автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка методики расчета пароводяного инжектора

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕР^ £ ^Д

2 2 ДЕК

На правах рукописи УДК 621.176.001.24

КОРОТКОВА ТАТЬЯНА ЮРЬЕВНА РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПАРОВОДЯНОГО ИНЖЕКТОРА

05.14.04- Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнялась в Санкт - Петербургском государственном технологическом университете

растительных полимеров и в высшем военно - морском инженерам училище им. Дзержинского.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Саунин В.И., кандидат технических наук, старший научный дотрудник Кравцов А.Г.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Федоров O.K. кандидат технических наук Тарабрин А.П.

Ведущая организация - Институт по проектированию

предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, АО ГИПРОБУМ /Санкт-петербург/

Защита диссертации состоится декабря 2000

в // часов на заседании специализированного совета К. 063.24.02 в Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров в зале заседаний ученого совета (А-233)

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 198092, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 4, специализированный совет СПбГТУ РП.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.

Автореферат разослан " £0 " Н(ХС>Ьр$_ 2000 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

к.т.н., доцент / 1 Мурзич А.Ф.

ШЛ 5-Q\4 .0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Эффективное использование топливно-энергетических ресурсов, . в^дрение

энергосберегающих технологий, а также использование вторичных энергетических ресурсов является наиболее важными направлением в развитии энергетической отрасли страны. Более простая в эксплуатации и обслуживании, обладающая меньшими массогабаритными характеристиками по сравнению с традиционными аналогами,

взрывопожаробезопасная и не требующая прямого использования электроэнергии, струйная техника может не только успешно конкурировать с известными агрегатами, но и во многих случаях быть выгоднее их. Применение инжектора, как прибора использующего низкопотенциальную теплоту и обладающую возможностью, благодаря особенностям своей конструкции, создавать давление на выходе во много раз превышающее давление подводимого пара позволяет использовать инжектор для замены блока, состоящего из насоса и теплообменного аппарата (бойлера).

Целью работы является Разработка методики расчета пароводяного инжектора, позволяющая расчетным (аналитическим) путем определить и учесть параметры потока внутри его проточной части. Создать критерии оценки эффективности его работы с учетом процессов перераспределения энергии, происходящих внутри камеры-смешения. Получить зависимости между геометрическими параметрами и выходными характеристиками аппарата.

Основные задачи, решаемые для реализации указанной

цели:

Произведена оценка современного состояния вопроса, определены основные направления развития инжекторов;

Разработана методика расчета параметров смеси по длине проточной части пароводяного инжектора с учетом входных и выходных параметров с определением возможности возникновения скачка уплотнения в инжекторах, спроектированных по данной методике.

Выполнен расчет и проектирование аппарата с использованием уточненной методики расчета пароводяных инжекторов;

Проведены испытания и исследования аппарата на предмет соответствия полученных расходно-напорных

характеристик расчетным и сделан вывод о достоверности методики расчета при проектировании аппаратов такого типа;

Созданы критерии оценки эффективности работы пароводяного инжектора с учетом входных и выходных параметров инжектора;

Получены зависимости между геометрическими параметрами и выходными характеристиками инжектора.

Для решения этих задач требовалось:

разработать программу исследований инжектора; исследовать работу пароводяного инжектора при различных положениях парового сопла, определить рабочее положение сопла, при котором выходные характеристики соответствуют заданным;

провести экспериментальные исследования инжектора в условиях завода ОАО Магнетон и дать рекомендации по использованию аппарата.

Научная_новизна. Предлагается новая

усовершенствованная методика расчета, позволяющая рассчитывать широкий спектр пароводяных инжекторов. Разработаны новые критерии оценки эффективности работы пароводяного инжектора, позволяющие оценить степень эффективности перераспределения энергии рабочих сред, происходящих внутри инжектора. Получены новые экспериментальные результаты, выявляющие связь между относительной площадью водяного зазора, относительным давлением пара и выходными теплогидродинамическими характеристиками аппарата. Получены новые величины изменения параметров смеси по длине проточной части пароводяного инжектора.

Практическое значение. Аппараты, спроектированные по предлагаемой методике, будут гарантированы от возникновения эффекта скачка уплотнения в горловине диффузора. Полученные экспериментальные кривые можно использовать при решении конкретных теплоэнергетических задач производства с помощью ПВИ. Полученные зависимости между выходными характеристиками пароводяного инжектора и изменением величины относительной площади могут быть использованы при проектировании инжекторов подобного типа. Предложенные зависимости характеристик инжектора от входных параметров сред и изменения величины относительной площади водяного зазора дают возможность при

проектировании получить новые конструктивные соотношения, расширяющие диапазон характеристик аппарата. Полученные результаты могут быть применены для расчета и проектирования пароводяных инжекторов, использующих в качестве рабочего тела водяной пар низкого давления. Реализация в промышленности.

