HU210468B - Berendezés csőben áramló folyadék melegítésére gőzbefúvással - Google Patents

Abstract

A berendezésnek vagy egy hidegfolyadék-bevezető (1), egy melegfolyadék elvezető (2) és egy gőzbevezető csonkja (3), egy belső csőszakasza (4), ebben statikus keverő elemei (5). Van továbbá egy gőzbevezető köpenye (6), gőzbevezető nyílásai (7), fordítókamrája (8) és külső csőszakasza (9) statikus keverőelemekkel (5). A berendezés központi része a belső csőszakasz (4). Abelső csőszakasz (4) egyik végén a hidegfolyadék-bevezető csonk (1), másik végén a fordítókamra (8) van. A belső csőszakaszt (4), amelyen a gőzbevezető nyílások (7) vannak, körkörösen körülveszi a gőzbevezető köpeny (6), amely alul és felül zárt, a hidegfolyadék-bevezető csonkhoz (1) közelebb eső oldalán gőzbevezető csonkja (3) van. A gőzbevezető köpenyt (6) körkörösen körülveszi a külső csőszakasz (9), amely a fordítókamrán (8) át csatlakozik a belső csőszakaszhoz (4). Akülső csőszakasznak (9) a fordítókamrától (8) távolabbi végén van a melegfolyadék-elvezető csonkja (2). A belső csőszakaszban (4) és a külső csőszakaszban (9) statikus keverő elemek (5) vannak.

Description

A találmány tárgya berendezés csőben áramló folyadék melegítésére gőzbefúvással.

Ismeretesek a direktgőz-bevezetéses folyadékmelegítő berendezések, amelyek hatásosan valósítják meg a hőátvitelt, mivel valamely folyadék gőzének hőenergiája szinte veszteség nélkül vihető át segítségükkel a folyadékfázisba. (Gőz alatt a folyadék gőzét vagy a folyadék felhasználása szempontjából közömbös, más folyadék gőzét értjük.) Ilyen berendezéseket ismertet a Taubman, E. J.: Vüparivanie. Himija. Moszkva. 1982. c. könyv és a Delorberis et al.: Heat and Techn. 1987.

5. (3-4) 36-54. old. közlemény. A berendezések egy részénél a gőzfázist perforált falakon, szitán, stb. keresztül vezetik be, másik részénél valamely nyíláson keresztül fújják be, és így biztosítják a fázisok - gőz és folyadék fázis - egyszeri finom elosztását, A perforált falakon keresztüli gőzbevezetéssel, a gőzbuborékoltató berendezés általában szakaszosan üzemel. A folyadék egy tartályban van, a tartály alján lévő perforált csőbe vezetik be a gőzt, amely a perforációs lyukakon apró buborékokká osztva halad keresztül, majd a folyadékban felszáll és közben kondenzál. A buborékok felfelé haladtukban ütközhetnek és nagyobbakká olvadhatnak össze. A működés szükséges feltétele, hogy a perforációs lyukaknál a gőz nyomása nagyobb legyen a folyadék hidrosztatikai nyomásánál. A buborékokra felfelé haladtukban egyre csökkenő folyadéknyomás hat, amely valamelyest megnöveli a buborék térfogatát. A folyadéknyomás csökkentése ily módon kedvező hatású, mert a nagyobb hőátviteli felületen jelentősebb mértékű a kondenzáció, a gőzbuborék hamarabb kondenzál.

A berendezés hátránya, hogy csak geometriai méreteitől függő, viszonylag szűk folyadék- és gőzáramhatárok között működik jól, ettől eltérő gőzáram ún. „gőzütést” okozhat, mely kellemetlen hanghatással és vibrációval jár, amely a berendezés szétrázódásához vezethet. A szűk folyadékhatárok valamelyest kiteqednek, ha nem hideg, hanem előmelegített folyadékot vezetnek a tartályba. A berendezés hátránya még, hogy a gőzáram növelésével a buborékok egy része, különösen az összeolvadás következtében megnőtt buborékok, felülúszhatnak a folyadék felszínére és a levegőbe távozhatnak, ami akár 10%-ot is elérő energiaveszteséget jelent. További hátrány, hogy a folyadék rossz keveredése miatt viszonylag gyorsan fellép a vízkövesedés.

