Аппарат для проведения процессов тепломассообмена
Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам и может быть использовано в энергетической и смежных с ней отраслях промышленности. Аппарат для проведения процессов тепломассообмена, например, между газом и жидкостью или несмешивающимися жидкостями содержит корпус с размещенным в нем вращающимся ротором, состоящим из внешнего корпуса с периферийной частью, выполненной в виде диффузора. С обеих сторон внешнего корпуса ротора соосно полому приводному валу жестко закреплена цилиндрическая поверхность, которая является продолжением внешнего корпуса и образует теплообменное устройство типа "труба в трубе". Поверхность полого приводного вала типа "конфузор-диффузор" выполнена в виде криволинейной поверхности, спрофилированной, например, по показательной функции, полиномам второго, третьего или четвертого порядков или по дуге окружности. Данное техническое решение позволяет увеличить поверхность теплообмена при общем снижении гидравлического сопротивления проточной части полого приводного вала и термического сопротивления теплопередающей криволинейной поверхности приводного вала типа "конфузор-диффузор". 4 ил.
Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам и может быть использовано в энергетике и смежных с ней отраслях промышленности.
Известен аппарат для проведения процессов тепломассообмена, содержащий корпус с размещенным в нем вращающимся ротором, состоящим из внешнего корпуса с периферийной частью, причем внутри корпуса расположен жестко связанный с ним осесимметричный круговой канал с перегородками (патент РФ №2249777, F28D 11/00, опубл. 10.04.2005, БИ №10).
Известный аппарат имеет недостаточную поверхность контакта фаз в области рекуперативного теплообмена - на цилиндрическом участке ротора, являющемся одновременно и его приводным полым валом.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является аппарат для проведения процессов тепломассообмена, содержащий корпус с размещенным в нем вращающимся ротором, состоящим из внешнего корпуса с периферийной частью и жестко связанного с ним осесимметричного кругового канала с перегородками, смонтированным на полом приводном валу с поверхностью типа «конфузор-диффузор» (Дисс. канд. наук Пантелеевой Л.Р. «Теплообмен при ламинарном течении вязкой жидкости в теплообменных устройствах типа «Труба в трубе» с вращающейся поверхностью «конфузор-диффузор» - Казань: КГЭУ, 2005, с.21-24 - прототип).
Недостатком известного аппарата является высокое гидравлическое сопротивление проточной части полого вала с поверхностью типа «конфузор-диффузор», что вызывает необходимость увеличения давления «прокачки» жидкости внутри вала, а также высокое термическое сопротивление пленки конденсата на внешней стенке приводного вала, образующейся из увеличивающегося объема конденсата, сбрасываемого при ударе о внутреннюю поверхность цилиндрической части корпуса аппарата.
Задачей изобретения является увеличение поверхности теплообмена при общем снижении гидравлического сопротивления проточной части полого приводного вала и термического сопротивления теплопередающей криволинейной поверхности приводного вала типа «конфузор-диффузор».
Технический результат достигается тем, что в аппарате для проведения процессов тепломассообмена, например, между газом и жидкостью или несмешивающимися жидкостями, содержащем корпус с размещенным в нем вращающимся ротором, состоящим из внешнего корпуса с периферийной частью, выполненной в виде диффузора, внутри которого расположен жестко связанный с ним перегородками осесимметричный круговой канал, смонтированный на полом приводном валу с поверхностью типа «конфузор-диффузор», поверхность полого приводного вала типа «конфузор-диффузор» выполнена в виде криволинейной поверхности, спрофилированной, например по показательной функции, полиномам второго, третьего или четвертого порядков или по дуге окружности, при этом с обеих сторон внешнего корпуса ротора соосно полому приводному валу жестко закреплена цилиндрическая поверхность, являясь продолжением внешнего корпуса, образуя с полым приводным валом теплообменное устройство типа «труба в трубе».
Отличительным признаком предлагаемого аппарата от указанного прототипа является выполнение полого приводного вала с поверхностью типа «конфузор-диффузор» в виде элементов с криволинейными поверхностями, спрофилированными по одной из функций: показательной, полиномам второго, третьего или четвертого порядков, а также по дуге окружности, что позволяет увеличить поверхность теплообмена приводного вала, сократить длину его проточной части и заметно снизить гидравлическое сопротивление его проточной части, а жестко закрепленная с обеих сторон внешнего корпуса ротора цилиндрическая поверхность соосно полому валу, образуя теплообменное устройство типа «труба в трубе», обеспечивает сепарацию конденсата, сбрасываемого с внешней поверхности приводного вала.