Применительно к условиям работы ОАО Магнетон установлен и исследован пароводяной инжектор системы ГВС, при расчете которого использовалась предлагаемая в данной работе методика. Прямой экономический эффект от замены блока насос-бойлер на пароводяной инжектор достигается за счет исключения потерь тепла через наружные поверхности подогревателей и

конденсатопровода, а также за счет снижения потребления электроэнергии насосом. Помимо этого, существует дополнительный экономический эффект за счет снижения затрат на техническое обслуживние насосно-бойлерного блока (необходимость чистки бойлеров, ремонт насосов) . Срок окупаемости рассматриваемого в данной работе инжектора при его периодической работе составляет 14 мес. Результаты экспериментальных исследований использованы при проектировании пароводяных инжекторов в КБ струйной техники НП ПТБ "ЦИРКОН".

Основные защищаемые положения:

методика определения параметров потока по длине проточной части камеры смешения пароводяного инжектора с учетом воздушной составляющей, использующая только входные и выходные характеристики аппарата.

исследование влияния величины относительной площади(отношение площади водяного зазора к площади горловины аппарата) водяного зазора на выходные характеристики аппарата

зависимости выходных параметров от изменения относительной площади и относительного давления пара.

результаты экспериментальных исследований аппарата, спроектированного по предлагаемой методике, при различных положениях парового сопла и при изменяющихся значениях входных параметров.

критерии оценки эффективности работы пароводяного инжектора с учетом ■ процессов перераспределения энергии, происходящих внутри его проточной части.

экспериментальные зависимости между

геометрическими характеристиками приемной камеры и выходными теплогидродинамическими параметрами

инжектора.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на научно-технической конференции, посвященной 200-летию ВВМИУ им.Ф.Э.Дзержинского в 1998г. По основным результатам исследований опубликовано: два научно-технических отчета, 5 тезисов докладов на научно-технических конференциях,

опубликовано 4 статьи в Межвузовском сборнике научных трудов СПб ГТУРП.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 182 страниц машинописного текста, б таблиц,44 рисунка, библиографии, включающей 111 наименования и 42 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ отечественных и зарубежных работ, посвященных развитию и применению пароводяных инжекторов показал, следующее, несмотря на то, что инжектор существует больше ста лет, его теория и строгая методика расчета не разработана. Это объясняется сложностью процессов, протекающих в нем. Несмотря на кажущуюся простоту описания движения каждой из фаз смеси в проточной части аппарата имеет место наложение процессов, происходящих в камере смешения, друг на друга. Все приведенные исследования не рассматривали степень дегазации подаваемой на инжектор воды. Наличие же растворенного в воде воздуха оказывает на работу инжектора такое же влияние, как не сконденсировавшийся в камере смешения пар, а именно-,-уменьшает количество подаваемой потребителю воды. До сих пор не существует методики, которая бы позволила определить состояние потока двухфазной смеси внутри проточной части пароводяного инжектора, и сделать вывод о возникновении скачка уплотнения в горловине диффузора инжектора. Нет у авторов и единого мнения относительно критериев оценки работы аппаратов. Существующие величины, к сожалению, оценивают работу аппарата только по выходным параметрам, не учитывая входные характеристики.

Можно наметить несколько направлений возможного развития пароводяных инжекторов в сегодняшних условиях: замена традиционных и устаревших бойлерно-насосных систем;

утилизация отработавшего пара, путем

использования его в ПВИ в" системах водоподготовки, водозабора;

запитка деаэраторов и аварийное питание паровых котлов;

приготовление горячей воды смешением, с подачей под давлением потребителю.

Диссертационная работа посвящена изучению возможности применения пароводяных инжекторов для решения технологических задач промышленных предприятий. Нужно отметить, что возможность применения пароводяного инжектора, выбор конструкции, размеров и

производительности должна производиться конкретно для каждого предприятия.

Нами разработана методика определения параметров потока по длине проточной части камеры смешения инжектора с учетом наличия воздуха, растворенного в воде, не прошедшей дегазацию.

Величина объемного газосодержания на входе в горловину инжектора, в случае использования воды не прошедшей деаэрацию составит:

уж-уьм

фО = фГ + <р = <рсо, + ф01 + +-1-

уж-уь

Объемное содержание выделившихся из воды газов в результате ее нагревания в инжекторе составляет небольшую величину, не превышающую три процента. Таким образом, в работе сделан вывод о том, что величина объемного содержания газов, выделившихся из воды при ее нагревании, не оказывает существенного влияния на величину объемного паросодержания и в ориентировочных расчетах может не учитываться.

