ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК F26B17/10 

Изобретение относится к технике тепломассообменных и химических процессов, в частности к нагреву, подсушке и очистке газовым потоком сыпучего материала, и может быть использовано в сельском хозяйстве, в пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Известен вихревой тепломассообменный аппарат, содержащий корпус с боковым входным патрубком для теплоносителя, торцовыми верхней и нижней стенками, цилиндрический и расположенный под ним конический завихритель, обращенный расширенной частью вверх, разгрузочный и загрузочный бункеры, эжектор, подклю- ченный приемной камерой к загрузочному бункеру, а камерой смещения к цилиндрическому завихрителю.

Недостатком известного вихревого аппарата являются высокие энергозатраты при нагреве (сушке) дисперсного материала, так как температура отработанного теплоносителя на выходе из слоя частиц существенно выше температуры частиц. Причиной неполноты использования тепла газового потока является малая (30-40 мм) толщина дисперсного материала и, как следствие, малое время контакта частиц с теплоносителем. Толщина слоя зависит от его наружного и внутреннего диаметров. Наружный диаметр слоя определяется диаметром завихрителя, а внутренний диаметр слоя теоретически ограничен диаметром центрального патрубка. Попытка сформировать более толстый слой с внутренним диаметром, меньшим диаметра патрубка, приводит к выносу частиц с отработанным газом через патрубок. Просто уменьшение диаметра выходного патрубка увеличивает сопротивление всего аппарата и также приводит к увеличению энергозатрат. Причем выходящий из вихревого аппарата закрученный газовый поток не полностью заполняет цилиндрический патрубок. Основной поток газа движется в кольцевой пристенной области, а приосевая область в зависимости от величины крутки газового потока может быть занята противопотоком.

Целью изобретения является снижение энергозатрат при нагреве (сушке) зернистого материала путем увеличения толщины слоя зернистого материала.

Поставленная цель достигается тем, что в вихревой тепломассообменный аппарат, содержащий корпус с боковым выходным патрубком для теплоносителя, торцовыми нижней и верхней стенками с выходным патрубком, цилиндрический завихритель и конический, обращенный расширенной частью вверх, загрузочный и разгрузочный бункеры, эжекторы, подключенные приемной камерой к загрузочному бункеру, а камерой смешения к цилиндрическому завихрителю, согласно изобретению центральный патрубок выполнен в форме двух усеченных конусов, соединенных меньшим основанием между собой, диаметр которого не превышает меньший диаметр конического завихрителя, причем нижний усеченный конус расположен ниже плоскости верхней торцовой стенки.

Для увеличения толщины слоя выходной патрубок выполняется в форме усеченного конуса, установленного меньшим основанием в плоскости верхней торцовой стенки. Диаметр D₁ этого основания меньше диаметра цилиндрического выходного патрубка. Такая форма выходного патрубка позволяет увеличить толщину слоя при незначительном (< 10% от общего сопротивления) увеличении сопротивления аппарата. При движении закрученного потока по расширяющемуся патрубку окружная и осевая составляющие скорости потока падают, трение потока о стенку патрубка уменьшается.

При взаимодействии со слоем увеличенной толщины газ на выходе из слоя имеет меньшую окружную составляющую скорости, чем на выходе из тонкого слоя. Благодаря малой окружной составляющей скорости (2-3 м/с) на выходе из толстого слоя в выходном патрубке не образуется приосевая зона противотока, а отработанный газ занимает все сечение выходного патрубка. Кроме этого, коническая форма выходного патрубка позволяет плавно перейти сразу на выходе из аппарата к трубопроводу, по которому отработанный газ транспортируется к циклону или утилизируется в топочном устройстве (резкое расширение потока - дополнительное сопротивление).

Кроме сказанного, в результате взаимодействия закрученного потока газа в рабочем объеме аппарата с торцовой стенкой в пристенной области возникает сильное радиальное течение газа. Объясняется это торможением газа в пограничном слое на торцовой стенке и уменьшением тангенциальной составляющей скорости газа. В результате в пристенной области частицы дисперсного материала под действием радиального течения газа выносятся из слоя и вместе с отработанным газом выводятся из камеры через патрубок. Наличие торцового эффекта мешает удерживать слой частиц большой и практически толщина удерживаемого слоя существенно меньше расстояния между завихрителем и отверстием выходного патрубка. Исключить вынос частиц через торцовой погранслой возможно, устанавливая выступ на пути частиц, движущихся в радиальном направлении вдоль торцовой стенки, направлять их назад в слой.

Предложено выполнить выступ в виде усеченного конуса, соединенного меньшим основанием с меньшим основанием конического выходного патрубка и расположенного ниже плоскости верхней торцовой стенки. Высота и угол раскрытия конического выступа определяется исходя из конструктивных размеров аппарата и размеров частиц в слое. Так как выступ выполняет функцию возврата частиц в слой, то высота его должна быть не меньше среднего эффективного диаметра частиц, образующих слой.

В случае обработки частиц с малым диаметром (1 мм и менее) высота выступа должна быть не менее толщины пограничного слоя у верхней торцовой стенки, ответственного за радиальное движение частиц вдоль стенки.

