Патент на изобретение №2271999

(54) УСТАНОВКА И СПОСОБ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области водоподготовки, и может быть использовано для дегазации, очистки и кондиционирования воды. Установка содержит подводящую магистраль, отводящую магистраль, запорно-регулирующую и измерительную аппаратуру, насос, бак, по меньшей мере два контура, снабженных соединенными между собой сверхзвуковыми жидкостно-газовыми эжекторами, которые установлены вертикально приемными камерами вверх. Приемные камеры эжекторов непосредственно связаны между собой парогазовым трубопроводом. Первый контур предназначен для обрабатываемой воды, а второй для циркулирующей рабочей жидкости. Второй контур содержит циркуляционную магистраль, связанную с баком для циркулирующей жидкости, снабженным в нижней части теплообменником. Способ обработки воды, включает ее подачу под давлением к сопловому блоку жидкостно-газового эжектора с образованием в камере смешения эжектора сверхзвуковой двухфазной смеси воды и выделившихся из нее газов и паров. Одновременно производят вакуумирование приемной камеры эжектора за счет использования второго сверхзвукового эжектора, установленного параллельно первому в независимом контуре с обеспечением циркуляции рабочей жидкости в контуре, и отвод парогазовой фазы через парогазовый трубопровод непосредственно соединяющий приемные камеры эжекторов. Обрабатываемую воду подают к эжектору под давлением, обеспечивающим безотрывное течение сверхзвуковой двухфазной смеси в камере смешения эжектора в процессе вакуумирования его приемной камеры, и при температуре обрабатываемой воды, превышающей температуру рабочей жидкости в контуре эжектора, предназначенного для вакуумирования. Технический эффект – эффективная дегазация воды при минимально возможных энергетических затратах в установке с минимально возможной материалоемкостью. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области водоподготовки, и может быть использовано для дегазации, очистки и кондиционирования воды.

Известно устройство для удаления газов из горячей воды, которое состоит из корпуса дегазатора, внутри которого на решетку засыпана неупорядоченная насадка, а вода в полость дегазатора подается сверху через блок коллекторов с плоскими дренированными днищами, причем каждое отверстие выполнено в виде струйной форсунки, паровоздушная смесь отсасывается из-под решетки через заборник выпара, расположенный в теле насадки, струйным водовоздушным эжектором. Внутри корпуса заборника выпара для формирования развитой поверхности конденсации пара на дренированное его днище засыпана насадка из колец Рашига (RU 2202518, 20.04.2003).

Недостатком устройства является его большая материалоемкость и недостаточный КПД, связанный с неизбежными потерями тепла на поверхности установки.

Известна установка для дегазации воды, которая содержит вертикальную дегазационную колонну с патрубками подачи воды на дегазацию, отвода воды, отсоса паровоздушной смеси, клапан-регулятор подачи воды на дегазацию, охладитель выпара, охладитель рабочей жидкости. Газоотсасывающий тракт выполнен в виде двух параллельных газогидравлических трактов, имеющих общий исток по паровоздушной смеси и общий сток для использованной рабочей жидкости и сконденсировавшегося выпара, со встроенным в каждый тракт водоструйными эжекторами с отличающимися на порядок расходами рабочей жидкости. В тракт с эжектором наибольшего расхода установлен клапан-регулятор. Водоструйный эжектор с наименьшим расходом расположен выше для предотвращения подсоса рабочей жидкости в режиме поддержания вакуума в колонне из магистрали от клапана-регулятора до эжектора с наибольшим расходом (RU 2196738, 20.01.2003).

Недостатком установки является наличие дегазационной колонны и связанные с эти большая материалоемкость и недостаточный КПД установки.

Известна установка для разделения жидких сред, содержащая два последовательно установленных и соединенных через накопительный бак эжектора, один из которых используется для подачи обрабатываемой жидкости, а другой в качестве независимой вакуумирующей системы (RU 2124525, 10.01.1999).

