Результат интеллектуальной деятельности: Многослойный кожухотрубчатый капиллярный конденсатор

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению, а именно, к теплообменной аппаратуре и может быть использовано для конденсации отработанного пара без использования хладоагента.

Известен капиллярный конденсатор, содержащий корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата (рабочего тела), воздушным патрубком, внутри которого между верхней и нижней крышками размещены вертикальные прямоугольные перегородки, соединенные между собой через одну попарно снизу и сверху горизонтальными полосами–днищами, образуя паровые камеры и камеры сбора конденсата, причем каждая вертикальная перегородка состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин, размещенных с зазором между собой, покрытых слоем гидрофильного материала или изготовленных из него, отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров, расположенных таким образом, что малые отверстия конических капилляров предыдущей пластины располагаются против больших отверстий конических капилляров последующей пластины, при этом в полость каждой паровой камеры пластины вертикальных перегородок обращены большими отверстиями конических капилляров, а в полость каждой камеры сбора конденсата, наоборот, пластины вертикальных перегородок обращены малыми отверстиями конических капилляров [Патент РФ № 2390688, МПК F22В37/26, В01D5/00, 2010].

Недостатками известного капиллярного конденсатора являются недостаточная удельная поверхность паровых камер, размещение в них значительного количества рядов пластин с узкими щелями между ними, что уменьшает площадь контакта пара с входными отверстиями капилляров, конденсата с гидрофильными поверхностями, создает высокое гидравлическое сопротивление паровых камер, снижает скорость фильтрации пара и конденсата через конические капилляры и, в конечном итоге, усложняет конструкцию известного устройства и снижает его эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является кожухотрубчатый капиллярный конденсатор, содержащий корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата, воздушным патрубком, внутри которого под верхней крышкой размещена трубная решетка, в отверстия которой вставлены вертикальные перфорированные трубы, заглушенные снизу заглушками, образующие паровые камеры, межтрубное пространство между которыми образует камеру остаточной конденсации, сообщающуюся с полостью нижней крышки, образующей камеру сбора конденсата, причем вертикальные перфорированные трубы паровых камер покрыты снаружи слоем гидрофильного материала или изготовлены из него, перфорация в них выполнена в виде горизонтальных конических капилляров, расположенных таким образом, что большие отверстия конических капилляров обращены в сторону паровой камеры, малые отверстия в полость камеры остаточной конденсации, при этом гидрофильное покрытие наружной поверхности труб выполнено игольчатым, шаг между иглами равен среднему диаметру капилляров, а по периметру наружной гидрофильной поверхности по всей высоте труб устроены вертикальные транспортные канавки [Патент РФ №2567922, МПК F22В37/26, В01D5/00, 2015].

Основными недостатками известного кожухотрубчатого капиллярного конденсатора являются недостаточная производительность, сложность изготовления гидрофильной поверхности, обусловленная ее игольчатой формой и отсутствие многоступенчатой конденсации, что усложняет конструкцию и эксплуатацию известного устройства и снижает его эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является упрощение конструкции и повышение эффективности работы многослойного кожухотрубчатого капиллярного конденсатора.

Технический результат достигается тем, что в многослойном кожухотрубчатом капиллярном конденсаторе, содержащем корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа пара и выхода конденсата, воздушным патрубком, паровую камеру, камеру сбора конденсата, внутри которого под верхней крышкой размещена верхняя трубная решетка, в отверстия которой вставлены вертикальные перфорированные трубы, покрытые снаружи слоем гидрофильного материала или изготовленные из него, перфорация в них выполнена в виде горизонтальных конических капилляров, расположенных таким образом, что большие отверстия конических капилляров обращены в сторону паровой камеры, малые отверстия в полость камеры конденсации, при этом по периметру гидрофильной поверхности по всей высоте труб устроены вертикальные транспортные канавки, отличающийся тем, что в полости между верхней крышкой и верхней трубной решеткой расположена паровоздушная камера с воздушным патрубком, нижний торец корпуса снабжен нижней трубной решеткой, полость между которой и нижней крышкой образует камеру сбора конденсата, в отверстия верхней и нижней трубных решеток вставлены вертикальные многослойные перфорированные трубы, образующие конденсационные камеры, межтрубное пространство между которыми образует паровую камеру, сообщающуюся с полостью камеры сбора конденсата через перфорацию в нижней трубной решетке, снабженную патрубком входа отработанного пара, причем вертикальные многослойные перфорированные трубы конденсационных камер представляют собой вставленные друг в друга n вертикальных перфорированных труб, с зазором между собой равным Δ, верхний торец центральной вертикальной перфорированной трубы в каждой конденсационной камере сообщается с полостью паровоздушной камеры, нижние торцы всех вертикальных перфорированных труб и полостей зазоров сообщаются с полостью камеры сбора конденсата, а перфорация в нижней трубной решетке выполнена в виде конических капилляров.

На фиг. 1 представлен общий вид, на фиг. 2 – разрез, на фиг 3–6 – основные узлы предлагаемого многослойного кожухотрубчатого капиллярного конденсатора (МСКТКК).

