ВОДОВОЗДУШНЫЙ КОНДЕНСАТОР

Полезная модель относится к процессам конденсации промышленного технологического пара и может быть использована в химической промышленности и теплоэнергетике, а также в других отраслях техники, где осуществляется конденсация паров, выделяющихся при осуществлении производственных процессов.
В зависимости от конкретных производственных условий в технике применяются конденсаторы различных конструкций: поверхностные и барометрические конденсаторы, конденсаторы оросительного типа (см. например, книгу: Семилет З.В. «Оросительные теплообменники химических производств». М. Машгиз. 1961. С.12, рис.6-8). В оросительных конденсаторах теплопередающую поверхность чаще всего образуют горизонтальные теплообменные трубы, скомпонованные в вертикальные секции, в каждой из которых оси труб размещены в одной вертикальной плоскости и трубы размещены с некоторым интервалом по вертикали. Конденсируемый пар подают внутрь труб, а снаружи трубы при помощи оросителей орошаются холодной водой, которая в виде тонкого слоя стекает по наружной поверхности труб последовательно сверху вниз в каждой секции и нагревается. Нагретая вода направляется на градирню для охлаждения и охлажденной возвращается в аппарат для осуществления процесса конденсации.
В условиях недостатка охлаждающей воды используются конденсаторы оросительно-испарительного типа, в которых тепло конденсации пара отводится не только за счет нагрева орошающей воды, но также за счет ее частичного испарения. Частичное испарение орошающей воды позволяет существенно снизить расход воды, необходимый для конденсации пара. При этом часть орошающей воды, стекающей в нижней части трубного пучка с теплообменных трубок, направляют на рециркуляцию - т.е. возвращают на орошение теплообменных трубок сверху, смешивая с потоком охлаждающей воды, подаваемой извне.
Наиболее экономичным по капитальным затратам и по расходу охлаждающей воды является водо-воздушный конденсатор, представляющий оросительно-испарительный теплообменник, в котором однонаправленно с потоком воды, стекающим по теплоотводящей поверхности, в аппарат дополнительно подается поток воздуха, например, - атмосферного. Поток воздуха турбулизирует слой стекающей по трубкам воды и обусловливает этим интенсивный отвод тепла от поверхности теплообменных трубок, в которых изнутри конденсируется пар, в поток воды и от поверхности воды к потоку воздуха. В результате в этом конденсаторе значительная доля тепла конденсации пара в трубном пучке передается непосредственно потоку воздуха, что обусловливает снижение необходимого расхода охлаждающей воды.
Известный конденсатор этого типа применен в выпарной установке по патенту США №4756797 В01D 1/26, где он применен в качестве конденсатора-концентратора, в котором конденсация вторичного пара последнего выпарного аппарата многокорпусной выпарной установки совмещена с процессом концентрирования обрабатываемого технологического раствора, используемого для орошения трубок. На фиг.1 приведен фрагмент схемы выпарной установки, включающий конденсатор-концентратор. На фиг.1 обозначены: 1 - корпус оросительно-испарительного конденсатора, 2 - поверхность теплообмена конденсатора, 3 - вентилятор, 4 - распределительное устройство, 5 - подача вторичного пара из последнего выпарного аппарата выпарной установки, 6 - подвод исходного раствора, 7 - подача раствора на орошение теплопередающей поверхности конденсатора, 8 - вывод концентрированного раствора после орошения поверхности теплопередачи, 9 - подача раствора на выпаривание в выпарной аппарат, 10 и 11 - вывод из конденсатора образующегося конденсата. От других известных (водо-воздушных) конденсаторов этот аппарат отличается лишь тем, что вместо охлаждающей воды на него подается перерабатываемый на выпарной установке технологический раствор. При этом механизм передачи тепла от конденсируемого пара к теплоотводящим потокам жидкости и воздуха в этом аппарате полностью аналогичен.
