ВИХРЕВАЯ КАМЕРА ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 1996 года по МПК B04C1/00 

Изобретение относится к классу центробежных устройств для осуществления физических или химических процессов и может быть использовано для тепломассообменных процессов газов с жидкостями или при сушке и тепловой обработке сыпучих материалов, проведения химических реакций между газом и частицами или жидкостью.

Для проведения тепломассообменных процессов в слое сыпучих материалов в вихревой камере предлагалось осуществлять подачу газа через кольцевой цилиндрический завихритель, расположенный по боковой поверхности вихревой камеры [1]
Недостатком такой конструкции является то, что с увеличением высоты завихрителя, плотный слой не удерживается в его верхней части, что накладывает ограничение на массу удерживаемого слоя и производительность аппарата.

Известна вихревая камера [2] в которой используется конический завихритель, позволяющий из-за баланса центробежных сил и сил тяжести, действующих на плотный слой, более равномерно распределить массу слоя по высоте вихревой камеры.

Недостатком такой конструкции является то, что масса удерживаемого слоя в значительной мере определяется физическими свойствами материала, такими как коэффициент трения материала слоя о стенки камеры, плотностью и дисперсным составом частиц, поэтому даже при сохранении геометрических и расходных характеристик камера, работающая на одном материале, может не работать на другом. Например, аппарат, созданный для работы с зерном пшеницы в качестве материала, не работает с гранулами полиэтилена.

Известен цилиндрический кольцевой завихритель, установленный сверху конического и имеющий диаметр больше конического [3] Это увеличивает производительность аппарата, однако не устраняет нестабильности удержания материала на коническом завихрителе при смене типа обрабатываемого материала. Кроме этого в данном устройстве имеется конструкция входного устройства для частиц, позволяющая формировать слой с места ввода частиц в вихревую камеру. Здесь ввод частиц в вихревую камеру осуществляется через канал, расположенный тангенциально и снабженный кольцевым каналом, с щелью, примыкающей к верхнему кольцевому завихрителю. Частицы, попадая в кольцевой канал, образуют вращающийся слой, при этом их скорость за счет трения о стенки уменьшается на порядок, после чего через кольцевую щель равномерно подаются в слой частиц на верхнем завихрителе. Поток газа также равномерно распределяется по периметру кольцевой щели, что предохраняет от разрушения образовавшийся слой, примыкающий к щели. Тангенциальная скорость газового потока при прохождении через слой снижается на порядок по сравнению со скоростью газа на выходе из щели, незначительно превышая скорость вращения слоя частиц. Известно, что увеличение тангенциальной скорости газа приводит к удержанию более мелких фракций частиц в камере, что в ряде случаев необходимо для проведения тепло-массообменных процессов.

Цель изобретения сохранение работоспособности вихревого массообменного аппарата при работе с различными сыпучими материалами или жидкостью при условии снижения уноса обрабатываемого материала.

Цель достигается тем, что в вихревой камере для тепломассообменных процессов, содержащей корпус, кольцевые завихрители, входной, тангенциально расположенный канал для спутного потока газа и материала, и выходные устройства для газа и материала завихрители выполнены в виде ряда соосных колец с диаметрами, уменьшающимися сверху вниз в конической вихревой камере, причем ниже каждого из завихрителей имеется кольцевая ступенька, соединяющая этот завихритель с нижележащим завихрителем или корпусом, которые имеют меньший диаметр в месте стыковки, чем этот завихритель, причем угол между образующей стыковочной ступеньки и осью камеры составляет более 20^о. Стыковочная ступенька может быть как отдельным элементом, так и частью одного из завихрителей, может быть как непроницаемой для газа, так и дополнительным завихрителем. Кольцевые завихрители могут быть выполнены цилиндрическими, коническими или профилированными.

Уменьшение уноса материала достигается тем, что перед отверстием ввода частиц в камеру на верхней крышке корпуса устанавливается кольцевой ребро с диаметром, меньшим диаметра камеры в области ввода материала.

На фиг.1 изображен вихревой массообменный аппарат с цилиндрическими завихрителями, поперечный разрез; на фиг.2 аппарат с коническими завихрителями, разрез; на фиг.3 расчетная зависимость толщины слоя от коэффициента трения частиц о стенку камеры; на фиг.4 зависимость минимального размера удерживаемых частиц от средней радиальной скорости газа от кольцевого завихрителя; на фиг.5 кривая влияния тангенциальной скорости газового потока в камере на минимальный диаметр удерживаемых частиц.

Вихревой массообменный аппарат включает корпус 1, кольцевые завихрители 2, стыковочные кольцевые ступеньки ниже каждого из кольцевых завихрителей 3, тангенциально расположенный канал 4 для ввода частиц в спутном газовом потоке, кольцевое ребро 5, примыкающее к верхней крышке корпуса и расположенное в полости корпуса в зоне расположения канала 4, выходной патрубок 6 для газа, выходное отверстие 7 для материала.

