РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ОСАЖДАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ /СУСПЕНЗИЙ/ И ВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ НИХ ОСАДКОВ Российский патент 2004 года по МПК F28D21/00 

Изобретение относится к отраслям промышленности, сельского и коммунального хозяйства, использующих теплообменные аппараты для осаждающихся жидкостей, и может быть использовано на животноводческих и птицеводческих фермах в установках для переработки органических отходов методом анаэробного сбраживания навоза, помета и различных растительных остатков при приготовлении из них горючего биогаза и высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры и семян сорняков органических удобрений.

Известен кожух отрубный рекуперативный проточный теплообменника для передачи тепла от одного теплоносителя нагреваемому веществу, используемый для самых разнообразных сочетаний греющего и нагреваемого веществ без их смешивания друг с другом, что приведено в учебнике для вузов "Теплотехника" под редакцией А.П. Баскакова, Энергоиздат, 1982 г., стр. 124, рис.14.3.

Недостатком известного теплообменника является то, что он не может обеспечить выделение из теплообменивающихся разнотемпературных осаждающихся жидкостей (суспензий) их осадков.

Известен и другой рекуперативный теплообменник, осуществляющий теплообмен между разнотемпературными средами без их смешивания друг с другом, содержащий соосно установленные периферийную и центральную обечайки, каждая из которых снабжена коллекторами-патрубками для подвода и отвода поточно- или противоточно перемещаемой в переферийной обечайке нагреваемой среды (SU 787807 А, 15.12.1980).

Недостатком и этого теплообменника по SU 787807 А является то, что его использование без конструктивных изменений не позволяет обеспечить выделение из теплообменивающихся осаждающихся жидкостей (суспензий) их осадков.

Вместе с тем, по своей технической сущности и достигаемому результату рекуперативный теплообменник по техническому решению SU 787807 А наиболее близок к изобретению.

Задачей настоящего изобретения является создание такого рекуперативного теплообменника, который устранял бы приведенные выше недостатки известного теплообменника по SU 787807 А и обеспечил бы эффективное выделение из нагреваемой и греющей теплообменивающихся осаждающихся жидкостей (суспензий) их осадков.

Поставленная задача достигается тем, что в рекуперативном теплообменнике, включающем вертикально установленный резервуар, состоящий из обособленных друг от друга емкостей для греющей и нагреваемой среды, снабженных патрубками их подвода и отвода, согласно изобретению теплообменник включает, по меньшей мере, две цилиндрические по форме и разноразмерные по диаметру и длине емкости, причем внутри большей по размеру емкости установлена меньшая по размеру емкость, днища каждой из емкостей выполнены наклонными вниз со сборниками осадков внизу, причем в теплообменнике имеются греющая и нагреваемая жидкости, которые отстаиваются в теплообменнике с выделением из них осадков, удаляемых из сборников осадков приспособлениями для удаления осадков из каждой емкости.

Согласно второму пункту изобретения в рекуперативном теплообменнике установленная внутри большей по размеру емкости емкость меньшего диаметра выполнена по форме в верхней своей части в виде конуса с вверх направленной вершиной.

Согласно третьему пункту изобретения наклонные днища емкостей могут быть выполнены как в виде односторонне направленного вниз уклона, так и в виде двух встречно направленных вниз в центр уклонов или коническими с вниз направленными вершниками.

Согласно четвертому пункту изобретения в сборниках осадков каждой из емкостей теплообменника выполнены приспособления для удаления осадков через обособленные патрубки с запорной арматурой с выполнением удаляющих осадки приспособлений в виде гидравлических или механических устройств, содержащих водоструйные насадки, шнеки или лопастные скребково-цепочные конвейерные транспортеры.

На чертежах схематично приведено устройство предлагаемого рекуперативного теплообменника для осаждающихся жидкостей (суспензий) и выделения из них методом отстоя осадков.