Известный водо-воздушный конденсатор работает следующим образом. Перерабатываемый частично концентрированный раствор из третьего выпарного аппарата выпарной установки после охлаждения самоиспарением направляется в водо-воздушный конденсатор, который является последним по ходу пара аппаратом и используется для отвода тепла от конденсирующегося пара, поступающего из последнего выпарного аппарата выпарной установки. Для этого раствор, поступающий по трубопроводу 6, направляется по трубопроводу 7 в распределительное устройство 4, с помощью которого распределяется по наружной поверхности теплообменных трубок 2. В виде тонкого слоя («пленки») раствор стекает по этой поверхности вниз и нагревается теплом пара, который подводится по трубе 5, а затем поступает внутрь теплообменных трубок 2. Конденсатор снабжен вентилятором 3, нагнетающим вдоль теплообменных трубок атмосферный воздух. Под действием тепла пара происходит частичное испарение стекающего раствора и повышение его концентрации. Таким образом, данный водо-воздушный (или точнее - растворо-воздушный) конденсатор в значительной части выполняет функцию выпарного аппарата, что позволяет уменьшить и капитальные и эксплуатационные затраты на процесс выпаривания раствора. Частично упаренный раствор из нижней части аппарата по трубопроводам 8 и 9 направляется на окончательное выпаривание в выпарные аппараты.
При использовании по прямому назначению - для конденсации пара с использованием водяного орошения при дополнительном спутном воздушном потоке, водо-воздушные конденсаторы, обеспечивающие интенсивную теплопередачу от пара непосредственно к атмосферному воздуху, просты по конструкции и в обслуживании, позволяют свести к минимуму стоимость применяемого оборудования и необходимые расходы охлаждающих сред, что не обеспечивается другими известными способами и устройствами.
По технической сущности и достигаемому положительному эффекту конструкция водо-воздушного конденсатора, соответствующая конденсатору по патенту США №4756797, наиболее близка к заявляемому техническому решению и поэтому этот известный конденсатор принят нами в качестве прототипа.
Недостатки известного водо-воздушного конденсатора по патенту США №4756797 заключаются в следующем. При отекании по поверхности теплопередачи температура орошающего жидкостного потока увеличивается. Вследствие этого, при рециркуляции, когда этот поток смешивается с исходным жидкостным потоком и вновь направляется на орошение верхней части теплообменной поверхности, начальная температура смешанного орошающего потока становится выше. Следовательно, уменьшается разность температур конденсируемого пара и орошающей жидкости, определяющая движущую силу процесса теплопередачи и производительность конденсатора. В конечном итоге это приводит к увеличению необходимой поверхности теплопередачи известного водо-воздушного конденсатора и, соответственно, его габаритов и стоимости.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного недостатка.
Поставленная цель достигается тем, что в водо-воздушном конденсаторе с рециркуляцией потока охлаждающей воды, содержащем в качестве конденсационной ступени открытый сверху, снизу и ограниченный боковыми продольными стенками пучок горизонтальных теплообменных теплообменных трубок, закрепленных концами в трубных решетках и расположенных в виде вертикальных секций, в каждой из которых трубки расположены с некоторым интервалом одна над другой, к одной трубной решетке присоединена камера для подвода конденсируемого пара, к другой - камера для отвода конденсата и неконденсирующихся газов, над трубным пучком установлено орошающее устройство с водяными форсунками, направленными вниз на теплообменные трубки, а под трубным пучком с зазором размещен поддон и циркуляционный водяной насос, всасывающий патрубок которого сообщен с поддоном, а нагнетательный патрубок сообщен с орошающим устройством, согласно изобретению новым является то, что аппарат оснащен дополнительной охлаждающей ступенью, предназначенной для охлаждения рециркулирующего потока воды.
Кроме того, в заявляемом водо-воздушном конденсаторе под трубнвм пучком конденсационной ступени может быть установлена ступень охлаждения рециркулирующей охлаждающей воды, выполненная в виде оросительного теплообменника с дополнительным патрубком для подвода свежего атмосферного воздуха, теплообменные трубки которого снаружи орошаются рециркулирующим потоком воды, стекающим с конденсационной ступени, а в трубки подается поток атмосферного воздуха из дополнительного патрубка.
Кроме того, заявляемый водо-воздушный конденсатор может быть снабжен дополнительным патрубком для подвода свежего атмосферного воздуха, расположенным под поддоном конденсационной ступени, дно которого может быть выполнено перфорированным и в расположенной ниже охладительной ступени служить для формирования водяных струй, обдуваемых потоком воздуха из дополнительного подводящего патрубка.
