CS248332B1 - Rotation heat exchanger - Google Patents

Description

Vynález sé týká chemického strojírenství, a sice rotačního výměníku tepla·

Použití vynálezu je nejúčelnější pro zpracování viskózních kapalin, například roztoků polymerů při získávání makromolekulárních látek takových jako syntetický kaučuk.

Při zpracování viskózních kapalin je závažným problémem intenzifikace výměny tepla. Součinitelé tepelného prostupu mají nízké hodnoty v důsledku potíží spojených se zvyšováním rychlosti pohybu takovýchto kapalin a také vzhledem k velké tloušťce mezní vrstvy, vytvářející se na teplosměnných plochách·

Snahy o vyřešení shora uvedeného problému vedly k vytvoření rotačních výměníků tepla, které v nynější době našly široké uplatnění.

Výměník tepla popsaný v patentovém spisu USA č. 2 001 083, třída 165-90, je opatřen válcovým tělesem, které má plášť pro chladicí médium. Uvnitř tělesa je souose s ním uložen rotující válcový prvek, který je rovněž určen pro průtok chladicího média. Prstencová dutina, vytvořená mezi vnitřní stěnou tělesa a vnější stěnou válcového prvku, je určena pro průtok zpracovávané, tj· ochlazované kapaliny. Výměna tepla nastává takto jak přes vnitřní stěnu tělesa, tak i přes vnější stěnu válcového prvku·

Uvedený výměník tepla nezajišťuje však dosažení vysokých součinitelů tepelného prostupu z toho důvodu, že při chlazení viskózních kapalin se vytváří na teplosměnných plochách, ohra- λ248 332 niČujících prstencovou dutinu, laminární mezní vrstva značné tloušťky, která zabraňuje intenzifikaci výměny tepla. Například při zpracování roztoků polymerů vede tato skutečnost k tomu, že na teplosměnných plochách se ukládá vrstva polymeru, jejíž tlouštka se stále zvětšuje, takže vzniká nutnost pracného rozebírání přístroje za účelem provádění periodického čištění teplosměnných ploch.

Intenzifikace procesu výměny tepla byla dosažena u konstrukce rotačního výměníku tepla, popsané v autorském osvědčení SSSR δ. 1 064 735.

Známý rotační výměník tepla je opatřen tělesem, uvnitř něhož je souose uspořádán rotor, který spolu s vnitřní stěnou tělesa vytváří dutinu pro průtok chladicího média, a stator, umístěný kolem osy otáčení rotoru, přičemž stator vytváří spolu s vnitřní stěnou rotoru dutinu pro průtok viskózní kapaliny teplonosného média. Kolem podélné osy statoru je umístěno válcové pouzdro opatřené na vnějším povrchu spirálovitým žebrem. Vnitřní stěna statoru a vnější stěna válcového pouzdra uzavírají mezi sebou prstencovou dutinu pro průtok chladicího média. V prstencové dutině pro průtok viskózní kapaliny je umístěn rám opatřený stěrači, který je uložen volně na čepech statoru. Stěrače jsou na otočném rámu uloženy kloubově.

Při otáčení rotoru dochází k volnému otáčení rámu se stě rači. Vzhledem k setrvačnosti má rám menší úhlovou rychlost

- 3 248 332 než rotor. Tím se současně uskutečňuje čištění obou teplosměnných ploch.

Popsaný výměník tepla zajištuje vysokou hodnotu součinitele výměny tepla mezi zpracovávanou viskózní kapalinou a chladicím médiem při dostatečně velkém poměru teplosměnné plochy k objemu přístroje. Taková konstrukce rotačního výměníku tepla neumožňuje však zvýšit intenzitu výměny tepla mezi viskózní kapalinou a chladicím prostředkem, protože rozdíl úhlových rychlostí rámu se stěrači a rotoru je konstantní, takže se nedosáhne dostatečné obvodové rychlosti stírání vnitřní stěny rotoru stěrači,

Účelem vynálezu je intenzifikace tepelné výměny viskózních kapalin.

Vynález si klade za úkol vytvořit takový rotační výměník tepla, u něhož se konstrukční změnou rámu a statoru dosáhne snížení rychlosti otáčení rámu se stěrači, což vede k intenzifikaci tepelné výměny.

Postavený úkol je vyřešen rotačním výměníkem tepla, uvnitř jehož tělesa je souose uložen rotor, který spolu s vnitřní stěnou tělesa vytváří dutinu pro průtok chladicího média, a stator, který je umístěn kolem osy otáčení rotoru a spolu s vnitřní stěnou rotoru vytváří dutinu pro průtok viskózní kapaliny, v táto dutino je volně otočně kolem podélné osy statoru uložen rám se stěrači, z nichž jedny stěrače se dotýkají vnější stěny statoru a druhé vnitřní stěny rotoru, přičemž rotační

248 332 výměník tepla je opatřen pouzdrem, umístěným kolem podélné osy statoru, opatřeným spirálovitým žebrem a vytvářejícím spolu s vnitřní stěnou statoru dutinu pro průtok chladicího média. Podstata vynálezu spočívá v tom, že ve výměníku tepla je uspořádáno zařízení pro brzdění rámu, které je tvořeno nejméně jednou hydrodynamickou spojkou, jejíž čerpadlové kolo je upevněno na základně rámu naproti statoru, na jehož čelní straně je upevněno turbínové kolo hydrodynamické spojky.