Предлагаемая, в данной работе, методика расчета параметров потока по длине проточной части камеры смешения позволяет определить величину объемного паросодержания в любом сечении камеры смешения по формуле:

<р = дх-1

———• | — ———————— + _-—

Д2ш-I J

1<\а

Ли-

\

номер сечения

Температура воды в любом сечении камеры смешения может быть определена как:

По результатам расчета параметров потока по предлагаемой выше методике, были построены графики изменения объемного паросодержания, скорости смеси, температуры смеси, удельного объема смеси, массового паросодержания по длине проточной части пароводяного инжектора представленные на рис.1. Из расчета, приведенного в данной работе видно, что, полученные значения числа Маха весьма невелики. На всем протяжении проточной части собственная скорость смеси не превышает скорости звука в пароводяном потоке.Это дает основание сделать вывод о том, что эффект скачка уплотнения наблюдаться в проточной части рассматриваемого пароводяного инжектора не будет. Это заключение может быть справедливо для всех пароводяных инжекторов, без каналов цилиндрической формы в горловине аппарата и параметрально удовлетворяющих условиям не проявления скачка. Таким образом, в работе сделан вывод о том, что для классического пароводяного инжектора скачок уплотнения не является характерным явлением и может быть инициирован при определенном профилировании проточной части и учете факторов появления скачка в физическом расчете. Методика позволяет определить параметры потока в любой точке проточной части камеры смешения, используя только входные и выходные характеристики аппарата и гарантировать разработанный инжектор от возникновения скачка уплотнения в проточной части при работе ПВИ.

Проведен анализ внутренних характеристик аппарата и сделаны следующие выводы:

Изменение величины объемного газосодержания по длине проточной части ПВИ

Длина камеры смешения (в калибрах)

Изменение параметров потока по длине проточной части ПВИ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Длина камеры смешения (в калибрах)

Рис.1

1.После выхода из парового сопла пар быстро перемешивается с поступающей через кольцевой зазор холодной водой и при этом энергично конденсируется. Перемешивание потоков и дальнейшая конденсация пара происходит вдоль всей проточной части камеры смешения и заканчивается на некотором расстоянии от горловины диффузора за камерой смешения инжектора. Величина объемного газосодержания уменьшается от сечения к сечению вдоль камеры смешения.

2.Температура смеси повышается от сечения к сечению вдоль проточной части ПВИ, за счет конденсации пара, отдающего свою теплоту смеси.

3.В результате конденсации пара значения удельного объема смеси, газосодержания и паросодержания непрерывно снижаются вдоль всей камеры смешения аппарата. Это снижение зависит от величины давления пара перед инжектором.

4.Скорость смеси растет от сечения к сечению и более интенсивный рост кривой наблюдается в сечении близком ко входу в диффузор.

5.Течение смеси практически по всей длине проточной части является дозвуковым.

6. На участке близком к входному сечению диффузора значение удельного объема смеси и паросодержания падают, а величина скорости смеси увеличивается.

В диссертационной работе предложены критерии оценки эффективности работы пароводяного инжектора. Поскольку ПВИ является одновременно насосом и теплообменником, то в силу особенностей его физики, в проточной части всегда происходит неоднократное перераспределение тепловой и механической энергии с частичным переходом одного вида в другой. В работе предлагаются следующие критерии:

Доля тепловой эффективности ПВИ: к, .. Тп *(Т + М) Ь {Тп + Мп)*Т'

где Тп- полезная тепловая энергия

Тп = (14 - п)- С4 • (ш1 + тг)- 3,6 • 10"3,

Т- общий запас тепловой энергии, используемой в

ПВИ

и

Т = [гпг ■ 1\ ■ а + т\ ■ {и-и-а)] • 3,6 • 10-3

М-общий запас используемой механической энергии

М >

•Р. , w'

f¥

1 ^ ГВ-Р.. „

= + т,-| —-— + — ¡-р.

■ 8,59 • Ю"7 +

+ т. - (¡._ ь)" Р. - 3,6 -10"'.

Мп-полезная механическая энергия

Доля механической эффективности ПВИ: Тп

к* 1~к.

1-

Тп + Мп

1-

Коэффициент инжектора:

Т + М,

полезного действия

пароводяного

к,-к,-(к,-к.)' т„+МЕ

' к=:---к.-—.к,- т

Критерий статической эффективности, связывающий давления с массовыми факторами:

Рсэ = -

(1 + и)- —

_У4

Р1

Ро-Уо+и-У

Данный критерий характеризует эффективность использования располагаемой потенциальной энергии в ПВИ.

