УСТРОЙСТВО ВЫПАРНОЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для упаривания жидкостей, эмульсий и суспензий в центробежном поле вращающегося нагреваемого элемента и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической, медицинской, экологической и других отраслях промышленности.
Известна конструкция дискового распылителя, содержащего приводной вертикальный вал с закрепленным на нем рабочим диском, узел питания и установленным над рабочим диском пульсатор в виде неподвижного стакана или тарельчатого питателя обеспечивающий пульсирующую подачу жидкости (Авт. св. СССР №531549, В05В 3/14, 1976 г).
К причинам препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая производительность по испарению жидкости из-за малого времени контакта с поверхностью нагреваемого диска.
Известна конструкция дискового распылителя, содержащего приводной вал с закрепленными на нем диском и узел питания, при этом рабочая поверхность диска, на которую подается жидкость имеет искусственную шероховатость в виде кольцевых проточек, круглых лунок или спиральных проточек (Д.Г.Пажи, B.C.Галустов. Основы техники распыления жидкостей. - М.: Химия, 1984 г., с.147-149).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность по испарению жидкости из-за малого времени ее контакта с поверхностью нагреваемого диска.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту и принятому за прототип является устройство выпарное центробежного типа, содержащее корпус, вал с установленным на нем греющим элементом теплообменного аппарата, днище, системы циркуляции теплового агента, материального раствора и вторичного пара, с патрубками, при этом греющий элемент выполнен по форме, имеющей параболический профиль, с внешней стороны которого размещены спиралевидные лопасти, и имеет систему осевой загрузки раствором, а патрубки подачи и отвода теплового агента расположены на корпусе теплообменного аппарата диаметрально противоположно (патент РФ №2185868, ВО1Д 1/22, 2002 г).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата является недостаточная производительность по выпариванию из-за малого времени пребывания материального раствора на внутренней поверхности греющего элемента и достаточной величины поверхности теплопередачи греющего элемента.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение производительности по выпариванию за счет увеличения времени пребывания материального раствора на внутренней поверхности греющего элемента и увеличения размеров поверхности теплопереноса греющего элемента.
Технический результат достигается тем, что в устройстве выпарном центробежного типа, содержащем корпус, вал с установленным на нем греющим элементом, с внешней стороны которого размещены спиралевидные лопасти теплообменного аппарата, днище, системы циркуляции теплового агента, материального раствора и вторичного пара, с патрубками, при этом на внутренней стороне греющего элемента равномерно и перпендикулярно его поверхности закреплены с возможностью колебании металлические иглы, выполненные из упругой проволоки.
Равномерно иглы перпендикулярно закреплены на внутренней стороне греющего элемента по всей его поверхности металлических игл позволяет затормозить поток материального раствора, обтекающего эти иглы, увеличить время нахождения раствора на внутренней поверхности греющего элемента, а значит производительность по упариванию. Кроме того, поверхность металлических игл увеличивает общую поверхность теплопереноса, а значит тоже способствует увеличению производительности по упариванию материального раствора.
Выполнение металлических игл из упругой проволоки с возможностью колебаний обеспечивает их вибрацию при обтекании металлических игл материальным потоком, что увеличивает скорость теплопереноса, а значит производительность по упариванию материального потока.
Кроме того, малое сечение игл и их горячая поверхность является центрами парообразования с интенсивным выделением пузырьков пара по сравнению с гладкой поверхностью внутренней стороны греющего элемента, а колебания игл, выполненных из упругой проволоки, способствует отрыву образующихся пузырьков пара от поверхности игл, что также способствует увеличению производительности.
Таким образом, все вышесказанное увеличивает время пребывания материального потока на внутренней поверхности греющего элемента, приводит к увеличению числа паровых пузырьков, их поверхности и скорости теплопереноса, а значит в целом способствует увеличению производительности по выпариванию материального потока.
На фигуре изображено устройство выпарное центробежного типа в разрезе.
Устройство содержит корпус 1 с ложным днищем 2, являющимся остовом теплообменного аппарата 3, оснащенного расположенными в диаметрально противоположном направлении патрубками: 4 - для подачи исходного и 5 - для отвода отработанного теплового агента, обеспечивающего передачу тепловой энергии внутренней стороне поверхности греющего элемента 6, имеющего параболический поперечный профиль, соответствующий форме свободной поверхности жидкости, находящейся во вращаемся сосуде. На внешней стороне греющего элемента 6 (со стороны теплообменного аппарата) закреплены спиралевидные лопасти 7, обеспечивающие интенсивный процесс передачи теплоты греющему элементу от теплового агента за счет турбулизации его потоков путем создания дополнительных аэродинамических сопротивлений, а также увеличением пути прохода теплоагента в теплообменном аппарате. Греющий элемент 6 установлен на вертикальном валу 8 с возможностью вращения в направлении вектора угловой скорости ω, который противоположен направлению вектора v скорости потока теплового агента, при взаимодействии с ротационным приводом 9. В нижней центральной части греющего элемента 6 расположена система осевого питания, состоящая из патрубка 10, обеспечивающего его осевую загрузку за счет подачи исходного раствора 11 из питающей емкости 12, и патрубка 13, обеспечивающего подачу выпариваемого раствора. Нижняя часть корпуса 1 представляет собой горообразную накопительную емкость 14, в которую осуществляется разгрузка концентрированного раствора с периферии греющего элемента 6 с возможностью отвода упаренного раствора из корпуса 1, через патрубок 15.
