ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ 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.
Один из путей интенсификации тепломассообменных процессов в аппаратах трубчатого типа является создание закрученных потоков путем размещения в трубе закручивающих устройств различной конструкции. Это позволяет модернизировать существующую тепломассообменную аппаратуру трубчатого типа и создать новые высокоэффективные гомогенизаторы и тепло-массообменные аппараты.
Закрученные потоки являются искусственной формой движения газа или жидкости в трубопроводе, целиком зависящей от конструктивных характеристик закручивающих устройств. При этом изменение степени закручивания потока позволяет в широких пределах регулировать соотношение между интенсивностью тепломассообмена и энергетическими затратами на перемещение закрученных потоков, интенсифицировать процессы гомогенизации перемещенного по трубе потока жидкости.
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.
Известен 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. В01D 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.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа вихревой тепло-массообменный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с, по меньшей мере, двумя завихрителями потока, зонами подвода осевого потока теплоносителя и отвода закрученного потока, снабженный тепловым нагревателем потока, который выполнен в виде сосной цилиндрической обечайки типа «труба в трубе» с патрубками подвода и отвода теплоносителя (см., например, патент РФ на ПМ №54806, кл. В01D 3/30, опубл. 27.07.2006).
Недостатком данного устройства являются повышенные энергозатраты на перемещение закрученного потока рабочей среды и трудозатраты на монтажно-демонтажные работы.
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 интенсивного перешивания всего перемещаемого по трубопроводу объема закрученного потока рабочей среды и оптимизации расхода теплоносителя, увеличения производительности
и интенсификации массообменного процесса и снижение энергозатрат на перемещение закрученного потока при снижении габаритов устройства.
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи к достигаемому техническому результату.
Указанный технический результат достигается тем, что в вихревом тепло-массообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус с, по меньшей мере, двумя завихрителями потока, зонами подвода осевого потока теплоносителя и отвода закрученного потока, снабженный тепловым нагревателем потока, который выполнен в виде сосной цилиндрической обечайки типа «труба в трубе» с патрубками подвода и отвода теплоносителя, завихрители потока размещены с обеих сторон теплового нагревателя потока с возможностью их независимого углового поворота в вертикальной плоскости и расположены на осях, перпендикулярных оси цилиндрического корпуса, при этом каждый завихритель потока выполнен в виде кольцевых полумуфт, которые соединены между собой фланцевыми соединениями и размещены в отверстиях, выполненных в корпусе.
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 вихревой тепло-массообменный аппарат, общий вид.
Устройство состоит из нескольких последовательно соединенных через фланцевые соединения секций. Корпус секции 1 - труба с внутренним диаметром D, на внешней поверхности которой расположена обогревающая рубашка 2.
Между секциями с помощью фланцевых соединений зажаты завихрители, включающие металлический цилиндрический корпус 3, туго насаженное в него кольцо 4 из пластика, выдерживающего температуру 200°С, например, из фторопласта, две полуоси 5 и 6 из металла, плотно входящие в отверстия кольца 4 и завихрителя 7, выполненного, например, из пластика, выдерживающего температуру до 200°С и расположенного между полуосями 5 и 6. Завихритель имеет диаметр d, меньший диаметра корпуса D и посажен на полуось 6 с зазором так, чтобы иметь возможность вращаться.
Уплотнение между фланцами секций корпуса и сборкой, включающей детали 3, 4, 5, 6 и завихритель 7, осуществляется прокладками 8.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
Холодный теплоноситель I с заданным расходом поступает в обогреваемый корпус 1, омывает завихрители 7 и приводит их во вращательное движение за счет кинетической энергии набегающего потока. Вращающиеся завихрители 7 преобразуют осевой поток I в закрученный поток по всему объему корпуса 1 направленный поток II, что интенсифицирует процессы смешения и теплообмена перемещаемого потока в корпусе 1.
Вращение завихрителей 7 осуществляется за счет кинетической энергии набегающего потока рабочей среды, например, жидкости и не требует подвода электроэнергии. Ступица завихрителя при вращении работает как подшипник скольжения и не требует дополнительной смазки. Вихревой тепло-массообменный аппарат позволяет работать в стационарных гидродинамическом и тепловом режимах, фиксировать и регулировать расходы холодного и горячего теплоносителей, фиксировать их на входе и выходе из корпуса аппарата и обогревающей рубашки.
Преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что:
1. Завихрители 7 расположены на осях, перпендикулярных оси цилиндрического корпуса и соединены с секциями корпуса аппарата через фланцевые соединения. Это снижает энергозатраты на перемешивание рабочей среды по трубопроводу при сохранении высокой
эффективности процессов смешения перемещаемого потока и процессов тепло-массообмена, облегчает контакт и профилактику теплообменника типа «труба в трубе».
2. Завихрители 7, входящие в сборку, включающую детали 3, 4, 5, 6, можно вращать вместе со сборкой вокруг оси цилиндрического корпуса и закреплять под любым углом в вертикальной плоскости, что обеспечивает интенсивное перешивание всего перемещаемого по трубопроводу объема закрученного потока рабочей среды.
Расстояние L между завихрителями считается оптимальным, если на выходе из устройства достигали эффективной гомогенизации раствора из двух компонентов по анализам на ФЭК и кривым вымывания, показывающим зависимость концентрации распределяемого вещества по времени в перемешиваемом растворе.
Расположение в корпусе предлагаемого устройства нескольких завихрителей при расстоянии L между ними дает возможность сочетать в одном корпусе аппарат идеального вытеснения и аппараты идеального смешения. Расстояние L между завихрителями оптимально при значениях L в пределах L=5D до L=7D.
Подобный каскад аппаратов является оптимальным для времени пребывания частиц среды в аппарате, что позволяет интенсифицировать процессы смешения, процессы тепло-массообмена и уменьшить габариты аппаратов трубчатого типа.
Испытания опытного образца предложенного аппарата показали, что 5-6 завихрителей, последовательно расположенных в корпусе, при расстоянии L между ними обеспечивают гомогенизацию перемещаемого раствора, рост теплоотдачи от нагретой стенки к закрученному потоку примерно в 1,5-2 раза при незначительном росте энергозатрат (на 15-20%) на перемещение потока. Одновременно металлоемкость и габариты аппарата уменьшаются примерно на 25-30%.