А.И.Белевич, А.В.Крупцев, В.А.Малафеев

 

В последние годы фирмы, руководимые г-ном В.В.Фисенко ("Фисенко - Транссоник Корпорейшн", "ИК Фисоник", "Группа авторского надзора"), активно предлагают использовать в паровых отопительных котельных и ТЭС пароводяные струйные аппараты для нагрева и повышения давления питательной и сетевой воды. Это дает возможность отказаться от пароводяных подогревателей и насосов и повысить эффективность использования пара.

В рекламных проспектах упомянутых фирм и в статьях, автором или соавтором которых является В.В.Фисенко, такой аппарат назван "трансзвуковым устройством - "Транссоник" [1] или устройством "Фисоник" [2].

Авторы утверждают, что ими предлагается "принципиально новое устройство". На самом деле указанное устройство является давно известным аппаратом – инжектором, что подтверждается как описанием происходящего в нем процесса, так и схематично приведённым профилем его проточной части. Аналогичный профиль проточной части характерен практически для всех пароводяных инжекторов [3].

Значительную часть статей занимает описание свойств пароводяной смеси, образующейся в камере смешения инжектора. В этом описании популярно (если не сказать - примитивно) излагаются давно известные сведения, которые были опубликованы более 30 лет назад в журнале "Теплоэнергетика" проф. С.И.Костериным и Н.И.Семеновым [4].

Далее: о скачке давления и конденсации пара в инжекторе. Это явление впервые было обнаружено ещё в 1937 году С.Ю.Келлером [5], а затем в 1939 году подтверждено во Всесоюзном теплотехническом институте (ВТИ) Н.Г.Морозовым и в 1949 году объяснено (на уровне знаний того времени) В.И.Коноваловым [6].

Характерной особенностью пароводяного инжектора, которая отличает его от других типов струйных аппаратов, является то, что он может поддерживать режим работы с давлением нагретой воды на выходе, превышающим давление пара на входе. Благодаря этому свойству инжектор использовался (и используется) в качестве насоса в схемах подачи питательной воды в паровые котлы.

Указанное явление было объяснено в МЭИ М.Е.Дейчем [7] и в лаборатории теплофикации ВТИ Е.Я.Соколовым и Н.М.Зингером [8].

Условием получения такого режима работы инжектора является определенное соотношение минимальных диаметров камеры смешения (f_к)_min и парового сопла (f_с)_min. Диапазоны этого соотношения запатентованы в трёх патентах: Великобритания: UK patent № 530, 774 1940 г. [(f_к)_min / (f_с)_min = 0.25 ё 0.266], UK patent № 898, 171, Int. Cl. F05d, 1959 г. [(f_к)_min / (f_с)_min = 0.0833 ё 0.10] и Россия: № 2123619, 1998 г. [(f_к)_min / (f_с)_min = 0.04 ё 0.0833; 0.10 ё 0.25 и 0.266 ё 1.0] и охватывают практически весь возможный диапазон этого параметра.

Историческая справка об инжекторах.

Впервые прототип инжектора был предложен французским ученым Манури д’Энто в 1818 году. В 1852 году французский инженер Анри Жиффар использовал инжектор в паровой машине на дирижабле. Эта паровая машина имела вес 9 пудов (144 кг) и мощность 3 л.с.(2.2 кВт). Она вращала винт 11 футов (»3.3 м) в диаметре с частотой 110 оборотов в минуту. Этот винт являлся движителем дирижабля [9].

В 1858 году А.Жиффар запатентовал конструкцию инжектора, которая принципиально не изменилась до настоящего времени. Со второй половины XIX века и до середины XX века инжекторы находили широкое применение на паровозах, пароходах и в небольших стационарных и передвижных паровых котельных.

До настоящего времени инжекторы устанавливаются в передвижных котельных, используемых в армии для дезинфекции обмундирования (выпускаются в г.Пенза). О широком распространении инжекторов говорит тот факт, что до середины 50-х годов в Москве существовал завод "Инжектор". Поэтому вряд ли можно согласиться с утверждением авторов статьи о том, что они нашли "принципиально новое решение".

В централизованном теплоснабжении инжектор впервые был применен в Ленинграде. Это произошло 25 ноября 1924 года при подаче тепла с водяным паром от 3-й Ленинградской ГЭС в дом № 96 на набережной реки Фонтанка: циркуляция воды в системе отопления дома осуществлялась пароводяным инжектором. Таким образом, 25 ноября стал днем рождения в России централизованного теплоснабжения и теплофикации – энерготехнологий, которые получили широкое распространение не только в России, но и в странах бывшего СССР, а также в странах Центральной и Западной Европы. Это закономерно потому, что теплофикация обеспечивает существенную экономию топлива, снижая отрицательное воздействие энергетики на окружающую среду.

Попутно следует отметить, что этому событию были посвящены две юбилейных конференции "75 лет теплофикации в России", проходившие в Санкт-Петербурге в мае 1999 года и в Москве в ноябре 1999 года.

Теперь об использовании инжекторов в системах централизованного теплоснабжения (в системах горячего водоснабжения и в системах отопления).

Вне всякого сомнения, использование инжекторов для подогрева холодной воды паром и подачи нагретой (горячей) воды в систему горячего водоснабжения, оснащенную баком-аккумулятором, возможно. Но при этом следует иметь в виду, что используемый для нагрева воды пар по своим характеристикам должен соответствовать требованиям санитарных норм и правил. Это означает, что пар из основного контура ТЭЦ или ГРЭС, как правило, не может быть использован для подогрева воды, направляемой в систему горячего водоснабжения, потому что питательная вода на ТЭС часто подвергается обработке химреактивами, вредными для здоровья, например гидразин-гидратом. Такой нагрев воды может иметь место на объектах, которые оснащены паровыми котельными, питающимися водой питьевого качества и имеющие Na-катионитовую химводоочистку.

