ТЕПЛООБМЕННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2007 года по МПК F28C3/06 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для нагрева воды (или другой жидкости) паром или перегретой водой при их непосредственном контакте. В частности, установка может быть использована для получения горячей воды или химического раствора при осуществлении работ по очистке земель и канализационных систем, загрязненных проливами нефтепродуктов. Кроме того, при необходимости увеличения нагревом скорости химических реакций рабочего раствора, он также может быть пропущен через предлагаемую установку.

Изобретение может быть использовано в других отраслях техники, где требуется осуществить высокоэффективный контакт пара или газа с жидкостью.

Эффективность теплообменных аппаратов находится в прямой зависимости от степени развития поверхности контакта, которая, в свою очередь, определяется степенью дробления жидкости. Однако с увеличением степени дробления возрастает расход энергии на дробление и, следовательно, затраты на осуществление процесса тепломассопереноса. Таким образом, налицо противоречивая задача при проектировании аппаратов этого типа: достижение максимального развития поверхности контакта пара и жидкости при минимальных энергетических затратах.

Известен тепломассообменный аппарат, который имеет цилиндрический корпус с торцевыми крышками, тангенциальные патрубки подвода холодной жидкости и греющей среды и тангенциальный патрубок отвода нагретой жидкости. Кинетическая энергия потока воды и пара (перегретой греющей воды) складываются. Это позволяет частично восстановить давление воды на выходе из аппарата, несмотря на то, что в центре корпуса находится граница раздела вращающихся потоков сред (воды и пара) и зона пониженного давления (SU 1134842 A, B22D 1/28, 1985).

Недостатком известного аппарата является то, что пар, выходя из сопел, попадает в пространство большого объема, наполненное водой, и мгновенно конденсируется, не создавая местного перегрева небольшого объема воды до температуры, значительно превышающей среднее значение температуры воды на выходе из аппарата, при этом не происходит образования достаточного количества гомогенной двухфазной смеси воды с паром.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является теплообменная установка для тепловой обработки жидкости, содержащая полый закрытый вертикальный цилиндрический корпус, связанный с подводящими жидкость и пар трубопроводами, боковой входной патрубок, установленный с возможностью подачи нагреваемой жидкости тангенциально относительно стенок корпуса, выходной патрубок отвода нагретой жидкости из корпуса, осевой входной патрубок подачи пара, соединенный с соосно установленной внутри корпуса паровой трубой, имеющей щели, снабженные турбулизирующими элементами для улучшения контакта пара с жидкостью, выполненными в виде тангенциальных направляющих. Тангенциальные направляющие позволяют пару охватить струи жидкости со всех сторон и лучше прогреть их (SU 1183777 A, F24H 1/10, 1985).

Недостатком данного аппарата является недостаточная поверхность контакта жидкости и пара, малая продолжительность их контакта.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности устройства за счет достижения максимального развития поверхности контакта пара и жидкости при минимальных энергетических затратах, а также регулирование состава и давления смеси жидкости и пара на выходе из установки для использования как теплового импульса горячего пара, так и механического импульса выходящей горячей воды.

Указанная задача решена за счет того, что в установке для тепловой обработки жидкости, содержащей полый закрытый вертикальный цилиндрический корпус, связанный с подводящими жидкость и пар трубопроводами, боковой входной патрубок, установленный с возможностью подачи нагреваемой жидкости тангенциально относительно стенок корпуса, выходной патрубок отвода нагретой жидкости из корпуса и осевой входной патрубок подачи пара, соединенный с соосно установленной внутри корпуса паровой трубой, имеющей щели, снабженные тангенциальными направляющими ввода пара в полость корпуса, согласно предлагаемому изобретению боковой входной патрубок для подачи нагреваемой жидкости размещен в нижней части корпуса, выходной патрубок - в верхней части корпуса, при этом паровая труба выполнена перфорированной, установлена с размещением ее торца вблизи дна корпуса и заглушена на нижнем конце, а тангенциальные направляющие выполнены в виде криволинейных пластин.

Для обеспечения улучшения работы установки за счет объемного нагрева жидкости отверстия перфорации паровой трубы имеют диаметр и плотность их размещения, увеличивающиеся по направлению к нижней части трубы. Кроме того, щели с тангенциальными направляющими размещены на паровой трубе ярусами, при этом нижний из ярусов расположен на заглушенном конце паровой трубы в зоне подачи нагреваемой жидкости.

Для регулирования подачи нагреваемой жидкости и пара установка снабжена вентилями, установленными на входных патрубках.

Используемый в предлагаемом изобретении принцип тепломассообмена между паром и жидкостью при их непосредственном контакте заключается в дроблении потока жидкости на струи и смешивании образующихся струй с потоком горячего пара, при этом пар конденсируется на поверхности струй, нагревая их.

Схема предлагаемой установки приведена на чертеже.

Внутри закрытого полого корпуса 1, имеющего боковой входной патрубок 2, выходной патрубок 3 отвода нагретой жидкости из корпуса и осевой входной патрубок 4 подачи пара, соосно установлена паровая труба 5. Паровая труба 5 имеет средства для тангенциального ввода пара в полость корпуса в виде щелей, снабженные тангенциальными направляющими 6, выполненными в виде криволинейных, например, изогнутых по дуге пластин. Паровая труба 5 установлена с размещением ее торца вблизи дна корпуса 1 и заглушена на нижнем конце. Щели с тангенциальными направляющими 6 расположены на трубе ярусами, при этом нижний из них размещен на заглушенном конце трубы. Отверстия 7 перфорации паровой трубы имеют диаметр и плотность их размещения, увеличивающиеся по направлению к нижней части трубы. На входном патрубке 2 подачи нагреваемой жидкости и входном патрубке 4 подачи пара установлены вентили 8 и 9 соответственно.

