Результат интеллектуальной деятельности: АППАРАТ С ТЕПЛООБМЕННОЙ РУБАШКОЙ

Предлагаемое техническое решение относится к области конструкций обогреваемых емкостных аппаратов периодического действия и может найти применение в химической, пищевой, нефтехимической, микробиологической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.

Известно техническое решение для емкостных аппаратов, применяемых в молочной промышленности и имеющих теплообменную рубашку, предложенное компанией "Роникс" (www.roniks.info/products/emkosti/21-puea). Аппараты имеют сферические углубления на стенке корпуса, находящейся в рубашке и интенсифицируют процесс теплообмена между теплоносителем в рубашке и корпусом аппарата. Недостатком таких аппаратов является ламинарный режим течения теплоносителя в рубашке и образование застойных зон в сферических углублениях на стенке корпуса, что является причиной невысоких значений коэффициента теплоотдачи на стенке корпуса, приводит к увеличению времени цикла и снижению производительности аппарата.

Известно техническое решение реактора с теплообменной рубашкой (патент РФ №2075343 МПК B01J 19/00, опубл. 20.03.97 Б.И. №15), в котором теплообменная рубашка выполнена из уголков несимметричной формы. Верхняя кромка нижнего уголка приварена к нижней кромке верхнего уголка внахлест или установлена в контакте с нижней кромкой верхнего уголка и поверхностью корпуса. Данное техническое решение имеет ряд недостатков: рубашка такого типа очень трудоемка в изготовлении, так как приходится производить большой объем сварочных работ. Необходимость приваривать уголки внахлест для обеспечения достаточной прочности конструкции снижает площадь поверхности теплопередачи. Если же приваривать уголки таким образом, что верхняя кромка каждого нижнего уголка установлена в контакте с нижней кромкой верхнего уголка и с поверхностью корпуса, то резко снижается надежность конструкции и диапазон возможных рабочих давлений.

Известно техническое решение аппарата для проведения технологических процессов (патент СССР №1248646, МПК B01J 3/00, опубл. 07.08.86 Б.И. №29), в котором корпус аппарата выполнен из теплообменных труб, имеющих поперечное сечение в виде эллипса, которые соединяются перегородками по оси большого диаметра эллипса. Благодаря прочности конструкции аппарат может эксплуатироваться под высоким давлением. В то же время с точки зрения интенсификации теплообменного процесса данный аппарат имеет существенные недостатки: имеются перегородки между теплообменными трубами, что снижает площадь поверхности теплопередачи, при течении теплоносителя в трубах эллиптической формы на стенках труб образуется ламинарный пограничный слой, что снижает интенсивность процесса теплообмена.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемой конструкции является конструкция аппарата для проведения теплообменных жидкофазных реакций (патент СССР №606611 МПК B01J 1/00, опубл 15.05.1978, Б.И. №18), в котором корпус выполнен из экструдированных профилей с внутренними каналами.

Однако к недостаткам данной конструкции можно отнести то, что стенка аппарата выполнена в виде гофрированного канала, а стенка рубашки в виде плоского профиля, что способствует возникновению ламинарного режима движения теплоносителя в канале и создает возможность возникновения застойных зон, которые снижают интенсивность теплообменного процесса.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков известных решений и создание конструкции высокоэффективной теплообменной рубашки для использования в пищевой и химической промышленности. Предлагаемая конструкция емкостного аппарата периодического действия позволит интенсифицировать процесс теплообмена теплоносителя в рубашке со стенкой аппарата, сократить время его разогрева до рабочей температуры.

Техническим результатом предлагаемой конструкции является уменьшение времени цикла работы аппарата и увеличение его производительности вследствие увеличения коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности стенки корпуса и возрастания вследствие этого теплового потока от теплоносителя в рубашке к жидкости внутри аппарата, а также увеличения площади поверхности теплопередачи.

