МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АППАРАТ СО ВСТРЕЧНЫМИ ЗАКРУЧЕННЫМИ ПОТОКАМИ
MULTIFUNCTIONAL DEVICE WITH COUNTER SWIRLING FLOWS

Изобретение относится к вентиляции и кондиционированию воздуха с регенеративными теплоутилизаторами.
Наиболее близким техническим решением является аппарат со встречными закрученными потоками обрабатываемого газа, содержащий корпус, нижний и верхний входные патрубки, выходной патрубок, систему подачи жидкости, по патенту RU 2339436, B01D 47/06, 20.03.1997. Недостатком известного аппарата является недостаточная эффективность очитки воздуха от тонкой пыли и невозможность подмеса воздуха других параметров после обработки ввиду отсутствия вихревой камеры смешения.
Технический результат - получение возможности теплоутилизации сильно запыленного выбросного воздуха, 'экономия энергоресурсов, упрощение конструкции системы кондиционирования воздуха, ее монтажа и обслуживания.
Это достигается тем, что многофункциональный аппарат со встречными закрученными потоками обрабатываемого газа, содержащий корпус, нижний и верхний входные патрубки, выходной патрубок, систему подачи жидкости, состоит из двух ступеней обработки, при этом первая ступень аппарата включает верхний и нижний входные патрубки, снабженные тангенциальными закручивателями, и центробежные тангенциальные форсунки, вторая ступень включает центробежную камеру смешения с входным патрубком, снабженным тангенциальным закручивателем, диффузор, конфузор, раскручиватель и выходной патрубок. В первой ступени аппарата осуществляется увлажнение воздуха и его санитарная очистка от тонкой пыли.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемой установки, на фиг.2 изображена принципиальная схема очистки оборотной воды, используемой в тепловлажностном процессе, на фиг.3 - схема форсунки.
Многофункциональный аппарат со встречными закрученными потоками (фиг.1), корпус которого в первой ступени аппарата содержит нижний входной патрубок 1, верхний входной патрубок 2, нижний тангенциальный закручиватель 3, верхний тангенциальный закручиватель 4, центробежные форсунки 5, выхлопной патрубок 6, а во второй ступени аппарата - входной патрубок камеры смешения 7, центробежную камеру смешения 8, диффузор 9, конфузор 10, раскручиватель 11, выходной патрубок 12. Процесс водоподготовки осуществляется по схеме (фиг.2) с помощью системы подачи жидкости, включающей запорный вентиль 13, отстойник 14, фильтр 15, циркуляционный насос 16, подпиточный вентиль для компенсации расходной части воды 17, где используемая повторно вода очищается с помощью отстойника и фильтра, а расходная часть воды компенсируется подпиточным вентилем от внешней системы.
В комбинированном многофункциональном аппарате со встречными закрученными потоками в рабочем пространстве первой ступени образуются, как и в классическом аппарате со встречными закрученными потоками, два закрученных в одну сторону, но встречно направленных потока: восходящий G1 - в центральной части камеры и нисходящий G2 - в периферийной части. Для тепловлажностной обработки воздуха в камеру подается вода, распыляемая центробежными тангенциальными форсунками. Под действием центробежных сил капли воды отбрасываются на вертикальные стенки аппарата и по ним стекают в нижнюю часть камеры. Затем увлажненный воздух выводится из камеры через выхлопной патрубок, расположенный в верхней части первой ступени аппарата, и поступает в камеру смешения (вторая ступень аппарата). Часть наружного воздуха G3, заранее подготовленная в системе кондиционирования воздуха, через тангенциальный закручиватель подается в камеру смешения, где поток увлажненного воздуха смешивается с наружным. Увеличение диаметра камеры смешения относительно первой ступени аппарата, где происходит увлажнение и мокрое обеспыливание, обеспечивает падение скорости воздуха в поперечном сечении аппарата и, как следствие, не создавая существенного дополнительного аэродинамического сопротивления, способствует предотвращению каплеуноса. На выходе из аппарата установлен раскручиватель.
Форсунка (фиг.3) содержит полый корпус, состоящий из цилиндрической части 17 с внешней резьбой для подсоединения к штуцеру распределительного трубопровода для подвода жидкости, и внутренней резьбой для соединения с коническим соплом 21.
Корпус 17 и сопло 21 образуют две, соосные между собой внутренних камеры 20 и 29. Цилиндрическая камера 20 служит для подвода жидкости, а коническая камера 29, образованная поверхностью усеченного конуса сопла, является нагнетательной камерой для создания повышенного давления.
На сопле 21, со стороны, противоположной подводу жидкости, выполнен жиклер, который состоит из цилиндрического дроссельного отверстия 24 и конического отверстия 25 с расширением в сторону объекта. При этом на поверхности конического отверстия 25 выполнена винтовая (на чертеже не показано) нарезка (например, коническая резьба с крупным шагом) для создания веерообразного выхода жидкости из жиклера.
На конической боковой поверхности 21 сопла выполнено, по крайней мере, два ряда цилиндрических дроссельных отверстий 22 и 23, оси которых перпендикулярны конической боковой поверхности сопла 21, и в каждом ряду выполнено, по крайней мере, три цилиндрических дроссельных отверстия, причем в горизонтальной плоскости проекции осей отверстий 22 и 23 в этих рядах отстоят друг от друга на угол 7.5…60° для создания мелкодисперсной сплошной фазы распыливаемой жидкости.