Предлагаемый аппарат схематично представлен на фиг.1; на фиг.2 - разрез А-А аппарата; на фиг.3 - вид Б на выходное сечение осесимметричного криволинейного конвергентного кругового канала; на фиг.4 - сечение В-В проточной части приводного вала с радиальными лопатками.
Аппарат содержит корпус 1 в виде спирального отвода с коноидальным выходным патрубком 2, карманами 3 со штуцерами 4 для подвода пара. В корпусе расположен свободно вращающийся ротор 5, состоящий из внешнего корпуса 6 с периферической частью, выполненной в виде диффузора 7, и цилиндрической поверхностью 8, расположенной соосно полому приводному валу 9. Внешний корпус через перегородки 10 жестко связан с осесимметричным криволинейным конвергентным круговым каналом 11, который снабжен радиальными лопатками 12 и образован элементами 13 и 14. Выходное сечение канала выполнено в виде призматических насадок 15.
Полый приводной вал 9 с радиальными лопатками 16 выполнен из криволинейных конфузорно-диффузорных элементов, спрофилированных по кривой, например по показательной функции, полиномам второго, третьего или четвертого порядков или по дуге окружности.
Подача инжектирующей жидкости (воды) в объем криволинейного конвергентного кругового канала 11 осуществляется через радиальные патрубки 17 приводного вала 9, жестко соединенного с цилиндрической поверхностью 8, опирающейся на подшипники 18. Подача инжектируемого пара в полость 19, образованную внешним корпусом ротора и конвергентным круговым каналом 11, осуществляется через штуцера 4 карманов 3 по пространству 20, образованному цилиндрической поверхностью 8 и приводным полым валом 9.
Герметичность рабочих камер обеспечивается сочетанием лабиринтных и сальниковых уплотнений.
Аппарат для проведения процессов теплообмена работает следующим образом. После включения привода при помощи клиноременной передачи осуществляется вращение ротора 5. Одновременно в проточную часть вала 9 подается вода, а в штуцер 4 карманов 3 через пространство 20 пар. Под действием центробежного статического давления высоконапорная инжектирующая жидкость через радиальные патрубки 17 приводного вала 9 подается в осесимметричный криволинейный конвергентный круговой канал 11 с радиальными лопатками 12, затем с большой скоростью выбрасывается из канала в объем внешнего корпуса 6 ротора 5, периферийная часть которого завершается насадкой в виде диффузора 7, в зону интенсивного турбулентного смешения, где пар, отдавая теплоту конденсации, нагревает инжектирующую жидкость.
Экспериментальные исследования, проведенные с приводными валами, выполненными из элементов различной конфигурации, показали, что за счет профилирования теплообменной поверхности типа «конфузор-диффузор» с помощью показательной функции поверхность теплообмена возрастает на 1%, полиномами второго, третьего и четвертого порядков соответственно на 4,9; 9,6 и 21%, а по дуге окружности на 30% по сравнению с конфузсрно-диффузорными элементами с прямыми стенками.
Также экспериментально установлено, что длина канала за счет профилирования может быть сокращена на 30...40%, а гидравлическое сопротивление канала снижено в 1,5...2 раза, что в конечном счете снижает металлоемкость аппарата и энергию на «прокачку» жидкости в рабочих элементах аппарата.
В процессе исследования также установлено, что в предлагаемой конструкции аппарата имеет место снижение термического сопротивления теплообменной поверхности (в 3...10 раз) вследствие сепарации парожидкостного потока под действием центробежных сил, сбрасываемого с внешней поверхности приводного вала, и предотвращая, тем самым, его последующий заброс конденсата с внутренней стенки цилиндрической поверхности. В результате этого наблюдается переход «пленочного режима» конденсации пара в «пленочно-капельный» и «капельный» режимы конденсации, а коэффициенты теплоотдачи при этом для пара достигают значений 20000...40000 Вт/(м2К) по сравнению с коэффициентами теплоотдачи для пленочного режима конденсации - 10000...15000 Вт/(м2K).
Аппарат для проведения процессов тепломассообмена, содержащий корпус с размещенным в нем вращающимся ротором, состоящим из внешнего корпуса с периферийной частью, выполненной в виде диффузора, внутри которого расположен жестко связанный с ним перегородками осесимметричный круговой канал, смонтированный на полом приводном валу с поверхностью типа "конфузор-диффузор", отличающийся тем, что поверхность полого приводного вала типа "конфузор-диффузор" выполнена в виде криволинейной поверхности, спрофилированной, например, по показательной функции, полиномам второго, третьего или четвертого порядков или по дуге окружности, при этом с обеих сторон внешнего корпуса ротора соосно полому приводному валу жестко закреплена цилиндрическая поверхность, являясь продолжением внешнего корпуса и образуя центробежное теплообменное устройство типа "труба в трубе".