Указанный технический результат достигается тем, что цилиндрический емкостной аппарат периодического действия с теплообменной рубашкой содержит корпус с крышкой и патрубками для подвода исходных компонентов и отвода готового продукта, причем внутренняя поверхность стенки рубашки и стенка корпуса выполнены волнистыми в осевом направлении, так что выступ стенки корпуса соответствует впадине внутренней поверхности стенки рубашки и наоборот, образуя волнообразный кольцевой канал в осевом направлении.

Выполнение корпуса аппарата в виде волнистой в осевом направлении поверхности и рубашки аппарата с волнистой внутренней поверхностью при условии совпадения выступов стенки корпуса с впадинами рубашки, обеспечивает образование волнообразного канала, в котором движется теплоноситель, что позволяет увеличить турбулентность потока и за счет этого разрушать ламинарный пограничный слой жидкости на теплопередающей поверхности корпуса в теплообменной рубашке, предотвратить образование застойных зон. Вследствие этого коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности стенки корпуса и коэффициент теплопередачи через нее возрастают, увеличивается тепловой поток от теплоносителя в рубашке к жидкости в аппарате через стенку, сокращается время цикла работы аппарата и возрастает его производительность.

Выполнение корпуса аппарата в виде волнистой поверхности в осевом направлении позволяет увеличить поверхность теплообмена и тепловой поток от теплоносителя в рубашке к жидкости в аппарате через стенку, вследствие чего сокращается время цикла работы аппарата и возрастает его производительность.

На чертеже изображен цилиндрический емкостной аппарат периодического действия с мешалкой, имеющий теплообменную рубашку предлагаемой конструкции, общий вид.

Аппарат состоит из корпуса 1, стенки которого выполнены волнообразными в осевом направлении, с приваренным днищем 2 и крышкой 3, патрубков для подвода реагентов 4 и для отвода готового продукта 5, рубашки 6, имеющей волнообразную в осевом направлении внутреннюю поверхность и патрубки для подвода 7 и отвода 8 теплоносителя, и пропеллерной мешалки 9 с электродвигателем 10.

Аппарат предназначен для проведения периодических процессов, сопровождающихся химическими превращениями, протекающими с поглощением тепла, и работает следующим образом.

Исходные реагенты подаются в аппарат через патрубки 4 до его заполнения, аппарат разогревается до рабочей температуры, которая затем поддерживается постоянной в течение цикла его работы теплоносителем, подаваемым в рубашку 6 через патрубок 7. Теплоноситель протекает в направлении оси аппарата по волнообразному каналу, образованному волнистыми стенкой корпуса 1 аппарата и внутренней поверхностью стенки рубашки 6, что позволяет увеличить турбулентность потока и за счет этого разрушать ламинарный пограничный слой жидкости на теплопередающей поверхности корпуса в теплообменной рубашке 6, предотвратить образование застойных зон. Вследствие этого коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности стенки корпуса 1 и коэффициент теплопередачи через нее возрастают, увеличивается тепловой поток от теплоносителя в рубашке 6 к жидкости в аппарате через стенку корпуса 1, сокращается время цикла работы аппарата и возрастает его производительность. Кроме того, выполнение корпуса 1 аппарата в виде волнистой поверхности в осевом направлении позволяет увеличить поверхность теплообмена и тепловой поток от теплоносителя в рубашке 6 к жидкости в аппарате через стенку корпуса 1, вследствие чего также сокращается время цикла работы аппарата и возрастает его производительность. Отработанный теплоноситель отводится через патрубок 8. В аппарате происходит реакция, сопровождающаяся поглощением тепла. После окончания цикла работы аппарата продукты реакции отводятся через патрубок для отвода готового продукта 5.

Использование аппарата предлагаемой конструкции позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи от теплоносителя, протекающего в рубашке, к корпусу аппарата и увеличить поверхность теплообмена, что позволяет увеличить производительность аппарата и сократить время цикла.