ВИХРЕВОЙ СТРУЙНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ ЖИДКОСТЕЙ
VORTEX JET APPARATUS FOR DEGASSING LIQUIDS

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для вакуумной или комбинированной термической и вакуумной дегазации жидкостей, в том числе воды, с использованием центробежного эффекта и может быть использовано для процессов водоподготовки в теплоэнергетике, в том числе для деаэрации питательной воды паровых котлов и подпиточной воды, тепловых сетей, десорбции газов из жидкостей в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен аппарат для дегазации жидкостей, патент РФ №2476767 (МПК F22D 1/50), содержащий корпус с патрубком подвода деаэрируемой воды, патрубками отвода деаэрированной воды и выпара и размещенное на выходе патрубка подвода деаэрируемой воды сопло переменного поперечного сечения, присоединенное к корпусу деаэратора и состоящее из последовательно расположенных конфузорного, цилиндрического и диффузорного участков, отличающийся тем, что деаэратор перегретой воды дополнительно снабжен отражательным экраном, установленным в корпусе деаэратора на пути движения выходящего из диффузорного участка сопла переменного поперечного сечения потока кипящей деаэрируемой воды.
Известный аппарат позволяет повысить эффективность деаэрации перегретой воды путем увеличения поверхности выделения растворенных в воде газов в паровую фазу вследствие дробления потока на мелкие капли за счет установки в корпусе деаэратора на пути движения потока кипящей деаэрируемой воды отражательного экрана. Вместе с тем в известном аппарате используется лишь кинетическая энергия струи воды, которая после удара об отражательный экран трансформируется в поверхностную энергию капель. Для достижения необходимой степени деаэрации воду приходится дополнительно нагревать, чтобы увеличить парциальное давление паров. Это приводит к существенным затратам энергии и снижает общий кпд установки.
Известен аппарат для термической дегазации жидкостей, патент РФ №2473009 (МПК F22D 1/50), включающий установленную на деаэраторном баке деаэрационную колонку, снабженную штуцером для подвода воды, и низконапорным водораспределительным устройством - струйной форсункой, отличающийся тем, что деаэрационная колонка выполнена в виде водоприемной камеры, при этом корпус струйной форсунки встроен в перегородку и имеет входное отверстие для воды, расположенное выше штуцера подвода воды в водоприемную камеру.
Исходный поток воды, подлежащей деаэрации, поступает в водораспределительное устройство - струйную форсунку деаэрационной колонки через штуцер. Струи и капли воды, вытекая из выходных отверстий форсунки, дробятся, разбиваясь при этом на более тонкие струи и более мелкие капли. Далее вода поступает в деаэраторный бак, где проходит следующие стадии обработки. Известное изобретение позволяет предотвратить попадание пара из деаэратора в трубопроводы подвода воды в деаэратор, исключить возможность возникновения в них гидроударов и тем самым обеспечить надежную работу водораспределительного устройства и деаэратора в целом при всех режимах работы деаэратора. К недостаткам известного аппарата относится необходимость предварительного нагрева воды, чтобы увеличить парциальное давление паров и обеспечить заданный уровень деаэрации. Затраты на нагрев воды ввиду ее высокой удельной теплоемкости чрезвычайно высоки, что ведет к недостаточно высокой эффективности использования энергии в процессе дегазации.
Известен аппарат для термической и вакуумной дегазации жидкостей - струйный вихревой деаэратор, патент РФ №2392230 (МПК C02F 1/20), содержащий вертикально размещенный корпус с боковым патрубком подвода нагретой воды, завихритель со спиральными каналами, укрепленный соосно в верхней части корпуса, и обтекатель, укрепленный соосно в нижней его части, отличающийся тем, что спиральные каналы на наружной поверхности завихрителя имеют переменное сечение, сужающееся от входа к выходу, а на входе в корпус между наружной поверхностью завихрителя и внутренней поверхностью стенки корпуса образована кольцевая приемная камера, при этом завихритель выполнен полым с осевым каналом для удаления выпара, вход в который имеет форму раструба и смещен вниз относительно выходных кромок спиральных каналов так, что наружная поверхность раструба вместе с внутренней поверхностью стенки корпуса образуют кольцевую камеру внезапного расширения, сужающуюся в сторону обтекателя, а обтекатель закреплен в корпусе при помощи опоры с отверстиями для выпуска воды так, что между наружной поверхностью обтекателя и внутренней поверхностью корпуса образован кольцевой диффузор, при этом между нижним краем завихрителя и верхним краем обтекателя образована цилиндрическая камера вращения с профилированной внутренней поверхностью.
