Порівняння пароводяного струменевого апарату ПСА з пароутілізатором

1 Принцип дії пароутілізатора

Пароутілізатор не є прямим аналогом пароводяного струменевого апарату ПСА. Основне призначення пароутілізатора, звичайно ж, таке ж, як і у ПСА - це підігрівши води за допомогою пари. Але технічна реалізація процесу змішення пари і води принципово відрізняється. Для пояснення суті відмінності необхідно зупиниться на конструкції обох пристроїв.

Пароутілізатор складається з двох основних вузлів – конденсаційної колони і водяного ежектора. У конденсаційну колону подається пара і вода. У колоні вода диспергує на дрібні краплі методом розбризкування і конденсує пару. У нижній частині колони скупчується перегріта вода, змішана з конденсатом пари. З колони отримана суміш відсисається водоструминним ежектором. Робочою водою, що подається і на ежектор і в конденсаційну колону, є мережева вода. При цьому основна частина води подається на ежектор, а менша частина води – в конденсаційну колону. Ось у загальних рисах і все "ноу-хау", яке закладене в конструкцію пароутілізатора.

2 Особливості конструкції ПСА

Тепер те, що стосується конструкції нашого апарату. Ми застосовуємо інший підхід і до конструкції апарату, а також до розуміння виразу "ноу-хау". На наш погляд "ноу-хау" закладене не в конструкції пристрою, а міститься в методиці правильного розрахунку струменевого апарату, тобто полягає в знанні і правильному розумінні процесів, що відбуваються при змішенні пари і води. Конструкція нашого апарату з вигляду простіше, ніж конструкція пароутілізатора, але опис процесу набагато складніший. Принцип дії ПСА заснований на відомому фізичному явищі з області гідродинаміки двофазних потоків, суть якого полягає у виникненні стрибка ущільнення в двофазному потоці при розгоні останнього до надзвукової швидкості і подальшого гальмування з переходом звукового бар'єру.

ПСА містить корпус з патрубком підведення води і з фланцем підведення пари. У корпусі співісний встановлений труба. Уздовж осі апарату встановлено центральне тіло і парове сопло. На вході пристрою встановлена опора центрального тіла. На виході пристрою встановлена опора центрального тіла. Конус змішувача камери змішення і вихідний дифузор реалізовані за рахунок кільцевого зазору між зовнішньою поверхнею центрального тіла і внутрішньою поверхнею труби.

Пристрій функціонує таким чином: активне середовище (пара) по трубопроводу, приєднаному до фланця, поступає в сопло, в якому в процесі розширення досягає швидкості течії близькою до швидкості звуку, або що перевершує її. Пасивне середовище (вода) підводиться до фланця, і далі, проходячи через кільцевий зазор між кромкою сопла і труби, подається в камеру змішення. У камері змішення відбувається повний распил кільцевого струменя води високошвидкісним потоком пари. Утворюється тонкий водяний пил з розміром частинок близько 1 мкм. Площа зіткнення потоків пари і води істотно зростає. Для прикладу, в одному літрі суміші, що утворилася, може вийти поверхня зіткнення фаз до 2000 м2. Завдяки цьому пара практично миттєво конденсується. В результаті конденсації пари статичний тиск в потоці зменшується до тиску насичення при температурі суміші (у камері змішення утворюється вакуумна зона). Крім того, швидкість звуку в отриманій рівноважній мелкодісперсной двофазній суміші також сильно знижується і стає менше, ніж швидкість руху самої суміші. Тобто, режим руху суміші стає надзвуковим. В процесі закінчення надзвукової двофазної суміші через горловину камери змішення в суміші виникає прямий стрибок ущільнення. Прямий стрибок дозволяє перетворити енергію швидкісного натиску потоку в енергію статичного тиску. В результаті, за стрибком ущільнення статичний тиск в потоці істотно зростає і стає значно більше тиску насичення при температурі суміші. Це приводить до повної і остаточної конденсації пари. Режим надзвукового двофазного перебігу суміші після стрибка ущільнення переходить в режим дозвукової однофазної течії. На виході пристрою формується суцільний потік нагрітої води, що має вищу температуру і тиск по відношенню до початкового потоку води.