Эффективность работы камеры смешения как конструкции можно оценить фактором относительной тяги:

— _ уу.-(1 + и)

\¥,+ \У:-и

В работе сделан расчет пароводяного инжектора применительно к условиям завода ОАО МАГНЕТОН, где и проводились экспериментальные исследования аппарата. Схема применения инжектора в системе горячего водоснабжения ОАО МАГНЕТОН представлена на рис.2. Цель

испытаний - исследование влияния изменения площади водяного зазора на расходно-напорные характеристики пароводяного инжектора при изменении давления пара и воды на входе в ПВИ, определение рабочего положения парового сопла при котором смесь на выходе из инжектора имеет параметры заданные потребителем.'

Для каждого положения сопла изменялось давление пара от 2,5ата до минимального значения, при котором происходил "срыв" инжектора, Этот интервал разбивался на пять точек. Всего, было, исследовано пять положений сопла. Граничным положениям сопла соответствовали минимальная и максимальная площади водяного зазора на входе в камеру смешения, при которых инжектор устойчиво работал. При этом не менее 4-5 раз измерялись следующие параметры: давление пара, подаваемого на инжектор; давление воды, подаваемой на аппарат; давление в камере смешения; температура воды на выходе из аппарата; расход горячей воды на выходе из аппарата; давление нагнетания; расход воды, подаваемой на инжектор; температура воды на входе в инжектор.

При проведении экспериментальных исследований использовались приборы, позволяющие получить достаточно высокую точность получаемых величин: лабораторные ртутные термометры, образцовые манометры, счетчик горячей воды, расходомер. Максимальная относительная погрешность определяемых характеристик ПВИ не превышала 7%. Обработка результатов измерений проводилась на компьютере с помощью пакета статистического анализа Statistica.

При испытании инжектора наблюдалась устойчивая работа аппарата и плавное изменение выходных характеристик при изменении внешних параметров. Это говорит об отсутствии скачка уплотнения, который характеризуется большим выходным по отношению к входному и крайней неустойчивостью в работе при изменении внешних параметров, и отсутствием реакции на изменение противодавления.

В процессе эксперимента выяснилось, что работа машины в условиях ниже расчетных является неустойчивой Согласно приведенной в работе методике определялись основные характеристики пароводяного инжектора и строились критериальные зависимости выходных параметров инжектора

Схема применения пароводяного инжектора в системе горячего

водоснабжения

Пар от котла.

горячей воды;5-клапан подачи воды на инжектор;6-клапан подачи пара на инжектор;7-обратный клапан;8-клапан подачи воды потребителю;9-инжектор;10-клапан;11-насос;12-напорный клапан

от изменения величины относительного водяного зазора и

изменения давления пара на входе в аппарат. Для описания характеристик использовались следующие относительные величины: относительное давление пара Ро/Рр, где Ро-текущее давление пара перед соплом (изменялось от 2,5ата до 1,5ата), Рр- рабочее (расчетное) давление пара перед соплом. Рр=2,5ата; относительная площадь ЕТО/ГЗ (отношение площади кольцевого зазора для прохода воды к площади выходного сечения камеры смешения) . В работе получены следующие графики зависимостей:

Напор-расход смеси при различных значениях относительной площади. В ходе предварительного анализа зависимостей были даны уравнения позволяющие описать кривые, характеризующие напорно-расходные

характеристики. Предложенные уравнения позволяют теоретически рассчитать выходные характеристики в зависимости от геометрических размеров аппарата. Диапазон возможного изменения расхода смеси составил 70-110% от рабочего, развиваемый напор 70-120% от рабочего.

Изменение расхода смеси при изменении положения парового сопла представлен на рис.3. Наиболее эффективно машина работает в интервале изменения относительной площади водяного зазора от 1,4 3 до 1,62 (эффективное положение сопла). Наибольшее изменение расхода 0,5кг/с при давлении пара Р0=0,6Рр, наименьшее изменение расхода 0,4кг/с при Р0=0,9Рр. Наибольшее влияние на расход смеси за инжектором оказывается при давлении пара Ро=0,6Рр.

Изменение напора получаемой смеси в зависимости от изменения положения парового сопла представлено на рис. 3. С увеличением роста сечения для прохода воды наблюдается рост величины напора до максимума при ГИ2/ГЗ=1,62, а затем постепенное снижение напора при максимальной величине кольцевого сечения для прохода воды из-за снижения давления воды на входе в ПВИ.

