КОНТАКТНО-ВИХРЕВОЙ АППАРАТ Российский патент 2008 года по МПК F28C3/00 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплоэнергетической, химической, нефтехимической и пищевой промышленности в качестве контактного теплообменника или центробежно-вихревого деаэратора.

Известен принимаемый в качестве ближайшего аналога контактно-вихревой аппарат, предназначенный для взаимодействия двух сред с различающимися плотностями, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с тангенциальными патрубками в верхней части для подвода более плотной среды, окружающую корпус кольцевую камеру для подвода менее плотной среды и систему равномерно распределенных по стенке корпуса в пределах камеры сопел для формирования вихревого движения менее плотной среды [1].

Наиболее предпочтительным для организации теплообмена греющей и нагреваемых сред является использование тангенциальных сопел. Согласно [1] используются близкие к ним «скошенные» сопла, ориентируемые в направлении вращения потока среды. В этом случае впрыскиваемый в нагреваемую среду теплоноситель может не только не оказывать гидравлического сопротивления вращающемуся потоку, но и сообщать ему дополнительную кинетическую энергию, а его струям - обеспечивать прохождение большего пути внутри нагреваемого слоя потока, что способствует интенсификации теплообмена. Такие сопла выполняются обычно либо непосредственно в корпусе, либо в виде цилиндрических вставок, входящих внутрь этого корпуса. При этом для формирования струй в заданном направлении канал сопла должен иметь длину, близкую к диаметру входного отверстия. Выполнение сопла с такой длиной канала в толще корпуса сложно в изготовлении, приводит к неоправданному увеличению толщины корпуса и затрудняет обработку поверхности канала сопла. Сопла, представляющие собой вставки внутрь корпуса, создают гидравлическое сопротивление для раскручиваемого потока и оставляют пристенный слой, не смешиваемый с греющей средой. Кроме того, выполненные в корпусе «скошенные» сопла имеют на входах острые кромки, что создает дополнительное гидравлическое сопротивление для входящего в них потока. Если в качестве менее плотной подмешиваемой среды используются пар или газ, то при достаточно больших скоростях их истечения из сопел в последних генерируются акустические колебания, создающие сильный шум, негативно воздействующий на обслуживающий персонал.

Достигаемым результатом изобретения является активизация процесса смешения вращающихся сред, снижение гидравлического сопротивления при их движении и уменьшение уровня шума.

Указанный результат обеспечивается тем, что в контактно-вихревом аппарате, предназначенном для взаимодействия двух сред с различающимися плотностями и содержащем вертикальный цилиндрический корпус с тангенциальными патрубками в верхней части для подвода более плотной среды, окружающую корпус кольцевую камеру для подвода менее плотной среды и систему равномерно распределенных по стенке корпуса в пределах камеры сопел для формирования вихревого движения менее плотной среды, согласно изобретению часть корпуса в пределах указанной кольцевой камеры выполнена в виде расположенных по его окружности с одинаковым шагом вертикальных штырей и насаженных на каждые два соседних свободных штыря, по меньшей мере, в один ряд одинаковых плоских сегментов, имеющих профилированные боковые стенки и образующих в сборе сопла требуемой конфигурации между смежными сегментами одного ряда. При этом в смежных рядах сегменты должны быть расположены со сдвигом на полшага.

Профилированные сегменты при простоте сборки обеспечивают возможность реализации сопел в виде криволинейных каналов, сопрягающих радиальное входное отверстие каждого сопла с выходным отверстием, ориентированным по направлению, близкому к тангенциальному в сторону вращения подаваемого через сопла потока. В результате струя потока менее плотной среды (теплоносителя) при прохождении через такое сопло плавно, без турбулентных завихрений, отклоняется в направлении, близком к тангенциальному. Это особенно важно при подаче в качестве менее плотной среды пара или газа, которые при достаточно больших скоростях в предлагаемой конструкции не генерируют акустические колебания и тем самым не создают заметного шумового эффекта. Кроме того, при сборке сопловой системы аппарата из профилированных сегментов появляется возможность максимального приближения к тангенциальному направлению движения струй, истекающих из сопел, что обеспечивает интенсификацию смешение сред во всем их объеме. Это также интенсифицирует процессы теплообмена и деаэрации нагреваемой среды.

Описанное техническое решение несмотря на достаточно сложную геометрию сопел позволяет изготовлять их относительно простым способом. Вся конструкция в целом является сборно-разборной, что повышает ее ремонтопригодность. При необходимости можно уменьшать или увеличивать количество рядов сопел, изменяя их общую площадь, и тем самым, перестраивать тепловую производительность установки.

На фиг.1 изображен контактно-вихревой аппарат (деаэратор) согласно изобретению в продольном разрезе; на фиг.2 - вид по стрелке А на собранную из плоских сегментов часть корпуса (при снятой герметизирующей втулке).