Ugyancsak perforált lyukakon keresztüli gőzfáziselosztással és bevezetéssel üzemel az US 4 473 512 ljsz.-ú szabadalmi leírás szerinti „Pick Heater” nevű, változtatható gőzbeömlő-felületű berendezés. Ez a berendezés két, egymásban koncentrikusan elhelyezett csőből áll, a belső csövön sok, kisméretű, beömlő nyílás van és belsejében rugóval kitámasztott dugattyú helyezkedik el. A folyadék a két cső közti térben, a gőz a belső csőben áramlik, majd áthalad a belső cső perforációin. A rugó a dugattyút mozgatja, mely mozgásával zárja vagy nyitja a perforációs lyukak egy részét, annak megfelelően, hogy a kívántnál melegebb, vagy hidegebb víz távozik a berendezésből. Ezzel szabályozza a melegítéshez szükséges gőz áthaladását. A berendezés hátránya, hogy szűk folyadékáram és a hozzátartozó gőzáramhatárok között működtethető és csak ott alkalmazható, ahol állandó mennyiségű, vagy hőmérsékletű meleg folyadékra van szükség. A határokon kívül eső folyadék- és gőzáramok „gőzütés”-hez és energiaveszteséghez vezetnek. További hátrány, hogy a vízkövesedés itt is fellép. Elzárhatja a lyukakat különösen a dugattyúval fedett részen akadályozhatja a dugattyú működését. A berendezés külső csövének belső falán spirális terelőlemezek helyezkednek el, melyek az áramokat a fal közelében spirális pályára kényszerítik. A kialakult, önmagán belül is keveredő, spirális áramlás és a cső belsejében kialakult áramlás között keveredés lép fel. Ugyanakkor a külső cső belső fala mellett áramlási holt-terek is kialakulnak és ezzel gyors vízkőlerakódás következhet be.

Nyíláson keresztüli gőzbefúvással üzemel a Venturi-típusú direktgőz-befúvásos berendezés - gyártja a SchuF Armaturen und Apparatebau GmbH Frankfurt De -, amelynél egy szűkületen keresztül nagy sebességgel lép be a gőz a jóval kisebb sebességű folyadékáramba. A berendezés állandó (a berendezés méretei által meghatározott) gőz- és bemenő víznyomás, valamint kimenő melegvíz esetén kielégítően - csekély vibrációval, de igen hangosan - működik. A gyakorlatban azonban a gőz vagy a folyadékáram gyakran ingadozik, ez „gózütés”-hez vezethet és a kimenő melegvíz hőmérséklete is változik. A vízkőlerakódás ennél a berendezésnél is fellép.

A nyíláson keresztüli gőzbefúvással üzemelő berendezések másik típusa a „T-elágazás”-os direktgóz befúvásos berendezés. [Pick Alán E„ „Consider direct steam injection fór heating liquids” Chem. Eng. (N. Y.) 1989, 89 87-89.] Ezeknél a berendezéseknél a gőz a „T-elágazás”-nál keveredik a folyadékkal és aprózódik el benne. Használata során először a folyadékáramot állítják be, majd annyi gőzt vezetnek be, hogy a melegfolyadék-kimenetnél a kívánt hőmérsékletet érjék el. A kívánt folyadékhőmérséklet a gőzáram mennyiségének változtatásával könnyen beállítható, hiszen azonnal megváltoztatja a kilépő meleg folyadék hőmérsékletét. Ez utóbbi hátránya a konstrukciótól függő alacsony kapacitás. Továbbá könnyen előfordul, hogy a gőzáram növelésekor a gőz egy része kondenzáció nélkül távozik. Amelegfolyadékszakaszban pedig gyakori a „gőzütés” és a vízkőlerakódásból adódó dugulás.