В известном аппарате вода, нагретая до температуры 70-90°C, через патрубок поступает в форкамеру и равномерно распределяется по входам в спиральные каналы. По мере увеличения скорости статическое давление в каналах снижается. В выходном сечении каналов вода приобретает максимальную скорость и минимальное давление. При выходе из каналов вода попадает в камеру внезапного расширения, где происходит мгновенное вскипание потока. В камере вращения формируется газожидкостный вихрь со сложной структурой. В известном аппарате улучшены условия конвективного массопереноса в ядре потока воды, увеличение коэффициента массопередачи между жидкой и газообразной фазами, повышена эффективность сепарации капель жидкости из потока выпара, устранены механические пульсации внутренней границы вихря.
К недостаткам известного аппарата относятся: 1) узкие спиральные каналы существенно увеличивают гидравлическое сопротивление аппарата, вследствие чего снижается глубина вакуума; 2) в зоне внезапного расширения происходят дополнительные затраты энергии, также снижающие эффективность аппарата; 3) течение жидкости в кольцевых камерах сопряжено с трением о поверхности как внешней, так и внутренней стенок, что повышает энергозатраты; 4) в аппарате не используется эффект увеличения глубины вакуума при переходе от большего радиуса вращения к меньшему, т.е. в недостаточной степени трансформируется кинетическая энергия жидкости; 5) осевой канал для удаления выпара обладает слишком большим проходным сечением, что не позволяет создавать глубокий вакуум в центре вихря.
Наиболее близким к заявляемому устройству является вихревой струйный аппарат, патент РФ №2296007 (МПК B01J 19/26), включающий устройство для ввода дисперсной фазы, емкость, циркуляционный насос, циркуляционные трубопроводы, регулирующие клапаны и штуцеры, устройство для ввода дисперсной фазы включает корпус в виде трубы Вентури, состоящий из цилиндроконического конфузора, горловины и диффузора, установленное в корпусе соосно с ним сопло, заканчивающееся патрубком ввода дисперсной фазы, которое снабжено подводящими патрубками в виде колена, каждый из которых выполнен в виде колена и установлен с возможностью поворота вокруг своей оси, причем подводящие патрубки подключены к линии подачи жидкой сплошной фазы, а сопло выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса и подключено к линии подачи дисперсной фазы.
Изобретение позволяет эффективно проводить массообменные процессы в гетерогенных системах при увеличении степени диспергирования дисперсной фазы, достичь более продолжительного времени контакта фаз, а в целом позволяет интенсифицировать реакционные и массообменные процессы. Хотя в горловине известного устройства достигается некоторое разрежение, уровень разрежения недостаточен для достижения приемлемых показателей по дегазации жидкостей, в частности воды. Длина горловины слишком короткая, и массообменные процессы не успевают завершиться, пока жидкость находится в аппарате. Кроме того, в известном аппарате не предусмотрены меры по сепарации жидкой и газовой фаз, что приводит практически к мгновенной резорбции газа жидкостью. Это существенно снижает эффективность аппарата и делает его непригодным для использования в процессах дегазации жидкостей.
Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности дегазации жидкостей и снижение энергетических затрат на проведение процесса.
Поставленная задача решается тем, что в вихревом струйном аппарате для дегазации жидкостей, содержащем корпус цилиндроконической формы с горловиной между конфузором и диффузором, один или несколько тангенциальных патрубков, присоединенный к ним при помощи трубок насос для подачи дегазируемой жидкости, отношение большего и меньшего диаметров конфузора и диффузора лежит в диапазоне 3÷7, отношение большего диаметра конфузора к диаметру тангенциального патрубка лежит в диапазоне 4÷6, угол при вершине конфузора составляет 28÷32°, угол при вершине диффузора составляет 10÷14°, согласно изобретению, отношение длины горловины к ее диаметру лежит в диапазоне от 5÷15, в диффузоре установлен сепаратор жидкой и газовой фаз, содержащий жестко закрепленный в диффузоре и соосно ему конический рассекатель с центральной трубкой, причем трубка выполнена с возможностью осевого перемещения, а в кольцевом пространстве между рассекателем и диффузором установлены одна или несколько лопаток, отношение высоты которых к высоте диффузора находится в диапазоне 0,3÷0,7.
