УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ГАЗА Российский патент 1999 года по МПК F24H1/10 

Изобретение относится к области теплообменной техники и может быть использовано в различных областях промышленности для тепловлажностной обработки газа.

Общим признаком контактных аппаратов является тепловлажностная обработка газа в условиях непосредственного контакта с поверхностью жидкости.

Известны контактные аппараты с естественным полем сил тяжести, к которым относятся форсуночные камеры орошения (ФКО), пенные аппараты, пленочные аппараты и аппараты с орошаемой насадкой, и искусственным, к которым относятся центробежные контактные аппараты.

Интенсивность процессов тепло- и массообмена (ТМО), происходящих в контактных аппаратах, зависит от относительной скорости газа и жидкости, времени и величины поверхности контакта фаз.

Известен контактный водонагреватель, содержащий развитую поверхность контакта газа с жидкостью путем разбрызгивания жидкости в виде мелких капель, кроме того в конструкции используется орошаемая насадка, что также позволяет увеличить поверхность контакта газа с жидкостью (SU 775535, F 24 H 1/10, 1980).

В пенных аппаратах поверхность контакта образована газожидкостной эмульсией (пенный слой), которая позволяет добиться высокой турбулизации газожидкостной системы и, следовательно, возрастания вихревого тепло- и массообмена (Соснин Ю.П. Контактные водонагреватели, М, Стройиздат, 1974, 60-62 с.).

Общими недостатками приведенных аппаратов являются их большие габаритные размеры и небольшая относительная скорость газа и жидкости в реактивном пространстве. Из-за малой относительной скорости в рассмотренных контактных аппаратах интенсификация процессов ТМО имеет определенный предел. Этот предел можно повысить, используя искусственные поля тяготения, которые позволяют увеличить не только относительную скорость газа и жидкости равномерно во всем объеме аппарата, но и поверхность и время их взаимодействия.

В качестве прототипа выбрано техническое решение-устройство для тепловлажностной обработки газа, содержащее цилиндрический корпус с патрубком для подачи жидкости (RU 2003022 C1, 15.11.93, F 28 F 25/08).

В данной конструкции не используются возможности реализации энергии закрученного потока и она громоздка.

Задачей изобретения является повышение интенсивности процессов ТМО за счет увеличения времени и поверхности взаимодействия фаз путем создания закрученного течения во всем объеме аппарата и, как следствие, уменьшения его габаритов.

Указанная задача решается за счет того, что в предлагаемом устройстве, содержащем цилиндрический корпус, внутри которого соосно расположен перфорированный цилиндр с патрубком для подвода жидкости, закручиватель и раскручиватель, закручиватель установлен на входе в перфорированный цилиндр, а отношение диаметра перфораций последнего к толщине его стенки больше 5.

Данное предложение реализовано в конструкции, принципиальная схема которой представлена на фиг.1. Устройство для тепловлажностной обработки газа состоит из цилиндрического корпуса 1, внутреннего перфорированного цилиндра 2, закручиватель 3 в виде, например, тангенциального завихрителя, патрубка для подачи жидкости 4 и раскручивателя 5.

Устройство работает следующим образом.

Жидкость через патрубок 4 подается в верхнюю часть перфорированного цилиндра 2, в его нижнюю часть через закручиватель 3 тангенциально подводится газ. В перфорированном цилиндре обеспечивается вихревое движение газа, жидкость под действием центробежных сил отбрасывается на стенки цилиндра, и ее частицы вместе с газом продавливаются через отверстия в кольцевое пространство между корпусом 1 и перфорированным цилиндром 2, где осуществляется вращательное движение двухфазного потока. Капли жидкости под действием центробежных сил оседают на стенки корпуса 1, стекают по нему в нижнюю часть и удаляются через сливной патрубок 6. Обработанный газ выводится в верхней части корпуса через раскручиватель 5. Использование эффекта центробежной сепарации позволяет отказаться от устройств для отделения жидкости (сепараторов). В кольцевом пространстве за счет вращательного движения ось струи двухфазного потока, вытекающего из отверстий перфорированного цилиндра 2, изменяет траекторию течения, что приводит к увеличению длины пути движения потока несоответственно, увеличению времени взаимодействия жидкости и газа. Кроме того, газ движется по винтовой линии, взаимодействует с пленкой жидкости на внутренних поверхностях перфорированного цилиндра и корпуса устройства.

Закрученное течение двухфазной жидкости в кольцевом пространстве устройства (между перфорированным цилиндром и корпусом) осуществляется в том случае, если вращательный момент от вихревого потока внутри перфорированного цилиндра будет передаваться потоку в кольцевом пространстве. Это возможно только тогда, когда отношение диаметра отверстий к толщине стенки перфорированного цилиндра будет иметь определенную величину. Поясним сказанное и определим значение этой величины.