Контактно-вихревой аппарат для взаимодействия двух сред с различающимися плотностями согласно изобретению содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 (фиг.1) с тангенциальными патрубками 2 в верхней части для подвода более плотной среды (например, воды), окружающую корпус кольцевую камеру 3 для подвода в качестве теплоносителя менее плотной среды (например, пара или конденсата) с радиальным патрубком 4 и систему равномерно распределенных по стенке корпуса 1 в пределах камеры 3 сопел 5 (фиг.1 и 2). Сопла 5 служат для теплообмена, смешения потоков и усиления вихревого движения более плотного потока. Часть корпуса 1 в пределах указанной кольцевой камеры 3 выполнена в виде вертикальных штырей 6, расположенных по окружности корпуса 1 с одинаковым шагом S, и насаженных на каждые два соседних свободных штыря 6 нескольких (в данном случае девяти) рядов одинаковых плоских сегментов 7, имеющих профилированные боковые стенки и образующих в сборе сопла 5 требуемой конфигурации между смежными сегментами 7 одного ряда. В смежных рядах сегменты 7 расположены со сдвигом на полшага S/2. Втулка 8 служит для герметизации стыка между сплошной и собранной из сегментов 7 частями корпуса 1. Поддон 9, выполненный в виде круглого диска, служит для приема нагретой воды и подачи ее по периферии через щели 10 между поддоном 9 и нижним торцом корпуса 1 в выпарной отсек 11, имеющий тангенциальные патрубки 12 для отвода нагретой деаэрированной воды. По оси корпуса 1 установлена соединенная с выпарным отсеком 11 выпарная труба 13.

Контактно-вихревой аппарат согласно изобретению работает следующим образом. Исходная жидкость по тангенциальным патрубкам 2 подается в верхнюю часть цилиндрического корпуса 1. При отсутствии противодавления на выходе из аппарата вращающийся жидкостной цилиндрический слой прижат центробежной силой к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 и стекает по ней под действием силы тяжести. При наличии противодавления вращающийся поток жидкости будет не кольцевым, а сплошным, занимая все сечение цилиндра. Через радиально расположенный относительно оси аппарата патрубок 4 в камеру 3 подается среда с меньшей, чем у вращающейся в корпусе жидкости плотностью. Через систему сопел 5, ориентированных в направлении вращения жидкости, греющая среда (например, водяной пар или конденсат) из кольцевой камеры 3, разбиваясь на струйки, попадает внутрь корпуса 1, где смешивается с нагреваемой жидкостью (например, водой). Под действием архимедовой силы менее плотная греющая среда выталкивается к оси вращения, обеспечивая контактный теплообмен во всем объеме цилиндрического слоя нагреваемой среды. В варианте деаэратора (аппарат без противодавления) внутренняя часть корпуса 1, где происходит нагрев жидкостного слоя (воды) греющей средой (паром или конденсатом), отделена от выпарного отсека 11. Это разделение осуществляется за счет гидрозатвора, создаваемого стекающим вниз цилиндрическим слоем воды при задержке ее круглым поддоном 9. Вода, продолжая свое вращение, разбрызгивается по касательным к траектории вращения направлениям через щель 10, которую образует поддон 9 с нижним открытым торцем цилиндрического корпуса 1. Далее струи воды попадают на цилиндрическую поверхность большего радиуса, представляющую собой внутреннюю поверхность выпарного отсека 11. Нагретая вода, продолжая свое вращение уже без поступления греющей среды, стекает к выходным тангенциальным патрубкам 12. При этом выпар отдается во внутреннее, не заполненное водой пространство цилиндрического корпуса 1. Для удаления выпара используется центральная выпарная труба 13.

Данный аппарат также может использоваться как теплообменник, не выполняя функцию деаэрации. В этом случае выпарная труба 13 не требуется. При наличии противодавления в корпусе 1 имеет место вращение не жидкостного цилиндрического слоя, а сплошного жидкостного цилиндра, и аппарат может выполнять только функцию теплообменника.

На фиг.1 изображен контактно-вихревой аппарат (деаэратор) согласно изобретению в продольном разрезе; на фиг.2 - вид по стрелке А на собранную из плоских сегментов часть корпуса.

Контактно-вихревой аппарат для взаимодействия двух сред с различающимися плотностями согласно изобретению содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 (фиг.1) с тангенциальными патрубками 2 в верхней части для подвода более плотной среды (например, воды), окружающую корпус кольцевую камеру 3 для подвода менее плотной среды (например, пара или конденсата) с радиальным патрубком 4 и систему равномерно распределенных по стенке корпуса 1 в пределах камеры 3 сопел 5 (фиг.1 и 2). Сопла служат для теплообмена, смешения потоков и усиления вихревого движения более плотного потока. Часть корпуса 1 в пределах указанной кольцевой камеры 3 выполнена в виде вертикальных штырей 6, расположенных по окружности корпуса 1 с одинаковым шагом S, и насаженных на каждые два соседних свободных штыря 6 девяти рядов одинаковых плоских сегментов 7, имеющих профилированные боковые стенки и образующих в сборе сопла 5 требуемой конфигурации между смежными сегментами 7 одного ряда. В смежных рядах сегменты 7 расположены со сдвигом на один шаг S/2. Втулка 8 служит для герметизации стыка между сплошной и собранной из сегментов 7 частями корпуса 1. Поддон 9, выполненный в виде круглого диска, служит для приема нагретой воды и подачи ее по периферии через щели 10 между поддоном 9 и нижним торцем корпуса 1 в выпарной отсек 11, имеющий тангенциальные патрубки 12 для отвода нагретой деаэрированной воды. По оси корпуса 1 установлена соединенная с выпарным отсеком 11 выпарная труба 13.