Недостатком такой установки является последовательная установка эжекторов, приводящая к потере КПД установки из-за частичной конденсации пара, сначала созданного в первом эжекторе, а затем сконденсировавшегося на выходе из него в процессе торможения потока в расширяющемся диффузоре эжектора.

Для повышения эффективности обработки жидкостей были предложены устройства и способы, предусматривающие использование сверхзвуковых эжекторов с многосопловой насадкой.

Известен, например, способ умягчения воды, в котором обработку воды проводят в жидкостно-газовом эжекторе с многосопловой насадкой при подаче воды в эжектор под давлением, обеспечивающим скорость подачи воды, не менее чем на 25% превышающую скорость звука в образовавшейся двухфазной смеси вода-воздух (RU 2208594, 20.07.2003).

Известны установка и способ очистки и кондиционирования воды, в котором обработку воды проводят в жидкостно-газовом эжекторе с многосопловой насадкой при подаче воды в эжектор под давлением, обеспечивающим скорость подачи воды, не менее чем на 25% превышающую скорость звука в образовавшейся двухфазной смеси вода-воздух, после чего проводят фильтрование и добавляют в воду соляную или серную кислоту также в эжектирующем устройстве при закрытой вакуумной полости эжектора (RU 2208598, 20.07.2003).

Недостатком вышеописанных схем является конденсация большей части образовавшегося выпара при восстановлении давления на выходе из эжектора и связанная с этим недостаточная эффективность дегазации.

Установка и способ по RU 2208598 выбраны за прототип предлагаемого изобретения.

Задачей изобретения является повышение эффективности процессов дегазации и умягчения воды, а также снижения габаритов и материалоемкости установки.

Поставленная задача решается описываемой установкой для обработки воды, которая содержит подводящую магисталь, отводящую магисталь, запорно-регулирующую и измерительную аппаратуру, насос, бак, по меньшей мере два контура, снабженных соединенными между собой сверхзвуковыми жидкостно-газовыми эжекторами, которые установлены вертикально приемными камерами вверх, приемные камеры эжекторов непосредственно связаны между собой парогазовым трубопроводом, при этом приемная камера эжектора первого контура оборудована трубкой подачи обрабатываемой воды, установленной по оси камеры, а приемная камера эжектора второго контура оборудована по оси камеры трубкой подачи циркулирующей рабочей жидкости, второй контур содержит циркуляционную магистраль, связанную с баком для циркулирующей жидкости, снабженным в нижней части теплообменником.

Предпочтительно, длина приемной камеры эжектора, предназначенного для обрабатываемой воды, не менее чем в три раза превышает ее внутренний диаметр, внутренний диаметр упомянутой приемной камеры не менее, чем в два раза превышает наружный диаметр трубки подачи обрабатываемой воды, а длина конфузора данного эжектора равна 0,5-5 диаметрам камеры смешения эжектора.

Предпочтительно, площадь проходного сечения парогазового трубопровода не менее, чем в 10 раз превышает площадь кольцевого зазора между трубкой подачи циркулирующей рабочей жидкости и стенкой приемной камеры данного эжектора, при этом расстояние от соплового блока упомянутого эжектора до его камеры смешения не превышает 5 диаметров камеры смешения.

Возможно выполнение установки, в котором теплообменник бака для циркулирующей жидкости дополнительно связан с подводящей магистралью и выполнен в виде холодильной машины, охлаждающей радиатор, который предназначен для охлаждения циркулирующей жидкости, а радиатор сброса тепла для подогрева обрабатываемой воды.

