CZ28216U1

CZ28216U1 - Device for efficient heating and cooling in long vessels

Info

Publication number: CZ28216U1
Application number: CZ2015-30556U
Authority: CZ
Inventors: Tomáš Jirout; František Rieger; Martin Dostál
Original assignee: ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ technickĂ© v Praze, Fakulta strojnĂ, Ăšstav procesnĂ a zpracovatelskĂ© techniky
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2015-05-19

Description

Zařízení pro efektivní ohřev a chlazení ve štíhlých nádobáchEquipment for efficient heating and cooling in slender containers

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká zařízení pro efektivní ohřev a chlazení ve štíhlých nádobách.The technical solution relates to a device for efficient heating and cooling in slender containers.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Pro zajištění energeticky efektivního ohřevu a chlazení látek ve válcových nádobách je nutné zajistit dostatečnou teplosměnnou plochu, konvektivní přestup tepla do míchané vsádky a její homogenizaci. Pro tento účel se používají mechanicky míchané nádoby opatřené teplosměnnou plochou. Pro ohřev nebo chlazení menších objemů bývají nádoby opatřeny duplikátorovým pláštěm. Pro velkoobjemová zařízení se používají různě tvarované trubkové vestavby. Součinitel přestupu tepla v míchané vsádce je ovlivněn prouděním vsádky v okolí teplosměnné plochy. Toho lze dosáhnout instalací mechanického míchadla, které zajistí cirkulaci míchané vsádky a tím intenzivní proudění podél teplosměnné plochy a zároveň homogenizaci teplotního pole v míchané vsádce. Pro standardní uspořádání míchaných aparátů je možné ve velkém množství dostupných zdrojů nalézt porovnání různých konfigurací míchacích systémů pro přestup tepla. Souhrnně jsou tato doporučení uvedena např. v knize Paul, E. L., Atiemo-Obeng, V. A., Kresta, S. M. (ed.) Handbook of Industrial Mixing. Science and Practice. New Jersey: John Wiley & Sons, 2004.In order to ensure energy-efficient heating and cooling of substances in cylindrical containers, it is necessary to ensure a sufficient heat exchange surface, convective heat transfer to the stirred batch and its homogenization. For this purpose, mechanically stirred vessels equipped with a heat exchange surface are used. For heating or cooling smaller volumes, containers are provided with a duplicator jacket. For large-volume systems, various pipe fittings are used. The heat transfer coefficient in the stirred batch is influenced by the flow of the batch around the heat exchange surface. This can be achieved by installing a mechanical stirrer which ensures circulation of the agitated batch and thus intense flow along the heat exchange surface, while homogenizing the temperature field in the agitated batch. For the standard arrangement of agitated apparatuses, it is possible to find a comparison of the different configurations of the heat transfer agitator systems in a large number of available sources. These recommendations are summarized in, for example, Paul, E.L., Atiemo-Obeng, V.A., Kresta, S.M. (ed.) Handbook of Industrial Mixing. Science and Practice. New Jersey: John Wiley & Sons, 2004.

Takto provedená optimalizace konfigurace míchacích zařízení pro přestup tepla a z toho plynoucí doporučení je však možné použít pro konstrukci zařízení, ve kterých je použito centrální míchadlo a výška plnění vsádky není příliš odlišná od průměru nádoby. Pokud je z důvodu konstrukce zařízení nutné změnit poměr výšky plnění vsádky k průměru nádoby, např. použitím štíhlých nádob, není již v literatuře dostatek podkladů pro návrh takovýchto energeticky optimalizovaných zařízení. Lze nalézt pouze teoretické práce pro standardní uspořádání míchadel, např. Karcz J., Studies of local heat transfer in a gas-liquid systém agitated by double disc turbines in a slender vessel, Chemical Engineering Journal, 1999, 72, 217-227.However, the optimization of the heat transfer mixer configuration thus performed and the resulting recommendations can be used to design devices in which a central mixer is used and the charge height of the charge is not very different from the vessel diameter. If, due to the design of the apparatus, it is necessary to change the ratio of the charge height to the vessel diameter, for example by using lean vessels, there is no longer enough literature in the literature to design such energy optimized apparatuses. Only theoretical work can be found for standard stirrer arrangements, eg Karcz J., Studies of local heat transfer in a gas-liquid system agitated by double disc turbines in a slender vessel, Chemical Engineering Journal, 1999, 72, 217-227.