3 Властивості і характеристика

Виходячи з опису видно, що фізичний механізм, закладений в основу принципу дії нашого апарату складніше, а конструкція простіша, ніж у пароутілізатора. Оскільки різні принципи дії порівнюваних пристроїв, то, природно, будуть різні і їх властивості і характеристики. Що стосується пароутілізатора, то хочеться сказати, що саме його "ноу-хау" не дозволяє йому здійснювати підігрівши води більш ніж на 30 ОС. Адже в основі даного пристрою лежить водоструминний ежектор, який струменем робочої мережевої води, що проходить через основне сопло, засмоктує суміш конденсату пари і мережевої води, що виходить в конденсаційній колоні. Значить, величина підігріву буде обмежена максимальною кількістю конденсату, який може затягнути робочий струмінь. А оскільки ця кількість не так вже і велика, то, і підігрів виходить невеликим, тобто не більше 30 ОС. Значно більшого значення підігріву можна досягти, якщо використовувати як робочий потік пару, і парою засмоктувати воду. Саме цей процес реалізований в наших інжекторах. Тому вони можуть працювати з підігрівом на 60 ОС і більш, і, крім того, володіють насосним ефектом. Таким чином, пароутілізатори вимагають, щоб через них обов'язково прокачувалася вся вода, циркулююча в системі, і при цьому вони гріють не більше ніж на 30 ОС; при використанні ж ПСА немає необхідності пропускати через них всю воду. Достатньо подати на наші апарати одну другу частину води, а решту кількості пропустити через лінію підмішування без підігріву. ПСА легко нагріватимуть воду на 60 ОС, а після підмішування вийдуть ті ж самі 30 ОС. Оскільки через наші апарати пропускається лише частина води, ПСА мають менші габарити і менші діаметри трубопроводів, що підводять. Тому і вартість ПСА вийде менше, ніж вартість пароутілізаторов. І це навіть притому, що апарати ПСА, на відміну від пароутілізаторов, повністю (включаючи корпус) виготовлені з неіржавіючої сталі, унаслідок чого мають незрівняно більший термін служби!

4 Вимоги до тиску

Для роботи пароутілізатора необхідно забезпечити падіння тиску на нім близько 2 кгс/см2 для нормальної роботи водоструминного ежектора. Наші ж ПСА можуть працювати взагалі без падіння тиску, і, більш того, навіть з підвищенням тиску води, тобто можуть допомагати мережевому насосу прокачувати воду в системі. Тому при використанні наших апаратів можна застосувати мережевий насос з меншим натиском, а значить, і з меншою потужністю, чим у випадку з пароутілізатором, істотно економлячи на електроенергії.

5 Про механізм гасіння вібрацій

Для того, щоб зрозуміти, навіщо він потрібний і як повинен працювати, необхідно визначитися з причиною виникнення вібрації. У будь-яких без виключення струменевих апаратах вібрація виникає унаслідок нерівномірності в розподілі потоку по перетину камери змішення. Таким чином, принцип боротьби з вібрацією дуже простий – чим краще перемішаються середовища, тим менше буде вібрація.

Особливо сильно вібрація виявляється в апаратах, в яких робочим середовищем є вода, тобто коли вода подається на центральне сопло, а потік пари засмоктується струменем води. Саме так і відбувається в пароутілізаторах. В цьому випадку нерівномірність виходить максимальна, оскільки центральну частину потоку (ядро потоку) займає суцільний струмінь води, а периферійну частину потоку займає пара. При такому варіанті змішення відбувається погано, оскільки суцільний струмінь води погано диспергує, площа поверхні зіткнення потоків виходить маленька, нерівномірність зберігається впродовж всієї довжини камери змішення і в результаті все це приводить до виникнення вібрації. Тому для гасіння вібрації в пароутілізаторах доводиться застосовувати додаткові хитрування – робити конденсаційну колону, щоб в камеру змішення потрапляла не чиста пара, а вже заздалегідь змішаний з водою, або застосовувати багатосоплову конструкцію ежектора, або застосовувати відцентрове сопло, щоб завихрений потік води сам розпадався на краплі. Природно, такі серйозні ускладнення конструкцій приводять до їх дорожчання і йдуть в збиток надійності і довговічності.