Поставленная задача решается также описываемым способом обработки воды, включающим ее подачу под давлением к сопловому блоку жидкостно-газового эжектора с образованием в камере смешения эжектора сверхзвуковой двухфазной смеси воды и выделившихся из нее газов и паров, при одновременном вакуумировании приемной камеры эжектора за счет использования второго сверхзвукового эжектора, установленного параллельно первому в независимом контуре с обеспечением циркуляции рабочей жидкости в контуре, отвод парогазовой фазы через парогазовый трубопровод, непосредственно соединяющий приемные камеры эжекторов, при этом обрабатываемую воду подают к эжектору под давлением, обеспечивающим безотрывное течение сверхзвуковой двухфазной смеси в камере смешения эжектора в процессе вакуумирования его приемной камеры, и при температуре обрабатываемой воды, превышающей температуру рабочей жидкости в контуре эжектора, предназначенного для вакуумирования.

Предпочтительно обрабатываемую воду подают к эжектору при температуре, превышающей температуру рабочей жидкости в контуре вакуумирующего эжектора на величину, обеспечивающую не менее чем двукратное превышение давления кипения обрабатываемой воды над давлением кипения циркулирующей рабочей жидкости.

Способ можно осуществить в заявленной установке, охарактеризованной выше.

На фиг.1. представлена схема установки, в которой теплообменник бака выполнен в виде холодильной машины.

Установка содержит следующие элементы: насос 1; подводящая магистраль, установленная перед насосом 2; радиатор сброса тепла 3; участок магистрали после насоса 4; трубка подачи обрабатываемой воды 5; приемная камера эжектора первого контура 6; камера смешения эжектора первого контура 7; отводящая магистраль 8; парогазовый трубопровод с запорно-регулирующей и измерительной аппаратурой 9; камера смешения эжектора второго контура 10; приемная камера эжектора второго контура 11; трубка подачи циркулирующей жидкости 12; циркуляционная магистраль 13; бак 14; насос второго контура 15; теплообменник (охлаждающий радиатор) 16; холодильная машина 17.

На фиг.2 представлен эжектор первого контура, имеющий следующее соотношение размеров: длина приемной камеры 6 эжектора не менее чем в три раза превышает ее внутренний диаметр; внутренний диаметр приемной камеры эжектора не менее чем в три раза превышает наружный диаметр трубки подачи обрабатываемой среды 5; длина конфузора эжектора, состоящего из двух конусообразных частей 18 и 19 составляет 0,5÷5 диаметра камеры смешения эжектора, причем, первая часть 18 с углом раскрытия ₁=90-120°, а вторая – 19 с углом раскрытия ₂=90-30°; диаметр парогазового трубопровода 9 в месте соединения с приемной камерой эжектора равен не менее 0,5 диаметра приемной камеры эжектора; расстояние от трубки подачи обрабатываемой среды до камеры смешения 7 не превышает 5 диаметров камеры смешения.

Эжектор, используемый в первом контуре установки, работа которой описана в нижеследующих примерах, имеет следующие размеры: внутренний диаметр приемной камеры эжектора D=40 мм; длина приемной камеры эжектора L=120 мм; длина конфузора, состоящего из двух частей равна l=20 мм, причем первая образующая конфузора наклонена под углом 45° к его оси, а вторая образующая под углом 15°; диаметр парогазового трубопровода в месте соединения с приемной камерой эжектора равен 20 мм; расстояние от трубки подачи обрабатываемой среды до камеры смешения эжектора равно 10 мм.

Если теплообменник бака циркулирующей жидкости выполнен в виде холодильной машины, то установка является мобильной.

Оценка мощности холодильной машины производится из расчета необходимости обеспечения постоянной разницы температур между обрабатываемой водой и рабочей жидкостью, циркулирующей по второму контуру. По результатам расчетов, подтвержденных экспериментально, во второй контур из первого ежесекундно может поступать до 1 г пара (r=539 ккал/кг), т.е. каждую секунду во второй контур поступает до 539 кал. Если насос второго контура имеет мощность 1,5 кВт, то это равносильно тому, что к рабочей жидкости второго контура ежесекундно подводится до 360 кал. Итого, к рабочей жидкости второго контура ежесекундно может подводиться до 900 кал. Это количество тепла и необходимо ежесекундно отводить от рабочей жидкости второго контура для того, чтобы процесс дегазации был непрерывным. Таким образом, полезная мощность холодильника составит 3,77 кВт. При этом, тепло, сбрасываемое в поступающую на обработку воду, обеспечивает необходимый подогрев. При расходе 3 м³/час=0,83 л/с этот подогрев составит 1,08°С.

