ВИХРЕВОЙ ТЕПЛО-МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к тепло-массообменному оборудованию трубчатого типа и может быть использована в пищевой или химической отраслях промышленности для охлаждения газо-жидкостных потоков различного назначения.
Известно устройство для осуществления тепло-массообменного процесса пленочной дистилляции с вихревыми прямо- и противоточными потоками жидкости и пара, содержащие рабочие спирально-ленточные элементы, закручивающие проходящий по неподвижной трубе осевой поток (см., например, описание изобретения к патенту США №3423294, кл. 203-210, опубл. 1969).
Существенным недостатком такого устройства являются повышенные потери энергии на трение при движении закрученного потока, что делает устройство малоэффективным в случае охлаждения молока, при движении которого происходит отложение жировых компонентов на его рабочей поверхности.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа вихревой тепло-массообменный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с зонами подвода и отвода осевого потока теплоносителя, осевой контактный рассекатель потока с концевым наконечником, состоящий из соединенных между собой стержней, и смонтированный на контактном рассекателе завихритель потока (см., например, патент РФ на ПМ №50124, кл. В 01 D 3 / 30, опубл. 27.12.2005).
Однако данному устройству присущи сложность конструктивного исполнения и существенный рост энергетических потерь на перемещение закрученного потока в цилиндрическом корпусе.
Сущность заявляемой полезной модели выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемой полезной моделью технического результата.
Технический результат от использования полезной модели - снижение трудозатрат на изготовление и монтаж аппарата за счет упрощения конструкции и повышение эффективности за счет оптимизации расхода теплоносителя, увеличения производительности и интенсификации массообменного процесса и снижения энергозатрат при перемещении потока при тех же габаритах устройства.
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи к достигаемому техническому результату.
Указанный технический результат достигается тем, что вихревой тепло-массообменный аппарат, содержащий вихревой тепло-массообменный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с зонами подвода и отвода осевого потока теплоносителя, осевой контактный рассекатель потока с концевым наконечником, состоящий из соединенных между собой стержней, и смонтированный на контактном рассекателе завихритель потока, снабжен тепловым нагревателем потока, который выполнен в виде соосной цилиндрической обечайки с патрубками подвода и отвода теплоносителя, охватывающей цилиндрический корпус с возможностью размещения «труба в трубе», а завихритель потока выполнен в виде напорных турбин, приводимых во вращение от напорного давления осевого потока теплоносителя, которые выполнены с различным диаметром, размещены с постоянным шагом, и установлены с возможностью одновременного вращения, как по часовой, так и против часовой стрелки, причем передняя и задняя напорные турбины по направлению движения потока выполнены с большим диаметром и размещены с возможностью вращения в плоскостях, перпендикулярных оси корпуса, соответственно, в зонах подвода и отвода осевого потока теплоносителя, а напорные турбины, выполненные с меньшим диаметром с возможностью вращения в плоскостях, параллельных продольной оси корпуса, размещены между упомянутыми передней и задней напорными турбинами
на несущих осях, которые закреплены, соответственно, на стержнях осевого контактного рассекателя.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники.
Предложенное устройство является промышленно применимым существующими техническими средствами.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности полезной модели.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.
На чертеже представлен предложенный вихревой аппарат, общий вид.
Предложенный вихревой тепло-массообменный аппарат, обеспечивающий создание закрученного потока и снижение энергетических затрат на перемещение закрученного потока состоит из цилиндрического корпуса 1 диаметром D, на внешней поверхности которого выполнен тепловой нагреватель 2 потока, который выполнен цилиндрической обечайки, охватывающей цилиндрический корпус 1 с возможностью размещения «труба в трубе», а по оси корпуса расположены секции 3, 4 и 5 внутреннего неподвижно закрепленного рассекателя потока диаметра d, соединенные между собой резьбовыми соединениями, при этом соотношение между упомянутыми диаметрами находится в пределах от D/d=3 до D/d=5.