Takové konstrukční provedení rotačního výměníku tepla zintenzívňuje tepelnou výměnu mezi viskózní kapalinou a chladicím médiem snížením rychlosti otáčení rámu se stěrači v důsledku jeho brzdění vyvolaného hydrodynamickým momentem, vznikajícím při vzájemném působení nepohyblivě uspořádaných turbínových kol a otáčejících se čerpadlových kol hydrodynamických spojek, hydrodynamický moment má směr opačný než točivý moment rámu se stěrači. V tomto případě se zvyšuje obvodová rychlost stírání vnitřní stěny rotoru stěrači.

Tento faktor představuje hlavní b.udič turbulence a makro vírů, které způsobují zintenzívnění výměny tepla v prstencové dutině ohraničené vnitřní stěnou rotoru a vnější stěnou statoru.

Vysoká turbulence a relativně malá šířka prstencové dutiny umožňuje dosažení vysokých hodnot součinitele přenosu tepla nejen povrchem rotoru, nýbrž také povrchem statoru, ne- 5 248 332 hledě na snížení rychlosti stírání povrchu statoru stěrači.

Podstata a přednosti předloženého vynálezu jsou zřejmé z následujícího popisu konkrétního příkladného provedení a z výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje rotační výměník tepla v podélném řezu; v jeho pravé polovině je do roviny řezu podmíněně zavedena tyč se stěrači; obr. 2 znázorňuje řez podle čáry II-II z obr. 1.

Rotační výměník tepla podle vynálezu obsahuje těleso 1 vytvořené jako pouzdro válcového tvaru, v němž je souose umístěn rotor 2,, který je rovněž tvořen pouzdrem a je uložen na ložiskách 2° Přitom je rotor 2. uspořádán tak, že mezi jeho vnější stěnou a vnitřní stěnou tělesa 1 vzniká prstencová dutina 4. P^ro průtok chladicího média, například vody. Nátrubek 2 je určen pro přívod vody do dutiny 4 ^a nátrubek 6. pro odvádění odpadové vody z dutiny 4. Oba nátrubky 2. ^a 6 Jsou upevněny na telese 1. Rotor 2 se uvádí do otáčivého pohybu pomocí řemenice J. Kolem osy otáčení rotoru 2. je umístěn stator 8, který vytváří s vnitřní stěnou rotoru 2 prstencovou dutinu £ pro průtok viskózní kapaliny, např. roztoku butadienového kaučuku v benzenu. Prstencová dutina £ <3^e spojena jednak s komorou 10 pro přívod roztoku butadienového kaučuku v benzenu, která je spojena s nátrubkem 11. jednak s komorou 12 pro odvádění roztoku butadienového kaučuku v benzenu, která je spojena s nátrubkem 13. Oba nátrubky 11 a 13 jsou upevněny na tělese 1. Komora 10 je izolována od ložiska 2. těsněním 14 a /

248 332 prstencová dutina £ těsněním 15» Komora 12 je těsněním 16 izolována od druhého ložiska £, od kterého je prstencová dutina £ izolována těsněním 17» Kolem podélné osy statoru 8 je umístěno pouzdro 18, které je na vnější ploSe opatřeno spirálovitým žebrem 19 pro zvýšení rychlosti vodního proudu, což má za následek zvýšení součinitele prostupu tepla. Pouzdro 18 vytváří spolu s vnitřní stěnou statoru 8 dutinu 20 pro průtok vody. Přívod vody dovnitř dutiny 20 nastává prostřednictvím trubky 21, která je spojena s nátrubkem 22 přivádějícím proud vody a je připevněna k pouzdru 18. Odvádění proudu odpadové vody z dutiny 20 nastává prostřednictvím dutého nátrubku 25« upevněného na statoru 8, a nátrubku 24 připevněného k nátrubku 23. V prstencové dutině 2 je umístěn rám 25. volně otočný kolem podélné osy statoru 8_O Stěrače 26 a 27 (obr. 2) jsou uspořádány výkyvné na každé tyči 28 rámu 25. přičemž stěrače 26 jsou ve styku s vnější stěnou statoru 8 a stěrače 27 jsou ve styku s vnitřní stěnou rotoru 2_°

Volné otáčení rámu 25 je zajištěno náboji 29 a 29a. které jsou volně uloženy na nátrubku 25 a na ose 29b» Rám 25 je připevněn k nábojům 29 a 29a, / Rotační výměník tepla je opatřen zařízením pro brzdění rámu 25. které je tvořeno dvěma o sobě známými hydrodynamickými spojkami 51. Čerpadlové kolo 52 každé z těchto hydrodynamických spojek J51 je upevněno na základně 55 rámu 25. zatímco turbínové kolo 54 každé z hydrodynamických spojek 51 je

- 7 248 332 na čelní straně 35 statoru 8. Každé turbínové kolo 34 je opatřeno lopatkami 36.