В ПСА робочим середовищем є пара, а вода подається на кромку парового сопла у вигляді тонкого кільцевого струменя. Тонкий кільцевий струмінь значно простіше розпадається на краплі, тим більше, коли по центру подається пара, а струмінь води проходить під кутом до потоку пари. В цьому випадку забезпечується повний распил потоку води на найдрібніші краплі. Тому вже на відстані 3-10 см після кромки сопла весь перетин камери змішення рівномірно заповнений однорідною тонкодисперсною рівноважною двофазною сумішшю, паровий сердечник виходить коротким, або відсутній. Коли мова йде про великих апаратах (з продуктивністю більше 100 т/ч), то для полегшення распила і зменшення довжини парового сердечника ми застосовуємо центральне тіло. У малих апаратах обходимося без нього.

6 Про регулювання теплової потужності

Теплову потужність при використанні струменевих апаратів ПСА можна регулювати декількома способами. По-перше, ступінчасто, тобто кількістю підключених апаратів. Зазвичай в системах опалювання ми пропонуємо застосовувати два апарати по половині теплової потужності кожен. Це дозволяє розширити загальний діапазон регулювання і забезпечити половинне резервування системи. По-друге, плавно, тобто за допомогою регулюючого клапана подачі пари шляхом дроселювання тиску пари перед апаратами. Перший спосіб дозволяє регулювати потужність грубо – або 50% (один апарат), або 100% (два апарати). Другий спосіб забезпечує точне регулювання потужності. Допустимий діапазон регулювання потужності тиском пари залежить від співвідношення тиску пари і води. Чим більше різниця між тиском пари, що розташовується, і тиском води, тим ширше виходить діапазон регулювання. Найчастіше діапазон складає не менше 50%. Таким чином, загальний діапазон регулювання при використанні двох апаратів виходить не менше 75%, тобто від 25% до 100%.

Крім того, ми пропонуємо третій спосіб регулювання, який дозволяє ще більше розширити загальний діапазон регулювання потужності системи, – регулюванням продуктивності кожного апарату окремо. Для цих цілей НВО "Нові Технології" проводить пароводяні струменеві апарати ПСА-Р, регулювання теплової потужності, що володіють можливістю. Такі апарати ми називаємо регульованими. Вони оснащені штурвалом, за допомогою якого можна змінювати внутрішні перетини проточної частини і тим самим змінювати продуктивність апарату. Діапазон регулювання ми встановлюємо так, щоб забезпечити можливість зміни продуктивності апарату від 60% 120% від номінала. Таким чином, загальний діапазон регулювання потужності при використанні двох регульованих апаратів складає від 15% до 120%.

7 Виводів

Отже, підводячи підсумки порівняння пароводяних струменевих апаратів ПСА з пароутілізаторамі, можна констатувати наступні переваги ПСА:

· Конструкція ПСА простіша, надійніше і довговічніше;

· Вібрації відсутні;

· Величина підігріву води більша;

· Немає обмежень по перепаду тиску;

· Економія електроенергії мережевого насоса;

· Більший діапазон регулювання;

· Низька ціна.

А якщо ще додати до вищепереліченого, що ПСА мають у декілька разів менші габарити (що дозволяє істотно заощадити місце в котельній і в рази понизити вартість монтажних робіт), то можна, застосовуючи боксерську термінологію, констатувати перемогу пароводяних струменевих апаратів ПСА над пароутілізаторамі з формулюванням "за явною перевагою".