Фиг.1 - общий вид теплообменника в разрезе со шнековыми транспортерами для удаления осадков; фиг.2 - вид по А-А на фиг.1; фиг.3 - вид по Б-Б на фиг.1; фиг.4 - вид теплообменника в разрезе с конической верхней частью внутренней малой емкости; фиг.5 - вид нижней части теплообменника в разрезе с односторонне направленными вниз днищами его емкостей; фиг.6 - вид нижней части теплообменника в разрезе с коническими днищами и водоструйными насадками для гидравлического удаления осадков; фиг.7 - вариант выполнения механического приспособления для удаления осадка в виде шнека с запорным устройством и подпружиненными клапаном; фиг.8 - вариант компоновки предложенного теплообменника в составе установки для переработки органических отходов методом анаэробного сбраживания.

Вертикально устанавливаемый рекуперативный теплообменник внешне представляет собой герметичную емкость 1 преимущественно цилиндрической формы, внутри которой установлена, по меньшей мере, еще одна емкость 2 меньшего размера по диаметру и длине, с образованием между ними равномерного зазора по всему их периметру с объемом межстенного пространства между ними, примерно равным объему емкости 2.

Каждая из емкостей 1 и 2 имеет патрубки 3 и 4 для ввода жидкостей в емкости 2 и 1 соответственно и патрубки 5 и 6 для вывода жидкостей из них после теплообмена и частичного выделения из жидкостей осадков. Соотношение диаметров емкостей 1 и 2 с диаметрами их патрубков целесообразно устанавливать не менее 15, что способствует осаждению осадков. Днища каждой из емкостей выполняются наклоненными вниз с образованием сборников осадков 7 и 8 в емкостях 2 и 1 соответственно, в которых установлены приспособления для удаления из них осадков. Выполнение наклоненных вниз днищ емкостей 1 и 2 может быть осуществлено в нескольких вариантах, включая: в виде двух встречно-направленных вниз в центр емкостей 1 и 2 наклонных плоскостей (фиг.1, 2 и 4), односторонне вниз направленной плоскости (фиг.5) и коническими с вершиной к низу (фиг.6). В приведенных вариантах выполнения наклоненных и конусных днищ емкостей 1 и 2 могут быть осуществлены разные приспособления для удаления осадков из сборников 7 и 8 как в виде смывных гидравлических устройств, так и в виде различных механических транспортеров конвейерного типа.

На чертежах в качестве средств удаления осадков из сборников 7 и 8 емкостей 2 и 1 показана возможность использования винтового транспортера конвейерного типа (шнека) 9 с приводом 10 (фиг.1, 2, 3, 4 и 5) и смывного гидравлического устройства 11 с водопроводом и задвижками 12 (фиг.6). Приспособления для удаления осадков 9 и 11 имеют запорно-регулирующие устройства в виде задвижек 13, что при их использовании позволяет осуществлять как непрерывное удаление осадков из сборников 7 и 8 в малых количествах, так и периодическое в значительных объемах, включая удаление многосуточно накопленных в сборниках 7 и 8 осадков. Также периодически при этом используются механические или гидравлические приспособления 9 и 11 с возможностью осуществлять промывку механических приспособлений 9 после выгрузки осадков чистой водой из водопровода 14 или частью жидкости после выделения из нее осадка из емкостей 1 и 2.

Установленная внутри цилиндрической емкости 1 емкость 2 может быть выполнена по своей форме конической в верхней части 15, что показано на фиг.4. Выполнение верхней части внутренней емкости 2 с обращенным вверх своей вершиной конусом 15 позволяет более эффективно использовать этот вариант выполнения теплообменника при непрерывной циркуляции греющей и нагреваемой жидкостей, при малых объемах их секундной подачи в емкости 1 и 2, что несколько нарушает эффективность осаждения осадков из текущих жидкостей.

Для сокращения теплопотерь во внешнюю среду вся поверхность по периметру емкости 1 теплообменника теплоизолируется, фрагмент 16 которой показан на фиг.2.

