УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ ИЗ ПАРО-ЖИДКОСТНОГО ИЛИ ГАЗО-ЖИДКОСТНОГО ПОТОКА

Изобретение относится к устройствам для улавливания капель жидкости из паро-жидкостного или газо-жидкостного потока и может быть использовано в энергетике, в частности в геотермальной энергетике, в химической, нефтеперерабатывающей промышленности, горном деле, цветной и черной металлургии.
Известно устройство для отделения капельной жидкости из газового потока [1], состоящее из корпуса, содержащего установленные на расстоянии друг от друга параллельные пластины трапециевидной формы с входными и выходными участками и вертикальные перегородки, разделяющие пластины на секции и образующие сливные камеры, причем пластины выполнены с косыми гофрами, продольные оси которых пересекаются в средней части пластин, а сливные камеры примыкают к расходящимся участкам гофр. В такой конструкции увеличивается вероятность оседания капли на поверхность и возрастает улавливающая способность устройства.
Однако, улавливающая способность такой конструкции недостаточна.
Известен также вихревой пылеуловитель со вторичным потоком газа [2] для очистки газа от пыли и капельной жидкости, включающий цилиндрический корпус, в верхней части которого размещена шайба, под которой установлены сопла вторичного газового потока, а в нижней части газопровод очищаемого газа, на выходе из которого установлен лопаточный завихритель, рассекатель газового потока и газопровод чистого газа с завихрителем.
Однако прототип обладает высоким гидродинамическим сопротивлением в 1,5-2 раза большим, чем циклонные сепараторы. Такой недостаток затрудняет применение вихревых аппаратов для каплеулавливания в некоторых отраслях промышленности, например, геотермальной энергетике. Невысокие термодинамические
параметры геотермального паро-жидкостного, газо-жидкостного потока в геотермальных электростанциях требуют минимальных потерь давления в технологическом оборудовании при получении электроэнергии. Кроме этого, все устройства со взаимодействующими закрученными потоками, в том числе и конструкция прототипа, имеют патрубок вторичного потока, что приводит к увеличению металлоемкости конструкции.
Техническим эффектом предлагаемого изобретения является повышение эффективности улавливания капель жидкости из паро-жидкостных, газо-жидкостных потоков в устройствах с высоким удельным расходом потока с низким гидродинамическим сопротивлением.
Технический эффект достигается тем, что устройство для улавливания капель жидкости из паро-жидкостного или газо-жидкостного потока, включающее корпус, в верхней части которого размещены патрубки подвода паро-жидкостного или газо-жидкостного потока и выходной патрубок с рассекателем, под которыми размещено закручивающее устройство паро-жидкостного или газо-жидкостного потока, а в нижней части расположен сборник жидкости с патрубком отвода жидкости в бункер, снабжено отбойной пластиной с отверстиями, установленной с кольцевым зазором над сборником жидкости, а сборник жидкости снабжен ребрами, причем отбойная пластина имеет плоскую форму, или коническую форму, или форму усеченного конуса, или сферическую форму, и выполнена с отверстиями цилиндрической или конусообразной формы, а отношение высоты рабочего объема к его внутреннему диаметру равно от 0,5 до 4.
Повышение эффективности улавливания капель достигается формированием взаимодействующих закрученных потоков с помощью отбойной пластины с отверстиями, вращающихся в одном направлении в рабочем объеме устройства, в результате чего возрастает сохранение крутки потока по высоте устройства и увеличение его сепарационных характеристик при высоких расходах паро-жидкостных и газо-жидкостных потоков. Для понижения гидродинамического сопротивления устройства сборник жидкости снабжен ребрами, не допускающими вращательное движение потоков за пределами рабочего объема устройства.
Заявляемое устройство представлено в виде продольного разреза на чертеже (фиг.1). Устройство состоит из корпуса 1 с патрубком подвода паро-жидкостных или газо-жидкостных потоков 2, закручивающего устройства 3, выходного патрубка 4 с рассекателем 5. В нижней части устройства расположен конический сборник жидкости б с ребрами 7, патрубок 8 для отвода жидкости в бункер 9, над коническим сборником жидкости 6 установлена отбойная пластина 10 с отверстиями 11, причем она установлена с кольцевым зазором 12.