Использование инжекторов для нужд горячего водоснабжения довольно часто встречается на небольших предприятиях, особенно пищевой промышленности, например, на Липецком и Клинском пивоваренных заводах. Разработка и поставка инжекторов и элементов автоматизированной системы управления для этих объектов осуществлена фирмой "Струйная техника" при научной поддержке ВТИ.

Что касается применения инжектора для нагрева сетевой воды и создания циркуляции в системах централизованного теплоснабжения, то это более сложная задача. Дело в том, что характеристики инжектора очень чувствительны к изменению параметров греющего, нагреваемого и смешанного потоков. Под характеристикой инжектора понимается зависимость какого-либо режимного параметра одного из трех взаимодействующих потоков от параметра другого потока. При этом значения других параметров всех потоков должны быть неизменны. Например, при оценке инжектора как гидравлического насоса используется характеристика вида Р_с = f(G_с), где: Р_с - давление воды на выходе из аппарата (противодавление), а G_c - массовый расход смешанной (сжатой) воды. Эта характеристика рассчитывается или получается экспериментально при постоянных давлениях и температурах рабочего пара (Р_р, t_р) и эжектируемой воды (Р_н, t_н).

В зависимости от формы профиля проточной части аппарата могут иметь место два вида характеристик:

1) при цилиндрической камере смешения отношение сечения камеры смешения к минимальному сечению сопла всегда больше 1.0 и характеристика состоит из двух зон, отвечающих допредельному и предельному режимам;

2) при конической камере смешения, когда отношение сечения камеры смешения к минимальному сечению сопла обычно меньше 1.0, характеристика состоит только из участка, соответствующего зоне предельного режима.

При Р_с < (Р_с)^пр, когда реализуется предельный режим, температура смешанной воды становиться неизменной. На рисунке 1 в качестве иллюстрации приведена подобная характеристика инжектора.

 

Рис.1. Характеристика инжектора.

 

Указанные на рисунке минимальный массовый расход смешанной (сжатой) воды (G_c)^min определяется из условия обеспечения полной конденсации рабочего пара по уравнению теплового баланса при давлении смеси в камере смешения, а максимальный расход (G_c)^max - из условия достижения критической скорости потоком в каком-либо из сечений проточной части аппарата.

При качественном регулировании система теплоснабжения требует поддержания практически постоянного гидравлического режима (небольшие колебания расхода сетевой воды (± 10%) возможны из-за переменной нагрузки горячего водоснабжения, если таковая имеется). Регулирование отпуска тепла в системе производится путем изменения температуры сетевой воды согласно принятому температурному графику [10]. Обычно небольшие системы теплоснабжения, которые присоединены к паровым котельным малой мощности, работают по температурному графику 95 - 70°С. При отсутствии нагрузки горячего водоснабжения нагретая сетевая вода на выходе из инжектора в климатических условиях, близким условиям Москвы, должна иметь температуру в диапазоне от 37°С (температура наружного воздуха +10°С) до 95°С (температура наружного воздуха -25°С). В то же время ее расход в течение отопительного сезона должен сохраняться постоянным. При традиционном решении этой задачи нагрев сетевой воды и ее циркуляция обеспечиваются в водоподогревательной установке (ВПУ), состоящей из пароводяных подогревателей кожухотрубчатого типа и сетевых насосов. Такая схема ВПУ обеспечивает гидравлический режим системы теплоснабжения независящим от теплового режима системы.

Если в схеме ВПУ будет использован инжектор, совмещающий нагрев сетевой воды с повышением её напора, то гидравлический и тепловой режимы работы ВПУ и системы теплоснабжения оказываются взаимосвязанными. При повышении (понижении) температуры наружного воздуха требуемая температура сетевой воды должна снижаться (повышаться) согласно температурному графику регулирования. А это означает, что расход пара через сопло инжектора также должен уменьшаться (увеличиваться). Поскольку тепловой и гидравлический режимы в инжекторе взаимосвязаны, то давление сетевой нагретой воды на его выходе будет изменяться, а, следовательно, будет непостоянен и ее расход. В свою очередь, из-за переменного расхода воды её температура на выходе из системы теплоснабжения не будет равна значениям, которые должны соответствовать температурному графику, рассчитанному при постоянном расходе сетевой воды. В диапазоне температур наружного воздуха в течение отопительного сезона давление воды на выходе инжектора (Р_с) изменяется почти в 4 раза (см. таблицу ниже).

Для того, чтобы сохранить расход сетевой воды к потребителю постоянным инжектор должен дополняться насосом с электроприводом и достаточно сложной системой автоматического регулирования. В ВТИ разработана такая схема, которая реализована на ряде объектов.

На рисунке 2 приведена принципиальная схема включения инжектора с насосом в теплопункте потребителя тепла, подключённого в паровой системе теплоснабжения. Эта схема может обеспечить требования, предъявляемые системой теплопотребления к ВПУ.

 

Рис. 2. Включение инжектора с насосом

 

Указанные на схеме значения параметров пара и горячей воды относятся к ВПУ потребителя с расчетной тепловой нагрузкой 1.0 Гкал/ч и со средней часовой нагрузкой за отопительный период Q_ср = 0.493 Гкал/ч (0.58 МВт) и (t_н)_ср = -3.2°С (Московский регион).

Параметры теплоносителей в этой установке, которые обеспечиваются в течение отопительного периода, приведены в таблице. Расчеты размеров инжектора и его параметров работы выполнены по программе для ПЭВМ, разработанной автором.

