ТЕПЛОМАССООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ВИХРЕВОГО ТИПА

Полезная модель относится к конструкциям теплообменников смешения для проведения тепло-массообменных процессов системы пар (газ)-жидкость. Устройство может использоваться как в качестве конденсатора для контактной конденсации смеси паров (в том числе загрязненных и неоднородных) аналогичной средой в сжиженном состоянии, так и в качестве бойлера в различных отраслях промышленности, например, в теплоэнергетике, химической, нефтехимической и др.
Известен контактный конденсатор с вращением пара и охлаждающей воды (патент JP 3163326, F28B 3/08, 2001 г.). Конденсатор содержит цилиндрический корпус, крышку, конусообразное днище со штуцером для отвода конденсата, штуцер подвода пара, состоящий из трубы со встроенными соплами или с лопатками, способствующими закручиванию парового потока. В крышке установлены тангенциально закручивающие устройства подвода охлаждающей жидкости со встроенными диффузорами.
Недостатками известного устройства являются низкая эффективность аппарата за счет потери закручивающего эффекта после начала процесса конденсации и ограниченность использования аппарата - только для конденсации чистого водяного пара.
Известно массообменное контактное устройство, в котором за счет наличия внутренних контактных тарелок, образуется вихревой закрученный поток контактируемых сред (патент RU №2271848, B01D 3/24, B01D 3/30, 2006 г.). Устройство содержит корпус, наклонную тарелку с приспособлением для слива жидкости с верхней тарелки на нижнюю, причем наклонная тарелка состоит из нескольких параллельных слоев с просечками, размещенных на опорном кольце на заданном расстоянии между собой, при этом угол между горизонтальной плоскостью опорного кольца и внешней стороной наружного слоя тарелки принимается в пределах от 90 до 160°, причем жидкость, сливающаяся с верхней тарелки на нижнюю, поступает на тот слой тарелки, который первым контактирует с паровым или газовым потоком.
Однако эффективность известного устройства не может превышать 90%.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является контактный аппарат вихревого типа (Москалев Л.Н., Поникаров С.И., Поникаров И.И. «Описание экспериментальной установки для проведения исследований процесса конденсации в контактно вихревом аппарате» / Вестник Казанского технологического университета. Т. 14. №14; М-во образ. и науки России, Казан. Нац. Исслед. Технол. Ун-т.- Казань: КНИТУ, 2011. - 318 с). Аппарат содержит цилиндрический корпус, крышку с распыливающей центробежной форсункой, днище с патрубком для отвода конденсата, внутри корпуса соосно установлена регулярная перфорированная насадка, представляющая собой полый усеченный конус с отверстиями, расположенными по окружности насадки в шахматном порядке четырьмя ярусами диаметр отверстий первого-третьего ярусов 3 мм с межцентровым расстоянием 4 и 5 мм, диаметр отверстий четвертого яруса 12 мм с межцентровыми расстояниями равными 14 и 18 мм, между ярусами выполнены дренажные пояса отверстий с диаметром 12 мм и межцентровым расстоянием 14 мм, а на противоположных сторонах корпуса над и под верхней кромкой насадки размещены два патрубка для ввода пара.
Недостатками известного аппарата являются низкая эффективность, не более 73%, за счет потери закручивающего эффекта после начала процесса конденсации, возникновение эффекта «вторичного» пара, ограниченность применения аппарата только лишь для конденсации чистого пара.
Технической задачей полезной модели являются повышение эффективности устройства, расширение диапазона использования устройства для различных рабочих сред и устранение эффекта «вторичного» пара.