Устройство работает следующим образом: паро-жидкостный или газо-жидкостный поток по патрубку 2 через закручивающее устройство 3 поступает в виде закрученного потока в рабочий объем корпуса 1; под действием центробежных сил капли жидкости оседают на внутреннюю поверхность корпуса 1 и под действием силы тяжести стекают через кольцевой зазор 12 между корпусом 1 и отбойной пластиной 10 в конический сборник жидкости 6, и по патрубку 8 собираются в бункере 9; отбойная пластина 10 с отверстиями 11 препятствует попаданию закрученного паро-жидкостного или газо-жидкостного потока в конический сборник жидкости 6, в результате чего предотвращается захват и унос капель. Вместе с тем, часть паро-жидкостного или газо-жидкостного потока попадает в конический сборник жидкости 6 через кольцевой зазор 12 между корпусом 1 и отбойной пластиной 10, и для того, чтобы понизить вероятность уноса капель потоком, конический сборник жидкости б снабжен ребрами 7 для гашения вращения паро-жидкостного или газо-жидкостного потока. В результате вращения основного потока в рабочем объеме корпуса 1 в центре по оси камеры создается пониженное давление по сравнению с давлением у стенки корпуса, поэтому паро-жидкостный или газо-жидкостный поток, попавший в конический сборник жидкости 6 через отверстия 11 в отбойной пластине 10 возвращается в рабочий объем. Отверстия 11 в отбойной пластине 10 выполнены таким образом, что паро-жидкостный или газо-жидкостный поток, проходя через них и попадая в рабочий объем корпуса 1, приобретает вращательное движение в том же направлении, что и основной закрученный поток. В результате этого, в рабочем объеме устройства сохраняется крутка потока по высоте и возрастает степень улавливания капель жидкости.
Очищенный паро-жидкостный или газо-жидкостный поток по выходному патрубку 4 выводится за пределы устройства. Для снижения сопротивления устройства в выходном патрубке 4 установлен рассекатель 5, предотвращающий вращение очищенного от жидкости потока за пределами устройства.
Для оценки и сравнения технологических параметров аналога, прототипа и заявляемого устройства были изготовлены их лабораторные модели, которые были исследованы на экспериментальном стенде (фиг.2а). Стенд состоит из компрессора 1, расходомера 2, эжектора для подачи жидкости 3, манометров 4, устройства для очистки 5, бункера сбора уловленной жидкости 6.
ул
исх
Эксперименты проводились по следующей методике: на стенд устанавливалась одна из трех моделей (аналога, прототипа или заявляемого устройства); включался компрессор 1 и при помощи вентиля по расходомеру 2 устанавливался определенный расход воздуха, затем через эжектор 3 подавалось определенное количество воды, полученный газо-жидкостный поток поступал в устройство для очистки 5 (модель аналога, прототипа или заявляемого устройства), уловленная вода собиралась в бункере 6. Перепад давления на устройстве определялся по разнице показаний давления на манометрах 4. Коэффициент улавливающей способности устройства η=(m/m)·100% определялся по отношению массы уловленной воды в бункере 6 к исходной массе воды поданной в эжектор 3.
Результаты проведенных экспериментов представлены на графике (фиг.26), на котором приведена зависимость эффективности каплеулавливания от конструкции устройства и количества жидкости в потоке, где
I - улавливающая способность жалюзийного устройства по конструкции аналога;
II - улавливающая способность вихревого устройства по конструкции прототипа;
III - улавливающая способность заявляемого устройства;
ул
исх
η=(m/m)·100% - коэффициент улавливающей способности устройства;
ул
m - масса уловленной жидкости устройством;
исх
m - масса жидкости поданной в эжектор.
ж
г
В=(m/m)·100% - массовый коэффициент взвеси;
ж
m - масса жидкости в потоке;
г
m - масса газового потока.
Из графика видно, что для всех трех моделей характерно увеличение улавливающей способности с ростом содержания жидкости в паро-жидкостном или газо-жидкостном потоке.
Самый низкий уровень каплеулавливания в ходе экспериментов наблюдался для жалюзийной модели аналога в пределах от 30% до 50%, для вихревой модели прототипа уровень каплеулавливания находился в диапазоне от 50% до 80%.
Самый высокий уровень каплеулавливания в ходе экспериментов наблюдался для модели заявляемого устройства от 75% до 98%. Следует отметить, что улавливающая способность практически не изменялась при вариации калибров рабочего объема заявляемого устройства (отношение высоты к диаметру) от 0,5 до 4.
Фиксирование показаний манометров 4 в ходе экспериментов позволяло определить изменение гидродинамического сопротивления моделей. На фиг.2в представлена зависимость изменения коэффициента гидродинамического сопротивления от конструкции устройства и количества жидкости в потоке, где
I - улавливающая способность заявляемого устройства;
II - улавливающая способность вихревого устройства по конструкции прототипа;
ж
г
В=(m/m)·100% - массовый коэффициент взвеси;
ж
m - масса жидкости в потоке;
г
m - масса газового потока.
уст
эт
ξ=ΔP/ΔP - коэффициент гидродинамического сопротивления устройства;
уст
ΔP - перепад давления на каплеулавливающем устройстве,
эт
ΔP - перепад давления на эталонном устройстве.
Анализ результатов исследований показывает, что сопротивление моделей прототипа и заявляемого устройства возрастает с увеличением массы капельной жидкости в потоке, при этом, сопротивление заявляемого устройства почти в два раза ниже, чем прототипа.
Таким образом, проведенные эксперименты подтвердили, что улавливающая способность заявляемого устройства в 1,5 раз выше, чем у прототипа при пониженном гидродинамическом сопротивлении.