Поставленная задача решается также тем, что в конфузоре установлен осевой патрубок, на осевом патрубке установлен датчик разрежения, а на выходе из диффузора установлен датчик концентрации газа в жидкости, выходы датчиков подключены к контроллеру, соединенному с приводом осевого положения центральной трубки.
Заявляемый вихревой струйный аппарат для дегазации жидкостей позволяет использовать преимущества термической и вакуумной дегазации жидкостей, повысить эффективность вакуумной дегазации жидкостей, снизить энергетические затраты на проведение процесса, увеличить компактность оборудования для дегазации.
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.
На фиг. 1 а представлена схема вихревого струйного аппарата для дегазации жидкостей, на фиг. 1 б, в - разрезы А-А и Б-Б соответственно, на фиг. 2 - схема вихревого струйного аппарата для дегазации жидкостей с системой автоматической подстройки положения центральной трубки.
Вихревой струйный аппарат для дегазации жидкостей (фиг. 1) содержит конфузор 1 цилиндроконической формы, диффузор 2 и горловину 3 между ними, один или несколько тангенциальных патрубков 4, присоединенных к широкой части конфузора 1. К патрубкам 4 при помощи трубок присоединен насос для подачи дегазируемой жидкости (на фиг. 1 и 2 условно не показан). При этом отношение большего и меньшего диаметров конфузора 1 и диффузора 2 лежит в диапазоне 3÷7, отношение большего диаметра конфузора 1 к диаметру тангенциального патрубка 4 лежит в диапазоне 4÷6, угол при вершине конфузора 1 составляет α=28÷32°, угол при вершине диффузора 2 составляет β=10÷14°. Кроме того, отношение длины горловины 3 к ее диаметру лежит в диапазоне от 5÷15, в диффузоре 3 установлен сепаратор 5 жидкой и газовой фаз, содержащий жестко закрепленный в диффузоре 2 и соосно ему конический рассекатель 6 с центральной трубкой 7, причем трубка 7 выполнена с возможностью осевого перемещения относительно диффузора 2, а в кольцевом пространстве между рассекателем 6 и диффузором 2 установлены одна или несколько лопаток 8, отношение высоты которых к высоте диффузора 2 находится в диапазоне 0,3÷0,7.
Вихревой струйный аппарат для дегазации жидкостей (фиг. 2) дополнительно содержит установленный в конфузоре 1 осевой патрубок 9, на осевом патрубке 9 установлен датчик разрежения 10, а на выходе из диффузора 2 установлен датчик 11 концентрации газа в жидкости, выход датчиков подключены к контроллеру 12, соединенному с приводом 13 осевого положения центральной трубки 7.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
1
t1
z1
r1
1
2
При подаче дегазируемой жидкости насосом через тангенциальный патрубок (патрубки) 4 в конфузор 1 поток закручивается, приобретая начальную скорость движения w, тангенциальная составляющая которой равна w, осевая w и радиальная w. Перемещаясь из цилиндрической зоны с радиусом R в сужающуюся область конфузора 1, примыкающую к горловине 3 с радиусом R, рабочий поток ускоряется. Увеличиваются две составляющие скорости - и осевая, и тангенциальная. Из уравнения неразрывности, записанного для широкого и узкого сечений конфузора 1, с учетом того, что остальные компоненты скорости лежат в плоскости этих сечений:
находим осевую компоненту скорости в горловине
Для оценки тангенциальной составляющей воспользуемся приближением идеальной жидкости. В соответствии с законом сохранения момента количества движения (кинетического момента)
где m - масса элементарного объема жидкости,
тангенциальная составляющая скорости у входа в горловину равна
t2
t1
т.е. w>w.
Таким образом, увеличение осевой компоненты скорости с уменьшением радиуса происходит в степени - 2, а тангенциальной - в степени - 1.
Интегрируя уравнение неразрывности
оценим изменение радиальной компоненты скорости.
z1
z2
Учитывая, что на высоте конфузора h осевая скорость изменяется от w до w, производная по осевой координате можно оценить как
φ
а производная по угловой координате в предположении о наличии осевой симметрии ∂u/∂φ=0.
