Результат интеллектуальной деятельности: СЕКЦИОННЫЙ КОНДЕНСАТОР С КАПИЛЛЯРНОЙ НАСАДКОЙ

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

Известен капиллярный конденсатор, включающий 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 (насадку), 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 F22 В37/26, В01D5/00, 2010].

Основными 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 конденсатор с капиллярной насадкой, включающий корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата, воздушным патрубком, внутри которого на опорной решетке размещена насадка, представляющая собой перфорированные колпачки, уложенные рядами друг на друга в шахматном порядке, поверхность которых покрыта слоем гидрофильного материала или изготовленные из него, перфорация в которых выполнена в виде конических капилляров, расположенных по нормали к поверхности колпачков таким образом, что их малые отверстия находятся на наружной поверхности колпачка, а большие отверстия - на внутренней [Патент РФ №2465529, МПК F28 В1/00, 2012].

Основным недостатком известного капиллярного конденсатора с насадкой является заливание нижних рядов колпачков образовавшимся в верхних рядах в процессе работы конденсатом, который покрывает всю их поверхность, включая отверстия капилляров, в результате чего в них не происходит конденсация пара и эффективность известного устройства уменьшается.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности работы секционного конденсатора с капиллярной насадкой.

Технический результат достигается в секционном конденсаторе с капиллярной насадкой, включающем корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата, воздушным патрубком, внутри которого на опорной решетке размещена насадка, представляющая собой перфорированные колпачки, уложенные рядами друг на друга в шахматном порядке, поверхность которых покрыта слоем гидрофильного материала или изготовленные из него, перфорация в которых выполнена в виде конических капилляров, расположенных по нормали к поверхности колпачков таким образом, что их малые отверстия находятся на наружной поверхности колпачка, а большие отверстия - на внутренней, причем насадка разделена по высоте аппарата на N секций, размещенных на опорных решетках, под N-1 и следующими вышерасположенными секциями устроены тарелки сбора конденсата, состоящие из 2-х полукруглых профильных листов каждая, профиль которых состоит из продольных П-образных гребней с отверстиями, снабженными сверху горизонтальными козырьками, образующими щели для прохода пара, и продольных канавок, при этом полукруглые профильные листы выполнены наклонными с углом наклона i больше угла естественного откоса воды, направленным к диаметру корпуса, соединены между собой по диаметру корпуса коллектором, в центре которого в устроены сливные трубы, причем сливная труба вышерасположенной тарелки сбора конденсата проходит через насадку нижерасположенной секции и свободно входит на глубину Н₁ в сливную трубу с большим диаметром нижеследующей тарелки сбора конденсата с образованием зазора шириной ∆, а последняя сливная труба, в свою очередь, проходит через насадку первой секции и погружена в конденсат на днище корпуса на глубину Н₂.

На фиг. 1 представлен общий вид конденсатора с капиллярной насадкой (СККН), на фиг. 2, 3 - его разрезы, на фиг. 4, 5 - колпачок и его разрез, на фиг. 6-8 - узел стыковки опорной решетки с тарелкой сбора конденсата и его разрезы, на фиг. 9 - узел слива конденсата в тарелке сбора конденсата.

СККН содержит корпус 1 с верхней и нижней крышками 2 и 3, снабженный патрубками входа отработанного пара 4 и выхода конденсата 5, воздушным патрубком 6, внутри которого на решетках 7, помещенных на опорах 8, размещены секции 9, 10, 11, заполненные насадкой 12, представляющей собой перфорированные колпачки 13, уложенные рядами друг на друга в шахматном порядке, поверхность которых покрыта слоем гидрофильного материала 14 или изготовленные из него, перфорация выполнена в виде конических капилляров 15, расположенных по нормали к поверхности колпачков 13 таким образом, что их малые отверстия находятся на наружной поверхности колпачка 13, а большие отверстия - на внутренней, причем под второй и следующей вышерасположенными секциями 10, 11 на опорах 8 также уложены тарелки сбора конденсата 16, 17, состоящие из 2-х полукруглых профильных листов 18, профиль которых состоит из продольных П-образных гребней 19 с отверстиями 20, снабженными сверху горизонтальными козырьками 21, образующими щели для прохода пара 22, и продольных канавок 23, при этом полукруглые профильные листы 18 выполнены наклонными с углом наклона i больше угла естественного откоса воды, направленным к диаметру корпуса 1, соединены между собой по диаметру корпуса 1 коллектором 24, в центре которого устроены сливные трубы 25, 26, соответственно, причем сливная труба 25 тарелки сбора конденсата 17 проходит через насадку 12 нижерасположенной секции 10 и свободно входит на глубину Н₁ в сливную трубу 26 с большим диаметром нижеследующей тарелки сбора конденсата 16 с образованием зазора 27 шириной ∆, которая, в свою очередь, проходит через насадку 12 первой секции 9 и погружена в конденсат в днище корпуса 1 на глубину Н₂.

В основу работы предлагаемого СККН положены особенности движения жидкости (пара) в конических капиллярах, 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], а также характер изменения движущей силы процесса массотеплопередачи при секционировании аппарата [Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, с. 16].