Техническая задача решается тепло-массообменным устройством вихревого типа, содержащим цилиндрический корпус, крышку с распиливающей центробежной форсункой и с патрубком для отвода неконденсируемых газов, днище с патрубком для отвода конденсата, внутри корпуса соосно установлена регулярная перфорированная насадка, представляющая собой полый усеченный конус с отверстиями, расположенными по окружности насадки по меньшей мере четырьмя ярусами, между ярусами выполнен пояс дренажных отверстий, на противоположных сторонах корпуса над и под верхней кромкой насадки размещены два патрубка для ввода пара, отверстия каждого яруса насадки расположены в коридорном порядке по винтовой линии, причем диаметр отверстий верхнего яруса равен 2÷4 мм, нижнего - 10÷14 мм, межцентровое расстояние равно 1.1÷4 диаметра отверстия, при этом диаметр отверстий каждого последующего яруса больше диаметра отверстий предыдущего, а диаметр дренажных отверстий составляет 14÷20 мм с межцентровым расстоянием 1,5÷3 диаметра отверстия, на насадке перпендикулярно ее наружной и внутренней поверхностям закреплены по спирали перфорированные спиралеобразные ленты переменной ширины так, что свободный край наружной ленты соприкасается с внутренней стороной корпуса, свободный край внутренней ленты образует внутри насадки цилиндрическое пространство, патрубки для ввода пара имеют в поперечном сечении форму эллипсов, большие оси которых параллельны оси устройства.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели являются повышение эффективности до 98%, возможность использования устройства для различных рабочих сред, в том числе неочищенного пара, содержащего неконденсируемые газы, устранение эффекта «вторичного» пара.
Сущность полезной модели заключается в следующем. После подачи в устройство конденсируемого пара и охлаждающей жидкости в объеме насадки образуется парожидкостная смесь, отбрасываемая к периферии насадки под действием центробежных сил, что приводит к образованию конденсатной пленки на поверхности насадки. Для разрыва конденсатной пленки, а так же для увеличения площади контакта парожидкостной смеси, конденсата и охлаждающей жидкости на поверхности насадки выполнены отверстия, расположенные ярусами. Отверстия верхнего яруса имеют диаметр (2-4 мм), это необходимо для того, чтобы удержать пар на поверхности верхней части насадки, где при контакте с охлаждающей жидкостью происходит его частичная конденсация. Увеличение диаметра отверстий верхнего яруса больше 4 мм может привести к проскоку большого объема пара на нижерасположенные ярусы насадки, что вызовет нагрев образовавшегося конденсата и возможное появление вторичного пара.
При вращательно-поступательном движении парожидкостной смеси и охлаждающей жидкости к основанию насадки происходит непрерывное уменьшение количества пара и увеличение количества конденсата, который необходимо своевременно удалять из рабочего пространства насадки. Поэтому диаметр отверстий последующего яруса больше диаметра отверстий предыдущего. На нижнем ярусе насадки пар отсутствует и происходит полное удаление образовавшегося конденсата. Отверстия нижнего яруса имеют диаметр 10÷14 мм. При диаметре меньше 10 мм будет происходить продолжение крутки потока конденсата, что уменьшит скорость удаления конденсата из устройства, а увеличение диаметра больше 14 мм нецелесообразно, так как не влияет на конечный результат.
Межцентровое расстояние отверстий ярусов составляет 1.1÷4 диаметра отверстия. При увеличении межцентрового расстояния более 4-х диаметров отверстий не будет происходить разрыв конденсатной пленки, что приведет к снижению интенсивности процесса.
Для расширения рабочего диапазона насадки по давлению пара и расходу охлаждающей жидкости между ярусами отверстий выполнены пояса дренажных отверстий. При увеличении давления подаваемого пара капли конденсата, образующиеся при разрыве конденсатной пленки, при несвоевременном удалении конденсата могут попадать в поток пара, что приведет к возникновению вторичного пара. Наличие дренажных поясов с отверстиями большего диаметра, чем диаметр отверстий соседних ярусов, способствует быстрому удалению конденсата из рабочего пространства насадки. В результате эффективность работы устройства увеличивается. Диаметр дренажных отверстий 14÷20 мм с межцентровым расстоянием 1,5÷3 диаметра отверстия являются оптимальными и обеспечивают максимально быстрое удаление конденсата из рабочего пространства насадки.
Расположение патрубков для подачи пара обеспечивает закручивание входящих потоков пара, необходимого для постоянного обновления поверхности контакта рабочих жидкостей. Известно, что чем больше значение коэффициента крутки, тем выше тангенциальная скорость потока и радиус вихря, это способствует ускорению процесса обновления поверхности контакта. Для увеличения начального коэффициента крутки патрубки для подачи пара в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, в поперечном разрезе имеют форму эллипсов, большие оси которых параллельны оси устройства. Для сохранения крутки потока парожидкостной смеси и конденсата отверстия каждого яруса насадки выполнены по винтовой линии в коридорном порядке, что приводит к постоянному обновлению поверхности контакта парожидкостной смеси с охлаждающей жидкостью.
