УТИЛИЗАТОР ТЕПЛА С КИПЯЩИМ СЛОЕМ
HEAT RECOVERY UNIT WITH BOILING BED

Изобретение относится к аппаратам для утилизации теплоты удаляемого воздуха и охлаждения циркуляционной воды (в качестве градирни), а также адиабатного охлаждения и увлажнения воздуха в системах вентиляции и кондиционирования.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является утилизатор тепла по патенту РФ №2319093, F24F 5/00, (прототип), содержащий металлический корпус, сепаратор, распределитель воды, форсунки, подвижную насадку из полых пластмассовых шаров, поддон и опорную решетку.
Недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность процесса пылеулавливания за счет недостаточно развитой поверхности распыления жидкости.
Технический результат - повышение эффективности и надежности процесса пылеулавливания путем увеличения степени распыла жидкости форсунками.
Это достигается тем, что в утилизаторе тепла с кипящим слоем, содержащим металлический корпус, сепаратор, распределитель воды, форсунки, подвижную насадку из полых пластмассовых шаров, поддон и опорную решетку, причем в корпусе дополнительно размещен направляющий аппарат и поплавковый клапан, а на опорной решетке установлен вибратор, каждая из форсунок содержит корпус, штуцер и соосно расположенную вставку-завихритель с внешней винтообразной нарезкой и расширяющимся коническим отверстием внутри, причем в штуцере выполнено входное цилиндрическое отверстие, соединенное с диффузором, выполненным осесимметрично в корпусе, а в нижней части корпуса расположено осесимметрично корпусу сопло, которое выполнено с двухступенчатым и соосным вставке-завихрителю диффузором, первая ступень диффузора является продолжением расширяющегося конического отверстия, выполненного внутри вставки-завихрителя, которая выполнена из износостойкого материала, а вторая ступень диффузора является продолжением его первой ступени, при этом на ее внутренней конической поверхности выполнена винтообразная нарезка, причем коническая поверхность с винтообразной нарезкой второй ступени диффузора выполнена перфорированной, а в нижней части корпуса, соосно ему, закреплена цилиндрическая обечайка, на которой установлен рассекатель потока, выполненный в виде по крайней мере двух расположенных наклонно к оси форсунки стержней, соединенных между собой в нижней части, к которым прикреплен вертикально расположенный стержень, на котором установлен завихритель, выполненный в виде конуса с винтовыми лопастями, охватывающего с зазором стержень, и опирающегося в нижней части на упор, расположенный горизонтально и перпендикулярно стержню.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой установки, на фиг. 2 - общий вид форсунки, на фиг. 3-6 - варианты выполнения подвижной насадки 4.
Утилизатор тепла с кипящим слоем состоит из сепаратора 1, распределителя воды 2, форсунок 3, подвижной насадки 4 из полых пластмассовых шаров (образующих так называемый «кипящий слой»), поддона 5, опорной решетки 6, металлического корпуса 7, направляющего аппарата 8, поплавкового клапана 9, с помощью которого в поддоне поддерживается постоянный уровень воды, и фильтра 10, расположенного в нижней части корпуса и задерживающего различные содержащиеся в воде взвешенные вещества. Для интенсификации процесса тепло- и массообмена на опорной решетке 6 установлен вибратор (на чертеже не показано).
Форсуночная система орошения двухступенчатого контактного теплообменника 1 включает в себя форсунку (фиг. 2), которая состоит из корпуса 11 и соосно расположенного и жестко связанного с ним в верхней части штуцера 12 с входным цилиндрическим отверстием 13, соединенным с диффузором 14, выполненным осесимметрично в корпусе 11. В нижней части корпуса расположено осесимметрично корпусу 11 сопло 15. Сопло 15 выполнено с двухступенчатым и соосным вставке-завихрителю 16 диффузором, при этом первая ступень 20 диффузора является продолжением расширяющегося конического отверстия 17, выполненного внутри вставки-завихрителя 16, а вторая ступень 21 диффузора является продолжением его первой ступени 20, причем на ее внутренней конической поверхности выполнена винтообразная нарезка (на чертеже на показано).
Вставка-завихритель 16 расположена в центральном цилиндрическом отверстии 18 корпуса 11 и имеет внешние периферийные винтообразные нарезные каналы 19, а внутри вставки-завихрителя 16 соосно выполнено расширяющееся коническое отверстие 17 для подвода жидкости из цилиндрического отверстия 13, выполненного в штуцере 12. Вставка-завихритель 16 фиксируется в нижней части корпуса 11 посредством сопла 15. Вставка-завихритель 16 выполнена из износостойкого материала. Коническая поверхность с винтообразной нарезкой второй ступени 21 диффузора выполнена перфорированной.