Для создания наибольшего эффекта образования мелкодисперсной сплошной фазы распыливаемой жидкости в цилиндрической камере 20, соосно ей, установлен с зазором 28 относительно внутренней боковой поверхности камеры 20 завихритель 19, выполненный в виде втулки с винтовой внешней нарезкой с крупным шагом трапецеидального профиля, и закрепленный посредством внутренней резьбы 27 на штоке 18 с коническим обтекателем в верхней части.
Завихритель 19 закреплен в своей нижней части посредством жестко присоединенной к нему круглой пластины 30 к корпусу 17. В круглой пластине 30 выполнен паз по спирали Архимеда, имеющий направление крутки, совпадающее с направлением крутки потока жидкости завихрителя 19.
Многофункциональный аппарат со встречными закрученными потоками работает следующим образом.
3
Разработанный аппарат, диаметром 2000 мм, обеспечивает производительность по воздуху до 100000 м/ч. Диаметр камеры смешения составляет 2500 мм, высота 1300 мм.
В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса обработки воздуха, были выбраны: коэффициент орошения В; массовая скорость воздуха v; соотношение расходов потоков воздуха = G2/(G1+G2); угол наклона форсунок на боковой поверхности аппарата ф 0 и относительная высота расположения форсунок h/H.
Наилучшая эффективность увлажнения в аппарате достигается при угле наклона форсунки к горизонту ф=30-40° и при относительной высоте ее расположения в рабочей камере h/H=0,4-0,5.
2
В результате экспериментальных исследований (главным образом на модели Dап=260 мм) были получены зависимости коэффициента эффективности адиабатного процесса Еа от вышеуказанных факторов. Исследования показали, что в аппарате процесс тепло- и массообмена протекает достаточно интенсивно. Коэффициент эффективности Еа=0,93 при v=9,43 кг/(м с), =0,45 и В=0,9. К установке были приняты форсунки с диаметром сопла 3 мм. При испытаниях аппарата диаметром 700 мм было доказано, что эффективность обработки воздуха с увеличением диаметра аппарата растет.
2
Оптимальные значения факторов в числовом выражении, характеризующих эффективность адиабатного процесса Еа, стали следующие: v=6,5 кг/(м с), =0,6, В=0,9, ф=50°, H/Dап=2,2, h/Dап=0,9, отношение расходов воды в=G2в/G3в=0,5 (G2в и G3в - расходы воды, распыляемой форсунками, соответственно в верхнем вводе воздуха и во всем аппарате). Потери давления p в аппарате при этом составили 810 Па.
Было также установлено, что в аппарате достигаются высокие скорости обработки воздуха до 10 м/с без выноса капель. Исследования показали также возможность регулирования процесса обработки воздуха без изменения суммарного расхода воздуха и воды путем изменения соотношения расходов воздуха. Аэродинамическое сопротивление аппарата ВЗПМ изменялось в пределах 600-900 Па.
Работа форсунки осуществляется следующим образом.
При подаче жидкости в корпус 17 под действием перепада давления 0,4…0,8 МПа в камерах 20 и 29 благодаря завихрителю 19 создаются вихревые потоки жидкости, которые устремляются в жиклер 21, а в цилиндрических дроссельных отверстиях 22 и 23 создаются потоки жидкости, устремляющиеся к выходным срезам отверстий и жиклера.
При столкновении расширяющихся потоков жидкости, истекающих через выходное коническое отверстие жиклера с винтовой нарезкой и цилиндрических дроссельных отверстиях 22 и 23, происходит образование веерообразного газожидкостного потока в виде пелены, т.е. реализуется механизм дробления капель жидкости, но генерируемый пеленообразный поток отклоняется от горизонтальной плоскости на больший угол, в диапазоне от 45 до 60°, в направлении к центральной области орошаемой поверхности, расположенной непосредственно под жиклером.
Основным преимуществом разработанного аппарата является возможность проведения процессов увлажнения, смешения, санитарной очистки от мелкой пыли, а также возможность повторного использования тепла и влаги больших объемов рециркуляционного воздуха (до 90%). Таким образом, использование многофункционального аппарата со встречными закрученными потоками для обработки рециркуляционного воздуха, при взаимодействии с малогабаритным кондиционером для обработки свежего воздуха (от 10%), позволяет существенным образом сократить стоимость климатического оборудования, эксплуатационные затраты, а также обеспечить более стабильную работу всей системы.
Объем обрабатываемого в многофункциональном аппарате воздуха ограничивается только санитарными нормами, согласно которым количество наружного воздуха в рециркуляционном должно быть не менее 10% (при условии, что выполняются требования, регламентирующие количество наружного воздуха на одного работающего).
Смешение наружного воздуха с циркуляционным уже после его подогрева позволяет избежать выпадения конденсата и его обледенения на стенках лопаток воздушных клапанов, регулирующих поступление холодного воздуха в камеру смешения, в результате чего нарушается режим регулирования и возрастают износ оборудования и энергетические потери в традиционных центральных кондиционерах.