 

 

tн – температура наружного воздуха;

tс – температура воды на выходе из инжектора;

t₃ – температура воды на входе в систему отопления;

t₂ – температура воды на выходе из системы отопления;

Gп – расход пара на инжектор;

Gc – расход воды на выходе из инжектора;

Pп – давление пара на инжектор;

Рс – давление воды за инжектором;

Qо - относительная нагрузка отопления;

Gб – расход воды по байпасу.

 

Ниже на рисунке приведена зависимость давления воды за инжектором (Рс) в течение отопительного сезона в зависимости от температуры наружного воздуха (tн).

 

Рис. 3. Зависимость давления воды от температуры наружного воздуха.

 

Несколько замечаний о работе теплопункта с инжектором.

1. Приведённая выше схема теплового пункта с инжектором может быть применена при работе в закрытой системе теплоснабжения, причем обладающей высокой гидравлической плотностью, то есть практически не имеющей утечек. В противном случае возрастает нагрузка на химводоочистку на источнике тепла (котельной) и экономическая выгода от применения инжектора теряется или даже превращается в экономические потери.

2. Работа системы теплопотребления, присоединённой к теплопункту с инжектором, происходит на чистом конденсате, который после потребителей должен сливаться в конденсатный бак, а далее подаваться на деаэрационную установку. В конденсатном баке, а также в расширительных баках систем отопления зданий (при их наличии) неизбежно его "заражение" кислородом. Из за того, что значения рН конденсата относительно низкие, даже небольшое присутствие в конденсате кислорода резко повышает его коррозионную активность. Притом следует отметить, что использование существующих деаэрационных установок не позволяет полностью удалить растворенный кислород и углекислый газ. Следовательно, неизбежна коррозия труб систем теплоснабжения. В связи с этим на источнике тепла следует постоянно обеспечивать периодический химический контроль качества конденсата и его обработку химреактивами, повышающими рН.

3. Система регулирования режимов работы теплопункта с инжектором несколько сложнее, чем для теплопункта с пароводяным подогревателем (бойлером), который оснащается только одним регулятором температуры сетевой воды в подающем трубопроводе и одним регулятором давления воды в обратном трубопроводе. Поэтому надёжность автоматического поддержания теплогидравлического режима при использовании инжектора ниже, чем при использовании бойлера. Соответственно, выше требования и к квалификации персонала, обслуживающего ВПУ, что влечет за собой и более высокие эксплуатационные затраты.

На ТЭС, в промышленных и отопительных котельных применение инжекторов взамен пароводяных подогревателей и насосов целесообразно в схемах нагрева и подачи химочищенной воды, как в деаэраторы основного контура станции, так и в деаэраторы подпитки теплосети.

В Санкт-Петербургском институте АЭП совместно с ВТИ и ООО "Струйная техника" в 1999 году был разработан проект инжекторной установки производительностью по нагретой воде 600 т/ч (3 очереди по 200 т/ч) для Норильской ТЭЦ-1. Инжекторы будут смонтированы на линии подготовки (нагрев и повышение давления) обессоленной воды перед деаэраторами основного контура ТЭЦ.

Подробно рассматривать содержание [1] и [2] вряд ли целесообразно. Статьи являются рекламными публикациями, научного содержания не имеют. Попытки изобразить наукообразие можно проиллюстрировать одним из графиков, который показывает, что вечный двигатель все же существует: при отсутствии подвода энергии к аппарату (давление рабочего пара равно нулю) он обеспечивает прокачку 20 т/ч воды ([2], рис. 4б). Наверное из-за сомнения редакции журнала в существовании такого явления и было принято решение разместить статью д.т.н. В.В.Фисенко в разделе "Дискуссии".

Подтверждением того, что аппараты под названием "Транссоник-Фисоник" внедряются специалистами, не имеющими достаточных знаний в области струйных аппаратов и теплоснабжения являются также несколько известных автору попыток использования этих аппаратов с отрицательным результатом. Например, на заводе им. Климова в С.-Петербурге, где работниками Комитета по управлению городским хозяйством мэрии с участием специалистов Военного инженерно-строительного института в 1995 году проводились их испытания, и в котельной района Марьино в Москве.

В [2] предлагается также использование аппаратов "Фисоник" в качестве смесительных устройств для понижения температуры сетевой воды в системах отопления, присоединённых к тепловой сети по зависимой схеме. Это решение также давно известно. Аппараты, которые используются для этой цели, называются "элеваторами". Их предложил использовать проф. В.М.Чаплин еще в 20-е годы в Ленинграде. Утверждение автора о том, что в аппарате "Фисоник" происходит повышение давления нагреваемой воды, а в элеваторе этого не происходит, является заблуждением. Элеваторы повышают напор эжектируемой воды на столько, сколько требуется для компенсации гидравлических потерь в системе отопления.

 

Выводы:

1. Предлагаемое в [1] и [2] использование пароводяных струйных аппаратов - инжекторов, названных авторами "трансзвуковым устройством "Транссоник" или "устройствами "Фисоник", в системах теплоснабжения давно и достаточно широко известно. Это решение не является новой технологией, но в ряде случаев может дать хороший результат при условии, что разработчик владеет знаниями не только о работе инжектора, но также знает свойства оборудования, к которому этот инжектор подключён.

2. В деаэрационных установках паровых котельных и на ТЭС, а при определенных условиях и в системах горячего водоснабжения с баками-аккумуляторами, использование инжекторов может дать ощутимый экономический эффект.

3. Экономическая целесообразность применения инжектора для подготовки сетевой воды на теплопунктах потребителей, присоединённых к паровым системам теплоснабжения взамен пароводяных подогревателей с насосами, не столь очевидна. Целесообразность применения инжекторов для этой цели зависит от конкретных условий и должна рассматриваться для каждого объекта индивидуально.

