КАВИТАЦИОННО-ВИХРЕВОЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Область техники
Полезная модель относится к вихревым теплообменным аппаратам, используемым для нагрева жидкостей (в том числе загрязненных) на предприятиях химической и целлюлозно-бумажной промышленности.
Заявляемая полезная модель может использоваться для нагрева черного щелока, образующегося при получении целлюлозы в ходе сульфатного процесса, перед его подачей в выпарной аппарат, или других видов растворов.
Уровень техники
Известен центробежно-вихревой теплообменник (см. патент РФ № 2435120, опубл. 27.11.2011), имеющий корпус круглого сечения, с торцевыми крышками, внутри которого имеются входная камера раствора, вихревая камера тепломассообмена, выходная камера, имеющая подводящий и отводящий патрубки раствора, как минимум одна паровая камера вокруг вихревой циклонной камеры тепломассообмена, с подводящим паропроводом, с тангенциальными соплами, соединяющими паровую камеру с камерой тепломассообмена, по оси вихревой циклонной камеры тепломассообмена и выходной камеры установлен цилиндр меньшего диаметра, выполненный сплошным или в виде трубы.
Вышеописанный теплообменник принят в качестве прототипа.
Однако известному техническому решению присущи следующие недостатки.
В известном центробежно-вихревом теплообменнике происходит увеличение давления нагреваемого раствора, что требует большого количества пара для создания эффекта эжекции, то есть соотношение пар/раствор должно быть достаточно высоким.
Кроме того, в упомянутом устройстве не обеспечивается стабилизация потока раствора на выходе из вихревой циклонной камеры, что не позволяет добиться равномерного распределения скоростей при движении потока, избежать вспенивания и возникновения гидроударов в зоне за теплообменным аппаратом.
Более того, в известном теплообменном аппарате не предусмотрено использование эффекта кавитации для предотвращения зарастания теплообменных поверхностей. В известном техническом решении наоборот, предусмотрены меры, направленные на уменьшение шума, возникающего при контакте пара с жидкостью, и кавитации.
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлена данная полезная модель, является усовершенствование конструкции вихревого теплообменного аппарата, которое обеспечит стабильный нагрев раствора до заданной температуры и позволит избежать вспенивания потока раствора на выходе из аппарата, предотвратить возникновение гидроударов в зоне за аппаратом, а также снизить зарастание теплообменных поверхностей аппарата.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является усовершенствование конструкции, обеспечивающее стабильный нагрев раствора до заданной температуры.
Указанная техническая проблема решается, а заявленный технический результат достигается благодаря конструкции кавитационно-вихревого теплообменника для нагрева раствора паром, содержащего подводящее устройство для подвода пара, вихревую циклонную камеру, снабженную тангенциальными патрубками для подвода потока нагреваемого раствора, в которой установлено лопаточное устройство. После ввода раствора в аппарат и его смешения с паром в кавитационно-вихревой камере, в теплообменнике предусмотрен спиральный стабилизатор потока с отводящим устройством для отвода потока нагретого раствора из теплообменника.
Спиральный стабилизатор потока обеспечивает равномерное движение потока раствора на выходе из вихревой циклонной камеры, позволяет избежать его вспенивания и возникновения гидроударов в зоне за теплообменным аппаратом.
Кроме того, схлопывание пузырьков воздуха и других кислородсодержащих газов в вихревой камере аппарата приводит к выделению озона, который является сильным окислителем для органических соединений, которые могут присутствовать в нагреваемом растворе, что в свою очередь позволяет снизить зарастание теплообменных поверхностей аппарата.
В предпочтительном варианте выполнения полезной модели лопаточное устройство содержит две кавитирующих лопатки.
Кавитирующие лопатки могут быть полыми и содержать отверстия для прохода пара. Количество и площадь отверстий определяются гидравлическим расчетом.
Кавитирующие лопатки следует располагать под углом, обеспечивающим полное смешение щелока с паром, который может составлять около 15°.
Спиральный стабилизатор потока выполнен в виде улитки. Аналогичная конструкция улитки раскрыта в патенте РФ № 2132517 (опубл. 27.06.1999).
К вихревой циклонной камере подведено два патрубка для подвода потока нагреваемого раствора.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется следующими сопроводительными чертежами, на которых:
На Фиг. 1. Показан общий вид заявляемого кавитационно-вихревого теплообменнике.
На Фиг. 2 показано поперечное сечение вихревой циклонной камеры теплообменника, изображенного на Фиг. 1.
На Фиг. 3 показан пример конструкции спирального стабилизатора потока.
Кавитационно-вихревой теплообменник (Фиг. 1) содержит вихревую циклонную камеру 1 и спиральный стабилизатор 2 потока.
Вихревая циклонная камера 1 представляет собой цилиндр с двумя тангенциальными вводами 3 для раствора.
Как видно на Фиг. 2, внутри вихревой циклонной камеры установлены две полые кавитирующие лопатки 4 с отверстиями для прохода пара. Кавитирующие лопатки расположены под углом 15° к набегающему потоку раствора.
Спиральный стабилизатор 2 потока представляет собой улитку, аналогичную раскрытой в патенте РФ № 2132517 (опубл. 27.06.1999, но имеющую конструктивные отличия, связанные с упрощением технологии изготовления данного элемента. Пример конструкции улитки, используемой в заявляемом теплообменнике, показан на Фиг. 3.
Подвод греющего пара к теплообменному аппарату от паровой системы осуществляется по подводящему устройству 5. Отвод потока нагретого раствора из улитки в трубопровод осуществляется по отводящему устройству 6.
В кавитационно-вихревом теплообменном аппарате, показанном на Фиг. 1, предусмотрены патрубки, расположенные в самой нижней и в самой верхней точках - воздушный 7 и дренажный 8, которые позволяют отводить газы, выделяющиеся при нагревании раствора в режиме кавитации, снижать давление до атмосферного и полностью осушать теплообменник.
Кроме того, на верхней крышке теплообменного аппарата может быть установлен предохранительный клапан 9, позволяющей снижать давление в корпусе.
Кавитационно-вихревой теплообменник вышеописанной конструкции может использоваться для нагрева черного щелока, представляющего собой побочный продукт целлюлозного производства, перед его подачей в выпарной аппарат, или иных растворов. Нагрев может производиться до температуры на 3-5°С ниже температуры кипения в выпарном аппарате.
Работа теплообменного аппарата далее будет показана на примере нагрева черного щелока.
2
Черный щелок поступает в вихревую циклонную камеру 3 по двумя тангенциальными вводами для раствора с давлением около 2-2,5 кгс/см и температурой 70°С.
2
Греющий пар от паровой системы с давлением 3-4 кгс/см и температурой 140°С поступает через подводящее устройство 5 в полые кавитирующие лопатки 4 и через отверстия в лопатках попадает в вихревую циклонную камеру 3.
Далее нагретый щелок поступает в спиральный стабилизатор 2 потока, а из него через отводящее устройство 6 по трубопроводу подается в выпарной аппарат.