Navíc většina takto dostupných informací je pouze pro míchání kapalin vykazujících newtonské chování. Pokud je tedy třeba použití štíhlé nádoby, a navíc jedná-li se o míchání nenewtonských látek, např. koncentrovaných suspenzí a kalů, dochází v těchto případech k silnému ovlivnění proudové pole v míchané vsádce, což má vliv na hodnotu součinitele přestupu tepla. Vlivem takových vlastností vsádky dochází k poklesu intenzity cirkulačního proudění v míchané vsádce a navíc při použití štíhlých nádob není zaručeno, že k cirkulaci bude docházet v celém objemu vsádky. Takto snížená intenzita míchání má pak za následek značné zhoršení efektivity ohřevu nebo chlazení vsádky. Z tohoto plyne, že pro takovéto případy není možné využívat doporučení pro standardní případy, které lze nalézt v dostupných zdrojích.In addition, most of the information available is only for mixing liquids exhibiting Newtonian behavior. Thus, if a slender vessel is required, and in addition to the mixing of non-Newtonian substances such as concentrated suspensions and sludge, the flow field in the stirred batch is strongly influenced in these cases, affecting the heat transfer coefficient value. Due to such batch characteristics, the circulation flow in the stirred batch decreases and, moreover, when slender containers are used, circulation is not guaranteed to occur throughout the batch volume. Such reduced mixing intensity then results in a significant deterioration in the efficiency of heating or cooling the batch. It follows that for such cases it is not possible to use the recommendations for standard cases found in the available sources.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro efektivní ohřev a chlazení ve štíhlých nádobách s poměrem výšky H hladiny vsádky k průměru D nádoby alespoň 1 až 3, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že teplosměnná plocha je tvořena šroubovicovou trubkovou vestavbou a nádoba je opatřena alespoň dvěma radiálními narážkami a etážovým míchadlem tvořeným alespoň dvěma míchadly rozmístěnými rovnoměrně v míchané vsádce pro zajištění cirkulace v celém objemu míchané vsádky. Spodní míchadlo je umístěno minimálně ve výšce spodní hrany lopatky nade dnem rovnající se polovině průměru míchadla a poměr vzdálenosti mezi míchadly k průměru míchadel je v rozmezí 1 až 2.The above drawbacks are largely overcome by a device for efficient heating and cooling in slender containers with a ratio of the level H of the charge level to the diameter D of the container of at least 1 to 3, according to the present invention. It is based on the fact that the heat exchange surface is formed by a helical tubular installation and the vessel is provided with at least two radial stops and a tray stirrer consisting of at least two stirrers distributed uniformly in the stirred batch to ensure circulation throughout the mixed batch volume. The bottom agitator is located at least at the height of the lower edge of the blade above the bottom equal to half the diameter of the agitator and the ratio of the distance between agitators to the agitator diameter is in the range of 1 to 2.

Nádoba může mít průřez ve tvaru kruhu, čtverce, obdélníku nebo víceúhelníku a podobně a dno může mít rovné, kuželové nebo klenuté a podobně.The container may have a cross-section in the form of a circle, square, rectangle or polygon and the like, and the bottom may be straight, conical or arched and the like.

Míchadla jsou standardizovaná i tvarovaná, tj. hydrodynamicky optimalizovaná, axiální míchadla v navržené geometrické konfiguraci.The agitators are standardized and shaped, ie hydrodynamically optimized, axial agitators in the designed geometric configuration.

-1 CZ 28216 Ul-1 CZ 28216 Ul

Předkládané technické řešení ohřevu a chlazení látek se zaměřuje na zařízení tvořená štíhlými nádobami. Z konstrukčního hlediska je výhodné v těchto nádobách použít pro přestup tepla trubkové vestavby. Tvar trubkové vestavby je navržen tak, aby byla maximalizovaná teplosměnná plocha při současném zajištění intenzivního proudění při jejím obtékání. V míchané vsádce je nutné zajištění intenzivního proudění podél celé teplosměnné plochy a intenzivní cirkulace v celé míchané vsádce. Z těchto předpokladů bylo vycházeno při návrhu konfigurace zařízení podle tohoto technického řešení.The present technical solution of heating and cooling of fabrics is focused on devices consisting of slender vessels. From a constructional point of view, it is advantageous to use tubular assemblies for heat transfer in these vessels. The shape of the pipe is designed to maximize the heat exchange surface while ensuring intense flow as it flows around. In the stirred batch, it is necessary to ensure intense flow along the entire heat transfer surface and intensive circulation throughout the mixed batch. These assumptions were based on the design of the equipment configuration according to this technical solution.