Для запуска установки необходимо обеспечить соответствующую разницу температур в первом и втором контурах. В случае стационарного варианта установки (позиции 3 и 17 отсутствуют) теплообменник 16 бака циркулирующей рабочей жидкости обеспечивает ее охлаждение до нужной температуры от независимого устройства. В случае мобильного варианта установки теплообменник выполнен в виде холодильника 17 который своими радиаторами 16 и 3 обеспечивает соответствующее охлаждение и нагрев рабочей жидкости и воды соответственно.

На практике время, необходимое для захолаживания второго контура, оценивают следующим образом. В зависимости от температуры обрабатываемой воды (допустим – температура 19°С, давление кипения воды при этой температуре Р_воды=16 мм рт.ст.) определяется необходимая температура рабочей жидкости второго контура (это температура 8°С, Р_ж=8 мм рт.ст). Если объем рабочей жидкости второго контура составляет 40 л, то время, необходимое на предварительное захолаживание второго контура от температуры 19°С до рабочей температуры в 8°С, составит =490 с=8 мин 10 с.

Пример 1. Работа мобильной установки при дегазации воды с производительностью 3 м³/час может быть продемонстрирована следующим образом.

В первом контуре вода с температурой не менее 19°С (Р_s=16 мм рт.ст.) поступает из магистрали подвода обрабатываемой воды 2 к электронасосу 1 из которого она поступает к дополнительному теплообменному устройству (радиатору сброса тепла) 3, где подогревается на 1,08°С и по трубопроводу 4 подается к трубке подачи воды 5, установленной в приемной камере 6 эжектора первого контура. При этом, в приемной камере 6 поддерживается низкое давление за счет работы второго контура, связанного с первым через парогазовый трубопровод с запорно-регулирующими устройствами 9. Таким образом, вода на выходе из трубки подачи воды 5 попадает в зону (приемная камера 6) низкого давления и мгновенно вскипает, что приводит к образованию двухфазной паро-газожидкостной смеси. На выходе из камеры смешения эжектора первого контура 7 течет обработанная вода с давлением Р_вых0,16 МПа, которая отводится по магистрали отвода обработанной воды 8.

Во втором контуре (в качестве рабочей жидкости выбрана вода) рабочая жидкость с температурой не более 8°С (Р_s=8 мм рт.ст.) циркулирует по замкнутому контуру: электронасос 15; трубопровод циркуляционной магистрали 13; трубка подачи циркулирующей рабочей жидкости 12; приемная камеру 11 второго эжектора 10; бак циркулирующей жидкости 14; электронасос 15. При этом, в приемной камере 11 второго эжектора 10 создается вакуум, соответствующий давлению при котором закипает жидкость второго контура. В рассматриваемом случае это Р_s=8 мм рт.ст., соответствующее температуре жидкости 8°С. За счет непрерывной работы насоса и засасывания из первого контура пара, конденсирующегося в более холодной жидкости второго контура, происходит непрерывный и интенсивный нагрев жидкости. Поэтому ее охлаждают за счет установленного в баке циркулирующей жидкости теплообменника 16, связанного с холодильником 17.