 

Литература

1. И.А.Новожилов, В.В.Фисенко, Новая энергоресурсосберегающая технология, Энергетик, № 3, 1996, с. 4-5.
2. В.В.Фисенко, Новая энергосберегающая технология в системах отопления и горячего водоснабжения, Теплоэнергетика, № 1, 2000, с. 56-58.
3. В.Е.Мясников, Пароводяные инжекторы, С.-Пб., Элмор, 1997.
4. Н.И.Семёнов, С.И.Костерин, Результаты исследования скорости звука в движущихся газожидкостных смесях, Теплоэнергетика, № 6, 1964, с. 46-51.
5. С.Ю.Келлер, Инжекторы, Машгиз, 1954.
6. В.И.Коновалов, Некоторые вопросы теории инжектора и струйного подогревателя, Известия ВТИ, № 5, 1951.
7. М.Е.Дейч, Газодинамика двухфазных сред, М., Энергоиздат, 1981.
8. Е.Я.Соколов и Н.М.Зингер, Струйные аппараты, Энергоатомиздат, 1989.
9. И.И.Сикорский, Воздушный путь, YMKA-пресс, 1997.
10. Е.Я.Соколов, Теплофикация и тепловые сети, 1989.

 

Статья взята с сайта ООО "Эжектор"

 

 

Уважаемые посетители сайта ООО "Прессмаш"! Наше предприятие не производит паровые инжекторы типа Фисоник,Транссоник,ПСА,Кварк и т.д. Мы производим совершенно другие смешивающие подогреватели воды модели УМПЭУ.

Об отличиях теплообменников УМПЭУ от Трансзвуковых Пароводяных Струйных Аппаратов.

(техническая справка)

 

ПСА - Пароводяные Струйные Аппараты (пароводяные инжекторы по классификации[1]).

Изготавливают несколько предприятий под названием: ПСА, ТСА, «Фисоник», «Транссоник»,СФА. Принцип действия этих аппаратов сходен.

 

УМПЭУ – установки с магистральными пароэжекторными устройствами (пароводяные смешивающие подогреватели воды по классификации[1]).

Изготовитель, разработчик, патентообладатель УМПЭУ: ООО «Прессмаш» г.Миасс Челябинской области.

 

Общие свойства.

 

УМПЭУ и ПСА представляют собой теплообменные устройства контактного типа, в которых происходит смешивание водяного пара и воды напрямую.

 Т.к. в них отсутствуют промежуточные теплообменные поверхности и тепло передается при непосредственном контакте пара и воды УМПЭУ и ПСА обладают несравнимо более высокими коэффициентами теплопередачи и имеют в десятки раз меньшие размеры, чем поверхностные теплообменники (кожухотрубные, пластинчатые). Их тепловой КПД составляет не менее 99%. Кроме того, в них исключено явление пролетного пара и отсутствует необходимость в системе сбора конденсата. Аппараты отличаются малыми габаритными размерами. При одинаковой тепловой мощности на выходе смешивающие теплообменники расходуют пара на 5-20% меньше, чем поверхностные подогреватели. Высокая надежность УМПЭУ и ПСА обусловлена отсутствием в конструкции аппаратов тонкостенных трубок и вальцовочных соединений, а чистить их приходится гораздо реже, поскольку происходящие в них при теплообмене процессы в десятки раз уменьшают накипеобразование. Процесс чисток предельно легок, т.к. конструкции являются легкоразборными. Аппараты являются малоинерционными и быстро выходят на режим.

Данные положительные свойства УМПЭУ обусловливают то, что внедрение их в теплофикационные системы промышленной и коммунальной сферы является одним из рекомендуемых мероприятий, выполняемых в рамках программ энергосбережения.

Но техническая реализация процесса смешения пара и воды в УМПЭУ и ПСА принципиально отличается. А поскольку различны принципы действия рассматриваемых устройств, то, естественно, будут различны и их технические характеристики и условия применения. Для пояснения сути отличий необходимо остановиться на конструкции обоих устройств.

 

Принцип действия ПСА.

 

Принцип действия ПСА основан на известном физическом явлении из области гидродинамики двухфазных потоков, суть которого заключается в возникновении скачка уплотнения в двухфазном потоке при разгоне последнего до сверхзвуковой скорости и последующего торможения с переходом звукового барьера.

Типовой ПСА (рис.2) конструктивно состоит из парового сопла, камеры смешения, диффузора и патрубков подвода пара и воды.

1 — сопло для ввода пара (сопло Лаваля или сужающееся), 2 — патрубок для подачи жидкости, 3 — жидкостное сопло 4 — нагретая жидкость к потребителю. КС — камера смешения, ГД — горло диффузора. F*п.с.- площадь минимального сечения парового сопла. Fж.с.- площадь жидкостного сопла,Fг.д.- площадь горла диффузора или минимального сечения КС.

 

Примечание. В данном анализе не рассматриваются конструктивные особенности этих аппаратов, связанные с работой при производительностях свыше 100 т/ч (которые считаются предельными для большинства ПСА)-это различные центральные тела для облегчения распыла воды и повышения устойчивости работы, либо камеры смешения с изменяемой геометрией или устройствами отвода среды -для облегчения запуска ПСА и т.п.