Форсунка для распыления жидкости работает следующим образом.
Жидкость в корпус 11 поступает через канал 13 подвода жидкости в штуцере 12, а затем в центральное цилиндрическое отверстие 18. Жидкость начинает свою закрутку в периферийных каналах 19 вставки-завихрителя 16 и одновременно движется в осевом направлении по расширяющемуся коническому отверстию 17. В камере смешения сопла 15, образованной первой ступенью 20 двухступенчатого диффузора, происходит взаимодействие этих потоков с их дополнительной турбулизацией и дроблением с образованием мелкодисперсной фазы, а вторая ступень 21 диффузора с винтообразной нарезкой внутри ее усиливает эффект распыливания жидкости.
Такой поток жидкости на выходе из сопла 15 хорошо раскрывается за счет центробежных сил, возникающих от вращения жидкости, и мелкодисперсно распределяется внутри конусообразного факела за счет турбулентного течения по оси сопла 15.
Возможен вариант, когда в нижней части корпуса 11, соосно ему, закреплена цилиндрическая обечайка 22, на которой установлен рассекатель потока 23, выполненный в виде по крайней мере двух расположенных наклонно к оси форсунки стержней 24 и 25, соединенных между собой в нижней части, к которым прикреплен вертикально расположенный стержень 26, на котором установлен завихритель, выполненный в виде конуса 28 с винтовыми лопастями, охватывающего с зазором стержень 26 и опирающегося в нижней части на упор 27, расположенный горизонтально и перпендикулярно стержню 26.
Утилизатор тепла с кипящим слоем работает следующим образом.
Шары подвижной насадки 4 под воздействием восходящего потока воздуха и поступающей на нее воды перемещаются, сталкиваясь друг с другом, и тем самым значительно интенсифицируют процессы тепло- и массообмена между распыляемой водой и воздухом, поступающим в аппарат. Интенсификации процесса тепло- и массообмена способствует установленный на опорной решетке 6 вибратор.
2
2
2
2
2
2
2
При номинальной производительности аппарата и давлении воды перед форсункой 98 кПа насадка 4 неподвижна при массовой скорости воздуха до 2,7…2,9 кг/(м×с), а при увеличении этой скорости до 3…3,1 кг/(м×с) начинается движение шаров 4, процесс тепло- и массообмена значительно интенсифицируется, но возрастает и аэродинамическое сопротивление аппарата. Поэтому принимать массовые скорости воздуха выше 4,1…4,3 кг/(м×с) не следует, так как шары выходят из рабочей зоны, прижимаясь к сепаратору 1, и резко увеличивается аэродинамическое сопротивление аппарата, которое составляет: 0,12 кПа при массовой скорости 2 кг/(м×с), 0,2 кПа - при 3 кг/(м×с) и 0,35 кПа - при 4 кг/(м×с). Размеры аппарата 0,65× ×0,65×1,9 м, площадь живого сечения в рабочей зоне 0,42 м.
Аппараты с кипящим слоем широко применяют в системах оборотного водоснабжения (для охлаждения рециркулирующей воды) в хлебопекарной промышленности и на предприятиях общественного питания, а также эффективно их использование в вентиляционных системах тех предприятий, где по технологическим требованиям необходимо поддержание в течение всего года повышенной относительной влажности воздуха.
Предложенный аппарат прост в изготовлении и эксплуатации и является универсальным аппаратом с кипящим слоем, предназначенным не только для утилизации теплоты удаляемого воздуха, но и для охлаждения циркуляционной воды (в качестве градирни), а также для адиабатного охлаждения и увлажнения воздуха в системах кондиционирования.
Возможно выполнение подвижной насадки 4 (фиг. 3) в виде цилиндрического кольца, на боковой, внутренней поверхности которого закреплены перегородки в виде перпендикулярных оси кольца шайб с отверстиями, оси которых асимметричны оси кольца.
Возможно выполнение подвижной насадки 4 (фиг. 4) в виде вписываемого в окружность блока, состоящего из семи связанных между собой боковыми гранями шестигранных параллелепипедов без верхнего и нижнего оснований.
Возможно выполнение подвижной насадки 4 (фиг. 5) в виде связанных между собой винтовых спиралей, вписываемых в сферическую поверхность с центром, лежащим на оси соединения спиралей.
Возможно выполнение подвижной насадки 4 (фиг. 6) в виде по крайней мере двенадцати соединенных в блок трехлопастных пропеллеров, проекция которых на плоскость чертежа вписывается в окружность с центром, совпадающим с центром одного из них.