Угол при вершине конического выступа должен быть таким, чтобы частицы под действием реакции стенки попадали на внутреннюю поверхность слоя.

В вихревом аппарате для нагрева зерна перед сушкой высота конического выступа выбрана не менее 5 мм, а угол между осью аппарата и образующей конуса 20-25^о.

Экспериментально установлено, что в вихревом аппарате предлагаемой конструкции при протоке зернистого материала через слой скорость его вращения 2,3-4,0 м/с и центробежная сила одного порядка с силой тяжести, действующей на частицы. В результате внутренняя граница слоя может в оптимальном режиме иметь форму цилиндра диаметром, приблизительно равным диаметру D₂ меньшего основания конического завихрителя.

Увеличение диаметра D₁ центрального патрубка по сравнению с диаметром D₂ приводит к уменьшению толщины слоя, а внутренняя граница слоя имеет форму усеченного конуса, раскрывающегося к выходному патрубку.

Следовательно, диаметр D₁ выходного патрубка не должен превышать диаметр D₂ меньшего основания конического завихрителя.

На чертеже показан предлагаемый аппарат.

Вихревой тепломассообменный аппарат содержит улиткообразный корпус 1 с входным патрубком 2, верхнюю 3 и нижнюю 4 торцовые стенки, конический 5 и цилиндрический 6 завихрители с тангенциальными щелями, кольцевой канал 7, эжектор 8, загрузочный 9 и разгрузочный 10 бункеры, центральный газоотводящий патрубок, состоящий из верхнего 11 и нижнего 12 конусов. В верхней торцевой стенке 3 выполнена кольцевая щель 13, а в нижней торцовой стенке 4 - кольцевая щель 14.

Вихревой тепломассообменный аппарат работает следующим образом.

Зернистый материал из бункера 9 через эжектор 8, кольцевой канал 7 и щель 13, получая начальную окружную скорость, поступает в цилиндрический завихритель 6.

Газ, пройдя входной патрубок 2, корпус 1, распределяется по щелям завихрителей 5 и 6. Газовый поток, поступающий через щели цилиндрического завихрителя 6, сообщает зернистому материалу достаточную окружную скорость для формирования концентрированного слоя. Поступающий из эжектора 8 зернистый материал вытесняет с цилиндрического завихрителя плотный слой, который спускается вниз вдоль конического завихрителя 5.

Сформированный на цилиндрическом завихрителе слой является демпфером, предотвращающим вынос в приосевую область поступающих через щель 13 новых частиц. Эти частицы, еще не получая достаточную окружную скорость, задерживаются более толстым слоем, вращающимся на цилиндрическом завихрителе. Часть частиц, поступающих в слой, захватывается приторцовым радиальным потоком, движутся вдоль верхней торцовой стенки 3 от завихрителя 6 к оси аппарата. Нижний конус 12 выходного патрубка расширяющейся частью, расположенной в рабочем объеме аппарата, возвращает вылетающие из слоя частицы на внутреннюю поверхность слоя, где они подкручиваются выходящим из слоя потоком газа, получая дополнительную окружную скорость, и за счет центробежной силы удерживаются в слое.

Отработанный газовый поток выводится из рабочего объема через нижний 12 и верхний 11 расширяющийся конус выходного патрубка, где окружная составляющая скорость потока уменьшается и газ занимает все сечение патрубка. Это компенсирует сопротивление газовому потоку местным сужением в сечении соединения конусов 11 и 12 патрубка. Отработанный дисперсный материал выводится из нижней части конического завихрителя 5 через щель 14 в бункер 10.

Нижняя торцовая стенка 4 препятствует проникновению в бункер 10 вихрей, сопутствующих закрученным потокам и несущих легкие примеси.

Предлагаемое техническое решение в аппарате с максимальным диаметром завихрителя 0,65 м позволило увеличить толщину слоя на цилиндрическом завихрителе с 0,04 до 0,09 м и снизить удельный расход топлива на нагрев зерна перед сушкой на 25% (см. таблицу).

Из таблицы видно, что снижение энергозатрат осуществляется за счет уменьшения начальной температуры теплоносителя с 200 до 150^оС и разности температур (t_г - t_з) с 40-45 до 5-9^оС.

Использование: техника тепломассообменных и химических процессов, в частности нагрев, подсушка и очистка газовым потоком сыпучего материала, применяемая в сельском хозяйстве, пищевой, химической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: центральный патрубок выполнен в виде двух усеченных конусов 11 и 12, соединенных меньшим основанием между собой. Диаметр этого основания не превышает меньший диаметр конического завихрителя 5. Нижний усеченный конус 12 расположен ниже плоскости верхней торцовой стенки 3. 1 ил., 1 табл.

ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ, содержащий корпус с боковым и центральным патрубками соответственно подачи и отвода теплоносителя, верхнюю и нижнюю торцевые стенки и расположенные в корпусе один под другим конический и цилиндрический завихрители, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат, центральный патрубок выполнен в форме двух усеченных конусов, сопряженных между собой меньшими основаниями, при этом диаметр меньшего основания не превышает диаметра меньшего основания конического завихрителя, а нижний усеченный конус размещен ниже плоскости верхней торцевой стенки.