Многослойный кожухотрубчатый капиллярный конденсатор (МСКТКК) содержит корпус 1 с верхней и нижней крышками 2 и 3, образующими паровоздушную и камеру сбора конденсата 4 и 5, соответственно, снабженный патрубками входа пара 6 и выхода конденсата 7, воздушным патрубком 8, торцы корпуса 1 снабжены верхней и нижней трубными решетками 9 и 10, в отверстия которых вставлены вертикальные многослойные перфорированные трубы (ВМСПТ) 11, образующие конденсационные камеры 12, межтрубное пространство между которыми образует паровую камеру 13, сообщающуюся с полостью камеры сбора конденсата 5 через перфорацию в нижней трубной решетке 10, причем ВМСПТ 11 конденсационных камер 12 представляют собой вставленные друг в друга n вертикальных перфорированных труб 14 с зазором 15 между собой равным Δ, изготовленных из гидрофильного материала или покрытых его слоем 16, причем верхний торец центральной вертикальной перфорированной трубы 14 в каждой конденсационной камере 12 сообщается с полостью паровоздушной камеры 4, снабженной воздушным патрубком 6, нижние торцы всех труб 14 и полостей зазоров 15 сообщаются с полостью камеры сбора конденсата 5, перфорация в стенках вертикальных труб 14 и в нижней трубной решетке 10 выполнена в виде конических капилляров 17, расположенных таким образом, что их большие отверстия обращены в сторону паровой камеры 13, малые отверстия – в полость конденсационных камер 12 и камеру сбора конденсата 5, соответственно, при этом внутренняя поверхность вертикальных труб 14 снабжена вертикальными транспортными канавками 18, размещенными между коническими капиллярами 17.

В основу работы предлагаемого МСКТКК положены особенности движения жидкости (пара) в конических капиллярах 17, а именно: движение осуществляется от большего сечения к меньшему, при этом в широкой части капилляра происходит испарение жидкости, в узкой части капилляра – конденсация пара [Лыков А. В. Тепломассообмен: (Справочник). 2–е изд., перераб. и доп. –М.: Энергия, 1978, с. 365, 366].

МСКТКК работает следующим образом. Отработанный пар (например, после турбин) при температуре насыщения через патрубок входа пара 6 подают в паровую камеру 13 МСКТКК, где он распределяется по всему сечению аппарата, после чего пар поступает через большие отверстия в конические капилляры 17 наружных перфорированных труб 14 ВМСПТ 11, в которых под действием капиллярных сил перемещается к их малым отверстиям, в которых происходит его частичная конденсация с выделением тепла конденсации Q_ri. Мениски образовавшейся жидкости (конденсата) в капиллярах 17 соприкасаются с гидрофильным материалом 16, свободно распределяются по его внешней поверхности, благодаря его гидрофильных свойств, затрачивая при этом выделившееся тепло конденсации Q_ri на образование свободной поверхности, после чего образовавшийся конденсат собирается в вертикальные транспортные канавки 18 и под действием силы тяжести стекает вниз в камеру сбора конденсата 4. При этом несконденсировавшийся пар, выходящий вместе с конденсатом из малых отверстий капилляров 17через зазор 15 поступает в большие отверстия капилляров 17 следующей вертикальной трубы 14, где происходят вышеописанные процессы его капиллярной конденсации с выделением тепла конденсации Q_ri, образования свободной поверхности жидкости на гидрофильной поверхности 16 с затратой этого тепла, после чего образовавшийся конденсат собирается в вертикальные транспортные канавки 18 и под действием силы тяжести стекает вниз в камеру сбора конденсата 5. Аналогичные процессы конденсации пара с образованием конденсата и образования свободной поверхности жидкости на гидрофильном материале 16 происходят в последующих трубах 14 вплоть до конечной центральной трубы 14 во всех ВМСПТ 11. Одновременно часть пара из паровой камеры 13 поступает в капилляры 17 нижней решетки 10, из которых конденсат стекает в камеру сбора конденсата 5. В центральных трубах 14 конденсат также по канавкам 18 стекает в камеру сбора конденсата 5, а несконденсировавшийся пар и газы (О₂, СО₂, N₂) выводятся в паровоздушную камеру 3, откуда через воздушный патрубок 8 выбрасываются в атмосферу. При этом многократное взаимное фазовое превращение и преодоление сил трения при перемещении парожидкостной смеси по капиллярам 17 и зазора 15 между трубами 14 в многочисленных трубах 14 ВМСПТ 11 и конденсация пара в в капиллярах 17 нижней трубной решетка 10 в предлагаемом МСКТКК позволяет проводить процесс конденсации пара без использования хладоагента.

Количество ВМСПТ 11 и труб 14 в них в МСКТКК, их диаметр, высоту, шаг между ними принимают такими, чтобы обеспечить конденсацию большей части исходного отработанного пара, поступившего в аппарат. Размеры конических капилляров 17, их конусность зависят от свойств жидкости, поэтому определяются опытным путем. Величину Δ зазора 15 определяют из условий надежного отсутствия контакта между соседними трубами 14, проскока пара в камеру сбора конденсата 10 и также определяют экспериментально.

Таким образом, предлагаемый многослойный кожухотрубчатый капиллярный конденсатор обеспечивает упрощение конструкции аппарата, увеличение ступеней конденсации, что увеличивает его производительность и, в конечном итоге, повышает его надежность и эффективность.