Кроме того, в заявляемом водо-воздушном конденсаторе со струйной ступенью охлаждения рециркулирующего потока воды охладительная ступень в нижней части может быть снабжена дополнительным поддоном.
Кроме того, в заявляемом водо-воздушном конденсаторе со струйной ступенью охлаждения рециркулирующего потока воды в охладительной ступени между струеформирующим устройством и дополнительным поддоном может быть расположена сетка, например, - проволочная.
Кроме того, в заявляемом водо-воздушном конденсаторе в воздухоотводящих коробах после конденсационной и охлаждающей ступеней могут быть установлены каплеулавливающие (например, - жалюзийные) устройства.
Варианты заявляемого водо-воздушного конденсатора с охладителями рециркулирующего потока орошающей жидкости различной конструкции приведены на фиг.2-6.
На фиг.2-4 приведены чертежи варианта заявляемого водо-воздушного конденсатора, в котором нагревшаяся орошающая жидкость, стекающая с теплопередающей поверхности конденсационной ступени, попадает в охладительную ступень, выполненную в виде оросительного теплообменника. В охлаждающей ступени охлаждаемая орошающая жидкость стекает в виде тонкого слоя по наружной поверхности теплообменных трубок охладителя, а во внутрь открытых с обеих концов теплообменных трубок нагнетается холодный атмосферный воздух. Охлаждение орошающей жидкости потоком воздуха происходит теплопередачей через стенки этих трубок.
На фиг.2 показано поперечное сечение аппарата, на фиг.3 показан вид в сечении по А-А, как обозначено на фиг.2, на фиг.4 показан вид по Б-Б, как обозначено на фиг.3.
Конденсационная ступень включает: пучок горизонтальных теплообменных трубок 2, открытый сверху и снизу и ограниченный боковыми продольными стенками 1, ороситель 3, оснащенный форсунками 6, поддон 4, расположенный под трубным пучком, вентилятор 5, расположенный сверху трубного пучка, камеру 7 для подвода конденсируемого пара, камеру 8 для отвода конденсата и неконденсирующихся газов, циркуляционный насос 9, нагнетательный патрубок которого соединен трубой 10 с орошающим устройством 3. Дно поддона 4 конденсационной ступени перфорировано и служит оросителем для теплообменных трубок расположенной ниже охлаждающей ступени 11.
Ниже конденсационной ступени размещена охлаждающая ступень 11, которая включает: теплообменные трубки 12, дополнительный поддон 13, расположенный под теплообменными трубками и сообщенный всасывающим трубопроводом 14 с циркуляционным насосом 9, нагнетательный патрубок которого соединен трубой 10 с орошающим устройством 3 конденсационной ступени, вентилятор 15 для подачи холодного воздуха в межтрубное пространство ступени, установленный в дополнительный патрубок 19, дополнительный вентилятор 16 для нагнетания холодного атмосферного воздуха в теплообменные трубки, установленный в дополнительный патрубок 20.
Заявляемый водо-воздушный конденсатор работает следующим образом (см. фиг.2, 3 и 4).
Конденсируемый пар 17 подается в паровую камеру 7 конденсационной ступени и распределяется по теплообменным трубкам 2, поступая внутрь каждой трубки. Охлаждающая жидкость по трубе 10 подается в орошающее устройство 3 и через форсунки 6 этого устройства орошает наружную поверхность теплообменных трубок, а затем в виде тонкого слоя перетекает по поверхности всех трубок сверху вниз, нагреваясь за счет тепла пара, конденсирующегося на внутренних поверхностях трубок конденсационного трубного пучка. При этом орошающая жидкость нагревается и частично испаряется, поглощая тепло конденсирующегося пара. В межтрубном пространстве однонаправлено с движением орошающей жидкости движется поток холодного воздуха, нагнетаемый вентилятором 5. Этот поток турбулизирует слой орошающей жидкости стекающей по наружным поверхностям теплообменных трубок, интенсифицируя отвод тепла от конденсирующегося пара и воспринимая отводимое от пара тепло, как за счет нагрева, частичного испарения орошающей жидкости, а также конвективного теплообмена с орошающим жидкостным потоком. В нижней части конденсационной ступени потоки охлаждающей жидкости и воздуха разделяются: нагретая орошающая жидкость стекает в ступень охлаждения, а нагретый воздух 17 отводится в атмосферу через выводящий короб 18. Конденсат из теплообменных трубок 2 стекает в камеру 8 и из нее отводится через патрубок 21. Накапливающиеся неконденсирующиеся газы выводятся через патрубок 22.