ПСА функционирует следующим образом. Пар поступает в паровое сопло, в котором в процессе  расширения достигает скорости течения близкой к скорости звука, либо превосходящей её (в зависимости от геометрии сопла). Вода в камеру смешения подается соосно паровому потоку, в виде кольцевой струи. В камере смешения происходит распыл воды высокоскоростным потоком пара. В связи с увеличением площади соприкосновения пара и воды пар конденсируется. В результате конденсации пара статическое давление в потоке уменьшается до давления насыщения при температуре смеси. Скорость звука в полученной двухфазной смеси снижается и становится меньше, чем скорость движения самой смеси. То есть, режим движения смеси становится сверхзвуковым. В процессе истечения этой смеси через камеру смешения в смеси возникает прямой скачок уплотнения и происходит преобразование энергии скоростного напора в энергию статического давления. В результате за скачком статическое давление возрастает и становится больше давления насыщения при температуре смеси. Это приводит к завершению процесса конденсации пара. При некоторых условиях давление выходного потока может превышать давления входных потоков. Заметим, что поскольку в сопле тепловая энергия пара переходит в кинетическую энергию паровой струи, то ПСА эффективно может работать только с большим процентным содержанием пара [2].

Таким образом, необходимым условием работы ПСА является получение двухфазного скачка уплотнения в камере смешения или диффузоре. Поэтому помимо точного расчета и изготовления проточного тракта ПСА необходимо также обеспечить точное задание и поддержание в заданных пределах входных параметров потоков пара и воды, определяющих как возможность получения скачка уплотнения, так и его положение по оси ПСА:

-давление пара;

-давление воды;

-температуру пара;

-температуру нагреваемой воды;

-степень сухости пара;

-коэффициент инжекции (отношение расходов пара и воды).

При невыполнении этих условий наступает срыв работы ПСА.

 

Принцип действия УМПЭУ.

 

УМПЭУ (рис.1) состоит из водяного сопла 2, приемной камеры 3, камеры предварительного смешения 5, установленной на подводе пара, гасителя пульсаций давления 6 и байпасного трубопровода с регулирующим вентилем 7 для перепуска части нагреваемой воды в камеру предварительного смешения.

Сетевая вода разгоняется в водяном сопле 2 с понижением статического давления и созданием зоны разрежения в приемной камере 3. Часть сетевой воды (обычно в объеме до 10%) подается в камеру предварительного смешения 5 по трубопроводу 7. В камере предварительного смешения эта часть воды распыляется форсунками 9 и 10, распыляющих воду соосно и перпендикулярно потоку пара в подводящем паропроводе 8, что обеспечивает существенное увеличение поверхности соприкосновения фаз. Для улучшения перемешивания и увеличения времени взаимодействия сред, смешиваемый поток дополнительно завихряется генераторами вихрей 11. Подготовленная смесь, имеющая вихревую структуру, поступает в зону разрежения, созданную соплом в приемной камере 3, и конденсируется на водяной турбулентной струе. В гасителе пульсаций давления 6 происходит завершение процесса конденсации и рост давления нагретого потока воды. Пульсации давления демпфируются в гасителе 6 за счет упругости газов над свободной поверхностью воды в емкости гасителя, отделенной от основного потока перфорированной перегородкой, и созданием возвратных течений 12 под свободной поверхностью за счет положительного градиента давления по длине гасителя.

Таким образом, в отличие от классической гидродинамической схемы струйного аппарата, которая реализована в ПСА и не изменилась со второй половины XIX века, в УМПЭУ проточный тракт после сопла выполнен в виде диффузора, который образует с выходной частью сопла канал с внезапным расширением. Другим отличием является то, что если в ПСА время взаимодействия смешиваемых потоков составляет тысячные доли секунды, в УМПЭУ применены следующие способы интенсификации процессов теплообмена, позволяющие увеличить время взаимодействия смешиваемых потоков:

- смешение пара с сетевой водой, распыляемой форсунками в объеме до 10% в камере предварительного смешения, с помощью генераторов вихрей;

- конденсация полученной пароводяной смеси имеющей вихревую структуру на турбулентной водяной струе, истекающей из сопла;

- завершение процесса конденсации и гашение возможных пульсаций нагретого потока в гасителе пульсаций.

Такой новый подход [7-10] позволил обеспечить завершенность теплообменных процессов и отсутствие вибраций и шума при работе УМПЭУ, а также значительно расширить область применения струйных аппаратов до диаметров трубопроводов Ду500мм и производительности до 1600 т/ч, т.е в 5-16 раз больше, чем достигнутый предельный уровень производительности у ПСА.

Режимные параметры, определяющие работоспособность УМПЭУ:

- давление воды перед устройством;

- давление пара;

- коэффициент инжекции (расход пара и расход воды).

В отличие от ПСА работа УМПЭУ не зависит от температуры воды, температуры пара, степени сухости пара.

 

 

 

Сравнение технических характеристик УМПЭУ и ПСА.

 

Поскольку различны принципы действия сравниваемых устройств, то естественно, будут различны и их характеристики. Реализованные к настоящему времени характеристики УМПЭУ и ПСА представлены в таблице. Данные по ПСА взяты для ПСА максимальной производительности (НПО «Новые технологии» г. Санкт-Петербург) с официального сайта 29 апреля 2008 года[6].

 

Показатель	ПСА	УМПЭУ
Максимальный Ду, мм	150	500
Производительность максимальная, т/ч	300 (ПСА-Р регулируемые) 100 (нерегулируемые ПСА)	1600
Расход пара макс., т/ч	36.3	72.6
Мощность максимальная одного аппарата, Гкал/ч	24.0 (Для увеличения мощности необходимо увеличивать количество аппаратов, что ведет к росту стоимости обвязки).	48.0
Соотношение давлений пара и воды на входе	Давление пара должно быть больше давления воды в 1.5-2.0 раза	Давление пара может быть ниже (на 0.5 атм), равно или выше давления воды на входе.
Максимальный интервал подогрева воды, 0С	800С	300 600 (УМПЭУ с двухступенчатым вводом пара)
Максимальная температура воды на входе, 0С	Не более 700С	Не более температуры пара. Возможен подогрев перегретой воды (160-2000С).
Потери напора воды	Отсутствуют. Может наблюдаться насосный эффект.	Потери напора (обычно 0.07-0.12 МПа) зависят от соотношений давлений пара и воды и диапазона расхода воды.
Разрешение Ростехнадзора на применение	Нет данных	Разрешение на применение при параметрах Р=4.0 МПа (40.0кгс/см2) и Т=3500С

 

 

Требования к давлению пара и воды.