Тогда приближенное интегрирование уравнения неразрывности с учетом приближенного соотношения, вытекающего из теоремы о среднем значении
дает
или, после упрощения
r1
Для случая нулевой скорости w находим
1
2
1
t1
1
Приведем пример оценки скорости, используя геометрические данные для лабораторной установки и типичные значения скорости. Пусть R=25 мм, R=5 мм, вода подается со скоростью w=w=5 м/с, давление во входном патрубке, полученное в наших экспериментах, составляет p=0,2 МПа (изб.).
Интегрированием уравнения Бернулли для течения жидкости без трения в вихревой трубке получено [Федяевский К.К., Войткунский Я.И., Фаддеев Ю.И. Гидромеханика. Л.: Судостроение, 1968. С. 177-180; Доманский И.В. Гидравлика и гидравлические машины: Учебное пособие / ЛТИ им. Ленсовета. Л., 1989. С. 73-75] соотношение для расчета зависимости давления от радиуса r
1
1
где р - давление рабочего потока в точке его входа в конфузор, т.е. на радиусе R;
ρ - плотность жидкости в рабочем потоке.
2
Из формулы (11) следует, что с уменьшением радиуса r давление понижается и, например, у входа в горловину (r=R) давление вблизи ее стенок будет составлять
2
1
2
1
откуда видно, что p<p, т.е. среднее давление у входа в горловину (на радиусе R) существенно ниже (а на оси горловины, т.е. в центре вихря - еще ниже), чем в цилиндрической части конфузора (на радиусе R).
3
t1
При подаче в тангенциальный патрубок 8 рабочего потока (воды с плотностью ρ=1000 кг/м) со скоростью w=5 м/с, в соответствии с формулой (12), в вихревом струйном аппарате возникает перепад давления
Давление у входа в горловину составит
2
1
p
p=p-Δp=0,2-0,3=-0,1 МПа.
Таким образом, теоретически при указанных параметрах в горловине достижимы значения, близкие к абсолютному вакууму.
Это позволяет полностью или практически полностью отказаться от использования стадии термической десорбции, а значит, существенно сократить затраты энергии на проведение процессов дегазации жидкостей, в том числе деаэрации воды.
Таким образом, благодаря использованию трансформации кинетической энергии жидкости в глубокий вакуум в предлагаемом аппарате достигается высокая движущая сила процесса дегазации.
Благодаря выполнению отношения длины горловины к ее диаметру в диапазоне от 5÷15 достигается необходимое время пребывания жидкости в зоне максимального вакуума (минимального абсолютного давления) при довольно глубоком вакууме в горловине. Исследования показали, что при значениях отношения длины горловины к ее диаметру меньше 5 вакуум глубокий (85-98 кПа), но время пребывания недостаточно для существенного уменьшения концентрации кислорода в воде (с 6 мг/л до 5,4 мг/л), т.е. на 10%. При значениях отношения длины горловины к ее диаметру больше 15 вследствие значительного увеличения гидравлического сопротивления аппарата глубина вакуума снижается и достигает всего 55-60 кПа, в результате чего уменьшается движущая сила процесса дегазации и уменьшение концентрации кислорода в воде происходит с 6 мг/л до 5,2 мг/л), т.е. на 13,3%. При выполнении отношения длины горловины к ее диаметру в диапазоне от 5÷15 вакуум достигает 92-97 кПа, а уменьшение концентрации кислорода в воде с 6 мг/л до 0,7 мг/л, т.е. на 88,3%.
Установка в диффузоре сепаратора 5 жидкой и газовой фаз, содержащего конический рассекатель 6 с центральной трубкой 7, позволяет сразу после дегазации жидкостей разделять потоки газа и жидкости и исключить повторный их контакт, а значит, и резорбцию газов. Выполнение трубки 7 с возможностью осевого перемещения позволяет настроить ее положение на оптимальное в зависимости от расхода жидкости и количества выделяющихся газов. Установка в кольцевом пространстве между рассекателем 6 и диффузором 2 одной или несколько лопаток 8 с отношение высоты лопаток 8 к высоте диффузора 2 в диапазоне 0,3÷0,7 позволяет трансформировать остаток кинетической энергии вращательного движения жидкости на выходе из диффузора в энергию давления и восстановить давление в аппарате до атмосферного, предотвращая подсос жидкости и газа через выходное сечение диффузора внутрь аппарата. Наружные края лопаток 8 устанавливаются вблизи выходного сечения диффузора или вровень с ним, при этом при выдерживании отношения высоты лопаток 8 к высоте диффузора 2 в диапазоне 0,3÷0,7 в горловине 3 достигается уровень вакуума 97-98 кПа.