Изменение величины нагрева смеси в зависимости от изменения величины относительного давления пара. Максимума эта величина достигает при минимальном кольцевом зазоре для прохода воды. При эффективном* положении сопла (1,62) получили наиболее экономичный режим по расходу и наименьшее влияние на величину нагрева смеси. Для данного положения сопла на выходе из

Изменение величины расхода смеси при изменении относительной плои^ади водяного зазора

гшгз

Изменение напора смеси при изменении величины относительной пгкхцади водяного зазора

0.5

М 1.3

влгатз

1,9

0,95

0,9

0.8

Зависимость КПД инжектора от величины относительной плоц^ади

0.4

12

плотз

1,6

1,8

1.4

2

рис.3

аппарата получаем практически постоянную температуру при изменяющихся расходно-напорных характеристиках (что предпочтительно для систем ГВС).

Изменение КПД инжектора в зависимости от изменения относительной площади водяного зазора представлено на рис.3.

С увеличением площади кольцевого сечения для прохода воды: снижается величина нагрева смеси с 83С до 5ОС; расход смеси увеличивается:

При давлении пара, подаваемого на Р0=2500кг/м2 с 1,1кг/с до 1,6кг/с; При давлении пара, подаваемого на Р0=22200кг/м2 с 1,01кг/с до 1,38кг/с; При давлении пара, подаваемого на Р0=20400кг/м2 с 0,80кг/с до 1,38кг/с; При давлении пара, подаваемого на Р0=18000кг/м2 с 0,85кг/с до 1,21кг/с; При давлении пара, подаваемого на инжектор Р0=15000кг/м2 с 0,70кг/с до 1,10кг/с.

Наиболее эффективно машина работает в интервале изменения относительной площади водяного зазора от 1,43 до 1,62 (эффективное положение сопла).

С увеличением роста сечения для прохода воды наблюдается рост величины напора до максимума при FW2/F3=1,62, а затем постепенное снижение напора при максимальной величине кольцевого сечения для прохода воды.

Для аппарата, рассматриваемого в диссертационной работе, коэффициент инжекции меняется от б до 12. При увеличении величины относительной площади коэффициент инжекции растет до значения, соответствующего эффективному положению сопла, дальнейшее увеличение площади влияния на коэффициент инжекции не оказывает.

Максимальная тепловая эффективность достигается при величине относительной площади 1,82.

Доля полезной механической энергии на выходе из машины не превышает 3%. В эффективном рабочем интервале водяного зазора (от 1,43 до 1,62) наблюдается устойчивый рост доли механической эффективности. На меньших водяных зазорах при падении доли механической эффективности, происходит рост тепловой эффективности и соответственно при увеличении доли механической эффективности происходит падение тепловой. На больших-

инжектор инжектор инжектор инжектор

зазорах растет тепловая эффективность и уменьшается механическая. На оптимальном водяном зазоре (1ГЮ2/Г3=1,62) имеет место рост как тепловой, так и механической эффективности и, следовательно, общего КПД за счет уменьшения общих потерь машины.

С уменьшением давления пара на входе в аппарат влияние величины водяного зазора на статическую эффективность аппарата уменьшается. При изменении величины относительной площади от 1,43 до 1,62 наблюдается рост статической эффективности в диапазоне увеличения рабочего давления пара, но при относительной площади 1,62 этот рост наиболее выражен и достигает максимального значения.

На малых водяных зазорах для всех значений давления пара, кроме рабочего, наблюдается снижение КПД инжектора. Аппарат может эффективно работать в следующих случаях:

• Инжектор работает только на давлении пара равном Рр при любом водяном зазоре

• Инжектор работает при любом давлении пара на входе в аппарат, но только в интервале соответствующем эффективному рабочему интервалу {¥Я2/£3 изменяется от 1,43 до 1,82). Коэффициент полезного действия увеличивается только в этом интервале.

При максимальном значении относительной площади наблюдается■ устойчивое снижение тяги, из-за увеличения расхода воды на входе в инжектор. Начиная с давления пара Р=0,8Рр устойчивый рост тяги в эффективном интервале изменения водяного зазора. Наименьший разброс значений при Ш2/Р3=1,62, эффективность тяги при этом положении сопла составляет 73%, то есть аппарат работает с наименьшими для данных условий

динамическими потерями.

В работе проведено сравнение данного аппарата с аппаратами аналогичного назначения и даны рекомендации по применению предлагаемой методики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемая методика расчета пароводяного инжектора может быть использована при конструировании и расчете любого одноступенчатого аппарата, использующего в качестве рабочей среды отработавший пар низкого

давления (от 1,14ата до 2,5ата) и гарантирует аппарат от возникновения внутри его проточной части эффекта скачка уплотнения.

Полученные в результате исследования

характеристики и графики дают возможность прогнозировать работу инжектора на нерасчетных режимах. То есть определить, как будет вести себя аппарат, и как будут меняться параметры потока при использовании параметров рабочих сред отличных от расчетных и при различных положениях парового сопла.

