ВИХРЕВОЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ОСУШИТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F25B9/04 F24F3/14 

Изобретение относится к области осушки газов или воздуха охлаждением и отделением капельной влаги, осуществляемой с помощью генерации холода в вихревых трубах, и может быть использовано на линиях подачи осушенного сжатого воздуха в различных пневмосистемах в машиностроении, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Известно устройство осушки сжатого газа или воздуха, содержащее вихревую трубу с регулируемым сопловым входом сжатого газа, камерой энергетического разделения и с окружающей ее рубашкой, образующей теплообменник самоохлаждения стенки вихревой трубы, подключенный трубопроводом к патрубку вывода холодного потока через осевое отверстие диафрагмы, с регулируемым дросселем горячего потока и средством сбора и отвода конденсата [1]. Известное устройство обладает повышенной термодинамической эффективностью, но его недостатком является то, что оно осуществляет осушку потока сжатого газа с частичной (регулируемой) потерей давления. Это не всегда может удовлетворять потребителя.

Известна установка осушки сжатого воздуха без потери его давления, содержащая два соединенных последовательно через теплообменник центробежных влагоотделителя, вихревую трубу с дросселем, диафрагмой, выходным патрубком горячего воздуха, и эжектор, диффузор которого соединен с приосевой зоной вихревой трубы со стороны дросселя, активное сопло подключено к выходному патрубку горячего воздуха, а пассивное сопло через теплообменник - к диафрагме вихревой трубы [2].

Известная установка, снабженная средствами повышения ее термодинамической эффективности, при этом имеет следующие недостатки:
- сложность обеспечения точного согласования совместной работы эжектора и вихревой трубы,
- неустойчивая работа установки при изменении параметров сетевого сжатого воздуха, в частности его расхода и давления,
- низкая температура воздуха, подаваемого к потребителю со 100% относительной влажностью при данных температуре и давлении воздуха из-за отсутствия средств регенерации и подогрева осушенного воздуха, что не всегда удовлетворяет потребителей-эксплуатационников.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является вихревой регенеративный осушитель с сохранением давления осушиваемого газа, содержащий трехконтурный противоточный теплообменник с патрубком ввода предварительно очищенного газа, теплообменными секциями контуров и со сборником конденсата, вихревую трубу с сопловым входом сжатого газа, подключенным к холодной части теплообменника на выходе из первого контура, и с патрубком вывода холодного потока, соединенным с тебплообменными секциями третьего контура [3].

Недостатками известного осушителя, выбранного в качестве прототипа, являются:
- подача в вихревую трубу не в полной мере охлажденного и осушенного газа, отбираемого с выхода первого контура теплообменника, снижает термодинамическую эффективность вихревой трубы и, как следствие этого, негативно влияет на эффективность осушителя в целом,
- отсутствие у вихревой трубы средств самоохлаждения также снижает ее эффективность,
- удаление выпавшего конденсата происходит в зоне сепарирования, организованной в первом контуре теплообменника, против направления движения потока осушиваемого сжатого газа, в результате чего возможен унос капель потоком газа с попаданием их в вихревую трубу. Последующее конденсирование капель в вихревой трубе, происходящее с выделением тепла, снижает термодинамическую эффективность трубы.

В связи с вышеперечисленными недостатками известных устройств осушки газа, в том числе и прототипа, становится актуальной задача создания вихревого регенеративного осушителя с организацией в нем более эффективного термодинамического процесса осушки при тех же затратах газа на вихревую трубу. При этом создаваемое устройство должно быть конструктивно просто, технологично в изготовлении и иметь высокую надежность при работе.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности работы осушителя путем увеличения степени захолаживания и осушки газа при сохранении прежних затрат части газа, отбираемого на вихревую генерацию холода, а также в повышении надежности работы путем предотвращения образования льда в рабочих элементах вихревой трубы.

