноу-хау". На наш взгляд "ноу-хау" заложено не в конструкции устройства, а содержится в методике правильного расчета струйного аппарата, то есть заключается в знании и правильном понимании процессов, которые происходят при смешении пары и воды. Конструкция нашего аппарата из вида проще, чем конструкция пароутилизатора, но описание процесса намного более сложно. Принцип действия ПСА основан на известном физическом явлении из области гидродинамики двухфазных потоков, суть которого заключается в возникновении прыжка уплотнения в двухфазном потоке при разгоне последнего к сверхзвуковой скорости и последующему торможению с переходом звукового барьера.

ПСА содержит корпус с патрубком подведения воды и с фланцем подведения пары. В корпусе соосный установлен труба. Вдоль оси аппарата установлено центральное тело и паровое сопло. На входе устройства установлена опора центрального тела. На выходе устройства установлена опора центрального тела. Конус смесителя камеры смешения и исходный диффузор реализованы за счет кольцевого зазора между внешней поверхностью центрального тела и внутренней поверхностью трубы.

Устройство функционирует таким образом: активная среда (пара) по трубопроводу, присоединенному к фланцу, поступает в сопло, в котором в процессе расширения достигает скорости течения близкой к скорости звука, или что превосходит ее. Пассивная среда (вода) подводится к фланцу, и дальше, проходя через кольцевой зазор между кромкой сопла и трубы, подается в камеру смешения. В камере смешение происходит полный распил кольцевой струи воды высокоскоростным потоком пара. Образуется тонкая водяная пыль с размером частиц около 1 мкм. Площадь столкновения потоков пара и воды существенно растет. Для примера, в одном литре смеси, которая образовалась, может выйти поверхность столкновения фаз до 2000 м2. Благодаря этому пара практически мгновенно конденсирующаяся. В результате конденсации пары статическое давление в потоке уменьшается к давлению насыщения при температуре смеси (в камере смешения образуется вакуумная зона). Кроме того, скорость звука в полученной равновесной мелкодисперсной двухфазной смеси также сильно снижается и становится меньше, чем скорость движения самой смеси. То есть, режим движения смеси становится сверхзвуковым. В процессе окончания сверхзвуковой двухфазной смеси через горловину камеры смешения в смеси возникает прямой прыжок уплотнения. Прямой прыжок позволяет превратить энергию скоростного натиска потока в энергию статического давления. В результате, за прыжком уплотнения статическое давление в потоке существенно растет и становится значительно больше давления насыщения при температуре смеси. Это приводит к полной и окончательной конденсации пары. Режим сверхзвукового двухфазного хода смеси после прыжка уплотнения переходит в режим дозвукового однофазного течения. На выходе устройства формируется сплошной поток нагретой воды, которая имеет высшую температуру и давление по отношению к начальному потоку воды.

3 Свойства и характеристика

Исходя из описания видно, что физический механизм, заложенный в основу принципа действия нашего аппарата сложнее, а конструкция проще, чем в пароутилизатора. Поскольку разные принципы действия сравниваемых устройств, то, естественно, будут разными и их свойства и характеристики. Что касается пароутилизатора, то хочется сказать, что именно его "ноу-хау" не позволяет ему осуществлять подогрев воды более чем на 30 ОС. Ведь в основе данного устройства лежит водоструйный эжектор, который струей рабочей сетевой воды, которая проходит через основное сопло, засасывает смесь конденсата пары и сетевой воды, которая выходит в конденсационной колонне. Значит, величина подогрева будет ограничена максимальным количеством конденсата, который может затянуть рабочую струю. А поскольку это количество не так уж и большое, то, и подогрев выходит небольшим, то есть не больше 30 ОС. Значительно больше значения подогрева можно достичь, если использовать в качестве рабочий потек пару, и парой засасывать воду. Именно этот процесс реализован в наших инжекторах. Поэтому они могут работать с подогревом на 60 ОС и более, и, кроме того, владеют насосным эффектом. Таким образом, пароутилизатори требуют, чтобы через них обязательно прокачивалась вся вода, циркулирующая в системе, и при этом они греют не более чем на 30 ОС; при использовании же ПСА нет необходимости пропускать через них всю воду. Достаточно подать на наши аппараты одну вторую часть воды, а остальное количество пропустить через линию подмеса без подогрева. ПСА легко будут нагревать воду на 60 ОС, а после подмеса выйдут те же 30 ОС. Поскольку через наши аппараты пропускается лишь часть воды, ПСА, имеют меньшие габариты и меньшие диаметры трубопроводов, которые подводят. Поэтому и стоимость ПСА выйдет меньше, чем стоимость пароутилизаторов. И это даже притом, что аппараты ПСА, в отличие от пароутилизаторов, полностью (включая корпус) изготовленные из нержавеющей стали, в результате чего имеют несравнимо больший срок службы!

4 Требования к давлению

Для работы пароутилизатора необходимо обеспечить падение давления на нем около 2 кгс/см2 для нормальной работы водоструйного эжектора. Наши же ПСА могут работать вообще без падения давления, и, более того, даже с повышением давления воды, то есть могут помогать сетевому насосу прокачивать воду в системе. Поэтому при использовании наших аппаратов можно применить сетевой насос с меньшим натиском, а значит, и с меньшей мощностью, чем в случае с пароутилизатором, существенно экономя на электроэнергии.