Rotační výměník tepla pracuje takto:

Jeden proud vody vstupuje nátrubkem (obr. 1) dovnitř prstencové dutiny £ ohraničené vnitřní stěnou tělesa 1 a vněj ší stěnou rotoru 2₀ Proud odpadové vody se odvádí z prstencové dutiny £ nátrubkem 6. Druhý proud vody vstupuje nátrubkem 22 a trubkou 21 do dutiny 20; proud odpadové vody se odvádí z dutiny 20 nátrubky 23 a 24. Přitom při průtoku po povrchu spirálovitého žebra 19 zvyšuje se.rychlost proudu vody, což má za následek zvýšení součinitele prostupu tepla. Proud roztoku butadienového kaučuku v benzenu je přiváděn dovnitř prstencové dutiny 2> to je do prostoru mezi dvěma teplosměnnými plochami, a je veden v protisměru vůči proudům vody. Roztok butadienového kaučuku v benzenu se přivádí nátrubkem 11. načež roztok vstupuje dovnitř komory 10, která je na čelní straně opatřena těsněním 14, a odtud proudí do prstencové dutiny 2» kde dochází k výměně tepla mezi uvedeným proudem roztoku a vodními proudy tekoucími v dutinách £ a 20. Konečný produkt se odvádí komorou 12 a nátrubkem 13.

Při otáčení rotoru 2, který je poháněn například pomocí řemenice 2> uvádí se rovněž do pohybu rám 25 v důsledku točivého momentu, který vzniká vzájemným působením stěračů 27 a vnitřní stěny rotoru 2,» Proti tomuto točivému momentu působí brzdný moment rámu 25 v důsledku vzájemného působení stěračů

- 8 *

248 332 a vnější stěny statoru 8. Spolu s uvedeným brzdným momentem, který má relativně nízkou hodnotu, klade točivému momentu odpor hydrodynamický moment, vznikající v důsledku vzájemného působení každého otáčejícího se čerpadlového kola 32 a nepohyblivě uspořádaného turbínového kola 54 každé z hydrodynamických spojek 31. Hydrodynamický moment má směr opačný ke směru točivého momentu rámu 25·

Úhlová rychlost rámu 25 se stěrači £6 a 27 je takto podstatně nižší než úhlová rychlost rotoru 2.· Přitom se dosahuje vysoké rychlosti stírání vnitřní stěny rotoru 2, stěrači 27·

V důsledku toho, že prstencová dutina 2 je relativně úzká, je turbulence a makrovíry, které v tomto případě vznikají vzájemným působením stěračů 27 a vnitřní stěny rotoru 2, natolik intenzívní, že se dosáhne vysoké hodnoty součinitele přestupu tepla nejen k povrchu rotoru 2, ale také k povrchu statoru 8· Pro dosažení vysokých hodnot součinitelů prostupu tepla těmito povrchy je samozřejmě nutné, aby také součinitelé přestupu tepla od těchto povrchů k proudu vody mely vysoké hodnoty· V rotačním výměníku tepla podle vynálezu se vytvářejí takové hydrodynamické podmínky, které umožňují bezvadné splnění shora uvedených požadavků· V důsledku vzniku Tylořových vírů v prstencové dutině £ mezi tělesem 1 a rotorem 2 se dosáhne zvláší vysokých hodnot součinitele prostupu tepla z povrchu rotoru 2 k proudu vody. Vysokých hodnot součinitele prostupu tepla k povrchu statoru 8 se dosáhne zejména nuceným pohybem

- 5~

248 332 proudu vody, probíhajícím spirálovitě s vysokou rychlostí v dutině statoru 8, což je důsledkem spirálovitého žebra 19. Jinou cestou k dosažení vysokých hodnot součinitele prostupu tepla je použití odpařujícího se chladicího média anebo zkapalňujícího se teplonosného média. V tomto případě odpadá nutnost použití spirálovitého žebra 19.

Claims (1)

1. Rotační výměník tepla, uvnitř jehož tělesa je souose uložen i*otor, který spolu s vnitřní stěnou tělesa vytváří dutinu pro průtok chladicího média, a stator, který je umístěn kolem osy otáčení rotoru a spolu s vnitřní stěnou rotoru vytváří dutinu pro průtok viskózní kapaliny, v které je volně otočně kolem podélné osy statoru uložen rám, opatřený stěrači, z nichž jedny stěrače se dotýkají vnějěí stěny statoru a druhé vnitřní stěny rotoru, přičemž rotační výměník tepla je opatřen pouzdrem, uloženým kolem podélné osy statoru, opatřeným spirálovitým žebrem a vytvářejícím spolu s vnitřní stěnou statoru dutinu pro průtok chladicího média, vyznačující se tím, že je v něm uspořádáno zařízení pro brzdě ní rámu (25), které je tvořeno nejméně jednou hydrodynamickou spojkou (31), jejíž čerpadlové kolo (32) je upevněno na základně (33) rámu (25) naproti statoru (8), na jehož čelní straně (35) je upevněno turbínové kolo (34) hydro dynamické spojky (31)·