По парогазовому трубопроводу с запорно-регулирующими устройствами 9 осуществляется отвод парогазовой смеси из первого контура во второй, так как в приемной камере первого эжектора 6 минимальное абсолютное давление, которое может быть достигнуто, соответствует Р_s=16 мм рт.ст. (t_в=19°С), а в приемной камере второго эжектора 11 это давление соответствует Р_s=8 мм рт.ст. (t_ж=8°C) – возникает перепад давлений близкий к критическому, обеспечивающий течение парогазовой смеси со скоростью, близкой к скорости звука в этой смеси (а_пж410 м/с). Поэтому с целью минимизации потерь полного давления при звуковом течении смеси по парогазовому трубопроводу и обеспечения максимально возможного расхода парогазовой смеси необходимо обеспечить течение потока с максимально возможной плотностью и соответственно с минимальной скоростью. Для реализации такого режима самое узкое сечение в канале, связывающем два контура должно быть при подводе парожидкостной смеси к более холодной жидкости второго контура, выходящей из трубкой подачи циркулирующей рабочей жидкости 12 в приемную камеру 11 эжектора второго контура 10. В представленном примере 1 площадь кольцевого зазора составляет 0,54 см². В этом случае на участке от приемной камеры 6 эжектора первого контура 7 до приемной камеры 11 эжектора второго контура 10 течет парогазовая смесь с давлением Р_s=16 мм рт.ст.

После произведенной обработки воды остаточное содержание растворенного кислорода в воде не превышает 20 мкг/дм³ при исходном содержании 15 мг/дм³, а свободная углекислота в воде отсутствует при исходом содержании 30 мг/дм³.

Пример 2. Работа устройства при дегазации горячей воды с производительностью 3 м³/час может быть продемонстрирована следующим образом.

В первом контуре вода с температурой не менее 48°С (P_s=82 мм рт.ст.) поступает из магистрали подвода обрабатываемой воды 2 к электронасосу 1, который повышает ее давление до 0,6 МПа, а затем по трубопроводу 4 к трубке подачи воды 5, установленной в приемной камере 6 эжектора первого контура 7. При этом в приемной камере 6 поддерживается низкое давление за счет работы второго контура, связанного с первым через парогазовый трубопровод с запорно-регулирующими устройствами 9. Таким образом, вода на выходе из трубки подачи воды 5 попадает в зону (приемная камера 6) низкого давления и мгновенно вскипает, что приводит к образованию двухфазной парогазожидкостной смеси. На выходе из эжектора первого контура 7 течет обработанная вода с давлением Р_вых0,16 МПа, которая отводится по магистрали отвода обработанной воды 8.

Во втором контуре (в качестве рабочей жидкости выбрана вода) рабочая жидкость с температурой не более 35°С (P_s=41 мм рт.ст.) циркулирует по замкнутому контуру: электронасос 15; трубка циркуляционной магистрали 13; трубка подачи циркулирующей рабочей жидкости 12; приемная камеру 11 второго эжектора 10; бак циркулирующей жидкости 14; электронасос 15. При этом в приемной камере 11 второго эжектора 10 создается вакуум, соответствующий давлению, при котором закипает жидкость второго контура. В рассматриваемом случае это Р_s=41 мм рт.ст., соответствующее температуре жидкости 35°С. За счет непрерывной работы насоса и засасывания из первого контура пара, конденсирующегося в более холодной жидкости второго контура, происходит непрерывный и интенсивный нагрев жидкости. Поэтому ее охлаждают за счет установленного в баке циркулирующей жидкости теплообменника 16.

По парогазовому трубопроводу с запорно-регулирующими устройствами 9 осуществляется отвод парогазовой смеси из первого контура во второй. Так как в приемной камере первого эжектора 6 минимальное абсолютное давление, которое может быть достигнуто, соответствует Р_s=82 мм рт.ст. (t_в=48°С), а в приемной камере второго эжектора 11 это давление соответствует P_s=41 мм рт.ст. (t_ж=35°С) – возникает перепад давлений близкий к критическому, обеспечивающий течение парогазовой смеси со скоростью, близкой к скорости звука в этой смеси (а_пж30 м/с). Поэтому с целью минимизации потерь полного давления при звуковом течении смеси по парогазовому трубопроводу и обеспечения максимально возможного расхода парогазовой смеси необходимо обеспечить течение потока с максимально возможной плотностью и соответственно с минимальной скоростью. Для реализации такого режима самое узкое сечение в канале, связывающем два контура должно быть при подводе парожидкостной смеси к более холодной жидкости второго контура, выходящей из трубки подачи циркулирующей рабочей жидкости 12 в приемную камеру 11 эжектора второго контура 10. В представленном примере 2 площадь кольцевого зазора составляет 0,515 см². В этом случае на участке от приемной камеры 6 эжектора первого контура 7 до приемной камеры 11 эжектора второго контура 10 течет парогазовая смесь с давлением Р_s=82 мм рт.ст.

