ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА С МЕХАНИЧЕСКИМ ПАРОВЫМ КОМПРЕССОРОМ

Полезная модель относится к технике выпаривания и может быть использована в химической и пищевой отраслях промышленности, при опреснении морской и соленых вод, а также в других производствах, где осуществляется выпаривание растворов.
Выпаривание является одним из наиболее энергоемких процессов в промышленности. Для снижения энергетических затрат выпарные установки делают многокорпусными с целью многократного использования подводимого к ним тепла. Однако, наиболее эффективным средством снижения затрат на выпаривание является механическая компрессия, при которой вторичный пар, образующийся в выпарном аппарате, направляется в механический компрессор, а сжатый в компрессоре пар с повышенными давлением и температурой подается в греющую камеру этого выпарного аппарата в качестве греющего средства.
Принципиальная схема и конструкция известной выпарной установки с механическим компрессором приведена на рис.V111-10, (в), в книге: Гельперин Н.И. «Основные процессы и аппараты химической технологии», книга вторая. М., изд.» Химия». 1981. С.414. Установка (фиг.1) включает: выпарной аппарат 1, содержащий греющую камеру 2 и сепаратор вторичного пара 3, механический компрессор 4, сообщенный всасывающим 5 и напорным 6 трубопроводами с сепараторами и греющей камерой выпарного аппарата. При работе установки по трубе 7 в выпарной аппарат поступает исходный раствор, по трубе 8 из аппарата отводится раствор концентрированный, по трубопроводу 10 из греющей камеры выпарного аппарата отводится конденсат. В начальный момент при разогреве и пуске установки в работу, а также для подпитки выпарного аппарата в процессе работы по трубе 9 в греющую камеру выпарного аппарата подают пар из постороннего источника.
За счет энергии, подводимой на привод, компрессор повышает давление пара и, соответственно, температуру его конденсации и этим создает полезную разность температур пара в межтрубном пространстве греющей камеры и кипения раствора, циркулирующего по теплообменным трубкам. Эта разность температур необходима для передачи тепла к выпариваемому раствору. Потребляемая компрессором мощность пропорциональна этой полезной разности. Однако, помимо этого полезного потока энергии и тепла в выпарных установках с механическим паровым компрессором имеют место другие тепловые потоки: затраты тепла на подогрев исходного раствора до температуры кипения, потери тепла с отводимыми из установки концентрированным раствором и конденсатом греющего пара, потери тепла в окружающую среду.
Для компенсации этих потерь известные выпарные установки с паровыми центробежными компрессорами и турбокомпрессорами оснащаются довольно сложными устройствами для регенерации тепла, что увеличивает капитальные затраты на установку и ее габариты, усложняет эксплуатацию и систему управления работой оборудования. Однако, даже при этом в процессе работы известных выпарных установок с механическим паровым компрессором необходим дополнительный подвод некоторого количества к выпарному аппарату (см. статью: А.Н.Beesley, R.D.Reinsmith «Energy conservation by Vapor Compression Evaporation» «Сохранение энергии при выпаривании с парокомпрессией» в журнале: «Chemical Engineering Progress», 1980, August, pp.37-41).
Кроме того, в известной выпарной установке с механическим паровым компрессором получающийся в компрессоре пар направляется в верхнюю часть межтрубного пространства греющей камеры выпарного аппарата (см. фиг.1), и входящий поток перегретого пара сразу же омывает верхнюю (еще сухую) часть теплообменных трубок. При этом перегретый пар сначала охлаждается, омывая трубки как газ, т.е. при малоинтенсивной передаче тепла, а уже затем, достигая насыщения, начинает конденсироваться с обычно высокой интенсивностью. Контакт перегретого пара, как газа, происходит при интенсивности теплопередачи значительно ниже интенсивности теплопередачи при конденсации насыщенного пара. Следовательно, чтобы охладить перегретый пар до состояния насыщения, требуются существенные дополнительные поверхности, что увеличивает капитальные затраты на создание выпарной установки и увеличивает также ее габариты.
