Секционный капиллярный конденсатор
SECTIONAL 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 (пароконденсатные 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, 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, 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 секционного капиллярного конденсатора.
Технический результат достигается в секционном капиллярном конденсаторе, включающем корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата, воздушным патрубком, внутри которого между верхней и нижней крышками размещены вертикальные прямоугольные перегородки, снабженные сверху в шахматном порядке через одну попарно заслонками, образуя пароконденсатные секции и соединенные между собой и боковыми стенками корпуса также сверху в шахматном порядке через одну горизонтальными полосами–крышками, образуя паровоздушные секции, причем каждая вертикальная перегородка состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин, покрытых слоем гидрофильного материала или изготовленных из него, размещенных с зазором между собой, равным ∆, отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров, направленных малыми отверстиями в сторону паровоздушных секций, каждая вертикальная перфорированная пластина со стороны паровоздушной секции снабжена горизонтальными шипами длиной ∆, расположенных в шахматном порядке между малыми отверстиями капилляров, а со стороны пароконденсатных секций перфорированные пластины снабжены по всей высоте вертикальными канавками, расположенными между большими отверстиями конических капилляров, причем перфорированные пластины компонуются таким образом, что малые отверстия конических капилляров предыдущей перфорированной пластины располагаются напротив вертикальных канавок последующей перфорированной пластины.
На фиг. 1–5 представлен предлагаемый секционный капиллярный конденсатор (СКК) (фиг. 1, 2 – общий вид и разрез, фиг. 3–5 – узел пароконденсатной секции СКК и его разрезы).
Секционный капиллярный конденсатор содержит корпус 1 с верхней и 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 вертикальные прямоугольные перегородки 7, снабженные сверху в шахматном порядке через одну попарно шиберами 8, образуя пароконденсатные секции 9 и соединенные между собой и боковыми стенками корпуса 1 также сверху в шахматном порядке через одну горизонтальными полосами–крышками 10, образуя паровоздушные секции 11, причем каждая вертикальная перегородка 7 состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин 12, покрытых слоем гидрофильного материала 14 или изготовленных из него, размещенных с зазором 13 между собой, равным ∆, отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров 15, направленных малыми отверстиями в сторону паровоздушных секций 11, каждая вертикальная перфорированная пластина 12 со стороны паровоздушной секции 11 снабжена горизонтальными шипами 16 длиной ∆, расположенными в шахматном порядке между малыми отверстиями капилляров 15, а со стороны пароконденсатных секций 9 перфорированные пластины 12 снабжены по всей высоте  вертикальными канавками 17, расположенными между большими отверстиями конических капилляров 15, причем перфорированные пластины компонуются таким образом, что малые отверстия конических капилляров 15 предыдущей перфорированной пластины располагаются напротив вертикальных канавок 17 последующей перфорированной пластины 12.
В основу работы предлагаемого секционного капиллярного конденсатора положены особенности движения жидкости (пара) в конических капиллярах 15, а именно: движение осуществляется от большего сечения к меньшему, при этом в широкой части капилляра 15 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 пластин 12 [Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987, с. 15].
r1
r1
r2
2
2
2
СКК работает следующим образом. Пар, при температуре насыщения, через патрубок 4 подают в верхнюю зону СКК (при полной нагрузке открыты все шиберы 8), откуда он распределяется по паровоздушным секциям 9. Из секций 9 пар поступает в большие отверстия конических капилляров 15 первых пластин 12 вертикальных перегородок 7, 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 15 соприкасаются с гидрофильным материалом 14 благодаря зазорам 13 и покрывают тонким слоем гидрофильную поверхность предыдущей пластины 12 (ширину зазора 13 фиксируют шипы 16), откуда под действием силы тяжести стекают в поддон СКК. Большая часть конденсата с несконденсировавшимся паром выбрасывается из малых отверстий капилляров 15 предыдущих пластин 12, внезапно расширяясь в полости зазора 13, в результате температура парожидкостной смеси снижается (эффект Джоуля–Томпсона) и попадает в канавки 17 последующих пластин 12, где пар сепарируется от частиц конденсата и поступает в большие отверстия  капилляров 15 последующих пластин 12, а конденсат распределяется по гидрофильной поверхности последующей пластины 12 и канавки 17, в результате чего его температура также несколько снижается, откуда под действием силы тяжести стекает в поддон СКК. В следующих перфорированных пластинах конденсация и охлаждение происходят аналогичным образом. При этом в больших отверстиях конических капилляров 15 происходит частичное испарение образовавшейся жидкости в конических капиллярах 15, на которое используется тепло конденсации Q предыдущей пластины 12 и тепло самого пара, парожидкостная смесь под действием капиллярных сил перемещается к малым отверстиям конических капилляров 15, где также происходит частичная конденсация меньшего количества пара с выделением уже меньшего количества тепла Q. По мере перемещения пара от одной пластины 12 к другой влагосодержание его не увеличивается, в результате скорость конденсации также не уменьшается. Конденсат под действием сил тяжести стекает в поддон, образованный нижней крышкой 3, откуда выводится из конденсатора через патрубок 5, а несконденсировавшийся пар и газы (О, СО, N) паровоздушных секций 11 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 пластин 12 в одной перегородке 7 принимают таким, чтобы обеспечить конденсацию большей части пара, поступившего в конические капилляры 15 первых по его ходу перфорированных пластин 12. Ширина зазора 13 между пластинами 12, равная ∆, зависит от свойств жидкости и должна обеспечивать невозможность образования конденсатных пробок между пластинами 12, создавать пространство для расширения пара после его выхода из малых отверстий капилляров 15 и определяется опытным путем. Регулировку работы СКК при изменении нагрузки по пару осуществляют путем открытия или закрытия шиберов 8.
Таким образом, в результате совместного многократного ступенчатого воздействия на пар и образовавшийся конденсат при их прохождении пара через конические капилляры 15 пластин 12 и слива конденсата по канавкам 17 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.