ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2002 года по МПК F26B11/04 F26B25/04 

Изобретение относится к тепломассообменному оборудованию, а более конкретно к вращающимся барабанам с кондуктивным либо комбинированным подводом тепла, и может быть использовано для термообработки (сушки, прокалки, охлаждения) сыпучих материалов в химической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известны тепломассообменные аппараты типа вращающихся барабанов с кондуктивным (либо комбинированным) подводом тепла, в которых материал перемещается внутри трубчатых зигзагообразных элементов, расположенных в хордовых плоскостях барабана, а их конечные участки заведены в полости загрузочной и разгрузочной камер [1]. Зигзагообразная форма каналов для перемещения материала обеспечивает высокую интенсивность перемешивания материала при полном отсутствии застойных зон, высокий коэффициент теплообмена между стенкой и материалом. Однако к аппаратам такой конструкции применяются очень жесткие требования по центровке элементов при изготовлении и монтаже, несоблюдение которых ведет к тому, что при длительных термических нагрузках эксплуатационная надежность аппаратов невелика. Кроме того, площадь поперечного сечения зигзагообразных каналов такой конструкции, определяющая производительность барабана, довольно мала - 7÷10% площади сечения барабана.

Известен тепломассообменный аппарат [2] для термообработки сыпучих материалов, содержащий вращающийся барабан с обечайкой внутри и зигзагообразные элементы, образующие каналы для перемещения материала, расположенные вдоль барабана и подключенные своими конечными участками соответственно к загрузочной и разгрузочной камерам, при этом зигзагообразные элементы выполнены в виде пластин, установленных перпендикулярно к поверхности барабана.

Данная конструкция не только не требует точной центровки при изготовлении, но и обладает высокой эксплуатационной надежностью, температурные расширения компенсируются в ней свойством "гармошки" зигзагообразных элементов, соединяющихся с обечайкой только точечной сверкой вершинами зигов через один. Кроме того, данный аппарат имеет большую производительность, чем [1] при прочих равных условиях (габариты, угол наклона оси барабана, частота его вращения), т. к. площадь поперечного сечения зигзагообразных каналов обычно составляет 20-40% от сечения барабана.

Однако эта конструкция имеет существенный недостаток. Зигзагообразные элементы, выполненные в виде согнутых пластин, установленных перпендикулярно к поверхности барабана, соприкасаются с поверхностью барабана только в нескольких точках каждой плоскости пластины (см. фиг.5 [2]). При этом между зигзагообразным элементом и поверхностью обечаек образуются щели, т.е. каналы являются сообщающимися по материалу.

Величина щели зависит от размеров канала и кривизны обечайки, т.е. диаметра барабана. Для барабанов больших диаметров (Д=2,5÷3,5 м) размер щели, переменный по длине от нуля до какого-то максимального значения, довольно мал и не превышает 3-5% величины сечения кольцевого пространства. При этом щели оказывают положительное влияние на тепломассообмен в аппарате за счет дополнительного потока материала из канала в канал.

Для барабанов меньших диаметров, имеющих большую кривизну поверхности, величина щели становится достаточно большой. Так для стандартного барабана с Д=1,2 м, шириной кольцевого пространства (Н), в котором расположены зигзагообразные элементы, 200 мм и соотношением длины (L) и ширины канала L/Н=3, максимальный размер щели равен 25 мм, что составляет уже 20% от величины сечения. При этом сыпучий материал, особенно тонко дисперсный, через щели полностью высыпается из верхних каналов в нижние, и более половины каналов остаются пустыми. Это приводит к резкому ухудшению тепломассообмена за счет снижения качества перемешивания (коэффициент заполнения нижних каналов более 70%), уменьшения рабочей поверхности теплообмена, а следовательно, и коэффициента теплообмена между стенкой и материалом (см. фиг.1).

Кроме того, при наличии щелей между каналами аппараты с зигзагообразными элементами полностью теряют свои преимущества в процессах обработки сыпучих материалов газовыми средами. Как известно [3, 4], трубчатые конструкции зигзагообразных элементов, не сообщающихся между собой, отличаются минимальным расходом газовых реагентов на единицу массы твердого материала. В сообщающихся каналах уже не может создаваться гидравлический затвор, а следовательно, и пульсирующее давление газовой среды, интенсифицирующее массообмен. А при пропускании газа через неравномерно заполненные каналы газ практически весь проходит через пустые или мало заполненные каналы верхней половины барабана ввиду их меньшего сопротивления.

Целью изобретения является повышение интенсивности тепломассообмена за счет улучшения смешения как в системе твердое - твердое, так и в системе газ - твердое, увеличения коэффициента теплообмена при высокой производительности и эксплуатационной надежности аппарата, а также при минимальном расходе газообразных реагентов.

