Трансзвуковой струйный аппарат ТСА: технология и ответы на вопросы

В аппарат ТСА поступают раздельно вода и пар. Смешиваясь, они образуют однородную двухфазную пароводяную смесь. Локальная скорость звука в такой смеси весьма мала (5 – 10 м/сек). В итоге пароводяная смесь на входе в камеру смешения аппарата имеет скорость, равную или большую локальной скорости звука. При торможении сверхзвуковой смеси на выходе из камеры смешения происходит скачок давления и рост температуры с конденсацией паровой фазы. В результате давление смеси на выходе из аппарата значительно превышает давление воды и пара на входе. Благодаря тому, что поток в камере смешения имеет развитую поверхность теплообмена из-за туманообразной, либо пенообразной структуры пароводяной смеси, размеры аппарата малы по сравнению со всеми существующими теплообменниками поверхностного типа (включая пластинчатые).

Сравнительные размеры бойлера и теплообменника ТСА

Предлагаемые аппараты спроектированы и изготовлены таким образом, что работают устойчиво во всем диапазоне режимных параметров.

Аппарат работает при следующих параметрах на входе:

• Давление пара – от 0 до 70 атм
• Давление воды – от 0 до 70 атм
• Температура воды – от 1 до 150°С.  

Количество потребляемого пара – до 14 процентов от расхода воды.

Типоразмеры ТСА их производительность и тепловая мощность

Часто задаваемые вопросы

Что такое ТСА?

Трансзвуковой струйный аппарат (ТСА)  - это тепловая машина, использующая энергию пара для нагрева и перекачивания жидкости без применения дополнительных источников энергии. «Трансзвуковой» означает то, что имеющие дозвуковую скорость входные потоки в проточной части аппарата приобретают сверхзвуковую скорость и вновь – скачком – переходят в дозвуковую область. Скачок давления обеспечивает насосную функцию аппарата, теплообмен между жидкостью и паром – нагревательную.

Принцип действия ТСА

Работа ТСА основана на явлении возникновения скачка давления при торможении сверхзвукового потока. В роли сверхзвукового потока выступает двухфазная среда, образующаяся в камере смешения при взаимодействии подаваемых в аппарат пара (газа) и воды (жидкости). Здесь проявляется эффект снижения скорости звука в двухфазной среде – поэтому смешанный поток оказывается сверхзвуковым даже при его относительно невысокой скорости (~80÷100 м/с). Торможение этого потока приводит к переходу через звуковой барьер с образованием скачка давления – стоячей ударной волны. В скачке давления возрастает плотность среды – среда переходит в однофазное – жидкое – состояние (при наличии в среде нерастворимых и неконденсируемых газов она остается двухфазной), снижается скорость потока, начинается интенсивный теплообмен. Поверхность теплообмена очень велика, поскольку в камере смешения при обмене импульсом между фазами достигается глубокое перемешивание фаз. В результате происходящих явлений располагаемое давление на выходе аппарата может превышать давление каждого из входящих в него потоков; благодаря развитой поверхности взаимодействия фаз теплообмен или химические реакции протекают очень интенсивно; при применении нерастворимых и химически не взаимодействующих компонентов создается мелкодисперсная эмульсия.

Регулирование ТСА

В аппаратах, работающих на скачке давления, скачок условно разделяет проточную часть аппарата на два участка – сверхзвуковой, со стороны камеры смешения, и дозвуковой, со стороны выхода потока из аппарата. Возмущение не может распространяться против сверхзвукового потока, следовательно, возмущения, создаваемые на выходе аппарата, не отразятся на его входных параметрах. Это означает, что регулирование расхода через скачковый аппарат прижатием задвижки на его напорной линии невозможно – в отличие от центробежного насоса. Регулировать расход через скачковый аппарат можно, воздействуя на его входной параметр – давление воды. Либо применяя дискретное регулирование, включая или отключая дополнительные аппараты в блоке аппаратов.

Регулирование температуры воды на выходе из аппарата осуществляется изменением расхода пара через паровое сопло путем изменения давления пара перед аппаратом. Поскольку сопло имеет критическое сечение (в котором достигается скорость звука), зависимость расхода пара от его давления перед соплом имеет линейный характер.

Регулирование расхода и/или температуры воды на выходе из аппарата ТСА должно осуществляться с помощью его регулировочной характеристики либо вручную, либо с применением системы автоматического регулирования.

Располагаемое давление

Скачковый аппарат можно нагружать противодавлением до срыва его работы. Располагаемое давление – это максимальное давление, которое может развить аппарат при данных входных параметрах. Противодавление системы, на которую работает аппарат, может быть задано в пределах от нуля до располагаемого давления. Другими словами, если при работе системы отопления с бойлером в ней установился определенный расход и давление в подающей линии, то при замене бойлера на аппарат ТСА давление в подающей линии останется прежним.

Располагаемое давление меняется с изменением входных параметров. Когда оно становится равным заданному противодавлению, дальнейшее его снижение вызовет срыв работы аппарата. Зона устойчивой работы аппарата ТСА определяется по его регулировочной характеристике.

Отличие от аналогов

Все струйные аппараты, работающие на скачке давления, похожи по применяемым конструкторским решениям. Они могут иметь центральное или периферийное паровое сопло, регулирование может осуществляться клапанами на входных патрубках или подвижными элементами внутри проточной части, могут иметь одну или две ступени подвода пара или воды. В конце концов, это всего лишь оформление принятой модели взаимодействия фаз. Расчетная модель должна обеспечить соответствие выходных параметров входным в заявленном диапазоне их изменения.

Расчетная модель аппаратов ТСА выполняет данное условие – она позволяет получить их регулировочные характеристики. В частности, определить изменение располагаемого давления и расхода через аппарат при изменении давления пара, а также рассчитывать аппараты с напорным эффектом при давлении пара меньшем давления воды.

Из каких материалов изготовлен ТСА и как влияет на качество воды

Корпус ТСА изготовлен из углеродистой качественной конструкционной стали, детали внутренней проточной части из нержавеющей стали. Для специальных условий эксплуатации могут быть изготовлены аппараты из соответствующих марок сталей и материалов. ТСА  не снижает качество подогреваемой воды, соответствует требованиям СанПиН 2.2.4.548-96, гигиеническим требованиям к производственному оборудованию №1042-73.

Повышение давления в закрытых системах

При работе пароводяных подогревателей смешивающего типа на закрытую систему в нее поступает дополнительное количество воды в виде сконденсировавшегося пара. Чтобы избежать связанного с этим обстоятельством повышения давления, избыточную воду в объеме поступающего конденсата необходимо удалять из системы. Часть избыточной воды может покрывать утечки в системе, снижая необходимый расход подпиточной воды. В теплоблоке на основе аппаратов ТСА предусмотрен сброс избыточной воды с одновременным поддержанием давления в обратной линии. Избыточная вода с температурой «обратки» может направляться на подмес к сырой воде перед фильтрами химводоподготовки, либо – после «отмыва» системы – на деаэратор.

Невозврат конденсата

Пароводяные подогреватели смешивающего типа отдают конденсат пара в сеть. Возникает необходимость в подготовке дополнительного количества питательной воды. Технико-экономические обоснования для внедрения аппаратов ТСА учитывают повышение нагрузки на ХВП – дополнительный расход соли на регенерацию фильтров и стоимость сточных вод, а также учитывают затраты тепла на догрев избыточной воды (см. предыдущий пункт) от температуры «обратки» до температуры конденсата. Применение аппаратов ТСА дает экономию, превосходящую указанные затраты.