ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК B04C1/00 

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

Известен вихревой тепломассообменный аппарат, содержащий корпус с боковым входным патрубком, торцевыми верхней и нижней стенками, конический завихритель, загрузочный и разгрузочный бункеры [1].

Однако такой аппарат имеет низкое качество очистки, перегрев обрабатываемого материала, небольшую производительность за счет низкого коэффициента теплопередачи и неравномерного распределения слоя по высоте завихрителя.

В процессе работы аппарата при увеличении расхода обрабатываемого материала происходит вытеснение поступающего материала на внутреннюю поверхность вращающегося слоя, где он обтекается уже отработавшим теплоносителем, что приводит к снижению коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к проточному дисперсному материалу. Кроме того, находящийся в слое у стенки завихрителя материал перегревается, и время его контакта с теплоносителем не поддается регулировке, так как примеси, выведенные на внутреннюю поверхность, смешиваются с поступившим на обработку материалом.

Наиболее близким к предлагаемому объекту является вихревой тепломассообменный аппарат, содержащий улиткообразный корпус с верхней и нижней торцевой стенками и кольцевыми щелями, боковой входной патрубок для теплоносителя, конический и цилиндрический завихрители с тангенциальными щелями, кольцевой канал, эжектор, камеру смешения, загрузочный и разгрузочный бункеры, центральный газоотводящий патрубок [2].

Аппарат работает следующим образом.

Зерно из загрузочного бункера поступает в эжектор и принудительно, путем подачи теплоносителя в диффузор эжектора, подается в камеру смешения. Дисперсный материал, увлекаемый потоком газа, входит в камеру смешения по касательной и за счет центробежной силы прижимается к стенке, образуя ленточный жгут. Далее дисперсный материал в виде ленточного жгута опускается по винту под действием собственного веса через кольцевую щель в цилиндрический завихритель, где формируется кольцевой слой дисперсного материала. При дальнейшем поступлении дисперсного материала сформированный слой под действием собственного веса опускается на конический завихритель и формируется в виде цилиндра. Теплоноситель, пройдя через тангенциальные щели завихрителей, образует в рабочем объеме аппарата закрученный поток газовзвеси в виде вращающегося слоя, продуваемого потоком теплоносителя.

По мере движения дисперсного материала в слое происходит его сепарация, нагрев, подсушка. Примеси вместе с отработанным теплоносителем выводятся из рабочего объема аппарата через центральный патрубок вверх. Отработанный дисперсный материал, опустившись в нижнюю часть конического завихрителя, через щель выводится в разгрузочный бункер.

В результате принудительной подачи материала в камере смешения образуется ленточный жгут, который опускается по винту на цилиндрический завихритель и не успевает смешиваться в кольцевом канале камеры смешения, неравномерно распределяется по диаметру цилиндрического завихрителя.

При дальнейшем поступлении материала давление в камере смешения начинает расти, так как происходит перекрытие кольцевой щели, а поступление материала продолжается. Давление в рабочем объеме завихрителей меньше, чем в камере смешения, так как вся энергия теплоносителя, поступающего в рабочий объем через тангенциальные щели, затрачивается на удержание и вращение дисперсного материала.

Таким образом, в результате перепада давления между камерой смешения и рабочим объемом завихрителей происходит разрыв слоя в цилиндрическом завихрителе, и дисперсный материал проникает в рабочий объем конического завихрителя ленточным жгутом, опускаясь по винту. В результате толщина слоя по диаметру аппарата неодинакова и не весь поток газа участвует в теплообмене. Материал стекает по внутренней поверхности уже сформированного слоя и не успевает обмениваться с отработанным материалом. Все это снижает теплоотдачу, ухудшает тепломассообмен, качество сепарации и снижает производительность аппарата. Так в действующем аппарате, вследствие этих причин, при производительности аппарата, рассчитанной на 10 т/ч, перерабатывается только 5 т/ч.

Конический завихритель известного аппарата имеет переменное проходное сечение для газового потока по высоте завихрителя.

В лабораторных и промышленных установках показано, что расход материала и масса вращающегося слоя в рабочем объеме находятся в определенном соотношении с расходом газового потока через слой дисперсного материала, следовательно, количество тангенциальных щелей и их проходное сечение зависит от боковой поверхности конического завихрителя.