Указанный технический результат достигается тем, что в вихревом регенеративном осушителе, содержащем теплообменник с патрубком ввода газа, предварительно очищенного от капельных фракций влаги и масла, с теплообменными секциями и средствами сепарирования со сборником конденсата, вихревую трубу с сопловым входом сжатого газа, подключенным к холодной части теплообменника, и с патрубком вывода холодного потока, соединенным с теплообменными секциями, особенность заключается в том, что теплообменные секции размещены внутри обечайки высокого давления, например в ресивере, и подсоединены друг к другу последовательно относительно направления входящего потока газа с образованием зоны регенерации и зоны захолаживания, при этом вихревая труба снабжена теплообменником самоохлаждения, внутренняя полость которого через теплообменные секции зоны захолаживания соединена с выводом холодного потока вихревой трубы, причем подключение соплового входа вихревой трубы к холодной части теплообменника осуществлено на выходе из зоны сепарирования, размещенной за зоной захолаживания.

Зона регенерации и зона захолаживания представляют собой многоходовые перекрестно-противоточные теплообменные секции, например, трубчато-ребристые калориферного типа.

Каналы внутри труб зоны регенерации отделены от каналов внутри труб зоны захолаживания в направлении входящего потока газа посредством поперечной непроницаемой перегородки, при этом вход в зону регенерации организован непосредственно из внутренней полости ресивера.

В оголовке ресивера посредством поперечной непроницаемой перегородки организована приемная распределительная камера осушиваемого газа, напрямую подключенная к межтрубным каналам теплообменных секций зоны регенерации и зоны захолаживания.

Зона сепарирования организована непосредственно на выходе из зоны захолаживания.

Зона сепарирования представляет собой инерционно-насадочный сепаратор, выполненный в виде слоя стружки нержавеющей стали, уложенной на дно ресивера до соприкосновения с поверхностью нижней теплообменной секции зоны захолаживания.

Совокупность признаков, перечисленных в соответствии с независимым пунктом формулы, полностью обеспечивает получение вышеизложенного технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Признаки, изложенные в зависимых пунктах формулы, характеризуют изобретение в частных случаях, в конкретных формах выполнения.

Наличие прямой причинно-следственной связи между совокупностью признаков, перечисленных в формуле изобретения, и вышеизложенным техническим результатом доказывает существенность этих признаков.

Вышеуказанный технический результат, а также средства его достижения, сущность и преимущества изобретения подробно поясняются нижеследующим описанием и чертежами, на которых фиг.1 - схемный общий вид вихревого регенеративного осушителя, фиг.2 - улиточный сопловый вход вихревой трубы, сечение А-А фиг.1.

Вихревой регенеративный осушитель газа содержит теплообменник 1 с патрубком 2 ввода газа, предварительно очищенного от капельных фракций влаги и масла и механических примесей, с теплообменными секциями 3, 4, 5, 6 и средствами сепарирования со сборником 7 конденсата, вихревую трубу 8 с сопловым входом 9 сжатого газа, подключенным к холодной части теплообменника - патрубку 10, и с патрубком 11 вывода холодного потока, соединенным с теплообменными секциями 5 и 6.

Теплообменные секции 3, 4, 5, 6, например, трубчато-ребристые калориферного типа собраны в единый пакет и размещены внутри обечайки 12 высокого давления, в частном случае в ресивере. Теплообменные секции 3, 4, 5, 6 подсоединены друг к другу последовательно относительно направления входящего потока газа с образованием зоны регенерации 13 и зоны захолаживания 14. Зоны 13 и 14 выполнены многоходовыми, в данном примере двухходовыми с перекрестно-противоточными каналами течения газовых потоков теплоносителей. Каналы внутри труб зоны регенерации 13 отделены от каналов внутри труб зоны захолаживания 14 в направлении входящего потока газа посредством поперечной непроницаемой перегородки 15. При этом межтрубные каналы теплообменных секций обеспечивают прямолинейный проток входящего потока газа из приемной распределительной камеры 16 до сборника 7 конденсата. Приемная распределительная камера 16 организована в оголовке ресивера посредством поперечной непроницаемой перегородки 17 с обеспечением прямого подключения камеры к межтрубным каналам теплообменных секций 3, 4, 5, 6. Свободное межтрубное течение газа обеспечено смонтированной внутри ресивера 12 конструкцией теплообменных секций, содержащих трубные доски 18 и 19, стенки 20 и 21 и оболочки 22, 23' и 24. В свою очередь многоходовость течения газа в теплообменных трубах зоны 13 и зоны 14 обеспечена посредством их внутреннего разделения непроницаемыми перегородками 25 и 26.