Стекающая из конденсационной ступени нагретая орошающая жидкость, вытекая из поддона 4, формируется в струи, которые орошают наружные поверхности теплообменных трубок в охлаждающей ступени. В виде тонкого слоя охлаждающая жидкость стекает по поверхности трубок сверху вниз и охлаждается холодным атмосферным воздухом, который нагнетается в эти трубки вентилятором 16, а затем выводится из них через патрубок 23.. Для интенсификации охлаждения в межтрубное пространство охлаждающей ступени холодный воздух может дополнительно подаваться также вентилятором 15. Турбулизация охлаждаемой орошающей жидкости, стекающей по наружной поверхности трубок, потоком этого воздуха, позволяет интенсифицировать процесс охлаждения. Этот дополнительный воздушный поток выводится из охлаждающей ступени через патрубок 24.
Охлажденная орошающая жидкость с теплообменных трубок охлаждающей ступени стекает вниз на поддон 13, а затем в приямок 25, откуда через трубу 14 поступает во всасывающий патрубок насоса 9. Насос 9 подает охлажденную жидкость по трубе 10 в ороситель 3 конденсационной ступени. При необходимости подпитки циркуляционного контура конденсатора в приямок 25 осуществляется подвод жидкости 26, а также вывод избыточной жидкости через патрубок 27.
Более интенсивное охлаждение орошающей жидкости, стекающей с конденсационной ступени, может быть осуществлено в струйной охладительной ступени, в которой охлаждаемая жидкость формируется в струи. Для охлаждения струй жидкости в струйную ступень подается атмосферный воздух. Принципиальная конструкция этого варианта заявляемого конденсатора приведена на фиг.5 и 6. На фиг.5 представлено поперечное сечение аппарата, на фиг.6 - вид по В-В, как показано на фиг.5.
На фиг.5 и 6 в конденсационной ступени обозначены: 1 - боковые продольные стенки, ограничивающие пучок горизонтальных теплообменных трубок 2, открытый сверху и снизу, 3 - ороситель, оснащенный форсунками 6, 4 - поддон, расположенный под трубным пучком, 5 - вентилятор, размещенный сверху, 7 - камера для подвода конденсируемого пара, 8 - камера для отвода конденсата и неконденсирующихся газов, 9 - циркуляционный насос, нагнетательный патрубок которого соединен трубой 10 с орошающим устройством 3.
В охлаждающей ступени обозначены: 28 - струи охлаждаемой жидкости, 29 - дополнительный патрубок для подвода воздуха с вентилятором 30, 31 - дополнительный поддон с бортами, в котором постоянно поддерживается некоторый слой охлаждаемой жидкости.
Заявляемый водо-воздушный конденсатор со струйной охлаждающей ступенью работает следующим образом (см. фиг 5 и 6).
В конденсационной ступени осуществляются все описанные ранее процессы.
Конденсируемый пар 17 подается в паровую камеру 7 конденсационной ступени и распределяется по теплообменным трубкам 2, поступая внутрь каждой трубки. Охлаждающая жидкость по трубе 10 подается в орошающее устройство 3 и через форсунки 6 этого устройства орошает наружные поверхности теплообменных трубок, а затем в виде тонкого слоя перетекает по поверхности всех трубок сверху вниз, нагреваясь за счет тепла пара, конденсирующегося на внутренних поверхностях этих трубок. В межтрубном пространстве однонаправленно с движением орошающей жидкости движется поток холодного воздуха, нагнетаемый вентилятором 5. Этот поток турбулизирует слой орошающей жидкости, стекающий по наружным поверхностям теплообменных трубок, интенсифицируя отвод тепла от конденсирующегося пара к орошающей жидкости и от орошающей жидкости к потоку воздуха, воспринимая в значительной доле тепло, отводимое от пара как за счет нагрева жидкости, так и за счет ее частичного испарения, а также за счет конвективного теплообмена с орошающим жидкостным потоком. В нижней части конденсационной ступени потоки охлаждающей жидкости и нагревшегося воздуха разделяются: нагретая орошающая жидкость стекает в поддон 4 с перфорированным дном и, пройдя отверстия в виде струй поступает в ступень охлаждения 11, а нагретый воздух 17 отводится в атмосферу через выводящий короб 18. Конденсат из теплообменных трубок стекает в камеру 8 и из нее отводится через патрубок 21. Накапливающиеся неконденсирующиеся газы выводятся через патрубок 22.