5 О механизме гашения вибраций

Для того, чтобы понять, зачем он нужен и как должен работать, необходимо определиться с причиной возникновения вибрации. В любых без исключения струйных аппаратах вибрация возникает в результате неравномерности в распределении потока по пересечению камеры смешения. Таким образом, принцип борьбы с вибрацией очень простой – чем лучше перемешаются среды, тем меньше будет вибрация.

Особенно сильно вибрация оказывается в аппаратах, в которых рабочей средой является вода, то есть когда вода подается на центральное сопло, а потек пары засасывается струей воды. Именно так и происходит в пароутилизаторах. В этом случае неравномерность выходит максимальная, поскольку центральную часть потока (ядро потока) занимает сплошная струя воды, а периферийную часть потока занимает пара. При таком варианте смешение происходит плохо, поскольку сплошная струя воды плохо диспергирует, площадь поверхности столкновения потоков выходит маленькая, неравномерность сохраняется на протяжении всей длины камеры смешения и в результате все это приводит к возникновению вибрации. Поэтому для гашения вибрации в пароутилизаторах придется применять дополнительные ухищрения – делать конденсационную колонну, чтобы в камеру смешения попадала не чистая пара, а уже предварительно смешанный с водой, или применять многосопловую конструкцию эжектора, или применять центробежное сопло, чтобы завихренный поток воды сам распадался на капле. Естественно, такие серьезные осложнения конструкций приводят к их удорожанию и идут в убыток надежности и долговечности.

У ПСА рабочей средой является пара, а вода подается на кромку парового сопла в виде тонкой кольцевой струи. Тонкая кольцевая струя значительно проще распадается на капле, тем более, когда по центру подается пара, а струя воды проходит под углом к потоку пара. В этом случае обеспечивается полный распил потоку воды на мельчайшие капли. Поэтому уже на расстоянии 3-10 см после кромки сопла все пересечение камеры смешения равномерно заполнено однородной тонкодисперсной равновесной двухфазной смесью, паровой сердечник выходит коротким, или отсутствует. Когда речь идет о больших аппаратах (с производительностью больше 100 т/ч), то для облегчения распила и уменьшения длины парового сердечника мы применяем центральное тело. В малых аппаратах обходимся без него.

6 О регуляции тепловой мощности

Тепловую мощность при использовании струйных аппаратов ПСА можно регулировать несколькими способами. Во-первых, ступенчато, то есть количеством подключенных аппаратов. Обычно в системах отопления мы предлагаем применять два аппарата по половине тепловой мощности каждый. Это позволяет расширить общий диапазон регуляции и обеспечить половинное резервирование системы. Во-вторых, плавно, то есть с помощью регулирующего клапана подачи пары путем дросселирования давления пары перед аппаратами. Первый способ позволяет регулировать мощность грубо – или 50% (один аппарат), или 100% (два аппарата). Второй способ обеспечивает точную регуляцию мощности. Допустимый диапазон регуляции мощности давлением пары зависит от соотношения давления пары и воды. Чем больше разница между давлением пары, которая располагается, и давлением воды, тем шире выходит диапазон регуляции. Чаще всего диапазон составляет не менее 50%. Таким образом, общий диапазон регуляции при использовании двух аппаратов выходит не менее 75%, то есть от 25% до 100%.

Кроме того, мы предлагаем третий способ регуляции, который позволяет еще больше расширить общий диапазон регуляции мощности системы, – регуляцией производительности каждого аппарата отдельно. Для этих целей НПО "Новые Технологии" проводит пароводяные струйные аппараты ПСА-Р, регуляции тепловой мощности, которые владеют возможностью. Такие аппараты мы называем регулируемыми. Они оснащены штурвалом, с помощью которого можно изменять внутренние пересечения проточной части и тем самым изменять производительность аппарата. Диапазон регуляции мы устанавливаем так, чтобы обеспечить возможность изменения производительности аппарата от 60% 120% от номинала. Таким образом, общий диапазон регуляции мощности при использовании двух регулируемых аппаратов составляет от 15% до 120%.

7 Выводов

Следовательно, подводя итоги сравнения пароводяных струйных аппаратов ПСА из пароутилизаторами, можно констатировать следующие преимущества ПСА:

· Конструкция ПСА проще, надежнее и долговечнее;

· Вибрации отсутствуют;

· Величина подогрева воды больше;

· Нет ограничений по перепаду давления;

· Экономия электроэнергии сетевого насоса;

· Больший диапазон регуляции;

· Низкая цена.

А если еще прибавить к вышеперечисленному, что ПСА имеют в несколько раз меньшие габариты (что позволяет существенно сэкономить место в котельной и в разы снизить стоимость монтажных работ), то можно, применяя боксерскую терминологию, констатировать победу пароводяных струйных аппаратов ПСА над пароутилизаторами с формулировкой "за явным преимуществом".

Карта сайта.