Сборник конденсата 7 расположен на выходе зоны захолаживания 14 и представляет собой инерционно-насадочный сепаратор, например слой стружки нержавеющей стали, уложенной на полусферическое дно ресивера 12.

Вихревая труба 8, выполняющая роль генератора холода, содержит гладкую цилиндрическую трубу 27, снабженную тангенциальным сопловым входом 9 с регулируемым проходным сечением посредством клиновидной заслонки 28, улиткой 29 (фиг.2), диафрагмой с осевым отверстием 30, крестовиной 31, дросселем 32. Цилиндрическая труба 27 снабжена наружным оребрением и размещена внутри цилиндрического кожуха с теплоизолирующим слоем 33 по наружной поверхности. Внутреннее пространство между стенками вихревой трубы 8 и цилиндрического кожуха образует теплообменник самоохлаждения, соединенный через трубопровод 34 и теплообменные секции 5 и 6 зоны захолаживания 14 с выводом 35 холодного потока вихревой трубы.

Сопловый вход 9 вихревой трубы подключен трубопроводом 36 к выходу из зоны захолаживания 14 через внутреннюю полость ресивера 12 и сепаратор 7.

Работа вихревого регенеративного осушителя газа происходит следующим образом.

Газовый поток, подвергаемый осушке, предварительно очищают от капельных фракций влаги и масла, а также от механических примесей любыми известными способами и устройствами, затем направляют через патрубок 2 и приемную камеру 16 теплообменника в межтрубную полость теплообменных секций 3, 4, 5, 6. В секциях 3, 4, 5, 6 при прямолинейном течении потока по межтрубным каналам происходит конденсация паров воды и других летучих компонентов, содержащихся в газе.

Конденсацию паров, а следовательно, снижение относительной влажности газа осуществляют путем его охлаждения до температуры, равной точке росы при исходном давлении газа и заданной величине конечной абсолютной влажности. В качестве хладагента используют холодный газ, получаемый в вихревой трубе 8 и подаваемый из трубопровода 35 внутрь трубок теплообменных секций 6 и 5 зоны захолаживания 14. При этом входящий осушиваемый поток газа, обтекая трубки снаружи, окончательно захолаживается и перемещается в направлении зоны сепарирования 7. Сепарация и удаление конденсата из газового потока происходят в вышеупомянутой зоне сепарирования 7, расположенной непосредственно на выходе из зоны захолаживания 14.

Сконденсированная при движении через теплообменные секции 3, 4, 5, 6 влага уносится потоком осушиваемого газа в направлении сепаратора 7 и при прохождении слоя насадочного материала - стружки в сборнике конденсата 7, а также в результате инерционно-центробежного эффекта отделяется от основного потока газа и отводится наружу через сливной патрубок 37. Инерционно-центробежный эффект обеспечивается естественным поворотом потока газа на 180^o при обтекании внутренней поверхности полусферического дна ресивера. Эффективному отделению влаги из потока также способствует организация движения осушиваемого газа сверху вниз.

Осушенный и охлажденный газ направляется в трубки верхних теплообменных секций 3, 4, составляющих зону 13 регенерации, где, предварительно охлаждая омывающий трубки входящий основной поток газа, нагревается до температуры исходного газа и подается потребителю через патрубок 38 практически без потерь давления.