 

Принцип работы ПСА предполагает необходимость обеспечить давление греющего пара перед ним значительно выше давления воды на входе в аппарат. Например, для ПСА фирмы «Новые технологии» г. Санкт-Петербург давление пара в 1.5-2.0 раза должно превышать давление нагреваемой воды. Аналогичное требование для всех паровых инжекторов. Другими словами, если необходимо нагреть сетевую воду, имеющую давление 1.0 МПа(10.0кгс/см²), то необходимо обеспечить давление греющего пара не менее 1.5-2.0 МПа(15.0-20.0кгс/см²) при требуемом для обеспечения подогрева воды расходе пара от источника пара (например, паровой котел). Выполнение таких требований представляет сложную и порой маловыполнимую задачу.

В отличие от ПСА в УМПЭУ давление пара может быть как ниже, так и выше давления воды перед устройством (наиболее оптимально когда давления равны). Например, для подогрева сетевой воды давлением 1.0 МПа(10.0кгс/см²) достаточно обеспечить давление пара 1.0МПа(10.0кгс/см²). Давление воды перед УМПЭУ должно обеспечивать получение на выходе из нее нагретого потока (с учетом потерь напора воды) с требуемым давлением сетевой воды.

 

О насосном эффекте ПСА.

 

В рекламных материалах, посвященных ПСА, часто подчеркивается такое свойство как возможность нагрева и повышения давления сетевой воды. Встречаются утверждения о возможности отказаться от насосов (отрицательное гидравлическое сопротивление).

Мнение специалистов по этому вопросу [3]:

1.Использование паровых инжекторов для подогрева холодной воды паром и подачи горячей воды в бак-аккумулятор возможно, если вода и пар по своим характеристикам соответствуют требованиям санитарных норм и правил.

2.Экономическая целесообразность применения паровых инжекторов для системы подготовки сетевой воды на теплопунктах потребителей, присоединенных к паровым системам теплоснабжения не столь очевидна и должна рассматриваться для каждого объекта индивидуально. Если в схеме подогрева сетевой воды будет использован ПСА, совмещающий нагрев сетевой воды с повышением её напора, то гидравлический и тепловой режимы работы тепловой системы с ПСА являются взаимосвязанными. При повышении (понижении) температуры наружного воздуха требуемая температура сетевой воды должна снижаться (повышаться) согласно температурному графику регулирования. Это значит, что расход пара через сопло ПСА также должен уменьшаться (увеличиваться), что ведет к изменениям давления сетевой нагретой воды на выходе из ПСА, а следовательно будет изменятся её расход. В свою очередь, из-за переменного расхода воды её температура на выходе из системы теплоснабжения не будет равна значениям, которые должны соответствовать температурному графику, рассчитанному при постоянном расходе сетевой воды. (При качественном регулировании система теплоснабжения требует поддержания практически постоянного гидравлического режима: небольшие колебания расхода сетевой воды ±10% возможны из-за переменной нагрузки горячего водоснабжения, если таковая имеется).

Более того, попытка полностью исключить из системы сетевые насосы и использовать вместо них ПСА потенциально опасна, т.к. приводит к следующим проблемам:

-отсутствует возможность плавного регулирования тепловой мощности;

-возможны самопроизвольные сбои насосного режима ПСА при снижении давления пара ниже допустимого;

-вследствие сбоев происходят внезапное прекращение циркуляции, попадание пара в трубопроводы тепловой сети и, как следствие, гидроудары - то есть возникает аварийная ситуация.

В связи с вышесказанным реализация насосного эффекта ПСА в системах теплоснабжения не позволяет отказаться от использования сетевых насосов, поскольку снижает надежность системы. А рекламируемый эффект на практике используется в ПСА главным образом для исключения гидравлического сопротивления, либо создания незначительного напора. Видимо поэтому в статье [4] отмечается: «Обещанный поставщиками насосный эффект ничтожно мал (повышение давления воды на выходе всего на 0.2-0.3 атм. Работа аппаратов без насоса возможна на аккумуляторный бак, т.е. туда, где нет противодавления)».

В отличие от ПСА принцип действия УМПЭУ предполагает разделение гидравлического и теплового режима тепловой системы:

-гидравлический режим системы теплоснабжения обеспечивается сетевыми циркуляционными насосами (расход нагреваемой воды и давление нагреваемой воды);

-нагрев воды обеспечивается подачей пара в камеру предварительного смешения УМПЭУ от источника пара (паровой котел, коллектор); тепловая мощность изменяется плавно при помощи регулирующего клапана подачи пара путем дросселирования давления пара перед УМПЭУ.

Таким образом, нагрев воды в УМПЭУ реализуется также как при традиционном решении нагрева сетевой воды и её циркуляции в водоподогревательной установке, состоящей из пароводяных подогревателей воды кожухотрубчатого типа и сетевых насосов. Такие схемы хорошо отработаны, а их эффективность подтверждена многолетней практикой.

 

Температура воды.