Анализ научно-технической и патентной литературы показал, что по достигаемому положительному эффекту известная выпарная установка с центробежным паровым компрессором, описанная в книге Гельперин Н.И. «Основные процессы и аппараты химической технологии», книга вторая, М., изд.» Химия», 1981, С.414, рис.V111-10, (в), наиболее близка к заявляемому техническому решению, и поэтому она принята нами в качестве прототипа. Заявляемое техническое решение направлено на устранение недостатков известной выпарной установки с центробежным паровым компрессором или турбокомпрессором,
Это достигается тем, что в известной выпарной установке с механическим паровым компрессором, содержащей выпарной аппарат, включающий греющую камеру с теплообменными трубками и сепаратор вторичного пара, и механический паровой компрессор, всасывающий патрубок которого трубой соединен с сепаратором выпарного аппарата, а нагнетательный патрубок сообщен трубой с межтрубным пространством греющей камеры, новым является то, что в качестве парового компрессора использован вихревой компрессор, например - компрессор типа ЭФ 100 фирмы «ЭНФИ».
Кроме того, в заявляемой выпарной установке с вихревым паровым компрессором труба от нагнетательного патрубка компрессора к греющей камере выпарного аппарата может быть врезана в нижнюю часть межтрубного пространства греющей камеры.
Кроме того, в заявляемой выпарной установке с вихревым паровым компрессором на паропроводе от нагнетательного патрубка к греющей камере выпарного аппарата может быть установлен прямоконтактный теплообменник, орошаемый конденсатом из греющей камеры этого аппарата или исходным раствором.
Кроме того, в заявляемой выпарной установке с вихревым паровым компрессором труба для подвода пара из компрессора может быть заглублена под уровень конденсата в межтрубном пространстве греющей камеры.
Положительный эффект от применения в заявляемой выпарной установке достигается вследствие оригинальной конструкции этого компрессора, существенно отличающейся от конструкции центробежных и турбокомпрессоров, используемых в существующих выпарных установках и обуславливающих новую аэродинамику в нем нагнетаемого парового потока, позволяющую формировать непосредственно в компрессоре возможности обеспечения в выпарном аппарате тепловых потоков, необходимых для осуществления не только основного процесса - процесса выпаривания раствора, но и компенсирующих сопутствующие ему потери тепла на подогрев раствора, потери тепла с конденсатом и в окружающую среду.
Общий вид вихревого компрессора типа ЭФ 100 фирмы «ЭНФИ» приведен на фиг.2, а вертикальный разрез рабочей камеры этого компрессора - на фиг.3
Рабочая камера вихревого компрессора (фиг.3) выполнена в форме незамкнутого тора 1, образующего круглый канал 2. Одна полусфера канала (подвижная) образована рабочим колесом 3 с радиальными лопатками 4 (карманами) 4, а другая, неподвижная, полусфера, - канавкой в корпусе компрессора 5. Рабочая камера имеет всасывающее окно 6 и выхлопное окно 7. Между всасывающими и выхлопными окнами установлена крышка 8, закрывающая отводной канал. Всасываемый компрессором пар захватывается карманами 4 вращающегося рабочего колеса и разгоняется под действием центробежной силы, а затем под действием этой силы нагнетается в неподвижный карман канала компрессора. Этот пар затем захватывается следующим подвижным карманом рабочего колеса компрессора и весь цикл захвата-нагнетания повторяется вновь. Таким образом, поступающий в компрессор пар в рабочем колесе захватывается, разгоняется и сжимается много раз. Если измерить давление пара в различных точках круглого канала, можно увидеть, что оно постоянно повышается по мере движения от всасывающего окна 6 до выходного окна 7, сообщающегося через отводной канал с нагнетательным патрубком компрессора.
Одновременно с повышением давления и увеличением вследствие этого температуры насыщения сжимаемого пара, соответствующей температуре конденсации его в греющей камере выпарного аппарата, в результате интенсивного движения и турбулизации при перетоках по карманам рабочего колеса компрессора за счет сил трения происходит дополнительный нагрев и перегрев этого пара относительно температуры насыщения. Следовательно, из вихревого парового компрессора в греющую камеру выпарного поступает два потока тепла: первый, в котором повышенные потенциал и теплосодержание определяются увеличением давления пара в компрессоре, и второй, в котором теплосодержание обусловлено увеличением температуры (перегревом) пара в компрессоре. Анализ показывает, что при небольших потерях тепла в выпарной установке второго теплового потока достаточно чтобы компенсировать дополнительные затраты и потери тепла при работе комплекса «выпарной аппарат - вихревой паровой компрессор».