С целью повышения эффективности теплообмена в зонах 13 и 14 организовано перекрестно-противоточное движение потоков теплоносителей. В зоне 14 охлаждающий воздух - холодный поток от вихревой трубы 8 подается в трубки секции 6, затем изменяет направление движения на обратное в трубках секции 5. Аналогично этому организовано противоточное течение охлажденного потока, поступающего из зоны сепарирования и полости ресивера 12, в трубки секции 4 и секции 3. Перекрестно движению потоков-хладоагентов организовано прямолинейное течение входящего потока по межтрубным каналам упомянутых теплообменных секций 3, 4, 5, 6.

Часть холодного и полностью осушенного газа, регулируемая клиновидной заслонкой 28 (примерно 10% от его основного расхода), после прохождения зоны сепарирования 7 направляется на регулируемый сопловый вход 9 вихревой трубы, которая выполняет роль вихревого генератора холода. В камере энергетического разделения вихревой трубы происходит значительное охлаждение приосевых разреженных слоев газа и подогрев периферийных вихревых слоев (эффект Ранка). Горячий разделенный поток газа от вихревой трубы через патрубок 39 направляется на технологические нужды потребителя. В зимнее время его используют, например, для подогрева сливного патрубка и вентиля 37.

Холодный поток газа через осевое отверстие 30 диафрагмы и вывод 35 вихревой трубы, как уже выше отмечалось, поступает в теплообменные секции зоны захолаживания 14, где участвует в процессе теплообмена потоков, и затем направляется на самоохлаждение стенки вихревой трубы. Этот прием существенным образом повышает термодинамическую эффективность вихревого генератора холода. Степень захолаживания газа в вихревой трубе, а следовательно, и степень осушки газа можно регулировать как дросселем 32, так и средством регулирования площади проходного сечения (клиновидной заслонкой 28) соплового входа 9 вихревой трубы. Вышеописанное регулирование позволяет формировать интенсивный вихрь в трубе с необходимыми термодинамическими и гидравлическими характеристиками. В дальнейшем использованный для охлаждения стенки вихревой трубы газ через патрубок 40 направляется на технологические нужды потребителя. При этом подвод газа к патрубку 40 разнесен по высоте полости теплообменника самоохлаждения. В результате этого газ, охлаждающий стенки вихревой трубы, распределяется равномерно по всей полости теплообменника, что повышает эффективность охлаждения.

Описанные признаки и средства в исполнении заявляемого вихревого регенеративного осушителя обеспечивают большую его эффективность в сравнении с аналогами и прототипом. Использование для вихревой генерации холодного газа с большей степенью охлаждения и осушки позволяет более эффективно организовать термодинамический процесс энергетического разделения вихревых потоков и повысить надежность работы путем снижения вероятности образования льда в элементах вихревой трубы. При этом получается тот же результат осушки газа, что и в прототипе, но при меньших затратах сжатого газа на генерацию холода. Либо достигается большая степень осушки при тех же затратах сжатого газа на генерацию холода, что и в прототипе.

Применение регулируемого соплового входа вихревой трубы позволяет значительно расширить диапазон эффективной работы осушителя в зависимости от исходных параметров осушиваемого газа.

Более высокая надежность работы заявляемого осушителя достигается также размещением теплообменных секций внутри ресивера. В результате этого все элементы их конструкции как снаружи, так и изнутри находятся под действием одинакового давления, т.е. не нагружены силами давления сжатого газа. Отсюда обеспечивается больший ресурс и безопасность эксплуатации осушителя.