Если коэффициенты, определяющие физические свойства двухфазного дисперсного потока, известны, то в первом приближении производительность аппарата будет зависеть от расхода газа, его скорости и геометрических размеров завихрителя. Рассмотрим, как влияет переменное проходное сечение боковой поверхности завихрителя на эффективность тепломассообмена и сепарацию дисперсного материала.

Эффективность тепломассообмена в аппарате будет зависеть от действия разности двух сил: центробежной F_ц и аэродинамической F_а, сопротивления частиц в слое, а также от плотности этих частиц: F_ц - F_а ≠ ≠0. Для выполнения этих условий необходимо, чтобы радиус равновесной орбиты R_р для частиц заданной плотности находился за пределами завихрителя R₃ на величину Δr. В данном случае ΔR_сл по высоте слоя неодинакова: вверху больше, внизу меньше и, соответственно, скорости вращения частиц в слое будут разные, т.е. F_ц - F_а > 0 в верхней части и F_ц - F_а < 0 в нижней части завихрителя. В результате возникает градиент сил и вторичные течения потока, которые затягивают частицы, находящиеся на поверхности слоя, вниз. Это приводит к ухудшению сепарации в целом, так как не происходит разделение материала по фракционному составу, и к снижению тепломассообменных процессов, так как для поддержания требуемых тепломассообменных характеристик необходимо распределение теплоносителя по высоте слоя. На практике это не представляется возможным ввиду неоднородности материала и сложности изготовления системы для распределения теплоносителя по высоте завихрителя.

Таким образом, анализ работы известного аппарата, принятого за прототип, показал, что при номинальной производительности аппарат не обеспечивает удовлетворительное качество сепарации и разделение по фракционному составу, что приводит к снижению производительности. Кроме того, такой аппарат сложен в изготовлении, имеет высокую материалоемкость за счет наличия эжектора, коллектора распределения и подачи дисперсного материала, а также узлов, их соединяющих.

Цель изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, улучшении тепломассообменных характеристик и повышении производительности вихревого аппарата.

Технический результат заключается в обеспечении улучшения тепломассообмена дисперсного материала с теплоносителем, повышении эффективности разделения материала по фракционному составу и увеличении производительности.

Для этого вихревой тепломассообменный аппарат, содержащий корпус с торцевыми верхней и нижней стенками с кольцевыми щелями, камеру смешения, цилиндрический и конический завихрители с тангенциальными щелями, центральный газоотводящий патрубок, загрузочный и разгрузочный бункеры, снабжен распределительным конусом, установленным на верхней торцевой стенке симметрично оси аппарата, и дополнительными разделительными стенками с кольцевой щелью, конический завихритель выполнен в виде набора идентичных конических завихрителей, установленных соосно один над другим, внутренняя поверхность которых выполнена в форме параболы с вершиной, смещенной к расширенной части завихрителя, центральный газоотводящий патрубок выполнен в виде набора цилиндрических обечаек, расположенных по оси завихрителей, количество которых равно числу конических завихрителей, установленных коаксиально с зазором относительно друг друга с возможностью вертикального перемещения, при этом длина каждой последующей обечайки по ходу движения материала меньше длины предыдущей на высоту рабочего объема предыдущего завихрителя, а дополнительные разделительные стенки расположены под каждым коническим завихрителем набора.

Отличительными признаками изобретения являются:
- аппарат снабжен распределительным конусом, установленным на верхней торцевой стенке симметрично оси аппарата;
- дополнительно установлены разделительные стенки с кольцевой щелью;
- конический завихритель выполнен в виде набора идентичных конических завихрителей;
- внутренняя поверхность каждого конического завихрителя выполнена в форме параболы с вершиной к расширенной части завихрителя;
- центральный газоотводящий патрубок выполнен в виде набора цилиндрических обечаек, установленных коаксиально с зазором относительно друг друга с возможностью вертикального перемещения;
- количество обечаек равно числу конических завихрителей, длина каждой последующей обечайки меньше длины предыдущей на высоту рабочего объема предыдущего конического завихрителя;
- дополнительные разделительные стенки расположены под каждым коническим завихрителем набора.

Совокупность этих признаков обеспечивает достижение технического результата.

Поиск по различным источникам информации не выявил среди аналогов признаков, идентичных существенным признакам, а также признаков, совпадающих с отличительными признаками. Следовательно, предлагаемое изобретение обладает новизной и изобретательским уровнем.