Valamennyi eddig ismert direktgőz-beadagolás berendezésnél változik a gőzbuborékméret a folyadék, illetve a gőz áramának változtatásával. A folyadék vagy a gőz nyomásának a változása változtatja a gőzbuborékban lévő gőz mennyiségét. Azonos méretű buborékban a nyomás növelése növeli a buborékban lévő gőz mennyiségét, így az hosszabb idő alatt azaz hoszszabb áramlási szakaszban fogy el, kondenzál.

A találmány szerinti berendezés célja a széles gőzés folyadékáramlási határok közti alkalmazás lehetőségének energiaveszteség nélküli biztosítása, a „gőzütés”, a vibráció és káros hang keletkezésének elkerülése, a vízkökiválás és az általa okozott dugulás megakadályozása.

HU 210 468 Β

A találmány szerinti berendezés alapja az a felismerés, hogy nem elegendő a folyadék és a gőzfázis egyszeri finom elosztása azaz diszpergálása, hanem a finom elosztást, diszpergálást mindaddig folytatnunk kell, ameddig a gőzbuborékok teljesen el nem nyelődnek. Felismerésünk szerint az állandó diszpergálást a berendezésben elhelyezett statikus keverőkkel valósítjuk meg. A diszpergálás az áramok növekedésével illetőleg csökkenésével arányosan növekedik, illetve csökken. Meglepő módon azt tapasztaltuk, hogy statikus keveréssel a gőzt legalább egy nagyságrenddel nagyobb lineáris sebességgel tudjuk áramoltatni úgy, hogy még a buborékos tartományban maradunk. Berendezésünkben a berendezés teljes hosszában felváltva ellentétesen csavart elemeket, vagy ezeknek a csőtengellyel hegyes szöget bezáró megfelelőit helyezzük el, kezdő élükkel egymáshoz képest elforgatva. E statikus keverők behelyezésével megnöveljük ugyan a berendezés ellenállását, azonban meglepő módon azt tapasztaltuk, hogy a nyomás megnövekedése ellenére, a gőzbuborékok elnyelési úthossza, illetve elnyelési ideje nem növekszik, hanem csökken. Ez a csökkenés lehetővé teszi, hogy a berendezésben több gőzbevezető nyílást alakítsunk ki. A gőzbevezető nyílásokat egy belső csőszakaszon helyezzük el.

A berendezésnek van tehát egy belső csőszakasza, amelyen gőzbevezető nyílások vannak. Ezt a csőszakaszt körkörösen körülveszi egy másik csőszakasz. Ennek a csőszakasznak a két vége zárt. Egyik oldalán van egy gőzbevezető csonk. Ehhez a csonkhoz kapcsolódnak a gőzáramlást szabályozó eszközök és a gőzvezeték.

A belső csőszakasznak egyik végén van a hidegfolyadék-bevezetés, a másik végén van egy fordítókamra. A fordítókamrához szintén körkörösen csatlakozik egy külső csőszakasz, amely zárt, csupán a csőszakasz végén egy melegfolyadék-elvezető csonk van.

A belső csőszakaszban és a külső csőszakaszban, a csőszakaszok teljes hossza mentén statikus keverők vannak.

A találmány szerinti berendezés lényege tehát, hogy egy belső, a lefelé áramlást biztosító csőszakaszhoz fordítókamrán keresztül csatlakozik egy felfelé áramlást biztosító külső csőszakasz. A lefelé áramlást biztosító belső csőszakaszt körben körülveszi egy gőzbevezető köpeny. A kettő érintkezési falán, annak hosszában több helyen gőzbevezető nyílás van. A lefelé és felfelé áramlást biztosító csőszakaszokban végig, felváltva ellentétesen csavart, kezdő élükkel egymáshoz képest elfordított, kívánt esetben a csőtengellyel hegyes szöget bezáró tengelyű, statikus keverők vannak.

