Теплообменный аппарат

 

Использование: теплообменный аппарат используется для теплои массообмена, например для охлаждения потока газов, испарения капель жидкости, суспензий или топлив. Сущность изобретения: теплообменный аппарат содержит последовательно сообщенные по ходу газа круговую лопаточную решетку 1, имеющую каналы для подвода газа и цилиндрическую камеру 2, а также трубопровод 3 подвода жидкости. Аппарат снабжен камерой 4, установленной за круговой лопаточной решеткой 1 по ходу газа, причем камера выполнена кольцевой в поперечном сечении с максимальным и минимальным радиусами. Аппарат дополнительно снабжен соплами 5 для подвода и отвода дополнительного потока газа, при этом сопла подключены к кольцевой камере 4 тангенциально. Максимальный и минимальный радиусы кольцевой камеры 4 определяются из соотношений между параметрами газа и жидкости. Горячие газы через круговую лопаточную решетку 1 и жидкость по трубопроводу 3 поступает в кольцевую камеру 4. Размеры капель вводимой жидкости в этот момент времени формируются за счет дробления ее потоком газа. Капли под действием потока газов приобретают окружную скорость, близкую к окружной скорости газа. В радиальном направлении благодаря приведенному выше соотношению центробежные силы, действующие на каплю, уравновешиваются силой аэродинамического сопротивления от потока газа, движущегося к центру камеры 4. При этом перемещение капли в радиальном направлении практически отсутствует, а размеры капли уменьшаются вследствие ее испарения. По мере испарения она смещается к выходу из камеры 4, а затем попадает в цилиндрическую камеру 2 и уносится потоком газа. Осевые перемещения капель в полости камеры 2 отсутствуют, т.к. в ней нет движения газов вдоль оси. В полости камеры 2 капли могут находиться во взвешенном состоянии длительное время, достаточное для ее испарения. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области тепло- и массообмена и может быть использовано, например, для охлаждения потока газов, испарения капель жидкости, суспензий или топлив.

Известен теплообменный аппарат, содержащий последовательно сообщенные по ходу газа круговую лопаточную решетку, имеющую каналы для подвода газа и цилиндрическую камеру, а также трубопровод подвода жидкости.

Недостатком известного аппарата является то, что наличие осевой скорости потока газа резко сокращает время контакта газа и капель жидкости, что приводит к снижению эффективности аппарата.

Задачей изобретения является повышение эффективности аппарата путем увеличения времени пребывания капель в потоке газа и предотвращения сепарации их на круговую решетку.

Поставленная задача решается тем, что теплообменный аппарат, содержащий последовательно сообщенные по ходу газа круговую лопаточную решетку, имеющую каналы для подвода газа и цилиндрическую камеру, а также трубопровод подвода жидкости, снабжен камерой, установленной за круговой лопаточной решеткой по ходу газа, причем камера выполнена кольцевой в поперечном сечении с максимальным и минимальным радиусами, определяемыми соответственно по следующим выражениям: , (1) R_max, R_min максимальный и минимальный радиусы камеры; C_гϕ_вх, С_гrвх окружная и радиальная скорости газов на входе в камеру; C_гϕ_вых, C_гrвых окружная и радиальная скорости газов на выходе из камеры; D_кmax, D_кmin максимальный и минимальный диаметры капель жидкости; A коэффициент, определяемый по следующему выражению: , где S_г, S_к плотности газа и капель;
C_ш коэффициент аэродинамического сопротивления капельного потока.

При этом аппарат дополнительно снабжен соплами для подвода и отвода дополнительного потока газа, причем сопла подвода или сопла отвода подключены к кольцевой камере тангенциально.

Предлагаемое решение направлено на повышение эффективности тепломассообмена газа с жидкостью. Жидкость дробится на мелкие капли, имеющие большую суммарную поверхность. Капли обтекаются высокоскоростным потоком газа, что резко увеличивает процесс тепломассообмена. Уносу капель препятствует организация центробежных сил за счет вращения в потоке газа.