Контактно-вихревой аппарат согласно изобретению работает следующим образом. Исходная жидкость по тангенциальным патрубкам 2 подается в верхнюю часть цилиндрического корпуса 1. При отсутствии противодавления на выходе из аппарата вращающийся жидкостной цилиндрический слой прижат центробежной силой к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 и стекает по ней под действием силы тяжести. При наличии противодавления вращающийся поток жидкости будет не кольцевым, а сплошным, занимая все сечение цилиндра. Через радиально расположенный относительно оси аппарата патрубок 4 в камеру 3 подается среда с меньшей, чем у вращающейся в корпусе жидкости плотностью. Через систему сопел 5, ориентированных в направлении вращения жидкости, греющая среда (например, водяной пар или конденсат) из кольцевой камеры 3, разбиваясь на струйки, попадает внутрь корпуса 1, где смешивается с нагреваемой жидкостью (например, водой). Под действием архимедовой силы менее плотная греющая среда выталкивается к оси вращения, обеспечивая контактный теплообмен во всем объеме цилиндрического слоя нагреваемой среды. В варианте деаэратора (аппарат без противодавления) внутренняя часть корпуса 1, где происходит нагрев жидкостного слоя (воды) греющей средой (паром или конденсатом), внутренняя полость корпуса 1 отделена от выпарного отсека 11 за счет гидрозатвора, создаваемого стекающим вниз цилиндрическим слоем воды при задержке ее поддоном 9. Вода, продолжая свое вращение, разбрызгивается по касательным к траектории вращения направлениям через щель 10, которую образует поддон 9 с нижним открытым торцом цилиндрического корпуса 1. Далее струи воды попадают на цилиндрическую поверхность большего радиуса, представляющую собой внутреннюю поверхность выпарного отсека 11. Нагретая вода, продолжая свое вращение уже без поступления греющей среды, стекает к выходным тангенциальным патрубкам 12. При этом выпар поступает во внутреннее, не заполненное водой пространство цилиндрического корпуса 1. Для удаления выпара используется центральная выпарная труба 13.

Данный аппарат также может использоваться как теплообменник, не выполняя функцию деаэрации. В этом случае выпарная труба 13 не требуется. При наличии противодавления в корпусе 1 имеет место вращение не жидкостного цилиндрического слоя, а сплошного жидкостного цилиндра, и аппарат при этом может выполнять только функцию теплообменника.

Источники информации

1. Патент RU №2178131, F28С 3/06, 2000.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплоэнергетической, химической, нефтехимической и пищевой промышленности в качестве контактного теплообменника или центробежно-вихревого деаэратора. Достигаемым результатом изобретения является активизация процесса смешения вращающихся сред, снижение гидравлического сопротивления при их движении и уменьшение уровня шума. Это обеспечивается тем, что согласно изобретению часть корпуса аппарата в пределах кольцевой камеры для подвода теплоносителя выполнена в виде расположенных по окружности корпуса с одинаковым шагом вертикальных штырей и насаженных на каждые два соседних свободных штыря, по меньшей мере, в один ряд одинаковых плоских сегментов, имеющих профилированные боковые стенки и образующих в сборе сопла требуемой конфигурации между смежными сегментами одного ряда. При этом в смежных рядах сегменты должны быть расположены со сдвигом на полшага. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Контактно-вихревой аппарат, предназначенный для взаимодействия двух сред с различающимися плотностями, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с тангенциальными патрубками в верхней части для подвода более плотной среды, окружающую корпус кольцевую камеру для подвода менее плотной среды и систему равномерно распределенных по стенке корпуса в пределах камеры сопел для формирования вихревого движения менее плотной среды, отличающийся тем, что часть корпуса в пределах указанной кольцевой камеры выполнена в виде расположенных по его окружности с одинаковым шагом вертикальных штырей и насаженных на каждые два соседних свободных штыря, по меньшей мере, в один ряд одинаковых плоских сегментов, имеющих профилированные боковые стенки и образующих в сборе сопла требуемой конфигурации между смежными сегментами одного ряда, а между сплошной и собранной из сегментов частями корпуса для герметизации размещена втулка.2. Контактно-вихревой аппарат по п.1, отличающийся тем, что в смежных рядах сегменты расположены со сдвигом на полшага.