A lefelé és a felfelé áramló góz-folyadékfázist tartalmazó csőszakaszokat, valamint a gőzbevezető köpenyt körkörösen egymásba helyezett csövekből alakítjuk ki.

A berendezés úgy működik, hogy a belső csőszakaszba bevezetjük a hideg folyadékot, a gőzbevezető köpenybe a gőzt. A kétfázisú folyadék a belső csőszakaszon áthalad, majd a fordítókamrán át bekerül a külső csőszakaszba, a külső csőszakasz végén a melegfolyadék elvezető csonkon át a kívánt hőmérsékletet elérve távozik.

A berendezés működését a folyadék és a gőz áramának beállításával megindítva és az áramokat változtatva meglepő módon azt tapasztaltuk, hogy igen széles tartományban változtathatjuk a folyadék és a gőzáramot, anélkül, hogy a „gőzütés”, az általa okozott vibráció és káros hangjelenség fellépne.

Berendezésünk nagy gőzáram, vagy lökésszerű gőzáram esetén is biztonságosan működik, ami annak köszönhető, hogy a belső csőszakaszhoz fordítókamrán keresztül egy külső csőszakaszt is beépítettünk. így a lefelé áramló góz-folyadékfázis a fordítókamrán áthaladva egyenletesen áramlik a külső csőszakaszon át. A gyakorlatban általában a külső csőszakaszban már kizárólag folyadékfázis áramlik. Ezzel a konstrukciónkkal elkerüljük a pulzálást, a gőzveszteséget és a vízkő lerakódását is. A találmány szerinti berendezést és annak működését ábra segítségével is bemutatjuk.

Az 1. ábra körkörös elrendezésű berendezés félmetszeti vázlata.

A berendezésnek van egy 1 hidegfolyadék-bevezető, egy 2 melegfolyadék-elvezető, és egy 3 gőzbevezető csonkja, egy 4 belső csőszakasza, ebben 3 statikus keverő elemei. Van továbbá egy 6 gőzbevezető köpenye, 7 gőzbevezető nyílásai, 8 fordítókamrája és 9 külső csőszakasza 5 statikus keverőelemekkel.

A berendezés központi része a 4 belső csőszakasz. A 4 belső csőszakasz egyik végén az 1 hidegfolyadékbevezető csonk, másik végén a 8 fordítókamra van. A 4 belső csőszakaszt, amelyen a 7 gőzbevezető nyílások vannak, körkörösen körülveszi a 6 gőzbevezető köpeny, amely alul és felül zárt, az 1 hidegfolyadék-bevezető csonkhoz közelebb eső oldalán 3 gőzbevezető csonkja van. A 6 gőzbevezető köpeny körkörösen körülveszi a 9 külső csőszakasz, amely a 8 fordítókamrán át csatlakozik a 4 belső csőszakaszhoz. A 9 külső csőszakasznak a 8 fordítókamrától távolabbi végén van a 2 melegfolyadék-elvezető csonkja. A 4 belső csőszakaszban és a 9 külső csőszakaszban 5 statikus keverő elemek vannak.

A 7 gőzbevezető nyílások a 4 belső csőszakaszon, annak hosszában, több helyen, azonos magasságban vannak.

A 4 belső és 9 külső csőszakaszokban felváltva ellentétesen csavart, kezdőélükkel egymáshoz képest elfordított, kívánt esetben a csőtengellyel hegyes szöget bezáró tengelyű 5 statikus keverők vannak.

