Конденсатор пара в условиях окружающей среды Российский патент 2023 года по МПК F28B3/00 F28B3/04 F22D1/28 

Изобретение относится к охлаждающим и конденсирующим пар устройствам, в которых пар непосредственно соприкасается с охлаждающей средой – естественно холодным воздухом.

Известно устройство теплообмена жидкостей и газов (патент RU № 2517844, МПК F25D 1/00, A01J 9/04, опубл. 10.06.2014 Бюл. № 16), включающее как минимум одну теплообменную конструкцию, которую располагают ниже поверхности земли, в нижней части теплообменной конструкции содержится подземный резервуар, выше подземного резервуара расположен водяной теплообменник для использования в теплое время года, отличающееся тем, что дополнительно содержит погружной насос, расположенный в теплое время года на дне корпуса центральной замораживающей установки, с нагнетающим шлангом, соединенным с входом водяного теплообменника, и сливной шланг, соединенный с выходом водяного теплообменника и резервуаром.

Недостатками данного устройства являются высокая металлоемкость из-за наличия насосного оборудования, дополнительного водяного теплообменника и большого количества вертикальных трубок вставляемых корпус, которые должен всё это умещать в себе, размещение как минимум одной теплообменной конструкции ниже поверхности земли, что ведет к отсутствию мобильности и необходимости для каждого пар генерирующего устройства использовать отдельное устройство, а также обязательное наличие внешнего источника питания для работы погружного насоса, что приводит к необходимости подвода проводов питания к каждой установке производство дополнительных работ по устройству подземной емкости..

Наиболее близким по технической сущности является тепломассообменное устройство вихревого типа (патент RU № 2502929, МПК F28B 3/00, опубл. 27.12.2013 Бюл. № 36), содержащее цилиндрический корпус, крышку с распыливающей центробежной форсункой, днище с патрубком для отвода конденсата, внутри корпуса соосно установлена регулярная перфорированная насадка, представляющая собой полый усеченный конус с отверстиями, расположенными по окружности насадки, по меньшей мере, четырьмя ярусами, между ярусами выполнен пояс дренажных отверстий, на противоположных сторонах корпуса над и под верхней кромкой насадки размещены два патрубка для ввода пара, причем в крышке расположен патрубок для отвода неконденсируемых газов, отверстия каждого яруса насадки расположены в коридорном порядке по винтовой линии, причем диаметр отверстий верхнего яруса равен 2÷4 мм, нижнего - 10÷14 мм, межцентровое расстояние равно 1,1÷4 диаметра отверстия, при этом диаметр отверстий каждого последующего яруса больше диаметра отверстий предыдущего, а диаметр дренажных отверстий составляет 14÷20 мм с межцентровым расстоянием 1,5÷3 диаметра отверстия, на насадке перпендикулярно ее наружной и внутренней поверхностям закреплены по спирали перфорированные спиралеобразные ленты переменной ширины так, что свободный край наружной ленты соприкасается с внутренней стороной корпуса, свободный край внутренней ленты образует внутри насадки цилиндрическое пространство, патрубки для ввода пара имеют в поперечном сечении форму эллипсов, большие оси которых параллельны оси устройства.

Недостатками данного устройства являются сложность изготовления и ремонта из-за наличия насосного оборудования, охлаждающей жидкости и закрытого корпуса и большого количества деталей (конусная насадка, наружная и внутренняя спирали), которые должны быть точно подогнаны и иметь перфорационные отверстия строго определенных размеров и расположения по ярусам, использования патрубков для ввода пара в корпус, имеющих в поперечном сечении форму эллипсов, большие оси которых параллельны оси устройства, и центробежной форсунки для распыления охлаждающей жидкости, а также обязательное наличие внешнего источника питания для нагнетания насосом охлаждающей жидкости через центробежную форсунку, .

Техническим решением является создание конденсатора пара в условиях окружающей среды, позволяющего производить охлаждение и конденсацию пара простыми конструктивно и технологическими элементами (открытого сверху и снизу корпуса, одной спирали и внутренней насадки- вставки без перфораций, простых патрубков, располагаемых без учета ориентации в пространстве) без внешнего подвода охлаждающей среды, без использования насосного оборудование, дополнительных жидкостей, а только за счет естественной циркуляции воздуха окружающей среды (естественной конвекции).