 

Параметры ПСА в сильной степени зависят от температуры воды на входе в ПСА[2]. С увеличением температуры нагреваемой воды уменьшается степень конденсации пара, т.к. все меньшее его количество может сконденсироваться в камере смешения ПСА до скачка уплотнения. При дальнейшем увеличении температуры воды, начиная с некоторой температуры наступает срыв работы ПСА, называемый режимом «запаривания»: значительная доля пара не конденсируется к выходному сечению камеры смешения ПСА в силу высокой температуры смеси в этом сечении, наблюдается увеличение статического давления смеси перед скачком уплотнения. С увеличением температуры воды резко уменьшается также степень повышения давления воды в ПСА. (Режим «запаривания» наступает также при уменьшении расхода воды ниже некоторого значения).

Из опыта эксплуатации ПСА: «При достижении температуры воды в обратной линии 60⁰С прекращается нормальный процесс конденсации пара в аппарате… Ограничение температуры обратки 60⁰С не позволяет использовать аппараты ПСА в период зимнего максимума для выполнения температурного графика (95/70, 150/70⁰ и др.) даже при наличии достаточной паровой мощности»[4].

В отличие от ПСА при работе УМПЭУ отсутствует влияние температуры воды на её функционирование при реализации любых температурных графиков, т.к. в УМПЭУ процесс конденсации растянут по времени и в пространстве (несколько метров): вначале смешение распыленной воды с паром в камере предварительного смешения, затем конденсация полученной завихренной смеси на турбулентной водяной струе в приемной камере и окончательная конденсация в гасителе пульсаций давления (в ПСА конденсация воды распыленной сверхзвуковым паровым потоком происходит на длине всего нескольких десятков сантиметров и должна завершится до скачка уплотнения, положение которого по оси зависит помимо геометрии ПСА от многих факторов - это давления пара и воды, температура пара и воды, степень сухости пара и т.д.).

Помимо широкого использования УМПЭУ в системах теплоснабжения, горячего водоснабжения, водоподготовки имеется опыт применения установок для подогрева перегретой воды в замкнутом контуре в автоклавных производствах (температура нагреваемой воды 160-200⁰С).

 

Шум и вибрации.

 

            Согласно специальным исследованиям [2], скачок уплотнения при работе ПСА сопровождается двумя видами пульсаций давления - низкочастотными (15-20 Гц) и высокочастотными (500-1000 Гц). Низкочастотные пульсации связаны с перемещением скачка вдоль оси потока (перемещения достигают 20% от общей протяженности скачка). Высокочастотные пульсации давления в скачке связаны с захлопыванием в нем пузырьков в силу конденсации пара, вызванной повышением давления.

            Как показывает опыт эксплуатации ПСА их работа сопровождается вибрациями и сильным шумом, а протекающая внутри проточных трактов кавитационная эрозия приводит к снижению надежности и долговечности, и как следствие - необходимости изготавливать ПСА только из нержавеющих сталей.

Из опыта работ с ПСА:

«Шум, хотя и не смертельный, но вблизи аппаратов можно общаться только криком (установка оборудования в отдельном помещении решает эту проблему, но такая возможность есть не везде)»[4];

«В связи с тем, что при определенных режимах работы аппараты издают шум, превышающий на слух общий фоновый шум от основного оборудования в котельном зале, был произведен перемонтаж аппаратов в отдельном помещении. Возможна также их установка на улице. Для снижения уровня вибраций была усилена опора под аппаратами…»[5].

            Практика показала отсутствие шума и вибраций при работе УМПЭУ различных типоразмеров. Шум при работе не превышает общего фонового шума оборудования (насосной группы). Зачастую о работе УМПЭУ можно судить только по показаниям приборов. Такой эффект достигнут благодаря высокому качеству перемешивания пара и воды в УМПЭУ и применением гасителя пульсаций давления нагретого потока, т.к. принцип борьбы с вибрацией прост - чем лучше перемешаются среды, тем меньше будет вибрация и шум. Поскольку принцип действия УМПЭУ не предполагает наличие кавитационных процессов при их работе, в них отсутствует кавитационная эрозия, что обуславливает их высокую долговечность (пилотные установки отработали без ремонтов 8 лет). Поэтому изготовление УМПЭУ производится с использованием углеродистых и низколегированных сталей (Ст20, Ст09Г2С из бесшовных труб и штампованных деталей трубопроводов), что снижает стоимость изготовления и обеспечивает высокую ремонтопригодность УМПЭУ.

 

Запуск в работу.

 

            Запустить ПСА – значит создать такие условия, когда при заданных параметрах пара и воды на входе осуществляется расчетный режим течения потоков в соплах и главное - чтобы скачок уплотнения располагался в камере смешения или диффузоре. Основным препятствием для запуска ПСА является невозможность пропустить через нее в пусковой период весь объем смеси, поскольку в силу переходных процессов она еще не обладает необходимыми для этого скоростью и плотностью. Применяют следующие способы запуска ПСА: путем изменения на время запуска входных параметров потоков пара и воды (давления пара, давления воды, температуры пара, температуры воды, степени сухости пара) или путем отвода части потока из камеры смешения по ее длине, или путем изменения на время запуска геометрии ПСА (изменение площади камеры смешения) [2]. Часто, чтобы запустить ПСА с не очень узкой горловиной камеры смешения, нужно на время пуска создать давление за ним ниже полных давлений пара и воды на входе в него (например, включением на бак). Другой способ-уменьшение входной температуры воды, что увеличивает степень конденсации ПСА и облегчает его запуск. Запуск ПСА, который должен работать на паре с низкой сухостью, можно осуществить, увеличив в пусковой момент степень сухости пара. Из сказанного следует, что запуск ПСА производится при параметрах или условиях, отличных от параметров эксплуатации. Ясно, что в связи со сложными процессами гидродинамики двухфазных сред, сопровождающими работу ПСА, как пуско-наладочные работы, так и эксплуатация оборудования должны осуществляться высоко-квалифицированным и специально-обученным персоналом.

