Капиллярный парогенератор

 

Устройство относится к энергомашиностроению, и именно к холодильной технике, и может быть использовано для утилизации низкопотенциальной энергии сбросных газов и жидкостей. Устройство состоит из корпуса с верхней и нижней крышками, снабженными патрубками входа и выхода охлаждаемого теплоносителя, рабочей жидкости и пара, циркуляционной трубой с гидрозатвором, внутри которого помещены верхняя и нижняя трубные решетки, соединенные между собой трубками теплоносителя, проходящими через отверстия в горизонтальных перегородках, разделяющих внутреннюю полость корпуса на ступени подъема, выполненные из пористого материала с порами в виде вертикальных конических капилляров, обращенных вершиной усеченного конуса вверх, и паровые камеры. Технический результат изобретения - повышение надежности и эффективности устройства. 1 ил.

Устройство относится к энергомашиностроению, а именно к холодильной технике, и может быть использовано для утилизации низкопотенциальной энергии сбросных газов и жидкостей.

Известно парогенерирующее устройство, содержащее цилиндрический корпус с крышками, снабженный патрубками входа рабочей жидкости и выхода пара, разделенный внутри поперечными перегородками с отверстиями, делящими внутреннюю полость устройства на отсеки [1] .

Недостатком известного устройства является необходимость поддержания давления рабочей жидкости, равным давлению генерируемого пара, что требует использования повысительного насоса соответствующих затрат энергии.

Более близким к предлагаемому изобретению является капиллярная охлаждающая установка, содержащая корпус, снабженный патрубками входа и выхода охлаждаемого газа, циркуляционной трубой с гидрозатвором, расположенную внутри корпуса систему охлаждения газа, состоящую из верхней и нижней трубных решеток, соединенных между собой газовыми трубками, причем пространство между трубными решетками разделено горизонтальными перегородками, образующими ступени подъема жидкости с высотой, равной высотке поднятия жидкости в капилляре, через которые коаксиально проходят подъемные гильзы с колпаками, заполненные пористым материалом [2] .

Недостатком известного устройства является невозможность генерирования пара из рабочей жидкости, что не позволяет охлаждать теплоноситель в широком интервале температур, снижая тем самым производительность, технологические возможности и эффективность процесса утилизации тепла.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности процесса утилизации низкопотенциальной энергии сбросных газов и жидкостей путем ступенчатого повышения давления рабочей жидкости и пара.

Поставленная задача реализуется в устройстве, включающем корпус с верхней и нижней крышками, снабженными патрубками входа и выхода охлаждаемого теплоносителя, рабочей жидкости и пара, циркуляционной трубой с гидрозатвором, внутри которого помещены верхняя и нижняя трубные решетки, соединенные между собой трубками теплоносителя, проходящими через отверстия в горизонтальных перегородках, разделяющих внутреннюю полость корпуса на ступени подъема, выполненные из пористого материала с порами в виде вертикальных конических капилляров, обращенных вершиной усеченного конуса вверх, и перовые камеры.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение в парогенераторе пара с давлением большим, чем давление подпиточной жидкости на входе в парогенератор без использования механической энергии насоса или компрессора путем многоступенчатого капиллярного подъема парожидкостной смеси и соответствующее уменьшение затрат энергии.

На чертеже представлено предлагаемое устройство.

Капиллярный парогенератор (КПГ) содержит корпус 1 с верхней и нижней крышками 2, снабженными патрубками входа 3 и выхода 4 охлаждаемого теплоносителя, патрубками рабочей жидкости 5 и пара 6, циркуляционной трубой с гидрозатвором 7, внутри которого устроены верхняя и нижняя трубные решетки 8, соединенные между собой трубками теплоносителя 9, проходящими через отверстия в горизонтальных перегородках, делящих внутреннюю полость корпуса 1 на ступени подъема 10, выполненные из пористого материала с порами в виде вертикальных конических капилляров 11, обращенных вершиной усеченного конуса вверх высотой, равной или меньшей h, и новые паровые камеры 12 высотой, равной Δ, причем циркуляционная труба 7 соединяет верхнюю и нижнюю ступени подъема 10, а на верхней и нижней ступенях подъема 10 у внутренней поверхности стенки корпуса 1 устроены карманы 13.

В основе работы предлагаемого КПГ положено свойство жидкости создавать в капиллярах капиллярное давление, определяемое по формуле Лапласа где σ - коэффициент поверхностного натяжения; r' - средний радиус кривизны мениска жидкости в капилляре; и подаем жидкости за счет этого давления на высоту , где g - ускорение свободного падения; Θ - угол смачивания; ρ - плотность жидкости; r - радиус капилляра;
r = rʹcosΘ (в случае полного смачивания cosΘ = 1).

Для обеспечения движения парожидкостной смеси в ступени подъема 10 только вверх, капилляры 11 должны обладать положительным капиллярным потенциалом, для чего выполнены в форме вертикальных усеченных конусов (нижний радиус r₁ больше верхнего радиуса r₂) [3. с. 303, 304] .

Для обеспечения подъема парожидкостной смеси и повышения давления пара в КПГ от давления подпиточной воды P_k на 1-й ступени 10 до давления P_o на верхней предусмотрен ступенчатый подъем парожидкостной смеси на высоту h на каждой ступени 10, для чего на входе в капилляры каждой ступени подъема 10 создается свободная поверхность жидкости за счет ее свойства при кипении образовывать пузырьки пара диаметром

где d₀ - диаметр пузырька пара;
Θ - угол смачивания пузырька пара на поверхности трубы 9;
γ_ж, γ_п- удельный вес жидкости и пара, соответственно [4, с. 415] , размер которого принят за расстояние Δ между ступенями подъема жидкость 10 и, соответственно, высоту паровой камеры 12.