Технический результат достигается конденсатором пара в условиях окружающей среды, включающим вертикальный цилиндрический корпус, выполненный с возможностью отвода сверху неконденсируемых газов и оснащенный боковыми верхним подводящим пар и нижним отводящим конденсат патрубками, внутренней полой коаксиальной вставкой и спиралью, которая установлена между корпусом и вставкой, и распыляющее устройство, установленное сверху корпуса.

Новым является то, что внутренняя вставка изготовлена в виде полой трубки с теплообменными вертикальными внутренними ребрами и верхним краем расположенным выше корпуса, который снабжен теплообменными наружными ребрами, а сверху оснащен расширяющимся вверх раструбом, снабженным подводящим патрубком, с углом при вершине 60º–110º и основанием в 1,3–1,8 раз больше диаметра корпуса, ниже подводящего патрубка в раструб вставлена решетка, собранная из вертикальных пластин и изготовленная из хорошо отводящего тепло материала с гидрофильной поверхностью, распыляющее устройство изготовлено в виде горизонтального полого распределителя, установленного равномерно над решеткой, сообщенного с подводящим патрубком и оснащённого снизу форсунками для направления под углом 45º–60º от горизонтали пара на пластины решетки, как минимум один нижний виток спирали герметично соединен с корпусом и вставкой, а нижний край спирали оснащен не герметичной сверху перегородкой, образуя внизу спирали сборник конденсата, который сообщен с отводящим патрубком, при этом снизу корпус снабжен регулировочной пластиной выполненной с возможностью продольного относительно корпуса перемещения вверх с закрытием снизу корпуса и вставки в холодное время года для исключения тяги воздуха, или вниз – с открытием корпуса и вставки и регулированием скорости потока воздуха через них, причем площадь наружных ребер корпуса выполнена с возможностью поддержания температуры истекающего из отводящего патрубка конденсата не ниже +7ºС в холодное время года, а площадь внутренних ребер и высота над корпусом вставки – не выше +40ºС в теплое время года.

На фиг. 1 изображен конденсатор пара в изометрии.

На фиг. 2 изображен вид сбоку конденсатора пара

На фиг. 3 изображен вид спереди конденсатора пара

На фиг. 4 изображен разрез А-А фиг. 3 конденсатора пара

На фиг. 5 изображен вид сбоку конденсатора пара

На фиг. 6 изображен разрез Б-Б фиг. 5 конденсатора пара

Конденсатор пара в условиях окружающей среды включает в себя вертикальный цилиндрический корпус 1 (фиг. 1–4, 6), выполненный с возможностью отвода сверху неконденсируемых газов за счет открытого верха и оснащенный боковыми верхним подводящим 2 (фиг. 1–5) пар и нижним отводящим 3 (фиг. 1–4) конденсат патрубками, внутренней полой коаксиальной вставкой 4 (фиг. 1-5) в виде полой трубки и спиралью 5 (фиг. 4 и 6), которая установлена между корпусом 1 (фиг. 4) и вставкой 4, и распыляющее устройство 6 (фиг. 1, 4-6), установленное сверху корпуса 1. Внутренняя вставка 4 оснащена теплообменными вертикальными внутренними ребрами 7 (фиг. 1 и 4) и верхним краем 8, расположенным выше корпуса 1 для увеличения тяги (скорости восходящего потока воздуха во вставке 4). Корпус 1 снабжен теплообменными наружными ребрами 9 (фиг. 1-3 и 6), а сверху оснащен расширяющимся вверх раструбом 10 (фиг. 1-6), снабженным подводящим патрубком 2, с углом при вершине (фиг. 4) а =60º–110º и основанием D (фиг. 2) в 1,3–1,8 раз больше диаметра d корпуса 1 (D=(1,3÷1,8)⋅d).