СККН работает следующим образом. Отработанный пар после турбин при температуре насыщения через патрубок 4 подают в нижнюю зону СККН в насадку 12 секции 9, откуда он через решетку 7 распределяется по всему сечению аппарата, причем его большая часть поступает в полости колпачков 13 первого ряда насадки 12, считая от низа, а меньшая часть поступает в полости следующего ряда колпачков 13. Далее, из полостей колпачков 13 первого ряда пар поступает в большие отверстия конических капилляров 15, в которых под действием капиллярных сил перемещается к их малым отверстиям, где происходит его частичная конденсация с выделением тепла конденсации Q_ri.

Мениски образовавшейся жидкости (конденсата) в капиллярах 15 соприкасаются с гидрофильным материалом 14, свободно распределяются на внешней поверхности колпачков 15, благодаря наличию пространства между соседними колпачками 15 и гидрофильных свойств материала 14, затрачивая при этом выделившееся тепло конденсации Q_ri на образование свободной поверхности, после чего образовавшийся конденсат под действием силы тяжести стекает вниз. Несконденсировавшийся пар, выходящий вместе с конденсатом из малых отверстий капилляров 15 колпачков 13 первого ряда, смешивается с паром, прошедшим мимо предыдущего ряда колпачков 13, унося вместе собой некоторую часть образовавшегося конденсата в виде мелких капель, после чего большая часть образовавшейся парожидкостной смеси поступает в полости колпачков 13 второго ряда, а меньшая часть поступает в полости третьего ряда колпачков 13, где происходят вышеописанные процессы конденсации пара в конических капиллярах 15 с выделением тепла конденсации Q_ri и образования свободной поверхности жидкости на гидрофильных поверхностях колпачков 13 с затратой этого тепла, к которым добавляются процессы испарения частиц вносимого с паром конденсата в широких сечениях капилляров 15.

Образовавшийся конденсат из малых отверстий конических капилляров 15 всех рядов колпачков 13 секции 9 под действием сил тяжести через решетку 7 стекает на днище, образованное нижней крышкой 3 корпуса 1. Несконденсировавшийся пар из верха секции 9 поступает в насадку секции 10 через щели для прохода пара 22 тарелки 16 и далее таким же образом в секцию 11, где происходят вышеописанные процессы испарения конденсата с образованием пара в широких сечениях, конденсации пара с образованием конденсата в узких сечениях капилляров 15 и образования свободной поверхности жидкости на гидрофильном материале 14 наружной поверхности колпачков 13 до полной конденсации большей части исходного отработанного пара. При этом образовавшийся конденсат из малых отверстий конических капилляров 15 всех рядов колпачков 13 секции 10 под действием сил тяжести стекает на полотно тарелки сбора конденсата 16, где по канавкам 23 за счет уклона i профильных листов 18 стекает в коллектор 24, откуда через зазор 27 между сливными трубами 25 и 26 шириной ∆ поступает в сливную трубу 26 и сливается на днище корпуса 1. Аналогичным образом через тарелку сбора конденсата 17, сливную трубу 25 конденсат удаляется из секции 11. Полученный конденсат из днища, образованного нижней крышкой 3 корпуса 1, выводится из СККН через патрубок 5, а несконденсировавшийся пар и газы (О₂, СО₂, N₂) выводятся через воздушный патрубок 4.

Количество рядов колпачков 13 в каждой секции 9, 10, 11 СККН принимают такими, чтобы обеспечить работу всех рядов секции без их залива конденсатом и определяется опытным путем. Число секций N также определяется опытным путем и зависит от конденсации большей части исходного отработанного пара, поступившего в аппарат. Размеры колпачков 10 (ширину и высоту) можно принимать, исходя из стандартных размеров кольцевой насадки (например, 100х100 мм, 50х50 мм и т. д.) [Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.:Химия, 1971, с. 572], размеры конических капилляров 12 и их конусность зависят от свойств жидкости и определяются опытным путем.

Площадь живого сечения тарелок 16, 17 (размеры и число отверстий 20 и щелей для прохода пара 22), уклон i тарелок 16, 17 определяют опытным путем. Ширину ∆ зазора 27 определяют, исходя из условия свободного стекания конденсата с тарелки 16. Глубины погружения сливных труб 25, 26 Н₁, Н₂ находят расчетным путем из условия предотвращения проскока пара.

Деление насадки 12 по высоте аппарата на секции 9, 10, 11 и устройство под секциями 10, 11 тарелок сбора конденсата 16, 17 предотвращает заливание поверхностей нижних рядов колпачков 13 конденсатом, что позволяет поступать пару в большую часть капилляров 15, обеспечивая тем самым возможность работы насадки 12 всех секций 9, 10, 11. Кроме того, образуется градиент температур по высоте аппарата в каждой секции 9, 10, 11 за счет секционирования насадки 12 и секционного удаления конденсата из зоны конденсации, в результате чего увеличивается скорость массопередачи при конденсации.

При этом многократное взаимное фазовое превращение и преодоление сил трения при перемещении парожидкостной смеси по капиллярам 15 многочисленных рядов колпачков 13 секций 9, 10 11 в предлагаемом СККН позволяет проводить процесс конденсации пара без использования хладоагента.

Таким образом, конструкция предлагаемого СККН за счет секционирования насадки и устройства тарелок сбора конденсата повышает эффективность его работы.