Критерии оценки эффективности работы пароводяного инжектора позволяют оценить аппараты, создаваемые по предлагаемой методике, с точки зрения тепловой и механической эффективности, КПД, эффективности использования потенциальной энергии в ПВИ, температурной эффективности, тяги сопла. Критерии дают возможность сравнивать аппараты, созданные по предлагаемой методике.

Благодаря предложенной методике и проведенным исследованиям можно для любого инжектора данного типа спрогнозировать его поведение, как при параметральных, так и геометрических изменениях. Можно оценить возможность применения инжектора в схеме- для решения конкретных технологических задач предприятия.

Полученные расходно-напорные характеристики могут быть использованы для создания аппаратов с регулируемыми параметрами на выходе из аппарата.

Прямой экономический эффект от замены блока насос-бойлер на пароводяной инжектор достигается за счет исключения потерь тепла через наружные поверхности подогревателей и конденсатопровода, а также за счет снижения потребления электроэнергии насосом. Помимо этого, существует 'дополнительный экономический эффект за счет снижения затрат на техническое обслуживние насосно-бойлерного блока (необходимость чистки бойлеров, ремонт насосов). Срок окупаемости рассматриваемого в данной работе инжектора при его периодической работе составляет 14 мес.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.. Мясников В.Е., Кравцов А.Г., Наседкин С.П., Короткова Т.Ю. Методика определения параметров состояния смеси в горловине пароводяного инжектора.// Межвуз.сб.научн.тр.: Проблемы экономии топливно-

энергетических ресурсов на пром предприятиях и ТЭС СПб.,1999.

2.Мясников В.Е., Кравцов А.Г., Наседкин С.П., Т.Ю.Короткова. Методика расчета односопловой системы пароводяного инжектора//Межвуз.сб.научн.тр.: Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС СПб.,1999.

3.Мясников В'. Е., Кравцов А. Г., Наседкин С. П., Т.Ю.Короткова. Новый взгляд на эффективность работы пароструйных аппаратов// Межвуз.сб.научн.тр.: Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС СПб.,1999.

4.Мясников В.Е., Кравцов А.Г., Наседкин С.П., Т.Ю.Короткова. Работа ПВИ на нерасчетных режимах. Тезисы доклада.// Сб.материалов Всероссийской НПК, ВВМИУ им.Ф.Э.Дзержинского. СПб,1998

5.Мясников В.Е., Кравцов А.Г., Наседкин С. П., Т.Ю.Короткова. Конструктивные особенности ПВИ для системы ГВС. Тезисы доклада.// Сб.материалов Всероссийской НПК, ВВМИУ им.Ф.Э.Дзержинского. СПб,1998

6.Мясников В.Е., Кравцов А.Г., Наседкин С. П., Т.Ю.Короткова. Исследование характеристик ПВИ производительностью 5,0 т/ч. Тезисы доклада.// Сб.материалов Всероссийской НПК, ВВМИУ им.Ф.Э.Дзержинского. СПб,1998

7.Мясников В.Е., Кравцов А.Г., Лейкин И.Ю., Т.Ю.Короткова. Влияние особенностей конструкции диффузора на динамические характеристики ПВИ. Тезисы доклада.// Сб.материалов Всероссийской НПК, ВВМИУ им.Ф.Э.Дзержинского. СПб,1998

8.Мясников В.Е., Кравцов А.Г., Лейкин И.Ю., Т.Ю.Короткова. Теплогидродинамический стенд для испытаний перспективных образцов струйной техники. Тезисы доклада.// Сб.материалов Всероссийской НПК, ВВМИУ им.Ф.Э.Дзержинского. СПб,1998

9.МясниковВ.Е., Калинин В.Р., Кравцов А.Г., Лейкин И.Ю., Наседкин С.П., Короткова Т.Ю., Павлова В.М. Методики физического расчета одноступенчатого ПВИ. Научно-технический отчет.// ВВМИУ им.Ф.Э.Дзержинского,СПб,1998

10.МясниковВ.Е., Наседкин С.П., Лейкин И.Ю., Кравцов А.Г., Короткова Т.Ю. Методики профилирования

проточной части одноступенчатого ПВИ. Научно-технический отчет.// ВВМИУ им.Ф.Э.Дзержинского,СПб,1998 11.МясниковВ.Е., Наседкин С.П., Кравцов А.Г., Наседкин С.П., Короткова Т.Ю. Критериальная оценка работы пароводяного инжектора.//Рукопись представлена СПб ГТУ РП. Межвуз.сб.научн.тр. 2000.