В результате обработки воды получено, что остаточное содержание растворенного кислорода в воде не превышает 20 мкг/дм³ при исходном содержании 9 мг/дм³, а свободная углекислота в воде отсутствует при исходом содержании 10 мг/дм³.

Таким образом, как видно из представленных примеров, изобретение позволяет производить эффективную дегазацию воды при минимально возможных энергетических затратах в установке с низкой материалоемкостью.

Формула изобретения

1. Установка для обработки воды, содержащая подводящую магистраль, отводящую магистраль, запорно-регулирующую и измерительную аппаратуру, насос, по меньшей мере два контура, снабженных соединенными между собой сверхзвуковыми жидкостно-газовыми эжекторами, и бак, отличающаяся тем, что эжекторы установлены вертикально приемными камерами вверх, приемные камеры эжекторов непосредственно связаны между собой парогазовым трубопроводом, при этом приемная камера эжектора первого контура оборудована трубкой подачи обрабатываемой воды, установленной по оси камеры, а приемная камера эжектора второго контура оборудована по оси камеры трубкой подачи циркулирующей рабочей жидкости, второй контур содержит циркуляционную магистраль, связанную с баком для циркулирующей жидкости, снабженным в нижней части теплообменником.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что длина приемной камеры эжектора, предназначенного для обрабатываемой воды, не менее чем в три раза превышает ее внутренний диаметр, внутренний диаметр упомянутой приемной камеры не менее чем в два раза превышает наружный диаметр трубки подачи обрабатываемой воды, а длина конфузора данного эжектора равна 0,5-5 диаметрам камеры смешения эжектора.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что площадь проходного сечения парогазового трубопровода не менее чем в 10 раз превышает площадь кольцевого зазора между трубкой подачи циркулирующей рабочей жидкости и стенкой приемной камеры данного эжектора, при этом расстояние от соплового блока упомянутого эжектора до его камеры смешения не превышает 5 диаметров камеры смешения.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник бака для циркулирующей жидкости дополнительно связан с подводящей магистралью и выполнен в виде холодильной машины, охлаждающий радиатор которой предназначен для охлаждения циркулирующей жидкости, а радиатор сброса тепла – для подогрева обрабатываемой воды.

5. Способ обработки воды, включающий ее подачу под давлением к сопловому блоку жидкостно-газового эжектора с образованием в камере смешения эжектора сверхзвуковой двухфазной смеси воды и выделившихся из нее газов и паров, отличающийся тем, что одновременно производят вакуумирование приемной камеры эжектора за счет использования второго сверхзвукового эжектора, установленного параллельно первому в независимом контуре с обеспечением циркуляции рабочей жидкости в контуре, осуществляют отвод парогазовой фазы через парогазовый трубопровод, непосредственно соединяющий приемные камеры эжекторов, при этом обрабатываемую воду подают к эжектору под давлением, обеспечивающим безотрывное течение сверхзвуковой двухфазной смеси в камере смешения эжектора в процессе вакуумирования его приемной камеры, и при температуре обрабатываемой воды, превышающей температуру рабочей жидкости в контуре эжектора, предназначенного для вакуумирования.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что обрабатываемую воду подают к эжектору при температуре, превышающей температуру рабочей жидкости в контуре вакуумирующего эжектора на величину, обеспечивающую не менее чем двукратное превышение давления кипения обрабатываемой воды над давлением кипения циркулирующей рабочей жидкости.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что процесс осуществляют в установке, охарактеризованной в пп.1-4.

РИСУНКИ