1
1
2
Завихритель потока выполнен в виде напорных турбин 6, 7, 8 и 9, приводимых во вращение от напорного давления осевого потока теплоносителя. Передняя и задняя напорные турбины 6 и 7 диаметром D по направлению движения потока размещены в цилиндрическом корпусе 1 аппарата, соответственно, в зонах подвода и отвода теплоносителя, и установлены с возможностью одновременного вращения в плоскостях, перпендикулярных оси корпуса, как по часовой, так и против часовой стрелки, при этом соотношение между упомянутыми диаметрами находится в пределах от D/D=1,1 до D/D=1,15.
1
1
1
1
1
1
Напорные турбины 8 и 9 диаметром d размещены на несущих осях 10 и 11, которые закреплены, соответственно, на секциях 4 и 5 рассекателя потока, установлены с возможностью одновременного вращения в плоскостях, параллельных продольной оси корпуса, как по часовой, так и против часовой стрелки, при этом соотношение между упомянутыми диаметрами находится в пределах от D/d=1,8 до D/d=2,0, расстояние Н от оси корпуса находится в пределах от Н=D/4 до Н=D/6, а высота ступицы мешалок находится в диапазоне H=3-6 мм.
Направление вращения напорных турбин определяет угол атаки набегающего потока и угол наклона лопастей напорных турбин к направлению оси вращения потока, при этом оптимально принимают углы наклона лопастей напорной турбины 45°, когда вращение напорной турбины осуществляется по часовой стрелке и 135° при вращении напорной турбины против часовой стрелки, а число лопастей напорной турбины выбирают кратно 4.
Несущие оси 10 и 11 напорных турбин 8 и 9 размещены вдоль продольной оси рассекателя со смещением через 90° вокруг оси корпуса 1, при этом расстояние L между напорными турбинами оптимально при значениях L в пределах от L=3D до L=5D, а число напорных турбин выбирают кратным.
Отмеченные конструктивные технологические параметры и соотношения между ними обеспечивают возможность сочетания в корпусе аппарата условий идеального вытеснения с условиями идеального смешения, что позволяет иметь каскад подобных секций аппарата и является оптимальным для времени пребывания частиц среды в аппарате.
1
2
1
2
1
2
3
1
2
1
2
1
2
Установка позволяет работать в стационарном гидродинамическом и тепловом режимах, фиксировать и регулировать расходы теплоносителей, температуры t и t входа и выхода холодного теплоносителя, температуры t  и t  нагретого теплоносителя, температуры Т, T и Т поверхности корпуса аппарата, напоры h и h или давления Р и Р по показаниям приборов давления, выполненных в виде пьезометров 12, смонтированных, соответственно, на входе и выходе из корпуса аппарата.
Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.
Осевой поток I теплоносителя с заданным расходом поступает в обогреваемый цилиндрический корпус 1, омывает напорные турбины 6, 7, 8 и 9 и приводит их во вращательное движение за счет кинетической энергии набегающего потока, при этом вращение напорных турбин переводит осевой поток I в закрученный, что интенсифицирует теплоотдачу от нагретой поверхности корпуса 1 к потоку и нагретый поток II выходит из корпуса аппарата.
Для заданного расхода теплоносителя определяют его среднюю скорость перемещения в корпусе 1 аппарата, режим движения потока, потери напора Δh и энергозатраты на перемещение потока, количество теплоты, передаваемое холодному теплоносителю, удельную тепловую нагрузку и критерий Нуссельта, характеризующий теплоотдачу.
Обработка параметров гидродинамики и теплоотдачи позволяет сопоставить применение стационарных завихрителей и мешалок и сделать обоснованный вывод и целесообразности их применения для интенсификации процесса тепло-массообмена в аппаратах подобной конструкции.
Испытания опытного образца показали увеличение теплоотдачи в 1,5-2 раза при снижении энергозатрат на 15-20% и металлоемкости на 25-30% при тех же габаритах устройства.
Предложенное устройство позволяет осуществлять интенсивную теплопередачу между контактными поверхностями, при этом повышается интенсивность тепло-массообменного процесса, сопровождающегося выделением (поглощением) тепла, благодаря чему увеличивается выход готового продукта и в целом повышается эффективность тепло-массообмена.
Применение предложенного аппарата позволяет увеличить производительность устройства при уменьшении металлоемкости, габаритов и веса, обеспечивая возможность упрощения изготовления и монтажа при снижении времени тепло-массообмена контактных фаз.