На фиг.2 а, б, в показан отрыв от кромки отверстия и истечение вращающегося внутри перфорированного цилиндра потока в зависимости от толщины его стенки. Влиянием кривизны стенки в пределах отверстия пренебрегаем. На фигурах показана тангенциальная составляющая вращающегося потока ν_τ . Из фигур видно, что с увеличением толщины стенки количество потока, подаваемого тангенциально в кольцевое пространство, уменьшается и равно нулю, когда внешняя граница оторвавшегося потока пересекает внешнюю кромку отверстия (точка "а") - фиг.2б. Очевидно, что при этом уменьшается крутка потока в кольцевом пространстве. При значительной толщине стенки - фиг.2в - закрутка потока передаваться не будет.

Определим минимальное отношение диаметра отверстий d к толщине стенки δ, при котором будет осуществляться передача закрутки. Как было отмечено выше, при пересечении внешней границей оторвавшегося потока кромки отверстия (точка "а" на фиг.2.б.), закрутка потока не передается. Учитывая, что угол одностороннего расширения струи α = 12^o 40' находим d/δ = 4,45. Принимая во внимание малые скорости потока у внутренней стенки перфорированного цилиндра, можно принять, что при d/δ > 5 в кольцевое пространство будет передаваться ощутимое вращательное движение.

Итак, из вышесказанного видно, что при d/δ > 5 потоку в кольцевое пространство будет передаваться вращательный момент. Вызванное этим моментом закрученное течение жидкости позволяет повысить интенсивность процессов ТМО за счет увеличения времени и поверхности взаимодействия фаз. Использование центробежных сил обеспечивает эффективную сепарацию.

С целью получения ориентировочных характеристик устройства проведены экспериментальные исследования на модели, геометрические размеры которой следующие:
диаметр корпуса - 220 мм,
отношение высоты корпуса к его диаметру - 2,5,
диаметр перфорированного цилиндра - 150 мм,
отношение его высоты к диаметру - 2,8,
отношение площади поперечного сечения патрубка тангенциального завихрителя к площади перфорированного цилиндра - 0,19,
отношение площади отверстий к площади поперечного сечения перфорированного цилиндра - 1,1 • 10^-3.

В опытах использовались два перфорированных цилиндра, отличающихся толщиной стенки - 0,7 и 4 мм. Диаметр отверстий составлял 5 мм.

Температуры воды и воздуха на входе в устройство составляли соответственно 60^oC и 25^oC,
коэффициент орошения - 0,43 кг/кг с.в.,
среднерасходная скорость, подсчитанная по площади поперечного сечения кольцевого пространства - 6 м/с.

Выполненные исследования показали следующее.

Объемная теплопроизводительность устройства Q_v составила 230 кВт/м³ и в пределах погрешности измерений не зависела от толщины стенки перфорированного цилиндра.

В табл. 1 приведено сравнение полученных данных с характеристиками пенного аппарата, обладающего по сравнению с наиболее известными конструкциями наивысшей интенсивностью тепломассообмена. Характеристики пенного аппарата, приведенные в таблице, рассчитаны по начальным условиям, принятым в наших опытах. Из таблицы видно, что интенсивность процессов ТМО в предлагаемой конструкции выше, чем в пенном аппарате. Объемная теплопроизводительность Q_v, повышается на 28%.

Как было отмечено выше, в опытах не установлено заметного влияния толщины стенки перфорированного цилиндра на интенсивность ТМО. Однако, отделение жидкой фазы в кольцевом пространстве устройства существенно зависит от δ. При δ = 4 мм закрученное течение в кольцевом пространстве отсутствует. Имеется значительный унос капельной влаги из устройства. При δ = 0,7 мм в кольцевом пространстве наблюдается закрученное движение, направление которого совпадает с направлением движения потока внутри перфорированного цилиндра. За счет центробежных сил осуществляется эффективная сепарация капелек жидкости на стенках корпуса.

Уноса жидкости не наблюдается.

Из приведенных выше рассуждений, подтвержденных результатами экспериментальных исследований, следует, что аэродинамика потока в кольцевом пространстве устройства зависит от геометрических характеристик отверстий перфорированного цилиндра. Организация закрученного течения во всем объеме устройства интенсифицирует ТМО и позволяет уменьшить его габариты.

Изобретение предназначено для применения в различных областях промышленности для тепловлажностной обработки газа и очистки его от пыли и газа. Устройство для тепловлажностной обработки газа содержит цилиндрический корпус, внутри которого соосно установлен перфорированный цилиндр с патрубком для подачи жидкости, закручиватель (закручивающее устройство), раскручиватель, причем закручиватель установлен на входе перфорированного цилиндра, а отношение диаметра отверстий последнего к толщине его стенки больше 5. Техническим результатом изобретения является увеличение интенсивности процессов тепло- и массообмена и уменьшение габаритов. 2 ил., 1 табл.

Устройство для тепловлажностной обработки газа, содержащее цилиндрический корпус, патрубок для подачи жидкости, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит перфорированный цилиндр, установленный соосно корпусу, снабженный упомянутым патрубком для подачи жидкости, закручиватель и раскручиватель, причем закручиватель установлен на входе в перфорированный цилиндр, а отношение диаметра перфораций к толщине его стенки больше 5.