КОЖУХОТРУБНЫЙ КАПИЛЛЯРНЫЙ КОНДЕНСАТОР
SHELL-AND-TUBE CAPILLARY CONDENSER

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к теплообменной аппаратуре, и может быть использовано для конденсации отработанного пара без использования хладоагента.
Известен капиллярный водоохладитель, содержащий корпус с верхней и нижней крышками, штуцерами (патрубками) входа и выхода охлаждаемой жидкости (рабочего тела), воздушным патрубком, внутри которого помещены горизонтальные и вертикальные перегородки, соединенными поочередно своими кромками с поверхностью близлежащих перегородок с созданием щели между ними, образуя расположенные поочередно по ходу движения воды пустотелые ступени свободной поверхности и охлаждения, покрытые или изготовленные из гидрофильного и гидрофобного материалов и заполненные пористой насадкой [Патент РФ №2227252, МПК F24F 3/14, 2004].
Основными недостатками известного капиллярного водоохладителя являются громоздкость его конструкции, обусловленная необходимостью значительных пустот по ширине и высоте аппарата, что усложняет его конструкцию, заполнение их жидкостью при удалении из них воздуха, что приводит к прекращению работы и таким образом снижает его надежность, а также невозможность конденсации значительных количеств пара, что снижает его эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является капиллярный конденсатор, включающий корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата (рабочего тела), воздушным патрубком, внутри которого между верхней и нижней крышками размещены вертикальные прямоугольные перегородки, соединенные между собой через одну попарно снизу и сверху горизонтальными полосами-днищами, образуя паровые камеры и камеры сбора конденсата, причем каждая вертикальная перегородка состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин, размещенных с зазором между собой, покрытых слоем гидрофильного материала или изготовленных из него, отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров, расположенных таким образом, что малые отверстия конических капилляров предыдущей пластины располагаются против больших отверстий конических капилляров последующей пластины, при этом в полость каждой паровой камеры пластины вертикальных перегородок обращены большими отверстиями конических капилляров, а в полость каждой камеры сбора конденсата, наоборот, пластины вертикальных перегородок обращены малыми отверстиями конических капилляров [Патент РФ №2390688, МПК F22В 37/26, В01D 5/00, 2010].
Основными недостатками известного капиллярного конденсатора являются недостаточная удельная поверхность паровых камер, размещение в них значительного количества рядов пластин с узкими щелями между ними, что уменьшает площадь контакта пара с входными отверстиями капилляров, конденсата с гидрофильными поверхностями, создает высокое гидравлическое сопротивление паровых камер, снижает скорость фильтрации пара и конденсата через конические капилляры и, в конечном итоге, усложняет конструкцию известного устройства и снижает его эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является упрощение конструкции и повышение эффективности работы кожухотрубного капиллярного конденсатора.
Технический результат достигается в кожухотрубном капиллярном конденсаторе, включающем корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата, воздушным патрубком, внутри которого под верхней крышкой размещена трубная решетка, в отверстия которой вставлены вертикальные перфорированные трубы, заглушенные снизу заглушками, образующие паровые камеры, межтрубное пространство между которыми образует камеру остаточной конденсации, сообщающуюся с полостью нижней крышки, образующей камеру сбора конденсата, причем вертикальные перфорированные трубы паровых камер покрыты снаружи слоем гидрофильного материала или изготовлены из него, перфорация в них выполнена в виде горизонтальных конических капилляров, расположенных таким образом, что большие отверстия конических капилляров обращены в сторону паровой камеры, малые отверстия в полость камеры остаточной конденсации, при этом гидрофильное покрытие наружной поверхности труб выполнено игольчатым, шаг между иглами равен среднему диаметру капилляров, а по периметру наружной гидрофильной поверхности по всей высоте труб устроены вертикальные транспортные канавки.
На фиг. 1 представлен общий вид, на фиг. 2 - разрез, на фиг. 3-7 основные узлы предлагаемого кожухотрубного капиллярного конденсатора (КТКК).