Исследования показали, что при уменьшении высоты лопаток менее 0,3 от высоты диффузора уровень вакуума снижается с 98 кПа до 20 кПа, то же происходит и при увеличении высоты лопаток более 0,7 от высоты диффузора.
Использование в предлагаемом аппарате дополнительно системы автоматического регулирования положения трубки 7, включающей осевой патрубок 9 с датчиком разрежения 10, датчик концентрации газа в жидкости 11 и контроллер 12 с приводом 13 осевого положения центральной трубки 7 позволяет автоматически выставлять положение среза центральной трубки в зависимости от меняющегося в процессе эксплуатации аппарата расхода жидкости и связанного с ним вакуума у входа в горловину 3 и концентрации кислорода в дегазированной воде.
Примеры конкретного выполнения. Примеры конкретного выполнения рассмотрим на наиболее распространенном примере деаэрации воды в аппарате с термической деаэрацией и в предлагаемом аппарате.
Пример конкретного выполнения 1. Аппарат термической дегазации.
2
0
2
Определим приращение температуры Δt, на которую необходимо нагреть воду для снижения концентрации растворенного кислорода в воде при разовом проходе через аппарат, т.е. δC[O]=0,6 мг/л, для сравнения с аналогичным результатом для вихревого струйного аппарата. Температура обрабатываемой воды составляла 21°C, т.е. лежала в интервале температур t=20÷30°C, для которого величина изменения концентрации составляет ΔC[O]=9,1-7,5=1,6 мг/л [Хаммер М. Технология обработки природных и сточных вод. М.: Стройиздат, 2013. 401 с.]. Проведем расчет, используя линейную интерполяцию. Изменение концентрации кислорода в воде на каждый градус в интервале температур t=20÷30°C равно
2
0
Тогда изменению концентрации кислорода в воде на δC[O]=0,6 мг/л соответствует нагрев воды на температуру:
Количество энергии, необходимое для нагрева жидкости на температуру Δt, рассчитывается по формуле:
TD
Q=CmΔt,
где С - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);
m - масса нагреваемой жидкости, кг.
TD
Количество энергии, необходимое для нагрева воды массой m=0,25 кг (именно столько воды находится в вихревом струйном аппарате при обработке) на температуру Δt=3,75°C, составляет Q=3928 Дж.
Пример конкретного выполнения 2. Вихревой струйный аппарат.
В лабораторной установке, включавшей аппарат, схема которого показана на фиг. 1, проводили испытания степени деаэрации дистиллированной воды. Отношение длины горловины к ее диаметру составляло 2. Измерение концентрации кислорода проводили с использованием анализатора растворенного кислорода типа "ОКСИКОН-02П". Начальная концентрация кислорода в воде составляла 5,65 мг/л, концентрация на выходе из аппарата 4,95 мг/л, т.е. снижение концентрации кислорода в воде составило 0,60 мг/л.
Определим затраты энергии на снижение концентрации растворенного кислорода в вихревом струйном аппарате. Диссипированная в вихревом струйном аппарате мощность:
N=qΔp,
3
где q - объемный расход жидкости, м/с;
Δр - потери давления в аппарате, кПа.
Время пребывания жидкости в аппарате составляет:
a
a
3
3
3
где V - объем жидкости, находящейся в аппарате, м, V=0,00025 м (полный объем аппарата составлял 0,0005 м);
3
-4
3
расход воды q=1.82 м/ч=5.05·10 м/с.
Гидравлическое сопротивление аппарата составляло в среднем Δр=200 кПа. Тогда затраты энергии в ВСА на снижение концентрации кислорода на 0,6 мг/л за один проход через аппарат составляют:
Из полученных результатов можно сделать вывод, что затраты энергии на снижение количества растворенного кислорода в воде при помощи ВСА в 3928/50=78,6 раза меньше, чем для процесса термической десорбции до аналогичной концентрации.
Таким образом, предлагаемый вихревой струйный аппарат для дегазации жидкостей позволяет многократно повысить эффективность дегазацию жидкостей и снизить энергетические затраты на проведение процесса до 78,6 раз.