Цель достигается тем, что тепломассообменный аппарат для термообработки сыпучих материалов, содержащий вращающийся барабан с обечайками внутри и зигзагообразные элементы, образующие в кольцевом пространстве между обечайками каналы для перемещения материала, расположенные вдоль барабана и подключенные своими конечными участками соответственно к загрузочной и разгрузочной камерам, причем зигзагообразные элементы выполнены в виде прилегающих к поверхности обечаек выпукло-вогнутых поверхностей, состоящих из совокупности равнобедренных треугольников, основания которых попеременно присоединены к наружной и внутренней обечайкам, образующим стенки канала. При этом смежные треугольники наклонены к поверхности обечаек под различными углами α₁ и α₂, а сгибы зигзагообразных элементов (меняющие направление канала) совмещены с высотами ряда треугольников.

Такая конструкция зигзагообразных элементов в отличие от плоских прямоугольных поверхностей, соединенных под определенным углом [2], позволяет свести к минимуму наличие щелей при любой кривизне обечаек и любом соотношении длины и ширины канала (чем больше величина L и Н, тем больше размер щелей по конструкции прототипа). При этом сохраняется свойство зигзагообразных элементов как "гармошки", т.е. возможность компенсировать температурные расширения выпукло-вогнутых поверхностей изменением углов наклонов треугольников к поверхностям обечаек.

Количество равнобедренных треугольников на длине между сгибами зигзагообразных элементов выбирается эмпирически, так чтоб их укладывалось на этой длине целое число, а форма была бы близкой (для простоты подгонки) к равностороннему. При этом, чем больше заданное соотношение длины и ширины канала (оно определяется свойствами материала и необходимостью наличия гидрозатвора) и больше кривизна обечаек, тем количество треугольников должно быть больше.

Техника изготовления данной конструкции следующая. На готовой внутренней обечайке делается разметка расположения на ней зигзагообразных элементов. Далее привариваются к ней все треугольники, нижние основания которых примыкают к внутренней обечайке. При этом сгибы зигзагообразных элементов располагают по высотам треугольников. Затем образовавшиеся пустые пространства заваривают треугольниками, вершины которых примыкают к внутренней обечайке, а основания - к наружной. Затем полученную кривую, состоящую из ломаных линий, выравнивают и полученную конструкцию покрывают наружной обечайкой, которую приваривают по торцу. Величина щелей при этом незначительна и определяется качеством выполнения работ.

Трехмерная форма расположения поверхностей отвергает простейшее, на первый взгляд, решение по ликвидации щелей в конструкции [2] - использование плоских пластин частично-кольцевой (по сечению эллипса) формы:
Угол наклона треугольника к поверхности обечаек (α) теоретически может быть в пределах 0÷90^o. Однако практически он отклоняется от 90^o на угол не более ±18^o и зависит от кривизны барабана, отношения длины элемента к его ширине (L/Н) и числа треугольников на длине одного зигзагообразного элемента.

Минимальный угол наклона α = 72^° получается при граничных условиях: отношение длины канала к ширине равно 6,5 (эта величина максимальная из целесообразных [5]) и диаметр внутренней обечайки стремится к нулю (вариант использования только внешней поверхности теплообмена). Угол замерен на конструкции модели, теоретически его рассчитать затруднительно.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается изменением конструкций одной из основных позиций аппарата - зигзагообразных элементов, определяющих характер передвижения материала в аппарате, а следовательно, и его тепломассообменные характеристики. Они выполняются не в виде плоских пластин, установленных перпендикулярно к поверхности барабана, а в виде трехмерных поверхностей, состоящих из совокупности треугольников, наклоненных к поверхности обечаек под различными углами. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что использование аппроксимации криволинейных фигур многоугольниками и наоборот известно [6] . Однако в данном техническом решении замена плоских перпендикулярных пластин на трехмерные поверхности с определенными характеристиками позволяет при сохранении всех положительных качеств прототипа получить новое свойство - ликвидировать щели, тем самым значительно улучшить тепломассообменные характеристики в целом ряде областей использования аппарата (малотоннажные производства - аппараты с большой кривизной обечаек, аппараты для процессов с газовыми средами - активация, окисление - восстановление и т. д.). Таким образом, заявляемое устройство позволяет реализовать все положительные свойства обеих конструкций зигзагообразных элементов - трубчатой [1] и кольцевой [2].

На фиг.1 схематично изображено расположение материала в поперечном сечении аппарата с большой кривизной обечаек по заявляемому решению (а) и по прототипу (б); на фиг.2 - схема тепломассообменного аппарата, продольный разрез, фиг. 3 - то же, поперечный разрез; на фиг.4 - развертка внутренней обечайки с разметкой расположения зигзагообразных элементов; на фиг.5 - расположение зигзагообразных элементов в кольцевом пространстве.