Установка теплообменника в вертикальное положение осуществлена на опорах 17, что показано на всех фигурах чертежей.

Направления потоков всех жидкостей и осадков в теплообменнике указаны на чертежах стрелками.

Выбор варианта выполнения и назначение режимов работы теплообменника решаются в каждом конкретном случае его применения и находятся в зависимости от вида, качества, температуры греющей и нагреваемой жидкостей, их влажности и соотношения в жидкостях до и после поступления в теплообменник всплывающих и осаждающихся органических и минеральных веществ, требуемой степени выделения осадков из греющей и нагреваемой жидкостей (суспензий).

Осуществление экспериментального использования предлагаемого теплообменника в установке для переработки органических отходов (навоз, помет, растительные и кормовые остатки), с выработкой из них при анаэробном сбраживании горючего биогаза и обеззараженных от патогенной микрофлоры, гильминтов, их яиц и семян сорняков органических удобрений определило возможность эффективного применения нескольких режимов работы теплообменника как при периодической подаче в его емкости разнотемпературных жидкостей (суспензий), так и при непрерывной их подаче на теплообмен и выделения из них осадков.

Наиболее эффективно предлагаемый теплообменник был использован в низкотемпературном режиме его работы в сочетании с совместной работой метантенка с вместимостью 200 кубометров сбраживаемой массы установки для переработки органических отходов. Греющей жидкостью, самотеком поступающей в теплообменник из метантенка, была анаэробно сброженная в метантенке масса влажностью 93-96% с температурой 32-36°С, а нагреваемой жидкостью являлась пульпа из разжиженных навоза, помета и растительных остатков (солома, сорная трава, листья и мелкие веточки - все в измельченном виде), а также из измельченных перьев кур. Влажность пульпы была 90-93% при ее температуре зимой -5-7°С и 8-13°С летом.

Ежесуточная загрузка метантенка пульпой была от 5 до 20% его объема, т.е. от 10 до 40 кубометров сутки, что соответственно обеспечивало поступление в теплообменник из метантенка также по 10-40 кубометров сброженной массы в сутки одновременно.

На нагрев поступающего в метантенк кубометра пульпы с 6°С до 34°С без использования теплообменника расходуется 117230 кДж (28000 ккал) тепла, тогда как при использовании теплообменника и нагреве пульпы теплом сброженной в метантенке нагретой массой на это необходимо почти вдвое тепла меньше. Существенен при этом и эффект от осаждения из пульпы и сброженной массы осадков. Содержащиеся в пульпе минеральные осадки, поступая в метантенк при заполнении, в метантенке оседают с образованием растущего плотного осадка, последующее удаление которого возможно только при освобождении метантенка от сбраживаемой массы и его чистке. Этими минеральными осадками в пометной пульпе являются добавляемые к корму кур мелкие гравий или ракушка. В навозной пульпе от крупного рогатого скота и свиней при их выгульном и пастбищном содержании содержатся грунт и песок, которые также интенсивно выпадают в осадок при вводе такой пульпы на сбраживание в метантенк.

При анаэробном сбраживании содержащихся в пульпе различных веществ органического происхождения имеет место неполное их сбраживание с выпадением в осадок несбраживаемой и трудосбраживаемой органики, которая не подвержена самоуплотнению и при перемешивании сбраживаемой массы в метантенке выводится из него.

Использование предлагаемого теплообменника в сочетании с метантенком позволяет устранить приведенные выше результаты эксплуатации метантенка без теплообменника и обеспечить устойчивую его длительную работу без ежегодных остановок и чисток от осадков.

Работа предлагаемого теплообменника в сочетании с метантенком осуществляется следующим образом.