В ступени охлаждения 11 струи жидкости 28 падают в потоке холодного воздуха, создаваемом вентилятором 30, установленным в дополнительном воздухоподводящем патрубке 29. При этом происходит интенсивное охлаждение жидкости.
Для интенсификации теплопереноса от струй жидкости к воздуху в нижней части струйной охлаждающей ступени может быть установлен поддон 31 (полка с бортами 32), в котором постоянно поддерживается некоторый слой воды 34 и в этот слой будут погружаться падающие в потоке воздуха водяные струи 28 (фиг.6). Как показали проведенные нами исследования, при погружении в слой воды падающие водяные струи способны захватывать окружающий их охлаждающий воздух в объем жидкости на поддоне, вследствие чего на поддоне возникает и постоянно поддерживается дополнительный участок тепло-массообмена 33 с весьма интенсивной тепло-массопередачей, характерной для барботажного слоя. В более крупном масштабе вид принимающего слоя при погружении в него водяных струй с захватом воздуха и с образованием водо-воздушной смеси 34 в поддоне показан на фиг.7. Наличие этого участка позволяет получать температуру охлаждаемой жидкости, приближающуюся к температуре воздуха, обдувающего струи в охлаждающей ступени.
Аналогичный эффект достижения предельно возможного охлаждения струй жидкости в заявляемом водо-воздушном конденсаторе обеспечивается при размещении в струйной ступени охлаждения между струеформирующим устройством 4 и дополнительным поддоном 13 сетки 35 полотнянного плетения, изготовленной, например, из проволочных прутьев (фиг.8). При ударе в сетку падающие струи 28 дробятся на множество мелких вторичных струй и капель 36, вследствие чего поверхность контакта жидкости и охлаждающего ее воздуха многократно увеличивается. Кроме того, жидкость при этом интенсивно перемешивается. Кроме того, при этом сохраняется способность вторичных струй, погружающихся слой жидкости в поддоне, захватывать охлаждающий воздух с образованием энергично перемешивающейся водо-воздушной смеси в поддоне. В результате интенсивность тепло-массопереноса от жидкости к воздуху резко возрастает и температура жидкости на выходе из ступени охлаждения приближается к предельно возможной, т.е. к температуре атмосферного воздуха..
Каплеуловители 37 инерционного типа, например, - жалюзийные, установленные в воздухоотводящем коробе 18, на выходе из патрубка 23 и из струйной охладительной ступени 11 (см. фиг.2 и фиг.5) в заявляемом конденсаторе предотвращают вынос капель орошающей жидкости с выводимыми воздушными потоками и тем самым значительные ее потери.
Предлагаемая конструкция водо-воздушного конденсатора, обеспечивающая полное охлаждение рециркулирующего потока орощающей жидкости в пределах аппарата, исключает необходимость в потоке охлаждающей жидкости, подаваемой извне, что значительно упрощает систему охлаждения производственных установок, в которых требуется конденсация выводимого технологического пара, так как делает ненужными какие либо традиционные внешние устройства, обычно применяемые для охлаждения оборотной воды конденсаторов, включая коммуникации пара к ним. Достигаемая при этом автономность позволяет уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты, а также расширить возможности практического применения технологических установок.
Заявляемый водо-воздушный конденсатор отвечает всем критериям патентоспособности. Технические решения являются новыми, так как из уровня техники не известны технические решения с такими же совокупностями существенных отличительных признаков, о чем свидетельствует проведенный авторами и заявителем анализ научно-технической и патентной литературы. Предпринятая предварительная проработка промышленного варианта заявляемого конденсатора позволяет сделать вывод об отсутствии каких либо трудностей и препятствий для успешного использования его с получением ожидаемого положительного результата. Это свидетельствует о соответствии предлагаемых технических решений критериям «новизна» и «существенные отличия».