Как показала практика испытаний на объектах акционерного общества «ТАНЕКО» группы компаний публичного акционерного общества «Татнефть» им. В.Д, Шашина (далее – АО «ТАНЕКО») диаметр основания D=(1,3÷1,8) ⋅d позволяет улавливать до 90% конденсата осаждаемого из воздуха (особенно при температурах близких 0ºС и ниже) выше корпуса 1, а угол а =60º–110º (фиг. 4) при вершине раструба 10 позволяет конденсируемой жидкости стекать внутрь корпуса без задержек при конденсации пара температурой 105–170 ºС. Все элементы конденсатора рекомендуется изготавливать для эффективного отвода тепла из материалов с теплопроводностью при 100ºС не ниже 65 Вт/(м⋅ ºК) (λ≥65 Вт/(м⋅ ºК)), таких как железо, сталь, сплавы металлов, кроме высоколегированных и т.п.

Ниже подводящего патрубка 2 в раструб 10 вставлена решетка 11 (фиг. 1, 4 и 5), закрывающая корпус 1 сверху, собранная из вертикальных пластин и изготовленная из хорошо отводящего тепло материала (теплопроводностью λ≥150 Вт/(м⋅ ºК) при 100ºС – алюминий, медь или т.п.) с гидрофильной (смачиваемой водой) поверхностью.

Распыляющее устройство 6 (фиг. 1 и 4) изготовлено в виде горизонтального полого распределителя (кольца, не показанных на фиг. полых лучей, коллектора с полыми лучами или т.п.), установленного равномерно над решеткой 11, сообщенного с подводящим патрубком 2 и оснащённого снизу форсунками 12 (фиг. 4 и 6) для направления под углом 45º–60º от горизонтали пара на пластины решетки 11. Как показала практика испытаний на объектах АО «ТАНЕКО» при соударении пара под углом 45º–60º от горизонтали с пластинами сетки 11 наиболее эффективно (примерно на 10–12% больше жидкости конденсируется, чем при других углах) происходит осаждение и капель воды и отражения этих капель от пластин решетки 11 внутрь корпуса 1 (на 9–12% больше жидкости конденсируется, чем при других углах).

Для исключения слива конденсата из корпуса (фиг. 4) 1 как минимум один нижний виток спирали 5 герметично соединен с корпусом 1 и вставкой 4, а нижний край спирали 5 оснащен не герметичной сверху перегородкой 13 (фиг. 4 и 6), образуя внизу спирали сборник конденсата, который сообщен отверстием 14 (фиг. 6) с отводящим патрубком 3 (фиг. 4).

Снизу корпус 1 (фиг. 2) снабжен регулировочной пластиной 15 выполненной с возможностью продольного благодаря направляющим 16 относительно корпуса 1 перемещения вверх с закрытием снизу корпуса 1 и вставки 4 в холодное время года для исключения тяги воздуха, или вниз – с открытием корпуса 1 и вставки 4 и регулированием (например, при помощи гаек 17, пружинных сопоров, штырей или т.п. – не показаны) скорости потока воздуха через корпус 1 и вставку 4, благодаря естественной конвекции. Суммарная площадь наружных ребер 9 корпуса 1 подобрана эмпирическим путем так, что температура истекающего из отводящего патрубка 3 конденсата для исключения его промерзания (перекрытия образующимся льдом) поддерживается не ниже +7ºС в холодное время года, а суммарная площадь внутренних ребер 7 (фиг. 1, 4 и 5) и высота над корпусом 1 (фиг. 2-4) вставки 4 – не выше +40ºС в теплое время года, за счет естественной конвекции (тяги) внутри вставки 4 (согласно требований п.7.6.8 «Правил безопасной эксплуатации и охраны труда для нефтеперерабатывающих производств» ПБЭ НП-2001 и п.329 «Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств").

Конденсатор пара в условиях окружающей среды работает следующим образом.