Предварительно емкости 1 и 2 теплообменника заполняют соответственно нагретой в метантенке сброженной массой (возможно также и нагретой до температуры сбраживания в метантенке чистой водой) и холодной пульпой. Далее в зависимости от принятого режима работы теплообменника в сочетании с метантенком оставляют на несколько часов теплообменник без перемещения жидкостей в его емкостях 1 и 2 до выравнивания их температур. После этого и после отстоя жидкостей в емкостях 1 и 2 и осаждения из них осадков работа теплообменника может быть продолжена либо в непрерывном режиме с загрузкой суточной дозы метантенка в течение суток при малых объемах секундной подачи в емкости 1 и 2, либо суточная доза загрузки метантенка (от 5 до 40% его вместимости) может загружаться в теплообменник один или несколько раз в сутки с интервалами в 5-6 часов как минимум, что обеспечивает выравнивание температур жидкостей в емкостях 1 и 2. Подача греющей жидкости в теплообменник, каковой является нагретая в метантенке сброженная из пульпы масса, осуществляется одновременно с вводом пульпы в метантенк в равном с ней количеством и скоростью подачи. При этом подаваемая в метантенк из теплообменника несколько нагретая и отделенная от минеральных включений пульпа, вытесняя из метантенка равное количество нагретой сброженной массы, поступает в метантенк под давлением в верхнюю его часть, а вытеснение сброженной в метантенке массы осуществляется из нижней его зоны с наибольшим содержанием в сброженной массе органических осадков, состоящих из несбраживаемой и трудносбраживаемой органики. Через патрубок 4 теплообменника сброженная нагретая масса из метантенка заполняет емкость 1 теплообменника и своим теплом нагревает емкость 2 с введенной в нее свежей холодной пульпой. Оставаясь на 5-6 часов без активного перемещения, как и на больший промежуток времени с загрузкой метантенка один раз в сутки, из жидкостей (суспензий) в обоих емкостях 1 и 2 осаждается осадок в сборнике 7 и 8, а температура жидкостей становится почти равной. Удаление осадков из сборников 7 и 8 производится механическими 9 или гидравлическими 11 приспособлениями по мере накопления осадков. Охлажденная почти вдвое в теплообменнике, сброженная в метантенке масса и освобожденная от наиболее подверженных осаждению несброженных и трудосбраживаемых органических осадков подается далее в качестве проточной запорной жидкости в мокрый утепленный и неотапливаемый газгольдер, что схематично показано на фиг. 8. Такое использование теплой и освобожденной от активных осадков сброженной массы с температурой 16-16°С при мезофильном анаэробном сбраживании в метантенке (35-37°С) и с температурой 26-28°С при термофильном сбраживании в метантенке (54-56°С) позволяет исключить необходимость отопления мокрого газгольдера в зимнее время и при достаточной его теплоизоляции обеспечивать температуру жидкости в мокром газгольдере не менее 5°С в патрубке 18 при выводе ее из газгольдера.

При использовании варианта выполнения механического приспособления для удаления осадка 9 в виде шнека с запорным устройством 19 сферического типа и подпружиненным клапаном 20, что схематично показано на фиг.7, работа теплообменника может быть осуществлена в автоматическом режиме. Выгрузка осадка по этому варианту выполняется в следующей последовательности. При достаточно накопленном количестве осадков в сборниках 7 и 8, что устанавливают опытным путем и фиксируют временем, в работу включается привод 10 шнека 9 и открывается запорное устройство 19. Работающий шток 10 вытесняет осадок из сборников 7 и 8, уплотняет его и перемещает к клапану 20, пружина которого не позволяет ему быть открытым под давлением столба жидкости над ним. Перемещаемый шнеком 9 и уплотненный им осадок надавливает на клапан 20 и приоткрывает его. Через приоткрывшийся клапан 20 уплотненный осадок выдавливается шнеком 19 во вне только в уплотненном виде. В конце выгрузки осадка его плотность снижается жидкостью, что существенно уменьшает давление на клапан 20, и под воздействием пружины клапан 20 выход остатков осадка и жидкости прекращает и отверстие закрывает, включая одновременно контакт управления закрытия клапана 20 и запорного устройства 19 с отключением привода 10 шнека 9. По истечении установленного времени накопления осадков включение в работу приспособления 9 по выгрузке осадков осуществляется автоматически по заданной программе.