Увеличение тепломассообмена способствует интенсивному течению требуемых процессов: либо испарение капель жидкости, либо нагрев этих капель и т.д. что приводит к резкому сокращению габаритов аппарата и повышению эффективности работы аппарата.

На фиг. 1 изображен схематически теплообменный аппарат; на фиг. 2 - сечение N-N на фиг. 1; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 вид по стрелке В на фиг. 1; на фиг. 5 графики результатов расчетов к примеру 1.

Теплообменный аппарат содержит последовательно сообщенные по ходу газа круговую лопаточную решетку 1, имеющую каналы для подвода газа и цилиндрическую камеру 2, а также трубопровод 3 подвода жидкости. Аппарат снабжен камерой 4, установленной за круговой лопаточной решеткой 1 по ходу газа, причем камера выполнена кольцевой в поперечном сечении с максимальным и минимальным радиусами. Аппарат дополнительно снабжен соплами 5 для подвода и отвода дополнительного потока газа, при этом сопла подключены к кольцевой камере 4 тангенциально.

Аппарат работает следующим образом.

Горячие газы через круговую лопаточную решетку 1 и жидкость по трубопроводу 3 поступают в кольцевую камеру 4. Размеры капель вводимой жидкости в этот момент времени формируются за счет дробления ее потоком газа. Капли под действием потока газов приобретают окружную скорость, близкую к окружной скорости газа. В радиальном направлении благодаря приведенному выше соотношению центробежные силы, действующие на каплю, уравновешиваются силой аэродинамического сопротивления от потока газа, движущегося к центру камеры 4. При этом перемещение капли в радиальном направлении практически отсутствует, а размеры капли уменьшаются вследствие ее испарения. По мере испарения она смещается к выходу из камеры 4, а затем попадает в цилиндрическую камеру 2 и уносится потоком газа. Осевые перемещения капель в полости камеры 2 отсутствуют, т.к. в ней нет движения газов вдоль оси. В полости камеры 2 капли могут находиться во взвешенном состоянии длительное время, достаточное для ее испарения.

Сопла 5 расположены близко к выходному сечению кольцевой камеры 4 и предназначены для подвода дополнительного количества газов в тангенциальном направлении, в сторону вращения основного потока газов и для увеличения окружной составляющей скорости газов в сечениях, близких к выходному. Кроме того, эти сопла препятствуют вытеканию жидкости из кольцевой камеры 4 по торцевым стенкам. Дополнительный поток газа, подаваемый через сопла 5 разрушает пленку на торцах камеры 4 и отбрасывает ее в виде капель обратно во внутреннюю полость камеры.

Вместе с тем через сопла 5 может осуществляться и отвод газов с целью создания небольшой по величине скорости газов по оси камеры 4. Это требуется для отвода вращающихся капель при малом их росте. В случае конденсации паров жидкости на каплях за счет их нагрева размер капель увеличивается незначительно. При этом отвод нагретых капель рационально осуществлять путем подвода отвода малой части газа через сопла 5, создающие небольшой по величине поток газа, увлекающий за собой капли.

Радиус цилиндрической камеры 2 может превышать R_min кольцевой камеры 4 с тем, чтобы обеспечить приемлемые уровни осевых скоростей газа. В этом случае в аппарате образуется пережим, аналогичный пережиму в циклонных топках. Однако в отличие от последнего в предлагаемом аппарате этот пережим расположен непосредственно за местом ввода жидкости и тем самым исключает появление осевых скоростей газа в камере 4. Благодаря этому окружные скорости газа не убывают, как в циклоне, к центру, а возрастают из-за сохранения момента количества движения (за вычетом потерь на трение о стенки). Последнее и обеспечивает удержание частиц на требуемом радиусе за счет центробежных сил.

