Кольцевой капиллярный конденсатор
ANNULAR CAPILLARY CONDENSER

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 перегородки со щелями, вертикальные перегородки, размещенные между каждыми двумя близлежащими горизонтальными перегородками, соединенными поочередно своей верхней или нижней кромкой с поверхностью близлежащей верхней или нижней горизонтальной перегородки с созданием щели между своей нижней или верхней кромкой и поверхностью нижней или верхней горизонтальной перегородки, образуя, расположенные поочередно по ходу движения воды: n пустотелых ступеней свободной поверхности, n-1 ступеней охлаждения и одну ступень подъема и охлаждения, покрытых или изготовленных из гидрофильного и гидрофобного материалов и заполненных пористой насадкой [Патент РФ № 2227252, Мкл. F24F3/14, 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 горизонтальными полосами–днищами, образуя паровые камеры (пароконднсатные секции), а сверху, соединенные между собой в шахматном порядке через одну также попарно горизонтальными полосами–крышками, образуя камеры сбора конденсата (паровоздушные секции), причем каждая вертикальная перегородка состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин (элементов), 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 F24F3/14, 2010].
Основными недостатками известного капиллярного конденсатора являются невозможность регулировки при изменении нагрузки, возможный проскок несконденсировавшегося пара через зазоры между перфорированными пластинам, отсутствие организованного стока конденсата с поверхности вертикальных пластин, что приводит к заполнению зазоров между пластинами конденсатом и прекращению работы конденсатора и, таким образом, снижает его надежность и эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и эффективности работы кольцевого капиллярного конденсатора.
Технический результат достигается в кольцевом  капиллярном конденсаторе, включающем цилиндрический корпус с плоской верхней и конусной нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата, воздушным патрубком, внутри которого между верхней и нижней крышками размещены верхняя перегородка с верхним центральным отверстием, нижняя перегородка, состоящая из решетки, выполненной из гидрофильного материала, и периферийного кольца, соединенного снизу с верхней кромкой кольцевой емкости гидрозатвора, водослив которой образует нижнее центральное отверстие, соосное верхнему отверстию, между верхней и нижней перегородками расположены периферийная паровая кольцевая полость, кольцевые пакеты, уложенные друг на друга и состоящие из отдельных перфорированных колец, вставленных друг в друга, выполненных из гидрофильного материала, которые образуют пароконденсатную секцию и паровоздушную секции, состоящую из полости, расположенной между   уровнем конденсата в поддоне, образованным конусной нижней крышкой и верхней крышкой, причем каждое перфорированное кольцо в кольцевом пакете размещено с зазором между собой равным ∆ и снабжено отверстиями, выполненными в виде горизонтальных конических капилляров, направленных малыми отверстиями в сторону паровоздушной секции, вышеупомянутые кольца со стороны паровоздушной секции снабжены горизонтальными шипами длиной ∆, расположенными в шахматном порядке между малыми отверстиями капилляров, а с противоположной стороны перфорированные кольца снабжены по всей высоте  вертикальными канавками, расположенными между большими отверстиями конических капилляров, причем кольцевые пакеты компонуются таким образом, что малые отверстия конических капилляров  предыдущего перфорированного кольца располагаются напротив вертикальных канавок следующего перфорированного кольца.
На фиг. 1–7 представлен предлагаемый кольцевой капиллярный конденсатор. Фиг. 1–4 – общий вид кольцевого конденсатора (ККК) и его разрезы, фиг. 3–5 – узел соединения пароконденсатной секции с верхней перегородкой  и его разрезы, фиг. 7 – узел соединения пароконденсатной секции с нижней перегородкой.
Кольцевой капиллярный конденсатор содержит цилиндрический корпус  1 с плоской верхней и конусной нижней крышками 2 и 3, снабженный патрубками входа отработанного пара 4 и выхода конденсата 5, воздушным патрубком 6, внутри которого между верхней и нижней крышками 2 и 3 размещены верхняя перегородка 6 с верхним центральным отверстием 8, нижняя перегородка 9, состоящая из решетки 10, выполненной из гидрофильного материала и периферийного кольца 11, соединенного снизу с верхней кромкой кольцевой емкости 12 гидрозатвора 13, водослив 14 которой образует нижнее центральное отверстие 15, соосное верхнему отверстию 8, между верхней и нижней перегородками 6 и 9 расположены периферийная паровая кольцевая полость 16, кольцевые пакеты 17, уложенные друг на друга и состоящие из отдельных перфорированных колец 18, вставленных друг в друга, выполненных из гидрофильного материала, которые образуют пароконденсатную секцию 19 и паровоздушную секции 20, состоящую из полости 21, расположенной между   уровнем конденсата в поддоне, образованной конусной нижней крышкой 3 и верхней крышкой 2, причем каждое перфорированное кольцо 18 в кольцевом пакете 17 размещено с зазором 22 между собой равным ∆, и снабжено отверстиями, выполненными в виде горизонтальных конических капилляров 23, направленных малыми отверстиями в сторону паровоздушной секции 20, вышеупомянутые кольца 18 со стороны паровоздушной секции 20 снабжены горизонтальными шипами 24 длиной ∆, расположенными в шахматном порядке между малыми отверстиями капилляров 21, а с противоположной стороны перфорированные кольца 18 снабжены по всей высоте  вертикальными канавками 25, расположенными между большими отверстиями конических капилляров 23, причем кольцевые пакеты 17 компонуются таким образом, что малые отверстия конических капилляров 23 предыдущего перфорированного кольца 18 располагаются напротив вертикальных канавок 25 следующего перфорированного кольца 18.