Кожухотрубный капиллярный конденсатор (КТКК) содержит корпус 1 с верхней и нижней крышками 2 и 3, снабженный патрубками входа пара 4 и выхода конденсата 5, воздушным патрубком 6, внутри которого сразу под верхней крышкой 2 размещена трубная решетка 7, в отверстия которой вставлены вертикальные перфорированные трубы 8, заглушенные снизу заглушками 9, образующие паровые камеры 10, межтрубное пространство между которыми образует камеру остаточной конденсации 11, сообщающуюся с полостью нижней крышки 3, образующей камеру сбора конденсата 12, причем вертикальные перфорированные трубы 8 паровых камер 10 покрыты снаружи слоем гидрофильного материала 13 или изготовлены из него, перфорация в них выполнена в виде горизонтальных конических капилляров 14, расположенных таким образом, что большие отверстия конических капилляров 14 обращены в сторону паровой камеры, малые отверстия - в полость камеры остаточной конденсации 11, при этом гидрофильное покрытие 13 наружной поверхности труб 8 выполнено игольчатым, шаг между иглами 15 равен среднему диаметру капилляров 14, а по периметру наружной гидрофильной поверхности 13 по всей высоте труб 8 устроены вертикальные транспортные канавки 16.
В основу работы предлагаемого КТКК положены особенности движения жидкости (пара) в конических капиллярах, а именно: движение осуществляется от большего сечения к меньшему, при этом в широкой части капилляра происходит испарение жидкости, в узкой части капилляра - конденсация пара [Лыков А. В. Тепломассообмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1978, с. 365, 366].
ri
ri
ri
2
2
2
КТКК работает следующим образом. Отработанный пар (например, после турбин) при температуре насыщения через патрубок входа пара 4 подают в КТКК, откуда он через решетку 7 распределяется по всему сечению аппарата в полости паровых камер 10. Далее из полостей камер 10 пар поступает через большие отверстия в конические капилляры 14, в которых под действием капиллярных сил перемещается к их малым отверстиям, в которых происходит его частичная конденсация с выделением тепла конденсации Q. Мениски образовавшейся жидкости (конденсата) в капиллярах 14 соприкасаются с гидрофильным материалом 13, свободно распределяются по его внешней поверхности благодаря наличию пространства между соседними иглами 15 и гидрофильных свойств материала 13, затрачивая при этом выделившееся тепло конденсации Q на образование свободной поверхности, после чего образовавшийся конденсат собирается в вертикальные транспортные канавки 16 и под действием силы тяжести стекает вниз в камеру сбора конденсата 12. При этом несконденсировавшийся пар, выходящий вместе с конденсатом из малых отверстий капилляров 14, поступает в камеру остаточной конденсации 11, где постепенно происходят процессы также капиллярной конденсации пара в полости между иглами 15 (процесс конденсации происходит в результате малого расстояния между иглами 15) с выделением тепла конденсации Q и образования свободной поверхности жидкости на гидрофильной поверхности 13 с затратой этого тепла, после чего образовавшийся конденсат собирается в вертикальные транспортные канавки 16 и под действием силы тяжести стекает вниз в камеру сбора конденсата 12. Аналогичные процессы конденсации пара с образованием конденсата и образования свободной поверхности жидкости на гидрофильном материале 13 происходят во всех трубах 8 до конденсации большей части исходного отработанного пара, после чего несконденсировавшийся пар и газы (О, СО, N) выводятся через воздушный патрубок 4. При этом многократное взаимное фазовое превращение и преодоление сил трения при перемещении парожидкостной смеси по капиллярам 14 и полости между иглами 15 в многочисленных трубах 8 в предлагаемом КТКК позволяет проводить процесс конденсации пара без использования хладоагента.
Количество труб 8 в КТКК, их диаметр, высоту принимают такими, чтобы обеспечить конденсацию большей части исходного отработанного пара, поступившего в аппарат. Размеры конических капилляров 14, их конусность, размеры и число игл 15 зависят от свойств жидкости и определяются опытным путем.
Таким образом, предлагаемый КТКК обеспечивает упрощение конструкции аппарата, увеличение площади контакта пара с входными отверстиями капилляров, конденсата с гидрофильными поверхностями, снижает гидравлическое сопротивление, увеличивает скорость фильтрации пара и конденсата через конические капилляры что, в конечном итоге, повышает его надежность и эффективность.