Тепломассообменный аппарат содержит вращающийся барабан 1 с зигзагообразными каналами 2 для перемещения материала, образованными в кольцевом пространстве между внешней 3 и внутренней 4 обечайками. Каналы 2 расположены между каждыми двумя соседними зигзагообразными элементами 5 и соединены своими конечными участками соответственно с загрузочной 6 и разгрузочной 7 камерами. Зигзагообразные элементы 5 представляют собой выпукло-вогнутые поверхности, состоящие из совокупности треугольников 8, 9 двух видов, основания которых присоединены попеременно к внутренней 8 и наружной 9 обечайкам 3 и 4. Сгибы 10 зигзагообразных элементов совпадают с высотами ряда треугольников. Треугольники 9, 8 наклонены к поверхности обечаек под различными углами.

Тепломассообменный аппарат работает следующим образом.

Материал подается в загрузочную камеру 6 и далее за счет вращения и наклона барабана 1 перемещается по зигзагообразным каналам 2 вдоль поверхностей обечаек 3 и 4 и зигзагообразных элементов 5, интенсивно перемешиваясь, особенно в местах сгибов 10 как в осевом, так и радиальном направлениях. Благодаря плотному прилеганию поверхностей зигзагообразных элементов 5, состоящих из совокупности треугольников 8, 9, к поверхностям обечаек массообмен между каналами (в том числе и газообмен) сведен к минимуму, и материал равномерно распределен по всем каналам 2 в поперечном сечении барабана 1 (см. фиг.1б).

Противотоком либо прямотоком к материалу подается теплоноситель, передающий тепло через стенку обечайки 4 либо обеих обечаек 3, 4. При этом в конструкции происходят значительные температурные расширения, компенсируемые углами наклона треугольников 8, 9 к поверхности обечаек 3, 4.

Внутрь каналов 2 может подаваться газообразный реагент (Н₂O, СО₂, Cl₂, H₂ и т. д. ). Благодаря равномерному распределению материала по каналам и интенсивному перемешиванию в системе газ - твердое (для газа нет прямолинейных траекторий, каждый сгиб 10 - место интенсивного массообмена) эффективность его использования очень высока.

На представленных фотографиях изображен тепломассообменный аппарат для прокалки железоокисного пигмента, в торце которого видна конструкция зигзагообразных элементов.

Источники информации
1. Патент РФ 1081406 "Тепломассообменный аппарат", кл. F 26 В 11/04, 1982.

2. Патент РФ 1515864 "Тепломассообменный аппарат", кл. F 26 В 11/04, 1987.

3. Патент РФ 2051097 "Способ активации карбонизированных материалов", кл. С 01 B 31/10, С 23 С 8/00.

4. Патент РФ 1777315 "Способ прокалки гидрокарбонатов магния и барабанная печь для его осуществления".

5. Дисс. канд. техн.наук Сысков С.Л. Закономерности движения дисперсных материалов и теплопереноса во вращающихся аппаратах с зигзагообразными каналами. Екатеринбург, 1991.

6. М. Я. Выгодский. Справочник по элементарной математике. М.: Наука, 1978, с.210-240.

Изобретение предназначено для применения в тепломассообменном оборудовании, в частности во вращающихся барабанах с кондуктивным либо конвективно-кондуктивным подводом тепла для переработки сыпучих материалов. Изобретение содержит барабан с обечайками внутри, в кольцевом пространстве между которыми располагаются зигзагообразные элементы, образующие каналы для перемещения материала, расположенные вдоль барабана и подключенные своими конечными участками к загрузочной и разгрузочной камерам. При этом зигзагообразные элементы выполнены в виде прилегающих к поверхности обечаек выпукло-вогнутых поверхностей, состоящих из совокупности треугольников, основания которых попеременно присоединены к наружной и внутренней обечайкам, образующим стенки канала. Треугольники наклонены к поверхности обечаек под различными углами, а сгибы зигзагообразного элемента совмещены с высотами ряда треугольников. Изобретение позволяет повысить интенсивность теплообмена. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Теплообменный аппарат для термообработки сыпучих материалов, содержащий вращающийся барабан с обечайками внутри, и зигзагообразные элементы, образующие в кольцевом пространстве между обечайками каналы для перемещения материала, расположенные вдоль барабана и подключенные своими конечными участками соответственно к загрузочной и разгрузочной камерам, отличающийся тем, что зигзагообразные элементы выполнены в виде прилегающих к поверхности обечаек выпукло-вогнутых поверхностей, состоящих из совокупности треугольников, основания которых попеременно присоединены к наружной и внутренней обечайкам, образующим стенки канала. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что треугольники наклонены к поверхности обечаек под различными углами, а сгибы зигзагообразного элемента совмещены с высотами ряда треугольников.