СПОСОБ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 2012 года по МПК B01D5/00 

Изобретение относится к способам конденсации парогазовой смеси в испарительных установках, выпарных аппаратах, конденсаторах, предназначенных для концентрирования и охлаждения растворов, получения опресненной воды, и может найти применение в химической, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен способ конденсации пара путем обеспечения вращательного движения паровоздушной (парогазовой) смеси в вихревой цилиндрической камере с образованием конденсата на охлаждаемой поверхности корпуса камеры [1].

Однако данный способ конденсации недостаточно эффективен из-за наличия несконденсированного газа над пленкой конденсата, что создает сопротивление для прохода паров к охлаждаемой поверхности.

Наиболее близким по технической сущности является способ конденсации парогазовой смеси, заключающийся в образовании конденсата на охлаждаемой поверхности вертикально установленных труб при их поперечном обдуве парогазовой смесью с образованием за счет отрыва пограничного слоя циркуляционных вихрей, перемещающихся к поверхности [2].

Указанный способ эффективен при конденсации чистого пара, однако наличие даже сотых долей газа (воздуха) в паре резко снижает интенсивность теплоотдачи из-за наличия диффузионного сопротивления несконденсированного газа над пленкой конденсата или охлаждаемой поверхностью, что резко снижает величину коэффициента теплоотдачи на 80% и более [3]. Так как циркуляционные вихри, образованные путем поперечного обдува парогазовой смесью труб перемещаются вместе со смесью к охлаждаемой поверхности и, тем самым, не обеспечивают отвод несконденсированного газа от охлаждающей поверхности в поток пара и накапливаются около поверхности, то это создает дополнительное диффузионное сопротивление для прохода пара и снижает интенсивность теплоотдачи при конденсации.

Изобретение решает задачу повышения интенсивности теплоотдачи при конденсации (увеличения коэффициента теплоотдачи при конденсации).

Технический результат заключается в создании циркуляционных вихрей, перемещающихся вдоль охлаждаемой поверхности, а также дополнительных вихрей во вращающемся парогазовом потоке, что обеспечивает интенсификацию процесса конденсации за счет отвода несконденсированного газа от охлаждающей поверхности и перемешивания пара.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе конденсации парогазовой смеси, заключающемся в образовании конденсата на охлаждаемой поверхности при создании в парогазовой смеси циркуляционных вихрей, вызванных отрывом пограничного слоя за обтекаемыми телами, новым является то, что, образуют циркуляционные вихри, перемещающиеся вдоль охлаждаемой поверхности при обеспечении числа Рейнольдса парогазовой смеси, обтекающей тела в продольном направлении, равного Re=ud/ν=10³-10⁵.

При осуществлении конденсации во вращающейся парогазовой смеси образуются дополнительные циркуляционные вихри, перемещающиеся по траектории потока, обусловленные обтеканием дополнительных обтекаемых тел.

Наличие циркуляционных вихрей в парогазовой смеси, перемещающихся вдоль охлаждаемой поверхности при обеспечении числа Рейнольдса парогазовой смеси, обтекающей тела, равного Re=ud/ν=10³-10⁵, позволяет обеспечить отвод неконденсирующегося газа от охлаждаемой поверхности, тем самым снизить диффузионное сопротивление переносу пара и, следовательно, увеличить интенсивность теплоотдачи при конденсации.

Обеспечение движения циркуляционных вихрей вдоль охлаждающей поверхности (а не к поверхности, как это выполнено в способе, взятом за прототип) позволяет отводить неконденсирующие газы от охлаждаемой поверхности в поток пара, движущийся вдоль поверхности, что интенсифицирует теплообмен.

Поддержание числа Рейнольдса парогазовой смеси, набегающей на обтекаемое тело в продольном направлении относительно поверхности, в диапазоне, равном Re=ud/ν=10³-10⁵, обеспечивает размер (масштаб) циркуляционных вихрей, способных увлекать собой неконденсируемые газы с охлаждаемой поверхности (поверхности конденсата) и отводить их в поток парогазовой смеси, движущийся вдоль охлаждаемой поверхности. При Re<10³ масштаб вихрей недостаточен для отвода (увлечения) газа от охлаждаемой поверхности. При Re>10⁵ резко увеличивается расход пара, который не полностью конденсируется, что также не всегда эффективно.

Образование во вращающемся потоке дополнительных циркуляционных вихрей, перемещающихся по траектории движения вращающего потока, способствует перемешиванию пара и дополнительному выводу неконденсируемых газов от охлаждаемой поверхности, что интенсифицирует процесс конденсации.

На фиг.1 представлена схема установки, на которой реализован способ.

На фиг.2 показана схема перемещения вихрей в направлении к охлаждаемой поверхности.

На фиг.3 показана схема движения циркуляционных вихрей вдоль охлаждаемой поверхности.