A berendezés üzemeltetéskor az 1 hidegfolyadékbevezető csonkon keresztül megindítjuk a folyadékáramlást a 4 belső és a 9 külső csőszakaszban. Ezt követően a 3 gőzbevezető csonkon megindítjuk a gőzáramlást. A gőz a 7 gőzbevezető nyílásokon keresztül lép a 4 belső csőszakaszon a hideg folyadékáramba. A gőz a 4 belső csőszakaszban elnyelődik a 8 fordítókamrán át a 9 külső csőszakaszba kerül, itt rendszerint már tiszta folyadékfázis áramlik. Nagy gőzáramok vagy gőzlökés esetén azonban a 9 külső csőszakaszban következik be a gőz teljes elnyelődése. A meleg folyadék a 2 melegfolyadék-elvezető csonkon távozik, itt történik a kívánt hőmérséklet ellenőrzése. A szükséges korrekciók ismert módon elvégezhetők.

HU 210 468 Β

A találmány szerinti berendezés működtetését példákon keresztül ismertetjük.

1. példa

Az 1. ábra szerinti ipari berendezésben a 250 mm átmérőjű, 4 belső csőszakaszban 8 db 500 mm hoszszúságú, 180° csavartságú, 5 statikus keverő van; a 350 mm átmérőjű, körgyűrű alakú 9 külső csőszakaszban 19x26 db 525 mm hosszúságú, 180° csavartságú 5 statikus keverő van. A 20 °C-on betáplált víz tömegárama 10· 10³ kg/h. Az 1,2 bar nyomású és 105 °C hőmérsékletű gőz közepes tömegárama 2000 kg/h. A 4 belső csőszakaszban a víz lineáris sebessége 0,07, míg a belépő gőzé 17 m/s. A berendezés nyomásvesztesége 0,1-0,2 bar között változik. A kilépő melegvíz hőmérséklete 98 °C. A vízmelegítő enyhe duruzsolással működik, berezgések a fűtőgőz nyomásának 20-40%-os nyomásingadozásakor sem jelentkeznek. A statikus keverők több napos üzemeltetés után is teljesen tiszták.

2. példa

Az 1. példa szerinti berendezésben végezzük a víz melegítését. A 20 °C-on betáplált víz tömegárama 28 · 10³ kg/h. A gőz nyomása, hőmérséklete és tömegárama az 1. példa szerinti.

A víz lineáris sebessége 0,2 m/s.

A kilépő melegvíz hőmérséklete 60 °C.

A példák alapján megállapíthatjuk, hogy a találmány szerinti berendezés széles gőz- és folyadékáramlási határok között energiaveszteség, „gőzütés”, az általa okozott vibráció és káros hang, vízkőkiválás és az általa okozott dugulás nélkül biztosítja a folyadék melegítését.

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

Claims (4)

1. Berendezés csőben áramló folyadék melegítésére gőzbefúvással, amelynek áramlást biztosító csőszakaszai, ezekhez kapcsolódó gőzbevezető nyílásai, hidegfolyadék-bevezetó, melegfolyadék-elvezető és gőzbevezető csonkjai, és a csőszakaszokban keverői vannak azzal jellemezve, hogy egy belső csőszakaszhoz (4) fordítőkamrán (8) keresztül csatlakozó külső csőszakasza (9), a belső csőszakaszt (4) körkörösen körülvevő gőzbevezető köpenye (6), a belső csőszakaszon (4) gőzbevezető nyílásai (7), a belső (4) és külső csőszakaszokban (9) statikus keverői (5) vannak.

2. Az 1. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a gőzbevezető nyílások (7) a belső csőszakaszon (4), annak hosszában több helyen, azonos magasságban vannak.

3. Az 1. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a belső csőszakaszt (4) és azt körkörösen körülvevő gőzbevezető köpenyt (6) körkörösen körülvevő külső csőszakasza (9) van.

4. Az 1. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a belső (4) és külső csőszakaszokban (9), a felváltva ellentétesen csavart, kezdőélükkel egymáshoz képest elfordított, kívánt esetben a csőtengellyel hegyes szöget bezáró tengelyű, statikus keverői (5) vannak.