Промышленная применимость описанного осушителя доказывается необходимостью его использования в химической промышленности, машиностроении, стройиндустрии и других всевозможных отраслях деятельности, использующих в производственном процессе линии технологического сжатого воздуха. Возможность осуществления осушителя с более эффективными термодинамическими процессами вихревой генерации холода и захолаживания потока газа подтверждается полным описанием средств и приемов, с помощью которых он может быть реализован в том виде, как охарактеризован в формуле изобретения. Осуществление изобретения позволит реализовать поставленную задачу на стандартном промышленном оборудовании и с применением известных технологий и материалов. Заявляемый осушитель был изготовлен и прошел эксплуатационные испытания с положительными результатами.

Источники информации
1. Патент РФ по заявке 2000105111/06, кл. F 25 B 9/04, решение о выдаче от 04.07.2000.

2. Патент РФ 2015463, кл. F 25 B 9/02, опубл. 30.06.1994.

3. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Машиностроение, 1969, с. 145-148, рис.8.1 (прототип).

Изобретение относится к области осушки газов или воздуха охлаждением и отделением капельной влаги, осуществляемой с помощью генерации холода в вихревых трубах, и предназначено для использования на линиях подачи осушенного сжатого воздуха в различных пневмосистемах во всевозможных отраслях народного хозяйства. Осушитель содержит теплообменник с патрубком ввода газа, предварительно очищенного от капельных фракций влаги, масла и механических примесей, с теплообменными секциями и средствами сепарирования со сборником конденсата, вихревую трубу с сопловым входом сжатого газа, подключенным к холодной части теплообменника, и с патрубком вывода холодного потока, соединенным с теплообменными секциями. Использование изобретения позволит повысить эффективность работы осушителя путем увеличения степени захолаживания и осушки газа при сохранении прежних затрат его части, отбираемой на вихревую генерацию холода, а также повысить надежность работы путем предотвращения льдообразования в рабочих элементах вихревой трубы. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вихревой регенеративный осушитель, содержащий теплообменник с патрубком ввода газа, предварительно очищенного от капельных фракций влаги и масла, с теплообменными секциями и средствами сепарирования со сборником конденсата, вихревую трубу с сопловым входом сжатого газа, подключенным к холодной части теплообменника, и с патрубком вывода холодного потока, соединенным с теплообменными секциями, отличающийся тем, что теплообменные секции размещены внутри обечайки высокого давления, например, в ресивере, и подсоединены друг к другу последовательно относительно направления входящего потока газа с образованием зоны регенерации и зоны захолаживания, при этом вихревая труба снабжена теплообменником самоохлаждения, внутренняя полость которого через теплообменные секции зоны захолаживания соединена с выводом холодного потока вихревой трубы, причем подключение соплового входа вихревой трубы к холодной части теплообменника осуществлено на выходе из зоны сепарирования, размещенной за зоной захолаживания. 2. Вихревой регенеративный осушитель по п. 1, отличающийся тем, что зона регенерации и зона захолаживания представляют собой многоходовые перекрестно-противоточные теплообменные секции, например, трубчато-ребристые калориферного типа. 3. Вихревой регенеративный осушитель по п. 2, отличающийся тем, что каналы внутри труб зоны регенерации отделены от каналов внутри труб зоны захолаживания в направлении входящего потока газа посредством поперечной непроницаемой перегородки, при этом вход в зону регенерации организован непосредственно из внутренней полости ресивера. 4. Вихревой регенеративный осушитель по п. 3, отличающийся тем, что в оголовке ресивера посредством поперечной непроницаемой перегородки организована приемная распределительная камера осушиваемого газа, напрямую подключенная к межтрубным каналам теплообменных секций зоны регенерации и зоны захолаживания. 5. Вихревой регенеративный осушитель по п. 1, отличающийся тем, что зона сепарирования со сборником конденсата организована непосредственно на выходе из зоны захолаживания. 6. Вихревой регенеративный осушитель по п. 5, отличающийся тем, что зона сепарирования представляет собой инерционно-насадочный сепаратор, выполненный в виде слоя стружки нержавеющей стали, уложенной на дно ресивера до соприкосновения с поверхностью нижней теплообменной секции зоны захолаживания.