На внутренней и внешней поверхностях насадки по спирали установлены перфорированные спиралеобразные ленты. Наличие лент препятствует проскоку пара к основанию устройства, то есть, в отличие от прототипа, не будет происходить повышение температуры конденсата на выходе из устройства. Предлагаемое устройство обеспечивает понижение температуры конденсата на выходе из устройства до ~30°С, в то время как прототип - только лишь до ~70°С.
Наличие лент также способствует поддержанию вращательно-поступательного движения парожидкостной смеси.
Отверстия на лентах не только увеличивают площадь контакта рабочих жидкостей, но и в случае подачи неочищенного пара способствуют удалению неконденсируемых газов из парожидкостной смеси и конденсата. Свободный край внутренней спиралеобразной ленты образует цилиндрическое пространство, необходимое для удаления неконденсируемых газов. В противном случае скопление неконденсируемых газов в устройстве приведет к образованию застойных зон («газовых подушек»), что снизит интенсивность тепломассообмена и эффективность устройства. Следовательно заявляемое устройство может быть применено для конденсации и/или нагрева различных рабочих сред, в том числе пара, содержащего неконденсируемые газы.
По мере движения парожидкостной смеси под действием центробежных сил происходит ее отбрасывание к стенкам корпуса. Чтобы предотвратить проскок пара, удаление образовавшегося конденсата из зоны контакта, приводящее к снижению эффективности устройства, свободный край внешней спиралеобразной ленты соприкасается с внутренней поверхностью корпуса.
Совокупность вышеописанных конструктивных решений обеспечивают максимально эффективную конденсацию пара и получение переохлажденного конденсата, что позволяет избежать эффекта «вторичного пара».
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 представлен общий вид устройства:
а) - фронтальный разрез,
б) - горизонтальный разрез устройства в плоскости "А-А",
в) - разрез "В-В патрубка для подачи пара,
г) - выноска перфорированной спиралеобразной ленты;
на фиг.2 изображен общий вид насадки устройства:
а) - вид слева, б) - вид сверху;
на фиг.3 - схема насадки устройства:
а) - фронтальный разрез, б) - вид сверху.
Устройство содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого соосно установлена регулярная перфорированная полая конусообразная насадка 2, крышку 3 с патрубком 4 для отвода неконденсируемых газов и с коаксиально закрепленной распиливающей центробежной форсункой 5 для подачи охлаждающей жидкости, днище 6 с патрубком 7 для отвода конденсата. На противоположных сторонах верхней части корпуса 1 над и под верхней кромкой насадки установлены патрубки 8 и 9 для ввода пара, причем патрубки в поперечном сечении имеют форму эллипса, большие оси которых параллельны оси устройства (фиг.1в). По окружности насадки расположены в коридорном порядке по винтовой линии отверстия 10 ярусами 11 (фиг.2а, 3а). При переходе от верхнего яруса к нижнему диаметр отверстий и межцентровое расстояние увеличиваются. Между ярусами выполнены дренажные пояса 12 диаметр отверстий, которых больше диаметра отверстий ярусов (фиг.2а, 3а). На насадке перпендикулярно ее наружной и внутренней поверхностям закреплены по спирали наружная 13 (фиг.2) и внутренняя 14 (фиг.3) перфорированные спиралеобразные ленты переменной ширины (фиг.1г). Свободный край наружной ленты 14 соприкасается с внутренней стороной корпуса 1, а свободный край внутренней ленты 13 образует внутри насадки цилиндрическое пространство 15.