Другой проблемой, потребовавшей решения при реализации комплекса «выпарной аппарат - вихревой паровой компрессор» явилось обеспечение эффективной конденсации значительно перегретого пара, поступающего из компрессора в межтрубное пространство греющей камеры выпарного аппарата.
В зависимости от степени перегрева в заявляемой выпарной установке предусмотрена возможность применения нескольких вариантов устройств для использования тепла перегрева компремированного пара и для интенсификации конденсации пара путем предварительного эффективного охлаждения его до состояния насыщения с использованием несложных недорогих устройств..
При небольших перегревах достаточно трубу подвода пара от нагнетательного патрубка насоса врезать в нижнюю часть межтрубного пространства греющей камеры выпарного аппарата (фиг.4). На фиг.4 обозначено: 1 - выпарной аппарат, 2 - греющая камера выпарного аппарата с теплообменными трубками, 3 - сепаратор вторичного пара, 4 - вихревой компрессор, 5 - труба от сепаратора к всасывающему патрубку компрессора, 6 - труба от нагнетательного патрубка компрессора к греющей камере выпарного аппарата, 7 - труба для подвода исходного раствора, 8 - туба для вывода концентрированного раствора, 10 - трубопровод для отвода конденсата из греющей камеры, 11 - поверхность кипящего раствора в сепараторе выпарного аппарата.
Поступая в межтрубное пространство, перегретый пар проходит над поверхностью слоя конденсата на дне греющей камеры. За счет тепла перегрева пара происходит испарение части конденсата с образованием насыщенного пара и вследствие этого - частичное охлаждение перегретого пара. Частично охлажденный пар поднимается вверх вдоль теплообменных трубок, по которым стекает пленка конденсата, образующегося выше. При движении вверх при контакте с конденсатом на нижних концах трубок перегрев в потоке пара полностью исчезает и пар становится насыщенным. Образующийся насыщенный пар конденсируется на всей поверхности теплообменных трубок, при этом образуется пленка конденсата, которая стекает по трубкам вниз. Тепло конденсации насыщенного пара через поверхность трубок передается потоку раствора, циркулирующего по трубкам. Кипящий раствор из трубок поступает в сепаратор, где образовавшийся пар отделяется от раствора. Раствор рециркулирует по теплообменным трубкам, а вторичный пар из верхней части сепаратора всасывается компрессором, где сжимается до более высокого давления и перегревается, затем нагнетается в греющую камеру выпарного аппарата.
Таким образом, при трансформации перегретого пара в насыщенный количество получающегося в греющей камере насыщенного пара больше потока перегретого пара на выходе из компрессора. При конденсации этого избыточного насыщенного пара в греющей камере образуется дополнительное количества тепла, которое даже в случае больших потерь при использовании простых устройств регенерации позволяет полностью компенсировать сопутствующие затраты и потери тепла в системе «Выпарной аппарат - вихревой компрессор».
При значительных перегревах пара, поступающего из компрессора, утилизация тепла перегрева пара осуществляется в вынесенном прямоконтактном теплообменнике, орошаемом конденсатом из греющей камеры этого выпарного аппарата (фиг.5). На фиг.5 обозначено: 1 - выпарной аппарат, 2 - греющая камера выпарного аппарата с теплообменными трубками, 3 - сепаратор вторичного пара, 4 - вихревой компрессор, 5 - труба от сепаратора к всасывающему патрубку компрессора, 6 - труба от нагнетательного патрубка компрессора к прямоконтактному теплообменнику, 7 - трубопровод для подвода исходного раствора на выпаривание, 8 - трубопровод для вывода концентрированного раствора, 10 - трубопровод для вывода конденсата из греющей камеры в прямоконтактный теплообменник, 11 - поверхность кипящего раствора в сепараторе выпарного аппарата, 12 - прямоконтактный теплообменник для охлаждения перегретого пара, 13 - трубопровод вывода конденсата из прямоконтактного теплообменника, 14 - трубопровод вывода насыщенного пара из прямоконтактного теплообменника в греющую камеру выпарного аппарата.