Загрузочный бункер и установленный под ним распределительный конус, расположенные симметрично относительно оси аппарата, позволяют одновременно с подачей материала, поступающего самотеком в камеру смешения, достигать равномерного распределения дисперсного материала в камере смешения. Равномерно распределенный материал смешивается, выравнивается газовым потоком в кольцевой щели верхней торцевой стенки и поступает в цилиндрический завихритель. Это позволяет улучшить тепломассообмен, сепарацию по фракционному составу и увеличить производительность аппарата. Кроме того, это упрощает конструкцию, снижает материалоемкость, так как отпадает необходимость в эжекторе и подаче зерна газовым потоком через коллектор.

Выполнение внутренней поверхности конического завихрителя в виде набора установленных друг на друга идентичных завихрителей позволяет равномерно распределить поток теплоносителя по высоте завихрителей в рабочем объеме, а значит улучшить тепломассообмен. Кроме того, это позволяет отказаться от коллектора распределения газового потока по высоте завихрителей.

В зоне вершины параболы происходит концентрация и плотная упаковка дисперсного материала за счет распределения и взаимодействия трех сил: центральной, осевой, направленной верх, и осевой, направленной вниз, результирующая которых направлена к центральной оси выходного патрубка. Это создает оптимальные условия для сепарации по фракционному составу. Смещение вершины параболы в верхнюю часть завихрителя позволяет дополнительно сконцентрировать слой дисперсного материала в зоне вершины параболы, что также позволяет улучшить тепломассообменные характеристики. Отработанный дисперсный материал, одновременно опускаясь вниз на следующий завихритель, нагревается и подсушивается.

Таким образом, выполнение внутренней боковой поверхности конических завихрителей в форме параболы позволяет повысить скорость радиальной компоненты газового потока, эффективность тепломассообмена и сепарацию материала по фракциям.

Причем количество конических завихрителей в наборе можно увеличивать в n раз в зависимости от глубины разделения по фракционному составу.

Дополнительные разделительные стенки, расположенные под каждым коническим завихрителем, разделяют конические завихрители между собой, тем самым, делят слой обрабатываемого дисперсного материала на оптимальную величину, не давая ему осыпаться с внутренней поверхности вниз, а также создают оптимальный режим сепарации и тепломассообмена.

Расположение центрального газоотводящего патрубка в нижней части аппарата более экономично. Аппарат работает в режиме отсасывания, а не нагнетания, как в прототипе. Энергии на отделение частиц материала идет меньше, так как частицы движутся сверху вниз по ходу потока.

Газоотводящий патрубок выполнен в виде набора цилиндрических обечаек, установленных коаксиально с зазором относительно друг друга и возможностью перемещения, а каждая обечайка расположена в рабочем объеме каждого конического завихрителя. Такое выполнение патрубка позволяет создать оптимальный режим разделения по фракционному составу в каждом завихрителе и в целом по всему объему аппарата.

Введение в каждую рабочую зону завихрителя газоотводящего патрубка в виде обечайки позволяет по мере движения дисперсного материала последовательно разделять частицы по фракциям, а также последовательно нагревать и подсушивать материал.

Соединения нижних краев обечаек с разгрузочными бункерами позволяет отдельно собрать каждую фракцию обрабатываемого материала.

На чертеже представлен вариант схемы вихревого тепломассообменного аппарата, вертикальный разрез.

Вихревой тепломассообменный аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с двумя подводящими патрубками, загрузочный бункер 2, камеру 3 смешения, распределительный конус 4, верхнюю 5, разделительную 6 и нижнюю 7 торцевые стенки, цилиндрический 8 и конические 9 завихрители с тангенциальными щелями, газоотводящий центральный патрубок 10, разгрузочные бункеры 11. В верхней торцевой стенке выполнена кольцевая щель 12, в нижней - кольцевая щель 13.

Устройство работает следующим образом.