Работа установки для нагрева воды осуществляется следующим образом.

Нагреваемая вода подается внутрь корпуса 1 через тангенциальный патрубок 2, расположенный в нижней части стенки корпуса 1. Вода приобретает вращательное движение и заполняет весь объем корпуса 1. Пар по паропроводу подается в корпус через паровую трубу 5. Проходя через отверстия 7, пар врезается во вращающийся поток воды. Тангенциальные направляющие 6 дополнительно закручивают поток выходящего из трубы пара в направлении, совпадающем с направлением вращения нагреваемой воды. При столкновении пара с водой он передает ей свою кинетическую энергию. Вода начинает вращаться с большей скоростью. Пар смешивается с водой и происходит образование гомогенной двухфазной смеси. Возникает «горячий смерч» единого направления вращения. Для получения объемного нагрева отверстия в верхней части трубы выполняют меньшего диаметра - 2 мм с постепенным его увеличением в направлении нижней части паровой трубы до 5 мм. При этом шаг отверстий, как вдоль образующей трубы, так и по ее окружности, наоборот, увеличивается в направлении снизу-вверх.

Манипулируя с помощью вентилей 8 и 9 количеством подаваемой холодной воды и пара, можно добиться на выходе из установки желаемой комбинации количеств пара и воды в горячей смеси, а также величины давления смеси. Так, например, при максимальном выходе пара можно получить тепловой импульс, например, для расплавления парафина, а при максимальном давлении выходящей воды обеспечить механический импульс, например, для последующего размыва расплавленного парафина горячей водой. Таким образом, с помощью незначительной регулировки установки можно осуществить поэтапную очистку от парафиновых отложений.

При подаче в корпус установки химического раствора можно осуществить его нагрев паром для увеличения скорости прохождения химических реакций.

Время выхода установки на рабочий режим «холодная вода на входе - проточный кипяток на выходе» составляет 55-70 секунд. Установка объемом 50 литров обеспечивает бесперебойную работу даже в 16-ти градусный мороз, нагревая 3 кубометра воды в час.

Установка представляет собой легкий, компактный переносной агрегат, неприхотливый к составу нагреваемой жидкости, она исправно работает с любой загрязненной водой (химраствором). Отсутствие вращающихся деталей обеспечивает ее высокую надежность и отсутствие эксплуатационного обслуживания. Верхнее расположение выходного патрубка нагретой жидкости позволяет размещать установку при работе прямо па земле или любой другой поверхности.

Установка может быть использована для нагрева воды (или другой жидкости) паром или перегретой водой при их непосредственном контакте, а также в качестве кинетического насоса (инжектора), например, для подачи жидкости без использования механического насоса или для повышения давления жидкости за счет использования кинетической энергии теплоносителя (пара). Задачей изобретения является повышение эффективности устройства за счет достижения максимального развития поверхности контакта пара и жидкости при минимальных энергетических затратах. Для решения поставленной задачи предложена установка для тепловой обработки жидкости, содержащая полый закрытый вертикальный цилиндрический корпус, связанный с подводящими жидкость и пар трубопроводами, боковой входной патрубок, установленный с возможностью подачи нагреваемой жидкости тангенциально относительно стенок корпуса, выходной патрубок отвода нагретой жидкости из корпуса, осевой входной патрубок подачи пара, соединенный с соосно установленной внутри корпуса паровой трубой, имеющей щели, снабженные тангенциальными направляющими ввода пара в полость корпуса. Боковой входной патрубок для подачи нагреваемой жидкости размещен в нижней части корпуса, выходной патрубок - в верхней части корпуса, при этом паровая труба выполнена перфорированной, установлена с размещением ее торца вблизи дна корпуса и заглушена на нижнем конце, а тангенциальные направляющие выполнены в виде криволинейных пластин. Отверстия перфорации паровой трубы имеют диаметр и плотность их размещения, увеличивающиеся по направлению к нижней части трубы. Щели с тангенциальными направляющими размещены на паровой трубе ярусами, при этом нижний из ярусов расположен на заглушенном конце паровой трубы в зоне подачи нагреваемой жидкости. Установка может быть снабжена вентилями, установленными на входных патрубках, для регулирования подачи нагреваемой жидкости и пара. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для тепловой обработки жидкости, содержащая полый закрытый вертикальный цилиндрический корпус, связанный с подводящими жидкость и пар трубопроводами, боковой входной патрубок, установленный с возможностью подачи нагреваемой жидкости тангенциально относительно стенок корпуса, выходной патрубок отвода нагретой жидкости из корпуса, осевой входной патрубок подачи пара, соединенный с соосно установленной внутри корпуса паровой трубой, имеющей щели, снабженные тангенциальными направляющими ввода пара в полость корпуса, отличающаяся тем, что боковой входной патрубок для подачи нагреваемой жидкости размещен в нижней части корпуса, выходной патрубок - в верхней части корпуса, при этом паровая труба выполнена перфорированной, установлена с размещением ее торца вблизи дна корпуса и заглушена на нижнем конце, а тангенциальные направляющие выполнены в виде криволинейных пластин.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что отверстия перфорации паровой трубы имеют диаметр и плотность их размещения, увеличивающиеся по направлению к нижней части трубы.3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что щели с тангенциальными направляющими размещены на паровой трубе ярусами, при этом нижний из ярусов расположен на заглушенном конце паровой трубы в зоне подачи нагреваемой жидкости.4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена вентилями, установленными на входных патрубках, для регулирования подачи нагреваемой жидкости и пара.