Верхняя часть корпуса отделена от нижней перфорированной диафрагмой 16 с лопастями 17, установленными на вертикальном валу 8 с возможностью вращательного движения, обеспечивающего подвижность паровой среды с целью интенсификации процесса фазового перехода раствора и удаления водяного пара из устройства через патрубок 18.
Герметичность объемов устройства с различными фазовыми состояниями сред обеспечивается уплотнениями: 19 - между корпусом 1 и перфорированной диафрагмой 16; 20 - между ложным днищем 2 и греющим элементом 6; 21 - между патрубком 10 греющего элемента и ложным днищем 2. На внутренней стороне греющего элемента 6 равномерно по всей его поверхности и перпендикулярно этой поверхности закреплены с возможностью колебаний, установлены металлические иглы 21, выполненные из упругой проволоки.
Устройство работает следующим образом. Исходный раствор 11 поступает в питающую емкость 12 под избыточным гидростатическим давлением, где подогревается до заданной температуры за счет передачи теплота от теплообменного аппарата 3, использующего тепловую энергию теплоагента, поступающего через патрубок 4 в теплообменный аппарат 3, в котором его потоки турбулизируются благодаря воздействию спиралевидных лопастей 7, расположенных на внешней поверхности греющего элемента 6, установленного на вертикальном валу 8, вращающегося от ротационного привода 9, например электрического. Причем направление вектора угловой скорости ω рабочей части лопастей 7 противоположно направлению вектора v скорости потока теплового агента, что обеспечивает дополнительное аэродинамическое сопротивление в теплообменном аппарате. Тем самым достигается увеличение термического КПД теплообменного аппарата 3, чему также способствует диаметрально противоположное относительно подводящего патрубка 4 расположение патрубка 5, через который отводится отработанный тепловой агент, увеличивающее путь частиц в потоке теплового агента.
Загрузка греющего элемента 6 выпариваемым раствором осуществляется под действием внутренних сил, обусловленных процессом теплового расширения раствора, совместно с силами гидростатического давления, под действием которых материальный раствор через систему осевого питания, состоящую из патрубка 10, поступает на внутреннюю поверхность вращающегося греющего элемента 6, имеющего параболический поперечный профиль, соответствующий форме свободной поверхности жидкости, находящееся во вращающемся сосуде, выражаемой уравнением с параметрами, задаваемыми применительно к условиям эксплуатации устройства, и его геометрией
где ω, r - угловая скорость вращения и текущий радиус внутренней поверхности греющего элемента 6 соответственно.
Температурное объемное расширение раствора, избыточное гидростатическое давление внутри него, параболическая форма греющего элемента и действующие центробежные силы создают условия, обеспечивающие растекание выпариваемого раствора по поверхности греющего элемента 6 в виде пленки, толщина которой определяется, с одной стороны, скоростью испарения воды из раствора, а с другой - от угловой скорости ω вращения греющего элемента 6, текущего радиуса r положения частиц раствора на его поверхности и величины гидростатического давления в системе питания устройства выпариваемым раствором, препятствующих образованию осадка - твердой фазы раствора. Так как иглы 21 создают гидравлическое сопротивление при обтекании их выпариваемым раствором, то длина траектории, по которым движется раствор, увеличивается, возрастает время контакта раствора с внутренней стороной греющего элемента 6, возрастает поверхность теплопереноса за счет боковой поверхности металлических игл 21, а значит скорость выпаривания и производительность.
Кроме того, сама горячая поверхность игл 21 малого сечения является центрами парообразования с интенсивным выделением пузырьков пара, а колебания игл способствует отрыву паровых пузырьков от боковой поверхности игл, что также способствует увеличению производительности.
Разгрузка греющего элемента 6 осуществляется с его периферии в горообразную накопительную емкость 14 и последующий отвод концентрированного раствора через патрубок 15.
Удаление испаренной из материального раствора влаги осуществляется через верхнюю часть корпуса, отделенную от нижней части перфорированной диафрагмой 16 с вертикальными лопастями 17, установленными на вертикальном валу 8, приводимом во вращение приводом 9. Тем самым обеспечивается подвижность паровой среды с целью интенсификации процесса фазового перехода раствора и удаления водяного пара из верхней части корпуса 1 устройства через патрубок 18. Также снижается возможность ремиссии испаренной влаги в выпариваемый раствор как на поверхность греющего элемента 6, так и в накопительную емкость 14.
Таким образом, производительность повышается за счет передачи тепла от поверхности металлических игл 21 и их колебаний под действием потока выпариваемого раствора и увеличения числа паровых пузырьков и времени передачи тепла от внутренней стороны греющего элемента 6, по которой движется пленка упариваемого раствора, а также за счет того, что сечения игл 21 малого размера и их горячая поверхность являются центрами парообразования с интенсивным выделением пузырьков пара по сравнению с гладкой поверхностью внутренней стороны греющего элемента 6.