Движение и испарение капель в потоке газа определялось с помощью системы дифференциальных уравнений, представленных в книге "Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей". Раушенбах Б. В. Белый С. А. Беспалов И. В. и др. М. Машиностроение, 1964, с. 526. Для расчетов по ней была специально разработана программа для ЭВМ. Расчеты подтвердили принципиальную возможность получения описанной выше картины движения и испарения капель в полости камеры (подробнее см. ниже, в примерах). После стабилизации вращающейся капли на каком-то текущем радиусе R из уравнения движения капли в радиальном направлении

где C_кr, C_кϕ скорости капель в радиальном и окружном направлениях, C_гr, C_кϕ то же, газа, τ время,
S_г, S_к плотности газа и капель,
C_ш коэффициент аэродинамического сопротивления капель,
D_к диаметр капли, может быть получено следующее соотношение:

(3)
При его выводе учитывалось, что окружные скорости капель и газа практически одинаковы, а скорости и ускорения капель в радиальном направлении близки к нулю.

Выбирая величины D_кmax, D_кmin вводимых в поток капель и используя соотношение (3), получаем приведенные выше выражения (1). Последние же позволяют правильно и быстро выбрать основные размеры кольцевой камеры 4 - R_max и R_min.

Выбор соотношений скоростей газа на входе в камеру C_rϕ_вх, C_гrвх осуществляют путем изменения направления входа потока на радиусе R_вх.

В процессе работы в кольцевой камере 4 возможно наличие капель с размером, превышающим D_кmax. Капли большого размера могут появиться в потоке как в момент ввода жидкости, так и впоследствии из-за их коагуляции. Эти капли отбрасываются центробежными силами на круговую лопаточную решетку 2 и, как уже описывалось выше, могут накапливаться и укрупняться в размерах при дроблении пленки, стекающей с выходных кромок лопаток. Для устранения этого нежелательного фактора необходим правильный выбор величины скорости газа C_гвх на выходе из круговой решетки 2.

Ее значение рационально выбирать таким, чтобы размеры образующихся капель после дробления их потоком газа были меньше, чем D_кmax. В этом случае, если в потоке газа и появятся капли большого размера, то они будут отброшены ко входу в камеру 4 и раздроблены потоком газа до размеров D_кmax. При этом капли вернутся во вращающийся поток и будут двигаться по круговой орбите, R_вхmax. Размеры капель после дробления потоком газа могут быть определены по соответствующим критериям Вебера. В зависимости от выбранных скоростей, расходов и плотности находится высота входа в камеру h_вх.

Потоком газа в полости камеры 4, если не учитывать трения его о стенки и импульса от дополнительно подаваемого в сопла 5 газа, сохраняет момент количества движения. Это означает, что окружные скорости газа будут возрастать по мере продвижения его к центру. Ввод дополнительных газов тангенциально через сопла 5 в сторону вращения потока газа в камере 4 усиливает крутку потока. Выбор требуемых скоростей газа в радиальном направлении производится путем подбора высоты камеры 4, при этом к выходу газов из него высота камеры 4 увеличивается.

В качестве примера рассмотрим работу аппарата для сжигания промышленных стоков, например воды, при начальной температуре 1100^oС и конечной температуре 600^o С. Результаты расчетов приведены на графиках фиг. 5. Они производились для случая, когда отсутствовал дополнительный поток газа, вводимый через сопла 5. Внутренний радиус круговой лопаточной решетки равен 0,7 м, высота 0,02 м. Скорости газа в радиальном направлении С_гrвх - 80 м/с, в окружном C_rϕ_вх 20 м/с. В момент впрыска воды капли имели размер до 1 мм ^oC 2 мм. Вводимые в поток капли дробятся скоростным потоком газа до диаметра 0,77 мм, принимаемого за D_кmax. Такие капли за короткий промежуток времени ≈0,0001 сек приобретают окружную скорость, близкую к окружной скорости газа и стабилизируются на радиусе вращения, равном R_max 0,5 м. Этот радиус меньше внутреннего радиуса круговой решетки, принятого равным R 0,7 м. Это предотвращает сепарацию на нее воды в случаях коагуляции капель или ввода ее в камеру с большими размерами. По мере испарения капли во времени радиус ее вращения уменьшается. При этом скорости капель в окружном направлении отличаются от скорости газа всего на 0,1 м/с, радиальная скорость капель не превышает 0,6 м/с.