            Запуск УМПЭУ в работу производится при тех же параметрах, что и их эксплуатация. Сетевыми насосами создается поток воды через УМПЭУ с расчетным расходом и давлением воды. Открывается подача пара требуемого давления на установку регулирующим клапаном (паровой задвижкой). Открывается задвижка на байпасной линии подачи охлаждающей воды в камеру предварительного смешения. По показаниям приборов судят о достаточности подачи пара для обеспечения подогрева воды. Дополнительной наладки и специальных способов пуска УМПЭУ не требует. Время пуска - несколько минут.

Как правило, запуск УМПЭУ в эксплуатацию и последующая их эксплуатация осуществляется тем же персоналом котельной (обычно женским), который ранее обслуживал кожухотрубчатые или пластинчатые подогреватели (обучение состоит в ознакомлении с руководством по эксплуатации). Например, самостоятельно были запущены УМПЭУ Ду80 коллективным хозяйством «Расчет» г. Тобольк, УМПЭУ Ду250 АО «ЛПК» г. Сыктывкар, УМПЭУ Ду300 ООО «Техагрострой» г. Омск, УМПЭУ Ду400 и Ду150 ОАО «Балаковорезинотехника», УМПЭУ Ду150 ГУП «Коммунальные системы БАМа» г. Тында и более сотни других предприятий. Отзывы о работе УМПЭУ см.на сайте: www.pressmash.miass.ru

 

Выводы.

 

1. УМПЭУ и ПСА являются теплообменниками смешивающего типа с принципиально разным принципом действия.
2. УМПЭУ и ПСА имеют общие преимущества перед поверхностными пароводяными подогревателями теплофикационной воды (кожухотрубчатыми, пластинчатыми):

- уменьшение расхода греющего пара и сокращение потерь тепла с наружной поверхности (исключено явление пролетного пара, меньшие габариты, тепло используется на 100%);

- высокая надежность (в конструкции отсутствуют тонкостенные трубки и пластины);

- отсутствие необходимости химической промывки трубного пучка и пластин от накипных отложений;

- экономия пространства при строительных и монтажных работах.

- отсутствие систем сбора конденсата.

3.   Отличия в технических характеристиках и свойствах УМПЭУ и ПСА:

- УМПЭУ имеет более широкий диапазон по диаметрам трубопроводов, чем ПСА (максимальный Ду500мм вместо Ду150 мм у ПСА);

- УМПЭУ имеет многократно большую производительность и мощность, чем ПСА. Реализована УМПЭУ Ду500мм с производительностью 1600-1700 т/ч. Для ПСА максимальная производительность составляет 300 т/ч с регулируемым перемещаемым соосно соплом для обеспечения устойчивой работы и 100 т/ч с нерегулируемым соплом);

- меньшая производительность и мощность ПСА приводит к увеличению количества аппаратов для получения той же мощности, что сопровождается значительным ростом затрат на обвязку и усложнением управления;

- УМПЭУ не требует линии подмеса;

- УМПЭУ может работать при меньших соотношениях давлений пара и воды;

- ПСА может работать без гидравлического сопротивления, УМПЭУ имеет потери напора воды, зависящие от отношения давлений пара и воды и диапазона расхода воды;

-.УМПЭУ нечувствительны к температурам воды и пара, способны греть перегретую воду и реализовать любые температурные графики;

- параметры и работоспособность ПСА весьма чувствительны к температурам воды и пара, степени сухости пара, могут существовать режимы при которых прекращается нормальный процесс конденсации пара;

- работа ПСА может сопровождаться вибрациями и шумом (требуется отдельное помещение), УМПЭУ работают практически бесшумно (ниже шума насосной группы);

- запуск ПСА в работу является сложным процессом, требующим задания специальных параметров на период пуска и квалифицированного персонала для обслуживания;

- запуск УМПЭУ не сложнее запуска бойлеров, параметры при запуске те же что и при нормальной работе, требования к персоналу как для эксплуатации кожухотрубчатых подогревателей.

 

Литература.

1. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты.-М.:Энергия, 1970.
2. Цегельский В.Г. Двухфазные струйные аппараты. -М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2003.
3. Белевич А.И., Крупцев А.В., Малафеев В.А. О применении паровых инжекторов в теплоснабжении. //Энергетик.-2001.-№11.-с.20-22.
4. Пароструйные аппараты.(www.newenergetika.narod.ru/index4.html).
5. Лисин Г.А. Аппарат «Фисоник»- в действии. Опыт эксплуатации трансзвуковых струйных аппаратов (ТСА) Фисенко в узловой котельной депо Юдино Горьковской железной дороги. //Энергосбережение в Республике Татарстан.- №2 (11). сентябрь-октябрь 2003г.
6. Сайт НПО «Новые технологии» струйные теплообменники и деаэраторы. (www.newt.spb.ru).
7. Недугов А.Ф., Куркулов М.А. Водоструйный паровой эжектор с камерой предварительного смешения. //Промышленная энергетика.-2007.-№1.- с.20-23.
8. Недугов А.Ф., Куркулов М.А. Решение проблем повышения безопасности и энергосбережения в системах снабжения теплом и горячей водой. //Безопасность труда в промышленности.-2006.-№9.-с.36-39.
9. Недугов А.Ф., Куркулов М.А. Новое решение старых проблем теплоснабжения и водоподготовки.//Новости теплоснабжения.-2006.-№9(сентябрь).-с.50-55.
10. Теплообменник УМПЭУ работает без накипи. //Дальневосточный энергопотребитель.-2006.-№10(октябрь). -с.30-31.