В качестве рабочей жидкости в КПГ может быть использована вода, аммиак, различные виды хладонов в зависимости от назначения получаемого пара и параметров теплоносителя.

КПГ работает следующим образом.

Перед началом работы контур КПГ заполняется рабочей жидкостью таким образом, чтобы были заполнены ступени подъема 10, паровые камеры 12 и циркуляционная труба 7. При этом по мере заполнения КПГ жидкостью из него удаляется воздух. После подачи теплоносителя в КПГ рабочая жидкость нагревается и начинает двигаться в полости корпуса 1 вверх, а в циркуляционной трубе 7 - вниз за счет сил естественного циркуляционного давления P_e аналогично движению жидкого теплоносителя в системах отопления [5, с. 300] , создавая тем самым общее движение жидкости в контуре циркуляции КПГ и выделяя пар из слоя нагретой жидкости над верхней ступенью 10. По мере нагрева рабочей жидкости у стенок труб 9 начинается ее кипение, что влечет за собой образование паровых пузырьков, которые локализуются в паровых камерах 12, высота которых Δ обусловлена диаметром парового пузырька d₀ и определяется по уравнению (3), где значение коэффициента поверхностного натяжения зависит от рода жидкости и ее температуры (σ принимается по максимальной температуре жидкости в КПГ). При этом часть паровых камер 12, удаленная от стенок труб 9 еще заполнена рабочей жидкостью и здесь продолжается движение жидкости за счет естественного циркуляционного давления P_e. При увеличении потока тепла от стенок труб 9 ширина паровой прослойки в паровых камерах 12 увеличивается до значения S, значение которой принято по максимальному потоку тепла от стенок труб теплоносителя 9.

Паровые прослойки в паровых камерах 12 обуславливают создание на входе в каждую ступень подъема 10 и, соответственно, на входе в каждый капилляр 11 свободную поверхность жидкости, образованную наружной пленкой парового пузыря, обеспечивая тем самым подъем парожидкостной смеси за счет капиллярных сил в каждой ступени подъема 10 через капилляры 11, форма которых в виде сужающегося к верху конуса с радиусами r₁ и r₂, соответственно, определяет движение парожидкостной смеси только вверх в сторону вершины конуса (угол конусности принимается по рекомендациям для конических насадков [6, с. 298] ). При этом в капиллярах 11 создается капиллярное давление, что позволяет поднять парожидкостную смесь в каждой ступени 10 на высоту, меньшую или равную h, определяемую по формуле (2) и уточненное значение которой принимается по конструктивным соображениям. В результате давление на каждой вышеследующей ступени 10 возрастает по сравнению с давлением на предыдущей ступени на величину капиллярного давления P_с, определяемого по формуле (1) и, таким образом, давление пара на выходе из КПГ будет больше давления на входе жидкости в КПГ на величину
ΔP = P_C•п (4),
где n - число ступеней капиллярного подъема, шт.

Полное давление пара P_o на выходе из КПГ будет равно
P_o = P_к + ΔP (5),
где P_k - давление жидкости на входе КПГ.

Перенос жидкости и пара в паровых камерах 12 от верхней поверхности нижней ступени подъем 10 к нижней поверхности вышерасположенной ступени 10 и, соответственно, к входу в капилляры 11 осуществляется диффузией и конвекцией в соответствии с законами тепломассообмена [4, с. 132, 262] .

Полученный пар с давлением P_o из патрубка 6 направляется потребителю, неиспарившаяся жидкость собирается в верхний карман 13, откуда самотеком по циркуляционной трубе 7 поступает в патрубок 5, где смешивается с подпиточной жидкостью и при давлении P_k поступает в нижний кармам 13, распределяется по всей поверхности нижней трубой решетки 8, смачивает нижнюю поверхность нижней ступени подъема 10 и процесс подъема парожидкостной смеси и повышение давления повторяется.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает многократное увеличение давления пара на выходе из КПГ по сравнению с давлением рабочей жидкости на входе в КПГ за счет многоступенчатого подъема парожидкостной смеси в ступенях подъема 10 и повышения капиллярного давления в капиллярах 11, что упрощает конструкцию парогенератора, повышает надежность и эффективность его работы.

Литература
1. Патент РФ 2059921, Мкл. 6 F 22 В/29/08, 1996.

2. Патент РФ 2095697, Мкл. 6 F 24 F 3/14, 1994.

3. А. В. Лыков, Тепломассообмен. Справочник, М. : Энергия, 1978, 480 с.

4. А. И. Плановский, П. И. Николаев, Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии, М. : Химия, 1972, 496 с.

5. В. Н. Богословский, А. Н. Сканави, Отопление, М. : Стройиздат, 1991, 736 с.

6. А. Д. Альтшуль, П. Г. Киселев, Гидравлика и аэродинамика, М. : Стройиздат, 1975, 328 с.

Формула изобретения

Капиллярный парогенератор, включающий корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа и выхода охлаждаемого теплоносителя, циркуляционной трубой с гидрозатвором, внутри которого размещены верхняя и нижняя трубные решетки, соединенные между собой трубками, проходящими через отверстия в горизонтальных перегородках с пористым материалом, образующих ступени подъема высотой, равной высоте подъема жидкости в капилляре, отличающийся тем, что корпус снабжен патрубками входа рабочей жидкости и выхода генерируемого пара, поры материала ступеней подъема выполнены в виде вертикальных конических капилляров, обращенных вершиной усеченного конуса вверх, а пространство между близлежащими ступенями подъема образует паровые камеры высотой, равной диаметру пузырька пера.

РИСУНКИ

Рисунок 1