В описанном выше примере в качестве D_кmin рационально принять 0,2 мм, так как при этом практически вся вводимая вода испарилась. Принимаем радиальную скорость газов C_гrвых на выходе из камеры 4 одинаковой со скоростью газов на входе в нее C_гrвх и равной 80 м/с (см. фиг. 5). Закон изменения скорости газов в окружном направлении C_гϕ представлен также на фиг. 5; он соответствует закону сохранения момента количества движения, то-есть C_гϕ·R const. Величина C_гϕ_вых на выходе из кольцевой камеры была принята 50 м/c из условия получения приемлемой высоты камеры на выходе h_вых 032 м. Здесь h_вых определялась с учетом уменьшения объема газов из-за их охлаждения. Подставляя принятые значения D_кmin, C_гrвых, C_гϕ_вых и А в выражении 2, получаем R_min 0,28 м.

Капля по мере своего испарения оказывается при D_кmin на радиусе R_min и далее отводится потоком газа из кольцевой камеры 4. Однако при этом она практически вся испарилась. Испарение ее же в обычной установке сжигания происходило бы значительно менее интенсивно и потребовало бы существенно больших габаритов установки, при том же радиусе ее высота была 6^oC8 м.

Возможен вариант с установкой на выходе из кольцевой камеры 4 сопл 5 для тангенциального ввода или вывода дополнительного потока газа. Рассмотрим случай нагрева воды уходящими газами котла. Продукты сгорания котла, сжигающего природный газ, содержат примерно 20% объемных паров воды, что позволяет нагреть холодную воду до температуры 55 60^oС. При этом капля нагревается за счет тепла конденсирующихся на ней паров воды уходящих газов, и диаметр капли возрастает всего на 3^oC4% В данном случае различия между D_кmax и D_кmin, а соответственно и между R_max и R_min незначительны. Это обстоятельство затрудняет отвод капель нагретой воды аналогично вышеописанному примеру вместе с уходящими газами через живое сечение кольцевой камеры с радиусом R_min. Осуществить отвод нагретой воды можно при помощи сопл 5. Через часть из них, расположенных на одной стороне кольцевой камеры 4, осуществляется подвод небольшого количества газов, через другие, расположенные на противоположной стороне камеры 4, отвод такого же количества газов. В результате создается дополнительное движение газов по оси вращения с относительно малой скоростью до 0,5 м/с, позволяющей использовать полученные выше соотношения. Вместе с тем этот дополнительный поток газов осуществляет вывод нагретой воды через сопла 5.

Формула изобретения

1. Теплообменный аппарат, содержащий последовательно сообщенные по ходу газа круговую лопаточную решетку, имеющую каналы для подвода газа и цилиндрическую камеру, и трубопровод подвода жидкости, отличающийся тем, что он снабжен камерой, установленной за круговой лопаточной решеткой по ходу газа, причем камера выполнена кольцевой в поперечном сечении с максимальным и минимальным радиусами, определяемыми соответственно по следующим выражениям:


где R_max, R_min максимальный и минимальный радиусы камеры;
C_{гц вх},C_{гr вх} окружная и радиальная скорости газов на входе в камеру;
C_гц,C_{гr вых}- окружная и радиальная скорости газов на выходе из камеры;
D_{к max},D_{к min} максимальный и минимальный диаметры капель жидкости;
А коэффициент, определяемый по следующему выражению:

где S_г; S_к плотности газа и капель;
C_ш коэффициент аэродинамического сопротивления капельного потока.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен соплами для подвода и отвода дополнительного потока газа, причем сопла подвода или отвода подключены к кольцевой камере тангенциально.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5