Tímto technickým řešením se dosahuje vysoká energetická účinnost procesu, přičemž je zajištěn efektivní přestup tepla ve štíhlých válcových nádobách a tím jsou minimalizovány provozní energetické náklady.This technical solution achieves a high energy efficiency of the process, while ensuring efficient heat transfer in slim cylindrical containers, thereby minimizing operating energy costs.

Objasnění obrázků na výkreseClarification of the figures in the drawing

Zařízení pro efektivní ohřev a chlazení ve štíhlých nádobách podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsáno na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde na obr. 1 je znázorněno příkladné zařízení v bokorysu v řezu a na obr. 2 je ukázka porovnání konfigurace etážových míchadel pro ohřev a chlazení látek ve štíhlých nádobách.The apparatus for efficient heating and cooling in slender containers according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawing, in which Fig. 1 shows an exemplary side view of a cross-section and Fig. heating and cooling of substances in slender containers.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Zařízení pro efektivní ohřev a chlazení ve štíhlých nádobách s poměrem výšky H hladiny vsádky k průměru D nádoby alespoň 1 až 3 má teplosměnnou plochu tvořenou šroubovicovou trubkovou vestavbou 4. Nádoba je opatřena dvěma radiálními narážkami 3 a etážovým míchadlem tvořeným dvěma míchadly 1, 2 rozmístěnými rovnoměrně v míchané vsádce pro zajištění cirkulace v celém objemu míchané vsádky. Spodní míchadlo 1 je umístěno ve výšce H? spodní hrany lopatky nade dnem rovnající se polovině průměru di míchadla 1 H₂/d£= 0,5 a vzdálenost Hj mezi míchadly 1, 2 je v rozmezí H₃/d =1-^2. Nádoba má průřez ve tvaru kruhu a kuželové dno 5. Jsou použita standardizovaná axiální míchadla i, 2.Apparatus for efficient heating and cooling in slender containers having a ratio of the level H of the charge level to the diameter D of the container of at least 1 to 3 has a heat exchange surface formed by a helical tubular assembly 4. The container is provided with two radial baffles 3. in the mixed batch to ensure circulation throughout the mixed batch volume. The bottom agitator 1 is located at a height H 2. the lower edges of the blade above the bottom equal to half the diameter di of the stirrer 1 H ₂ / d 6 = 0.5 and the distance H 1 between the stirrers 1, 2 is in the range H ₃ / d = 1- 2. The vessel has a circular cross-section and a conical bottom 5. Standardized axial stirrers 1, 2 are used.