Основные условные обозначения: уж-плотность горячей воды в нагнетательном трубопроводе,кг/мЗ; усм-плотность смеси на выходе из камеры смешения,кг/мЗ; уп-плотность паровой

фазы,кг/мЗ; Ькс- длина камеры смешения; р-половинный угол конуса парового факела; <;- потери теплоты на лучеиспускание; Уп-объемный расход пара; t4-температура смеси за инжектором; ^-температура воды на входе в инжектор; т1- количество пара, поступающего на ПВИ в единицу времени; ш2- количество воды, поступающей на ПВИ в единицу времени; Р1- абсолютное давление воды перед инжектором; Р0- абсолютное давление пара перед инжектором; РЗ- давление в горловине диффузора; Р4-давление смеси за инжектором; И-скорость воды в приемном патрубке инжектора; ЮО-скорость пара в трубопроводе подачи; Ю1-скорость пара на выходе из сопла; И2-скорость воды на срезе парового сопла; ИЗ-скорость смеси в горловине диффузора; £<;-сумма коэффициентов гидравлического сопротивления подающего водяного трубопровода; уО-плотность пара перед инжектором; уЗ-плотность смеси в горловине диффузора; и-коэффициент инжекции; 0-коэффициент, учитывающий переход механической энергии в тепловую; фс-коэффициент потерь в паровом сопле; Ю-теплосодержание пара перед инжектором; а2-теплосодержание пара на срезе парового сопла.

Глава

Глава 4.

Введение

Глава 1.

1.1 Описание пароводяного инжектора ^

1.2 Тенденции в развитии инжекторов

1.3 Современный уровень теоретических и экспериментальных исследований по изучению процессов, протекающих внутри проточной части пароводяного инжектора. 1. 4 Современный уровень исследований, касающийся реализации скачка уплотнения в пароводяном инжекторе. 1.5 Постановка задач исследования.

2.1.Методика по определению параметров потока по длине проточной части пароводяного инжектора.

2.2.Методика по расчету параметров потока, предложенная Б.Нахликом.

2.3.Сравнение данных, полученных по предлагаемой методике с данными, рассчитанными по методике Б.Нахлика.

2.4.Критериальная оценка работы ^7 пароводяного инжектора.

2.5.Выводы

Глава 3.

3.1.Описание экспериментальной установки. -^

3.2.Программа испытаний инжектора. VIк

3.3.Оценка точности результатов измерений и обработки опытных данных.

3.4.Анализ результатов экспериментальных исследований и вывод о применимости, предлагаемой методики расчета пароводяного инжектора.

4.1.Преимущества и недостатки аппарата, рассматриваемого в данной работе по сравнению с аппаратами аналогичного назначения созданными

В настоящее время практически во всех теплоэнергетических системах для решения задач теплоснабжения используются электронасосное оборудование, что вполне объяснимо ввиду отсутствия альтернативного оборудования. Выбор электронасосов является следствием серийности их производства, универсальности и простоты при выборе. Однако, такое решение далеко не всегда является оптимальным в связи с нормализованным рядом мощностей, часто не увязанным с требуемой мощностью приводного механизма, и невозможностью без достаточно дорогостоящих устройств экономичного регулирования нагрузки.

Альтернативой применения насосов с электродвигателями может быть использование пароводяных инжекторов. Основными преимуществами аппаратов такого типа являются:

- совмещение в одном аппарате процессов сжатия и нагрева при фактическом использовании всей подведенной энергии при одновременном упрощении тепловой схемы энергетического объекта за счет сокращения количества теплообменного оборудования и трубопроводных коммуникаций.

- возможность разработки и создания инжектора, учитывающего индивидуальные технологические характеристики объекта (системы).

Данные преимущества особенно ярко должны проявляться при сооружении относительно небольших котельных в связи с:

- меньшими дополнительными затратами на подготовку добавочной воды для подпитки цикла;

- умеренными габаритами аппаратов;

- большой надежностью и простотой эксплуатации;

- принципиальной возможностью создания автономной от энергосистемы котельной с покрытием за счет комбинированного использования инжекторов электрических собственных нужд.

Применение пароводяных инжекторов обеспечивает не только повышение надежности теплоснабжения, но и снижение себестоимости тепла в связи со сложившимся соотношением цен на топливо и электроэнергию.

Актуальность работы Эффективное использование топливно-энергетических ресурсов, внедрение энергосберегающих технологий, а также использование вторичных энергетических ресурсов является наиболее важными направлением в развитии энергетической отрасли страны. Более простая в эксплуатации и обслуживании, обладающая меньшими массогабаритными характеристиками по сравнению с традиционными аналогами, взрывопожаробезопасная и не требующая прямого использования электроэнергии, струйная техника может не только успешно конкурировать с известными агрегатами, но и во многих случаях быть выгоднее их. Применение инжектора, как прибора использующего низкопотенциальную теплоту и обладающую возможностью, благодаря особенностям своей конструкции, создавать давление на выходе во много раз превышающее давление подводимого пара позволяет использовать инжектор для замены блока, состоящего из насоса и теплообменного аппарата (бойлера).