Конденсатор пара в сборе (фиг. 1) доставляется на механической платформе или вручную к месту работы. Регулировочную пластину 15 (фиг. 2) на направляющих 16 при помощи, например, гаек 17 предварительно устанавливают в среднем положении, подводящий патрубок 2 герметично соединяют с выходом пара (не показан), а отводящий патрубок 3 (фиг. 2 и 4) – с системой водосбора (ливневой канализацией, водоводом низкого давления или т.п. – не показаны). Пар из подводящего патрубка 2 поступает в распыляющее устройство 6 (фиг. 4), из сопел 12 которого под углом направляется на относительно холодные пластины сетки 11. На сетке 11 пар конденсируется в воду, смачивая её гидрофильную поверхность, на которой удерживается в виде тонкого слоя, излишки воды с решетке 11 стекают внутрь корпуса 1. Сетка 11 за счет свой теплопроводности интенсивно отводит тепло к корпусу 1 и вставке 4, охлаждая также слой воды на своей поверхности. Тепло от корпуса 1 и вставки 4 интенсивно отводится в атмосферу, благодаря наружным 9 и внутренним 7 ребрам соответственно. При дальнейшем поступлении пара на решетку 11, соударяясь со слоем воды, имеющей большую теплоемкость, на поверхности решетки 11 пар резко охлаждается и конденсируется, а его капли слипаются друг с другом (происходит коагуляция), увеличиваясь в размере и стекая при температуре 90–95ºС внутрь корпуса 1. При этом воздух сверху раструба 10 (фиг. 1) насыщается паром (образуя насыщенный пар) и начинают при увеличении количества пара конденсироваться и осаждаться на поверхности раструба 10, откуда стекают в также внутрь корпуса 1. Особенно это интенсивно происходит при около нулевой температуре окружающей среды и ниже. А при отрицательных температурах на раструбе 10 осаждаются мелкие кристаллы льда, которые тая дополнительно остужают раструб и решетку 11, обеспечивая интенсивное конденсированные пара.

Стекающая с раструба 10 (фиг. 4) и решетки 11 внутрь корпуса 1 на спираль 5 горячая вода нагревает внутри корпуса 1 и вставки 4 и воздух, который увеличивается в объеме, становится менее плотным из-за чего поднимется на верх внутри корпуса 1 и вставки 4, замещаясь снизу холодным приточным воздухом, который дополнительно охлаждает стекающую по спирали 5 воду и вставку 4 за счет интенсивного охлаждения потоком воздуха внутренних ребер 7 (фиг. 1 и 5). За счет стекания по спирали 5 (фиг. 4) воды, время контакта её с охлаждающимися ребрами 9 (фиг. 3) и 7 (фиг. 1) соответственно корпусом 1 (фиг. 4) и вставкой 4 увеличивается, позволяя более интенсивно охлаждаться до температуры не выше +40ºС. Внизу спирали 5 стекающий скапливается в сборнике конденсата, образующимся благодаря перегородке 13 (фиг. 4 и 6), из которого через отверстие 14 (фиг. 6) отводящим патрубком 3 (фиг. 4) конденсат (вода) выводится из корпуса 1 в систему водосбора. Так как перегородка 13 (фиг. 4 и 6) не герметична сверху, то она не препятствует притоку воздуха снизу корпуса 1 внутрь.

Температуру воды в отводящем патрубке 3 (фиг. 4) контролируют датчиком температуры (не показан). При приближении температуры к нижней границе (+7ºС) регулировочную пластину 15 приподымают или прижимают снизу к корпусу 1 и вставке 4, уменьшая приток воздуха или полностью перекрывая их и, как следствие, снижая интенсивность охлаждения воздухом внутри корпуса 1 и вставки 4, тем самым увеличивая температуру воды в отводящем патрубке 3. При приближении температуры к верхней границе (+40ºС) регулировочную пластину 15 отодвигают от корпуса 1 и вставки 4, увеличивая приток воздуха и, как следствие, повышая интенсивность охлаждения воздухом внутри корпуса 1 и вставки 4, тем самым уменьшая температуру воды в отводящем патрубке 3

Все операции проводятся без использования внешнего питания, только за счет естественной конвекции воздуха.

Предлагаемый конденсатор пара в условиях окружающей среды позволяет производить охлаждение и конденсацию пара простыми конструктивно и технологическими элементами (открытого сверху и снизу корпуса, одной спирали и внутренней вставки без перфораций, простых патрубков, располагаемых без учета ориентации в пространстве) без внешнего подвода охлаждающей среды, без использования насосного оборудование, дополнительных жидкостей, а только за счет естественной циркуляции воздуха окружающей среды (естественной конвекции).