Тепло-массообменное устройство вихревого типа работает следующим образом. Пар с температурой 120÷150°С под давлением подают в корпус 1 через два патрубка 8 и 9. Через центробежную форсунку 5 подают охлаждающую жидкость с температурой 21÷23°С. При непосредственном контакте пара и жидкости происходит частичная конденсация пара, что приводит к образованию парожидкостной смеси. Парожидкостная смесь поступательно с малым вращением движется к верхнему ярусу регулярной насадки 2. Пар, подаваемый через патрубок 9, придает дополнительный разгон вихрю парожидкостной смеси. В объеме насадки продолжается конденсация парожидкостной смеси, образующийся конденсат отбрасывается к периферии насадки, что приводит к образованию конденсатной пленки. Конденсатная пленка разрывается, образующиеся капли стекают к основанию насадки и конденсат удаляется через патрубок 7. В случае подачи пара, содержащего неконденсируемые газы, вывод этих газов из устройства осуществляется через патрубок 4.
Были проведены сравнительные испытания полезной модели и прототипа на системах водяной пар-вода, пары этанола-этанол. Полученные результаты приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований полезной модели на системе водяной пар-вода
Рабочие параметры
Прототип
Предлагаемое устройство
Избыточное давление в устройстве, МПа
0,2÷0,0
0,2÷0,0
Избыточное давление на выходе из устройства, МПа
0,0
0,0
Избыточное давление охлаждающей воды, МПа
0,24÷0,26
0,24÷0,26
Расход водяного пара, кг/с
0,7
0,7
Температура водяного пара на входе,°С
120÷150
120÷150
Температура охлаждающей воды, °С
21÷23
21÷23
Температура конденсата на выходе,°С при расходе охлаждающей воды, 10<sup>3</sup> кг/с:
5,3÷6,3
82
70
10,5÷12,8
76
42
16,2÷19,1
72
31
Производительность без учета охлаждающей жидкости, 10<sup>3</sup> кг/с при расходе охлаждающей воды, 10<sup>3</sup> кг/с:
5,3÷6,3
0,5÷0,7
0,6÷0,7
10,5÷12,8
0,8÷1,0
1,0÷1,2
16,2÷19,1
1,3÷1,7
1,6÷2,2
Результаты экспериментальных исследований (табл.1 и 2) показывают, что при одинаковых условиях работы предлагаемое устройство обеспечивает понижение температуры конденсата на выходе до ~30°С, в то время как прототип - до ~70°С. При этом расход охлаждающей жидкости для достижения одинаковых температур конденсата на выходе у заявляемого устройства в три раза меньше, чем у прототипа. Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет получать конденсат, не требующий дополнительного охлаждения перед повторным использованием.
Таблица 2
Результаты экспериментальных исследований полезной модели на системе пары этанола-этанол
Рабочие параметры
Прототип
Предлагаемое устройство
Избыточное давление в устройстве, МПа
0,2÷0,1
0,2÷0,1
Избыточное давление на выходе из устройства, МПа
0,1
0,1
Избыточное давление охлаждающей жидкости, МПа
0,24÷0,26
0,24÷0,26
Расход паров этанола, кг/с
0,7
0,7
Температура паров этанола на входе,°С
105÷120
105÷120
Температура охлаждающей жидкости,°С
21÷23
21÷23
Температура конденсата на выходе,°С при расходе охлаждающей жидкости, 10<sup>3</sup> кг/с:
6,7÷6,8
81
68
13,0÷13,7
74
44
20,5÷21,8
71
29
Производительность без учета охлаждающей жидкости, 10<sup>3</sup> кг/спри расходе охлаждающей жидкости, 10 кг/с:
6,7÷6,8
-
0,3÷0,4
13,0÷3,7
0,6÷0,9
0,8÷0,9
20,5÷21,8
1,1÷1,3
1,6÷2,0
Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемое устройство эффективно для конденсации не только водяного пара, но и, например, паров этанола. Использование прототипа для аналогичных целей экономически нецелесообразно, так как минимальная температура конденсата на выходе составляет ~70°С, а температура кипения этанола - 78°С. Полезная модель может быть использована для конденсации паров низкокипящих жидкостей с температурой кипения не ниже 35°С.
Таким образом, предлагаемое тепло-массообменное устройство вихревого типа по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
- эффективность - 98%,
- полное устранение эффекта «вторичного пара»,
- возможность использования для конденсации неочищенного водяного пара и паров других жидкостей.