На фиг.4 показан элемент цилиндрической трубы с ленточным завихрителем и спиралью, которые обеспечивают вращательно-поступательное движение парогазовой смеси.

На фиг.5 показана цилиндрическая труба с тангенциальным завихрителем.

На фиг.6 показана схема образования дополнительных циркуляционных вихрей во вращающемся потоке парогазовой смеси.

На фиг.7 представлены результаты экспериментальных исследований при конденсации.

Способ конденсации парогазовой смеси заключается в образовании конденсата на охлаждаемой поверхности при создании в парогазовой смеси циркуляционных вихрей, вызванных отрывом пограничного слоя за обтекаемыми телами. Циркуляционные вихри перемещаются вдоль охлаждаемой поверхности при обеспечении числа Рейнольдса парогазовой смеси, обтекающей тела, равного Re=ud/ν=10³-10⁵.

Во вращающемся потоке парогазовой смеси образуются дополнительные циркуляционные вихри, перемещающиеся по траектории вращения потока, обусловленные обтеканием дополнительных обтекаемых тел.

Схема установки, на которой реализован способ конденсации парогазовой среды, представлена на фиг.1.

Установка состоит из медной трубы 1, парогенератора 2, емкости для охлаждающей жидкости 3, центробежного насоса 4, сборника конденсата 5, теплообменника 6, распределителя жидкости 7, мерных колб 8-9, вентилей 10-13, электронагревателя 14, компрессора для подачи воздуха 15, снабженного вентилем 16 и диафрагмой для измерения расхода воздуха 17. Внутри медной трубы 1 на всю ее длину установлена спираль 18 (фиг.3). Для реализации поперечного обдува внутри трубы 1 по ее длине устанавливались обтекаемые тела, выполненные из проволоки 19 (фиг.2). Для реализации вращательного движения парогазовой смеси на трубу 1 одет цилиндрический корпус 20 и коаксиально устанавливался тангенциальный завихритель 21 (фиг.5), выполненный из трубы с тангенциальными каналами 22, а также устанавливались обтекаемые тела, выполненные из стержней 23 (фиг.6), для создания дополнительных циркуляционных вихрей во вращающемся потоке парогазовой смеси. Кроме того, для создания вращательно-поступательного движения парогазовой смеси вовнутрь трубы 1 устанавливался ленточный завихритель 24 (фиг.4).

Установка работает следующим образом.

Холодная вода из емкости 3 насосом 4 подается в распределитель жидкости 7, формируется в виде жидкостного кольца, а затем стекает вниз по наружной поверхности медной трубы 1 в виде пленки. Насыщенный водяной пар поступает из парогенератора 2 в полость трубы 1, туда же в заданном количестве подается воздух компрессором 15. При этом происходят конденсация пара на внутренней поверхности трубы и отвод тепла через стенку к пленке стекающей жидкости. За счет обтекания витков винтовой спирали 18 потоком парогазовой смеси, перемещающимся с определенной скоростью в осевом направлении, по сечению трубы образуются циркуляционные вихри, перемещающиеся вдоль охлаждающей поверхности. За счет их вращения несконденсировавшиеся газы, образовавшиеся на поверхности конденсата, увлекаются вихрями и уносятся в движущийся параллельно оси трубы поток парогазовой смеси. При организации вращательного движения потока парогазовая смесь пропускалась через каналы 22 тангенциального завихрителя 21 либо через ленточный завихритель 24. Вращающийся поток при набегании на обтекаемые тела 23 или витки спирали 18 генерирует дополнительные циркуляционные вихри, способствующие отводу газа от охлаждающей поверхности. На выходе из трубы пленка конденсата стекает в сборник 5, а несконденсировавшиеся пары поступают в теплообменник 6, где конденсируются. Для поддержания заданного расхода воздуха в парогазовой смеси используют компрессор 15, а для регулирования его расхода устанавливают вентиль 16 и диафрагму 17.

Параметры установки: диаметр медной трубы с гидравлически гладкой поверхностью равен 20-50 мм, толщина стенки 1,5 мм, длина 2 м. Мощность электронагревателей 40 кВт. Расход охлаждаемой жидкости изменялся от 0,1 до 1 м³/час. Диаметр витков винтовой спирали 11-16 мм, диаметр обтекаемого тела 1,5-3 мм. Диаметр тангенциального завихрителя 105 мм. Тепловая нагрузка составила q=80-200 кВт/м.

Пример 1.

Процесс теплообмена проводили на установке, представленной на фиг.1, при этом внутри медной трубы 1 устанавливались обтекаемые тела 19, выполненные из проволоки (фиг.2). Парогазовая смесь, набегая на обтекаемые тела 19, образует циркуляционные вихри, перемещающиеся к поверхности. Величина коэффициента теплоотдачи при конденсации в зависимости от доли газа Е в водяном паре и при средней разности температуры 55 градусов составила 2000-5000 Вт/(м²·К) (точки 1 на графике фиг.7). Аналогичные результаты получены в трубе без установки обтекаемых тел 19 (пунктирная линия на графике фиг.7).