Конденсат из греющей камеры по трубопроводу 10, поступая в теплообменник 12, представляющий герметичный сосуд, попадает, например, на перфорированную полку с бортами, расположенную в верхней части его, и в виде струй и капель вытекает в паровую камеру, куда направляется перегретый пар по трубопроводу 6 из вихревого компрессора 4. При непосредственном контакте со струями и каплями конденсата перегретый пар увлажняется, охлаждается и в несколько увеличившемся количестве становится насыщенным. Насыщенный пар из теплообменника 12 по трубопроводу 14 отводится в межтрубное пространство греющей камеры, где конденсируется на теплообменных трубках, отдавая тепло конденсации выпариваемому раствору.
В варианте установки, представленном на фиг.6 для орошения прямоконтактного теплообменника 12 используется исходный раствор, поступающий в теплообменник по трубопроводу 15. Близкий к состоянию насыщения пар из теплообменника 12 отводится в межтрубное пространство греющей камеры выпарного аппарата по трубопроводу 14, а подогретый раствор по трубопроводу 7 направляется в выпарной аппарат для выпаривания. Поступивший в греющую камеру пар донасыщается в нижней части межтрубного пространства при движении над поверхностью конденсата и интенсивно конденсируется на теплообменных трубках.
Вариант прямоконтактного теплообменника, встроенного в межтрубное пространство греющей камеры, представлен на фиг.7. Круговая перфорированная перегородка 19 размещена в нижней части межтрубного пространства. Конденсат, стекающий по теплообменным трубкам, попадает на полку 19 и через отверстия в виде струй и капель 20 орошает поток перегретого пара, поступающего по трубе 6 из компрессора, снимая перегрев этого пара. Насыщенный пар, поступая в межтрубное пространство, а затем проходя через центральный проем в перегородке 19, интенсивно конденсируется на поверхности теплообменных трубок.
В варианте с заглублением паропровода от нагнетания компрессора под уровень конденсата в межтрубном пространстве греющей камеры развитая поверхность контакта перегретого пара и конденсата достигается путем барботажа пара через слой конденсата. Известно, что при конструктивной простоте это весьма эффективный способ обеспечения межфазного взаимодействия, массо- и теплообмена и гарантированно обеспечит трансформацию перегретого пара в насыщенный.
Расчеты показывают, что при небольших и номинальных дополнительных затратах и потерях в комплексе «выпарной аппарат-компрессор» применением вихревого компрессора достигается их полная компенсация и обеспечивается полная автономная работа комплекса «выпарной аппарат - компрессор», при больших дополнительных затратах оснащение заявляемой выпарной установки несложным рекуперативным устройством, например, противоточным рекуперативным теплообменником 18 (фиг.8), обеспечивающим теплоперенос от конденсата 10 греющего пара, а также от отводимого упаренного раствора 8 к исходному раствору 7, делает гарантированно пригодной выпарную установку для автономного применения без дополнительного снабжения паром или энергией от постороннего источника. Из выпарной установки конденсат при пониженной температуре отводится потоком 16, а упаренный раствор - потоком 17. Кроме компенсации тепловых затрат и потерь в заявляемой установке обеспечивается интенсивная теплопередача в греющей камере за счет гарантированной трансформации поступающего перегретого пара в насыщенный.
Перерасчет воздушной характеристики вихревого компрессора на паровую показывает, что при всасывании пара атмосферного давления или пара небольшого избыточного давления компрессор обеспечивает степень сжатия пара 1,3-1,5 и, соответственно, значения полезной разности температур в выпарном аппарате примерно 3-6°С. Как показывает практика выпаривания при такой полезной разности температур эффективно работают выпарные аппараты с падающей пленкой. Выпарной аппарат с падающей пленкой предполагается использовать в заявляемой выпарной установке с вихревым компрессором.
Заявляемая выпарная установка с вихревым компрессором отвечает всем критериям патентоспособности. Техническое решение является новым, так как из уровня техники не известны технические решения с такими же совокупностями существенных отличительных признаков, о чем свидетельствует проведенный заявителями анализ научно-технической и патентной литературы. Предпринятая предварительная проработка промышленного варианта выпарной установки с вихревым компрессором позволяет сделать вывод об отсутствии каких либо трудностей и препятствий для успешного использования ее с получением ожидаемого положительного результата. Это свидетельствует о соответствии предлагаемых технических решений критериям «новизна» и «существенные отличия».