Целью работы является Разработка методики расчета пароводяного инжектора, позволяющая расчетным аналитическим) путем определить и учесть параметры потока внутри его проточной части. Создать критерии оценки эффективности его работы с учетом процессов перераспределения энергии, происходящих внутри камеры смешения. Получить зависимости между геометрическими параметрами и выходными характеристиками аппарата.

Основные задачи, решаемые для реализации указанной цели:

1. Произведена оценка современного состояния вопроса, определены основных тенденций и направления развития инжекторов;

2. Разработана методика расчета параметров смеси по длине проточной части пароводяного инжектора с учетом входных и выходных параметров с определением возможности возникновения скачка уплотнения в инжекторах, спроектированных по данной методике.

3. Выполнен расчет и проектирование аппарата с использованием уточненной методики расчета пароводяных инжекторов;

4. Проведены испытания и исследования аппарата на предмет соответствия полученных расходно-напорных характеристик расчетным и сделан вывод о достоверности методики расчета при проектировании аппаратов такого типа;

5. Созданы критерии оценки эффективности работы пароводяного инжектора с учетом входных и выходных параметров инжектора;

6. Получены зависимости между геометрическими параметрами и выходными характеристиками инжектора.

В ходе решения этих задач получены следующие научные результаты, выносимые на защиту:

1.Результаты исследования аппарата, спроектированного по предлагаемой методике, позволили получить новые расходно-напорные характеристики, на основании которых можно сделать вывод о том, что апробация предложенной методики расчета и проектирования завершилась успешно. Экспериментальные расходно-напорные характеристики пароводяного инжектора соответствуют расчетным.

2.Получены новые зависимости выходных параметров от изменения относительной площади (отношение площади водяного зазора к площади горловины аппарата) и относительного давления пара (отношение текущего давления пара к расчетному давлению пара).

3.Методика определения параметров потока по длине проточной части камеры смешения пароводяного инжектора с учетом воздушной составляющей, использующая только входные и выходные характеристики аппарата.

4.Получены экспериментальные и расчетные данные, которые позволяют судить, что в конструкциях данного типа исключается эффект скачка уплотнения в горловине инжектора.

5. Критерии оценки эффективности работы пароводяного инжектора с учетом процессов перераспределения энергии, происходящих внутри его проточной части.

6.Экспериментальные зависимости между геометрическими характеристиками приемной камеры и выходными теплогидродинамическими параметрами инжектора.

Научная новизна результатов, защищаемых в работе состоит в том, что:

1.Предлагается новая усовершенствованная методика физического и конструктивного расчета, позволяющая рассчитывать широкий спектр пароводяных инжекторов.

2.Разработаны новые критерии оценки эффективности работы пароводяного инжектора, позволяющие оценить степень эффективности перераспределения энергии рабочих сред, происходящих внутри инжектора.

3.Получены новые экспериментальные результаты, выявляющие связь между относительной площадью водяного зазора, относительным давлением пара и выходными теплогидродинамическими характеристиками аппарата.

4.Получены новые величины изменения параметров смеси по длине проточной части пароводяного инжектора.

Достоверность выносимых на защиту результатов подтверждается данными контрольных исследований, проведенных на установке, работающей в теплофикационной системе завода ОАО "Магнетон".

Практическаязначимость Аппараты, спроектированные по предлагаемой методике, будут гарантированы от возникновения эффекта скачка уплотнения в горловине диффузора. Полученные экспериментальные кривые можно использовать при решении конкретных теплоэнергетических задач производства с помощью ПВИ. Полученные зависимости между выходными характеристиками пароводяного инжектора и изменением величины относительной площади могут быть использованы при проектировании инжекторов подобного типа. Предложенные зависимости характеристик инжектора от входных параметров сред и изменения величины относительной площади водяного зазора дают возможность при проектировании получить новые конструктивные соотношения, расширяющие диапазон характеристик аппарата. Полученные результаты могут быть применены для расчета и проектирования пароводяных инжекторов, использующих в качестве рабочего тела водяной пар низкого давления.

Апробация результатов работы.

Основные положения работы докладывались на научно-технической конференции, посвященной 200-летию ВВМИУ им.Ф.Э.Дзержинского в 1998г.

По основным результатам исследований опубликовано: два научно-технических отчета, 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях, опубликовано 7 статей в Межвузовском сборнике научных трудов СПб ГТУРП и научных журналах.

Результаты экспериментальных исследований использованы при проектировании пароводяных инжекторов в КБ струйной техники НП ПТБ "ЦИРКОН".

10