Zařízení je tedy tvořeno štíhlou nádobu nej častěji válcového tvaru s poměrem výšky hladiny vsádky k průměru nádoby H/D =1-^3, která je vybavena dvěma radiálními narážkami 3, jejichž šířka je přibližně 0,1 D. Teplosměnná plocha je tvořena trubkovou vestavbou 4 ve tvaru šroubovice o vnějším průměru dosahujícím k vestavěným narážkám a zajišťující dostatečné obtékání míchanou vsádkou. Konfigurace zařízení je navržena pro ohřev či chlazení jak newtonských kapalin, tak i heterogenních látek vykazujících silně nenewtonské chování, např. koncertované suspenze a kaly. Z tohoto důvodu je nutné věnovat pozornost zejména vhodnému návrhu míchacího systému. Instalovaná míchadla 1_, 2 musí zajistit spolu s narážkami 3 intenzivní cirkulaci v míchané vsádce a intenzivní obtékání topné trubkové vestavby 4. Pro tento účel je vhodné v míchané vsádce mechanickými míchadly I, 2 vyvolat axiální cirkulační smyčku. Cirkulaci v celé míchané vsádce ve štíhlé nádobě je pak možné dosáhnout instalací dvou stejně čerpajících axiálních míchadel 1, 2 rovnoměrně rozmístěných na společném hřídeli, tzv. etážové míchadlo. Axiálního toku je pak dosaženo vhodným tvarováním lopatek míchadel I, 2.Thus, the device consists of a slender vessel of the most often cylindrical shape with a ratio of the level of the charge level to the diameter of the vessel H / D = 1- ^ 3, which is equipped with two radial baffles 3, the width of which is approximately 0.1D. 4 in the form of a helical outer diameter reaching the built-in stops and ensuring sufficient bypassing of the mixed batch. The device configuration is designed to heat or cool both Newtonian liquids and heterogeneous substances exhibiting strongly non-Newtonian behavior, such as concerted suspensions and sludges. For this reason, it is necessary to pay particular attention to the appropriate design of the mixing system. The agitators 1, 2 to be installed, together with the stops 3, must ensure intensive circulation in the agitated batch and intensive flow around the heating tube assembly 4. For this purpose, it is appropriate to induce an axial circulation loop in the agitated batch by mechanical agitators 1,2. The circulation in the entire stirred batch in the slender vessel can then be achieved by installing two equally pumping axial mixers 1, 2 equally spaced on a common shaft, the so-called deck mixer. The axial flow is then achieved by suitably shaping the stirrer blades 1, 2.

Na obr. 2 je ukázka porovnání ohřevu míchané vsádky v navržené konfiguraci štíhlé nádoby s etážovým míchadlem tvořeným nejjednodušším typem axiálního míchadla se skloněnými lopatkami pod úhlem 45° (označení 6PBT) a hydrodynamicky optimalizovaným „hydrofoil“ míchadlem (označení TX335). Z tohoto porovnání je zřejmé, že použitím etážového míchadla tvořeného vhodnou konfigurací hydrodynamicky optimalizovaných míchadel s vysokou hydraulickou, tj. čerpací účinností je třeba pro ohřev či chlazení vsádky až 2,2* méně energie než při použití standardních míchadel se skloněnými lopatkami ve stejné konfiguraci, tj. stejném průměru a umístění míchadel.Fig. 2 shows a comparison of the stirred batch heating in the proposed slender vessel configuration with a multi-stage stirrer consisting of the simplest type of axial mixer with 45 ° inclined blades (6PBT designation) and a hydrodynamically optimized hydrofoil mixer (designation TX335). From this comparison, it is clear that using a multi-stage deck mixer with a suitable configuration of hydrodynamically optimized high hydraulic mixers, ie pumping efficiency, requires up to 2.2% less energy to heat or cool the batch than using standard pitched blade mixers in the same configuration, ie the same diameter and location of the stirrers.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Zařízení pro efektivní ohřev a chlazení ve štíhlých nádobách podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění v chemickém průmyslu při zpracování koncentrovaných jemnozmných sus-2CZ 28216 Uí penzí, dále pak při těžbě a primárním zpracování nerostných surovin a v neposlední řadě v oblasti zpracování odpadních kalů z biotechnologií či energetiky a podobně.The device for efficient heating and cooling in slender containers according to this technical solution finds application in the chemical industry in the processing of concentrated fine-grained sus-2CZ 28216 Uí pensions, as well as in mining and primary processing of mineral resources and last but not least in the field of biotechnology energy and the like.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

Apparatus for efficient heating and cooling in slender containers having a ratio of level 5 (H) of the charge level 5 to the diameter (D) of the container of at least 1 to 3, characterized in that the heat transfer surface is formed by a helical tubular installation (4) and the container is provided at least two radial baffles (3) and a tray stirrer comprising at least two stirrers (1, 2) distributed uniformly in the stirred batch to ensure circulation throughout the mixed batch volume, the bottom mixer (1) being located at least at the height (H ₂ ) of the lower edge above the bottom equal to half the diameter (d 1) of the stirrer (1) and the ratio between the distance (H ₃ ) between the stirrers (1, 2) and the diameter (d) of the stirrers (1,2) is in the range 1 to 2.

Device according to claim 1, characterized in that the container has a cross-section in the form of a circle, square, rectangle or polygon and the bottom is straight, conical or arched.