Зерно из бункера 2 самотеком через распределительный конус 4 поступает в камеру 3 смешения, выравнивается закрученным потоком газа и под собственным весом через кольцевую щель 12 проходит на цилиндрический завихритель 8, на котором под действием закрученного потока газа и центробежных сил формируется плотный слой частиц, и под действием осевой составляющей потока газа опускается на конический завихритель 9, расположенный над цилиндрическим завихрителем 8. Теплоноситель, пройдя через тангенциальные щели завихрителей, образует в рабочем объеме поток газовзвеси в виде вращающегося слоя, продуваемого потоком теплоносителя, происходит обмен дисперсного материала с теплоносителем, нагрев, подсушка. При этом в коническом завихрителе идет концентрация и плотная упаковка частиц в зоне вершины параболы. Слой накапливается до тех пор, пока сила тяжести массы слоя не станет больше сил компенсирующих.

В этот момент происходит отделение менее плотных частиц в центральный газоотводящий патрубок 10, а из него в разгрузочный бункер 11.

Отработанный слой, состоящий из более плотных частиц, стекает через кольцевую щель 13 в следующий конический завихритель 9, где происходит тот же процесс, что и в предыдущем завихрителе. Идет формирование слоя из частиц более плотных и отделение менее плотных частиц, которые выводятся из рабочего объема через вторую цилиндрическую обечайку газоотводящего патрубка 10 в бункер 11. Отработанный материал, состоящий из еще более плотных частиц, стекает через кольцевую щель 13 в разгрузочный бункер 11.

Промышленные испытания предлагаемого аппарата показали, что время контакта зерна с теплоносителем сокращается на 15%, эффект очистки увеличивается на 20% . Кроме того, происходит разделение зерна на фракции состава: 30% фуражного и 70% продовольственного зерна. При этом эффективность разделения по фракционному составу составила 90-95%, производительность аппарата - 10 т/ч, а в прототипе 5 т/ч при одинаковых энергозатратах.

Снижение материалоемкости достигается за счет упрощения конструкции: исключается необходимость использования эжектора, коллекторов распределения теплоносителя по высоте завихрителя и узлов их соединяющих; выполнение проходных сечений и внутренней поверхности в такой форме более технологично и менее материалоемко. Вес вихревого тепломассообменного аппарата при таких же габаритах, как в прототипе, меньше в 2 раза.

Таким образом, изобретение может быть использовано в промышленности, а именно, в сельскохозяйственном производстве зерна, и соответствует требованию "Промышленная применимость".

Использование: в сельском хозяйстве, пищевой, химической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: аппарат содержит корпус 1 с торцевыми верхней 5 и нижней 7 стенками с кольцевыми щелями 12 и 13, камеру 3 смешения, цилиндрический 8 и конический 9 завихрители с тангенциальными щелями, центральный газоотводящий патрубок 10, загрузочный и разгрузочный бункеры. Распределительный конус 4 установлен на верхней 5 торцевой стенке симметрично оси аппарата. Конический завихритель 9 выполнен в виде набора конических завихрителей, установленных соосно один над другим. Внутренняя поверхность их выполнена в форме параболы с вершиной, смещенной к расширенной части завихрителя. Центральный газоотводящий патрубок выполнен в виде набора цилиндрических обечаек, расположенных по оси завихрителей. Количество обечаек равно числу конических завихрителей, и они установлены коаксиально с зазором относительно друг друга с возможностью вертикального перемещения. Длина каждой обечайки меньше длины предыдущей на высоту рабочего объема предыдущего завихрителя. Дополнительные стенки 6 расположены под каждым коническим завихрителем. 1 ил.

ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ, содержащий корпус с торцевыми верхней и нижней стенками с кольцевыми щелями, камеру смешения, цилиндрический и конический завихрители с тангенциальными щелями, центральный газоотводящий патрубок, загрузочный и разгрузочный бункеры, отличающийся тем, что он снабжен распределительным конусом, установленным на верхней торцевой стенке симметрично оси аппарата, и дополнительными разделительными стенками с кольцевой щелью, конический завихритель выполнен в виде набора идентичных конических завихрителей, установленных соосно один над другим, внутренняя поверхность которых выполнена в форме параболы с вершиной, смещенной к расширенной части завихрителя, центральный газоотводящий патрубок выполнен в виде набора цилиндрических обечаек, расположенных по оси завихрителей, количество обечаек равно числу конических завихрителей и они установлены коаксиально с зазором относительно одна другой с возможностью вертикального перемещения, при этом длина каждой последующей обечайки по ходу движения материала меньше длины предыдущей на высоту рабочего объема предыдущего завихрителя, а дополнительные разделительные стенки расположены под каждым коническим завихрителем набора.