Таким образом, образование циркуляционных вихрей за обтекаемыми телами 19, перемещающихся вместе с потоком к охлаждаемой поверхности трубы 1, не позволило интенсифицировать процесс конденсации (что и наблюдается в способе, взятом за прототип).

Пример 2.

Процесс теплообмена проводили на установке, представленной на фиг.1, однако при этом в трубу 1 устанавливали спираль 18 (фиг.3). В этом случае дополнительные циркуляционные вихри перемещались вдоль охлаждаемой поверхности. Число Рейнольдса парогазовой смеси обтекающей витки винтовой спирали 18 в продольном направлении к охлаждаемой поверхности обеспечивали расходом пара. При числе Рейнольдса, равном Re=ud/ν=10³-10⁵, величина коэффициента теплоотдачи составила 6000-20000 Вт/(м²·К) (точки 2 на графике фиг.7), где u - среднерасходная скорость пара в трубе (расход пара отнесен к сечению трубы 1); d - характерный размер обтекаемого тела (диаметр проволоки, из которой изготовлена спираль 18).

В этом случае достигнуто увеличение теплообмена при конденсации в 3-4 раза по сравнению с данными примера 1.

При наличии Re<10³ величина коэффициента теплоотдачи несущественно отличается от данных, полученных в примере 1. При значениях Re>10⁵ величина коэффициента теплоотдачи также снижается и при этом большая часть паров не успевает конденсироваться в трубе, что неэффективно.

Пример 3.

Процесс теплообмена проводили также, как в примере 2, однако по центру трубы устанавливались ленточный завихритель 24 и спираль 18. Достигнуто увеличение коэффициента теплоотдачи при конденсации в 1,3-1,6 раза в сравнении с данными, представленными в примере 2.

Пример 4.

Процесс теплообмена проводили, как в примере 2, однако при этом устанавливался тангенциальный завихритель 21, что показано на фиг.5. Достигнуто увеличение величины коэффициента теплоотдачи при конденсации в сравнении с данными, полученными в примере 2, в 1,8 раза.

Пример 5.

Процесс теплообмена проводился, как в примере 2, с использованием тангенциального завихрителя 21 и обтекаемых тел 23, что показано на фиг.6. Получено увеличение величины коэффициента теплоотдачи при конденсации, в сравнении с данными примера 2, в 1,6 раза.

Таким образом, предлагаемый способ конденсации, по сравнению с известными, позволяет увеличить интенсивность теплоотдачи и тем самым уменьшить габариты аппарата, что в конечном счете снижает капитальные и текущие затраты, а следовательно, уменьшает себестоимость выпускаемого продукта.

Источники информации

1. Ляндзберг А.Р., Латкин А.С. Вихревые теплообменники и конденсация в закрученном потоке. - Петропаловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2004. - 149 с.

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., Энергия, 1975 г. 488 с. (параграф 9-2, рис.9.7, стр.226).

3. Таубман Е.И. Выпаривание. М., Химия, 1982, 327 с. (ст.57, рис.3.3).

Изобретение относится к способам конденсации парогазовой смеси в испарительных установках, выпарных аппаратах, конденсаторах, предназначенных для концентрирования и охлаждения растворов, получения опресненной воды, и может найти применение в химической, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности. Способ конденсации парогазовой смеси заключается в образовании конденсата на охлаждаемой поверхности при создании в парогазовой смеси циркуляционных вихрей, вызванных отрывом пограничного слоя за обтекаемыми телами. При осуществлении способа образуют циркуляционные вихри, перемещающиеся вдоль охлаждаемой поверхности при обеспечении числа Рейнольдса парогазовой смеси, обтекающей тела в продольном направлении, равного Re=ud/ν=10³-10⁵. Технический результат: повышение интенсивности конденсации пара. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ конденсации парогазовой смеси, заключающийся в образовании конденсата на охлаждаемой поверхности при создании в парогазовой смеси циркуляционных вихрей, вызванных отрывом пограничного слоя за обтекаемыми телами, отличающийся тем, что образуют циркуляционные вихри, перемещающиеся вдоль охлаждаемой поверхности при обеспечении числа Рейнольдса парогазовой смеси, обтекающей тела в продольном направлении, равного Re=ud/ν=10³-10⁵.

2. Способ конденсации парогазовой смеси по п.1, отличающийся тем, что во вращающемся потоке парогазовой смеси образуют дополнительные циркуляционные вихри, перемещающиеся по траектории вращения потока, обусловленные обтеканием дополнительных обтекаемых тел.