конденсатор с капиллярной насадкой

Формула изобретения

Конденсатор с капиллярной насадкой, включающий корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата, воздушным патрубком, внутри которого помещена перфорированная насадка, перфорация которой выполнена в виде конических капилляров, отличающийся тем, что насадка расположена на опорной решетке и представляет собой перфорированные колпачки, уложенные рядами друг на друга в шахматном порядке, поверхность которых покрыта слоем гидрофильного материала или изготовленные из него, причем конические капилляры расположены по нормали к поверхности колпачков таким образом, что их малые отверстия находятся на наружной поверхности колпачка, а большие отверстия - на внутренней.

Описание изобретения к патенту

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

Известен капиллярный водоохладитель, содержащий корпус с верхней и нижней крышками, штуцерами (патрубками) входа и выхода охлаждаемой жидкости (рабочего тела), воздушным патрубком, внутри которого помещены горизонтальные и вертикальные перегородки, соединенными поочередно своими кромками с поверхностью близлежащих перегородок с созданием щели между ними, образуя расположенные поочередно по ходу движения воды пустотелые ступени свободной поверхности и охлаждения, покрытые или изготовленные из гидрофильного и гидрофобного материалов и заполненные пористой насадкой [патент РФ № 2227252, МПК F24F 3/14, 2004].

Основными недостатками известного капиллярного водоохладителя являются громоздкость его конструкции, обусловленная необходимостью значительных пустот по ширине и высоте аппарата, что усложняет его конструкцию, заполнение их жидкостью при удалении из них воздуха, что приводит к прекращению работы и таким образом снижает его надежность, а также невозможность конденсации значительных количеств пара, что снижает его эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является 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 F22B 37/26, B01D 5/00, 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.

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

Технический результат достигается в 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.

На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2 - разрез, на фиг 3-6 основные узлы предлагаемого конденсатора с капиллярной насадкой (ККН).

ККН 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 решетке 7, помещенной на опоры 8, размещена насадка 9, представляющая собой перфорированные колпачки 10, уложенные рядами друг на друга в шахматном порядке, поверхность которых покрыта слоем гидрофильного материала 11 или изготовленные из него, перфорация - выполнена в виде конических капилляров 12, расположенных по нормали к поверхности колпачков 10 таким образом, что их малые отверстия 13 находятся на наружной поверхности колпачка 10, а большие отверстия 14 - на внутренней.

В основу работы предлагаемого ККН 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].

ККН работает следующим образом. Отработанный пар после турбин при температуре насыщения через патрубок 4 подают в нижнюю зону ККН, откуда он через решетку 7 распределяется по всему сечению аппарата, причем его большая часть поступает в полости колпачков 10 первого ряда, считая от низа, а меньшая часть поступает в полости следующего ряда колпачков 10. Далее из полостей колпачков 10 первого ряда пар поступает через большие отверстия 14 в конические капилляры 12, в которых под действием капиллярных сил перемещается к их малым отверстиям 13, где происходит его частичная конденсация с выделением тепла конденсации Q _ri. Мениски образовавшейся жидкости (конденсата) в капиллярах 12 соприкасаются с гидрофильным материалом 11, свободно распределяются на внешней поверхности колпачков 10, благодаря наличию пространства между соседними колпачками 10 и гидрофильных свойств материала 11, затрачивая при этом выделившееся тепло конденсации Q _ri на образование свободной поверхности, после чего образовавшийся конденсат под действием силы тяжести стекает вниз. При этом несконденсировавшийся пар, выходящий вместе с конденсатом из малых отверстий 13 капилляров 12 колпачков 10 первого ряда смешивается с паром, прошедшим мимо предыдущего ряда колпачков 10, унося вместе собой некоторую часть образовавшегося конденсата в виде мелких капель, после чего большая часть образовавшейся парожидкостной смеси поступает в полости колпачков 10 второго ряда, а меньшая часть поступает в полости третьего ряда колпачков 10, где происходят вышеописанные процессы конденсации пара в конических капиллярах 12 с выделением тепла конденсации Q_ri и образования свободной поверхности жидкости на гидрофильных поверхностях колпачков 10 с затратой этого тепла, к которым добавляются процессы испарения частиц вносимого с паром конденсата в широких сечения капилляров 12. Аналогичные процессы испарения конденсата с образованием пара в широких сечениях, конденсации пара с образованием конденсата в узких сечениях капилляров 12 и образования свободной поверхности жидкости на гидрофильном материале 11 наружной поверхности колпачков 10 происходят при поступлении несконденсировавшегося пара с уносимым конденсатом в вышеследующие ряды колпачков 10 до полной конденсации большей части исходного отработанного пара. Образовавшийся конденсат из малых отверстий 13 конических капилляров 12 всех рядов колпачков 10 под действием сил тяжести стекает на днище, образованное нижней крышкой 3, откуда выводится из ККН через патрубок 5, а несконденсировавшийся пар и газы (O₂, CO₂, N₂) выводятся через воздушный патрубок 4. Количество уносимого конденсата, образовавшегося на нижележащих рядах колпачков 10, с паром и попадающего в капилляры 12 вышерасположенных рядов колпачков 10 значительно меньше, чем в известном устройстве, так как его основная масса под действием силы тяжести стекает вниз, что позволяет снизить гидравлическое сопротивление капилляров 12 и увеличить их производительность. При этом многократное взаимное фазовое превращение и преодоление сил трения при перемещении парожидкостной смеси по капиллярам 12 многочисленных рядов колпачков 10 в предлагаемом ККН позволяет проводить процесс конденсации пара без использования хладоагента.

Количество рядов колпачков 10 в ККН и, соответственно, его высоту принимают такими, чтобы обеспечить конденсацию большей части исходного отработанного пара, поступившего в аппарат. Размеры колпачков 10 (ширину и высоту) можно принимать исходя из стандартных размеров кольцевой насадки (например, 100×100 мм, 50×50 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.

Таким образом, конструкция предлагаемого ККН обеспечивает увеличение площади контакта пара с входными отверстиями капилляров, а конденсата с гидрофильными поверхностями, снижает гидравлическое сопротивление капилляров, увеличивает скорость фильтрации пара и конденсата через конические капилляры что, в конечном итоге повышает его эффективность.