Предлагаемый рекуперативный теплообменник, частный случай применения которого был осуществлен в составе установки для переработки органических отходов методом анаэробного сбраживания с выработкой из них горючего биогаза и высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков органических удобрений, может быть использован во многих производственных процессах различных отраслей промышленности и коммунального хозяйства, где возникает необходимость осуществления теплообмена между осаждающимися жидкостями (суспензиями) с одновременным выделением из них осадков.

Изобретение предназначено для применения в сельском и коммунальном хозяйствах, использующих теплообменные аппараты для осаждающихся жидкостей (суспензий), а именно может быть использовано на животноводческих и птицеводческих фермах, в установках для переработки органических отходов. Рекуперативный теплообменник включает вертикально установленный резервуар, состоящий из обособленных друг от друга емкостей для греющей и нагреваемой среды, снабженных патрубками их подвода и отвода, причем рекуперативный теплообменник включает, по меньшей мере, две цилиндрические по форме и разноразмерные по диаметру и длине емкости, причем внутри большей по размеру емкости установлена меньшая по размеру емкость, днища каждой из емкостей выполнены наклонными вниз со сборниками осадков внизу, причем в теплообменнике имеются греющая и нагреваемая жидкости, которые отстаиваются в теплообменнике с выделением из них осадков, удаляемых из сборников осадков приспособлениями для удаления осадков из каждой емкости. Кроме того, установленная внутри большей по размеру емкости емкость меньшего диаметра выполнена по форме в верхней своей части в виде конуса с вверх направленной вершиной, а наклонные днища емкостей могут быть выполнены как в виде односторонне направленного вниз уклона, так и в виде двух встречно-направленных вниз в центр уклонов или коническими с вниз направленными вершниками. В сборниках осадков каждой из емкостей теплообменника выполнены приспособления для удаления осадков через обособленные патрубки с запорной арматурой с выполнением удаляющих осадки приспособлений в виде гидравлических или механических устройств, содержащих водоструйные насадки, шнеки или лопастные скребково-цепочные конвейерные транспортеры. Заявленное изобретение позволяет создать рекуперативный теплообменник, обеспечивающий эффективное выделение из нагреваемой и греющей теплообменивающихся жидкостей (суспензий) их осадков. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Рекуперативный теплообменник, который включает вертикально установленный резервуар, состоящий из обособленных друг от друга емкостей для греющей и нагреваемой сред снабженных патрубками их подвода и отвода, отличающийся тем, что теплообменник включает по меньшей мере две цилиндрические по форме и разноразмерные по диаметру и длине емкости, причем внутри большей по размеру емкости установлена меньшая по размеру емкость, днища каждой из емкостей выполнены наклонными вниз со сборниками осадков внизу, причем в теплообменник поступают греющая и нагреваемая жидкости, которые отстаиваются в теплообменнике с выделением из них осадков, удаляемых из сборников осадков приспособлениями для удаления осадков из каждой емкости.2. Рекуперативный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что установленная внутри большей по размеру емкости емкость меньшего диаметра выполнена по форме в верхней своей части в виде конуса с направленной вверх вершиной.3. Рекуперативный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что наклонные днища емкостей могут быть выполнены как в виде односторонне направленного вниз уклона, так и в виде двух встречно направленных вниз в центр уклонов или коническими с направленными вниз вершинами.4. Рекуперативный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что в сборниках осадков каждой из емкостей теплообменника выполнены приспособления для удаления осадков через обособленные патрубки с запорной арматурой с выполнением удаляющих осадки приспособлений в виде гидравлических или механических устройств, содержащих водоструйные насадки, шнеки или лопастные скребково-цепочные конвейерные транспортеры.