В основу работы предлагаемого кольцевого капиллярного конденсатора положены особенности движения жидкости (пара) в конических капиллярах 23, а именно: движение осуществляется от большего сечения к меньшему, при этом в широкой части капилляра 23 происходит испарение жидкости, в узкой части – конденсация пара [Лыков А. В. Тепломассообмен: (Справочник). 2–е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1978, С. 365, 366], снижение теплосодержания жидкости при образовании поверхности [Мельвин–Хюз, Физическая химия, т. II –М.: Ин. лит., 1962, С. 802], а  также ступенчатое изменение параметров пара при движении через  N штук перфорированных колец 18 [Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии –М.: Химия, 1987, С. 15].
Для обеспечения возможности работы ККК в широком диапазоне нагрузок по пару, устанавливают батарею ККК, способную работать в этом диапазоне. При этом, количество пара, приходящегося на 1 ККК определяется, исходя из минимальной нагрузки, а число ККК в батарее определяют, исходя из максимальной нагрузки по пару.
r1
r1
r2
2
2
2
ККК работает следующим образом. Пар, при температуре насыщения, через патрубок 4 подают в паровую кольцевую полость 16, откуда он поступает в большие отверстия конических капилляров 23 первых перфорированных колец 18 пакетов 17, в которых под действием капиллярных сил перемещается к их малым отверстиям, где происходит его частичная конденсация с выделением тепла конденсации Q. Мениски образовавшейся жидкости в капиллярах 23 соприкасаются с гидрофильным материалом поверхности кольца 18 благодаря зазорам 22 и покрывают тонким слоем его гидрофильную поверхность (ширину зазора 22 фиксируют шипы 24), откуда под действием силы тяжести стекают в кольцевую емкость 12 гидрозатвора 13.  Большая часть конденсата с несконденсировавшимся паром выбрасывается из малых отверстий капилляров 23 предыдущих колец 18, внезапно расширяясь в полости зазора 22, в результате чего температура парожидкостной смеси снижается (эффект Джоуля –Томпсона) и попадает в канавки 25 последующих колец 18, где пар сепарируется от частиц конденсата и поступает в большие отверстия  капилляров 22 последующих колец 18, а конденсат распределяется по гидрофильной поверхности этих колец 18 и канавок 25, в результате чего его температура также несколько снижается, откуда под действием силы тяжести стекает в кольцевую емкость 12 гидрозатвора 13, при наполнении которой через кольцевой водослив стекает в поддон ККК (гидрозатвор 13 предотвращает проскок несконденсировавшегося пара через зазор 22 в паровоздушную секцию 20). В следующих перфорированных кольцах процессы конденсации и охлаждения происходят аналогичным образом. При этом, в больших отверстиях конических капилляров 23 происходит частичное испарение образовавшейся жидкости, на которое используется тепло конденсации Q предыдущего кольца 18 и тепло самого пара, парожидкостная смесь под действием капиллярных сил перемещается к малым отверстиям конических капилляров 23, где также происходит частичная конденсация меньшего количества пара с выделением уже меньшего количества тепла Q. При этом по мере перемещения пара от одной кольца 12 к другому влагосодержание его не увеличивается, в результате чего скорость конденсации не уменьшается, а количество его уменьшается. Конденсат из поддона, образованного нижней крышкой 3, выводится из ККК через патрубок 5, а несконденсировавшийся пар и газы (О, СО, N) паровоздушной секции 20 выводятся через воздушный патрубок 6. При этом, многократное ступенчатое повторение процессов конденсации  и испарения, расширения пара и создания поверхности жидкости увеличивает движущую силу, что также обеспечивает  интенсификацию процессов конденсации и охлаждения.
Количество перфорированных колец 23 в одном пакете 17, их высоту, число пакетов 17 и, соответственно, диаметр и высоту ККК принимают таким, чтобы обеспечить конденсацию большей части пара, поступившего в конические капилляры 23 первых по его ходу перфорированных колец 18. Ширина зазора 22 между кольцами 18 равная ∆ зависит от свойств жидкости и должна обеспечивать невозможность образования конденсатных пробок между кольцами 18, создавать пространство для расширения пара после его выхода из малых отверстий капилляров 23 и определяется опытным путем.
Таким образом, в результате совместного многократного ступенчатого воздействия на пар и образовавшийся конденсат при их прохождении пара через конические капилляры 23 перфорированных колец 18, слива конденсата по канавкам 25 через гидрозатвор 13 (который предотвращает пара в паровоздушную секцию 20) осуществляется  значительное снижение их теплосодержания, которое происходит за счет затрат тепла на образование свободной поверхности, капиллярных сил, преодоления сил трения и эффекта Джоуля–Томпсона, что позволяет проводить процессы конденсации большей части пара и снижение температуры полученного конденсата без использования хладоагента.