Материал в спутном потоке газа поступает в вихревую камеру через тангенциально расположенный канал 4, образуя в вихревой камере вращающийся поток газовзвеси, причем наличие кольцевого ребра 5 приводит к тому, что газ и частицы не выносятся через торцовый пограничный слой по верхней крышке камеры в приосевую область, а остаются во взвешенном состоянии между кольцевым ребром и стенкой камеры, осаждаясь на верхнем кольцевом завихрителе. Газ, транспортирующий частицы, разрушает слой частиц вблизи входного отверстия для частиц в камеру, при этом незначительно теряет тангенциальную составляющую скорости, поскольку проходит через взвешенный слой частиц. Из кольцевого завихрителя поступает закрученный газовый поток, который проходит через образовавшийся слой частиц или жидкости, поддерживая вращение слоя. Наличие ступеньки между кольцевыми завихрителями в виде стыковочного кольца 3 приводит к тому, что слой не может стать тоньше этой ступеньки для любых материалов, а непрерывная линия стыковки соседних завихрителей приводит к отсутствию радиальных скачков слоя и соответственно меньшему уносу материала. Пройдя кольцевые завихрители, на которых поддерживается вращение слоя, слой попадает на конический корпус камеры, где постепенно теряет вращение и попадает в выходное отверстие для материала 7. Газовый поток вместе с мелкими частицами материала выходит через патрубок 6.

На фиг. 3 показана характерная расчетная зависимость толщины слоя от коэффициента трения частиц о стенку камеры для аппарата с коническим завихрителем. Видно, что толщина слоя частиц значительно уменьшается с увеличением коэффициента трения. Предлагаемая здесь ступенчатая компоновка завихрителей задает минимальную толщину слоя, а следовательно и массу слоя для произвольных сыпучих материалов или жидкости.

Важной характеристикой поверхности, на которой удерживается слой, является угол между образующей поверхности и осью вихревой камеры. Расчеты показали, что в зависимости от вида сыпучего материала, размеров камеры, расхода газа и материала, характеристик завихрителя, этот угол принимает значения в диапазоне 6-20^о в случае удержания на поверхности слоя частиц. При этом, компонента центробежной силы, удерживающая вращающийся слой, уравновешивается компонентой силы тяжести, которая стремится переместить слой вниз. Если взять поверхность, стыкующую соседние кольцевые завихрители с углом наклона к оси камеры более 20^о, то она будет служить барьером для перемещения слоя вниз, поскольку в ее окрестности центробежные силы, удерживающие слой будут превышать компоненту силы тяжести, приводящую к движению слоя вниз. В этом случае перемещение слоя осуществляется только при увеличении толщины слоя более, чем разность радиусов стыкуемых завихрителей в месте их стыковки.

Количество и площадь кольцевых завихрителей выбираются с учетом того, что с увеличением площади кольцевых завихрителей уменьшается скорость газа, оттесняющего частицы от стенки камеры, что приводит к удержанию более мелких частиц.

На фиг. 4 показана характерная зависимость минимального диаметра удерживаемых частиц от средней по кольцу радиальной скорости газа при фиксированном значении тангенциальной скорости и заданных размерах камеры. Видно, что с увеличением радиальной скорости возрастает минимальный размер удерживаемых частиц.

Наличие кольцевого ребра 5 перед отверстием для ввода материала в камеру уменьшает унос частиц с газовым потоком при малом снижении тангенциальной скорости газа. При увеличении количества транспортирующего газа увеличивается и уровень тангенциальной скорости газа в камере.

На фиг.5 показана характерная зависимость минимального диаметра частиц, удерживаемых в слое от тангенциальной скорости газового потока на границе со слоем. Видно, что с увеличением тангенциальной скорости газового потока уменьшается размер удерживаемых частиц.

Предлагаемая конструкция использовалась для создания лабораторного сушильного аппарата для угольной пыли с диаметром частиц менее 5 мм, а также центробежно-барботажного аппарата для системы воздух-вода, что подтверждает работоспособность аппарата на различных материалах. При расходе угольной пыли 30 г/с, расходе воздуха через кольцевые завихрители 35 г/с, увеличение расхода транспортирующего газа с 3 до 15 г/с привело к изменению минимального диаметра удерживаемых частиц с 500 до 100 мкм.

Использование: для проведения тепломассообменных процессов при сушке и тепловой обработке дисперсных материалов или химических реакций между газом и дисперсным материалом. Сущность изобретения: в корпусе расположены завихрители в виде набора соосных колец с диаметрами, уменьшающимися книзу, соединенных своей нижней частью с нижележащими кольцевым завихрителем или корпусом кольцевой ступенькой с углом наклона образующей к оси камеры более 20^o. 3 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Вихревая камера для тепломассообменных процессов, содержащая корпус, установленные в корпусе кольцевые завихрители потока газа с уменьшающимися сверху вниз внутренними диаметрами, входной тангенциально расположенный канал для спутного потока газа и материала, осевой вывод потока газа и нижний вывод отделяемого материала, отличающаяся тем, что нижний конец каждого из кольцевых завихрителей соединен кольцевой ступенькой с нижележащим завихрителем или корпусом, которые имеют меньший диаметр в месте стыковки, чем этот завихритель, а угол между образующей кольцевой ступеньки и осью камеры составляет более 20^o. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что кольцевые завихрители выполнены цилиндрическими. 3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что кольцевые завихрители выполнены коническими. 4. Камера по пп.1 3, отличающаяся тем, что она снабжена прикрепленным к верхней стенке корпуса кольцевым ребром, размещенным в полости корпуса в зоне расположения тангенциального канала для спутного потока газа и материала.