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в конденсаторах пара. Конденсатор пара в условиях окружающей среды, включающий вертикальный цилиндрический корпус, выполненный с возможностью отвода сверху неконденсируемых газов и оснащенный боковыми верхним подводящим пар и нижним отводящим конденсат патрубками, внутренней полой коаксиальной вставкой и спиралью, которая установлена между корпусом и вставкой, и распыляющее устройство, установленное сверху корпуса. Внутренняя вставка изготовлена в виде полой трубки с теплообменными вертикальными внутренними ребрами и верхним краем расположенным выше корпуса, который снабжен теплообменными наружными ребрами, а сверху оснащен расширяющимся вверх раструбом, снабженным подводящим патрубком, с углом при вершине 60°–110° и основанием в 1,3–1,8 раз больше диаметра корпуса. Ниже подводящего патрубка в раструб вставлена решетка, собранная из вертикальных пластин и изготовленная из хорошо отводящего тепло материала с гидрофильной поверхностью. Распыляющее устройство изготовлено в виде горизонтального полого распределителя, установленного равномерно над решеткой, сообщенного с подводящим патрубком и оснащённого снизу форсунками для направления под углом 45°–60° от горизонтали пара на пластины решетки. Как минимум один нижний виток спирали герметично соединен с корпусом и вставкой, а нижний край спирали оснащен не герметичной сверху перегородкой, образуя внизу спирали сборник конденсата, который сообщен с отводящим патрубком. Снизу корпус снабжен регулировочной пластиной выполненной с возможностью продольного относительно корпуса перемещения вверх с закрытием снизу корпуса и вставки в холодное время года для исключения тяги воздуха, или вниз – с открытием корпуса и вставки и регулированием скорости потока воздуха через них. Площадь наружных ребер корпуса выполнена с возможностью поддержания температуры истекающего из отводящего патрубка конденсата не ниже +7°С в холодное время года, а площадь внутренних ребер и высота над корпусом вставки – не выше +40°С в теплое время года. 6 ил.

Конденсатор пара в условиях окружающей среды, включающий вертикальный цилиндрический корпус, выполненный с возможностью отвода сверху неконденсируемых газов и оснащенный боковыми верхним подводящим пар и нижним отводящим конденсат патрубками, внутренней полой коаксиальной вставкой и спиралью, которая установлена между корпусом и вставкой, и распыляющее устройство, установленное сверху корпуса, отличающийся тем, что внутренняя вставка изготовлена в виде полой трубки с теплообменными вертикальными внутренними ребрами и верхним краем расположенным выше корпуса, который снабжен теплообменными наружными ребрами, а сверху оснащен расширяющимся вверх раструбом, снабженным подводящим патрубком, с углом при вершине 60°–110° и основанием в 1,3–1,8 раз больше диаметра корпуса, ниже подводящего патрубка в раструб вставлена решетка, собранная из вертикальных пластин и изготовленная из хорошо отводящего тепло материала с гидрофильной поверхностью, распыляющее устройство изготовлено в виде горизонтального полого распределителя, установленного равномерно над решеткой, сообщенного с подводящим патрубком и оснащённого снизу форсунками для направления под углом 45°-60° от горизонтали пара на пластины решетки, как минимум один нижний виток спирали герметично соединен с корпусом и вставкой, а нижний край спирали оснащен не герметичной сверху перегородкой, образуя внизу спирали сборник конденсата, который сообщен с отводящим патрубком, при этом снизу корпус снабжен регулировочной пластиной выполненной с возможностью продольного относительно корпуса перемещения вверх с закрытием снизу корпуса и вставки в холодное время года для исключения тяги воздуха, или вниз – с открытием корпуса и вставки и регулированием скорости потока воздуха через них, причем площадь наружных ребер корпуса выполнена с возможностью поддержания температуры истекающего из отводящего патрубка конденсата не ниже +7°С в холодное время года, а площадь внутренних ребер и высота над корпусом вставки – не выше +40°С в теплое время года.