RU2306518C1

RU2306518C1 - Heat- and mass-exchange apparatus

Info

Publication number: RU2306518C1
Application number: RU2006105076/06A
Authority: RU
Inventors: Яков Давидович Золотоносов (RU); Яков Давидович Золотоносов; Алексей Яковлевич Золотоносов (RU); Алексей Яковлевич Золотоносов
Original assignee: Предприятие ООО "Прогресс"
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-09-20

Abstract

FIELD: heat- and mass-exchange apparatus; power engineering and allied industries.

SUBSTANCE: proposed heat- and mass-exchange apparatus is used for exchange between gas and liquid or immiscible liquid. Apparatus has housing with rotor revolving inside it; rotor has external housing with peripheral part made in form of diffuser. Cylindrical surface rigidly secured on both sides of external housing of rotor coaxially relative to hollow drive shaft is extension of external housing forming double-pipe heat exchanger. Surface of hollow drive shaft of "contraction-diffuser" type is made in form of curvilinear surface profiled according to exponential function, polynomials of second, third or fourth order or by arc of circle.

EFFECT: increased heat-exchange surface at total reduction of hydraulic resistance of flow section of hollow drive shaft and thermal reduction of heat-transfer curvilinear surface of hollow shaft, type "contraction-diffuser".

2 dwg

Description

Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам и может быть использовано в энергетике и смежных с ней отраслях промышленности.The invention relates to heat and mass transfer apparatuses and can be used in energy and related industries.

Известен аппарат для проведения процессов тепломассообмена, содержащий корпус с размещенным в нем вращающимся ротором, состоящим из внешнего корпуса с периферийной частью, причем внутри корпуса расположен жестко связанный с ним осесимметричный круговой канал с перегородками (патент РФ №2249777, F28D 11/00, опубл. 10.04.2005, БИ №10).A known apparatus for carrying out heat and mass transfer processes, comprising a housing with a rotating rotor located in it, consisting of an external housing with a peripheral part, and inside the housing there is an axisymmetric circular channel rigidly connected with it with partitions (RF patent No. 2249777, F28D 11/00, publ. 04/10/2005, BI No. 10).

Известный аппарат имеет недостаточную поверхность контакта фаз в области рекуперативного теплообмена - на цилиндрическом участке ротора, являющемся одновременно и его приводным полым валом.The known apparatus has an insufficient phase contact surface in the area of regenerative heat transfer - in the cylindrical section of the rotor, which is also its drive hollow shaft.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является аппарат для проведения процессов тепломассообмена, содержащий корпус с размещенным в нем вращающимся ротором, состоящим из внешнего корпуса с периферийной частью и жестко связанного с ним осесимметричного кругового канала с перегородками, смонтированным на полом приводном валу с поверхностью типа «конфузор-диффузор» (Дисс. канд. наук Пантелеевой Л.Р. «Теплообмен при ламинарном течении вязкой жидкости в теплообменных устройствах типа «Труба в трубе» с вращающейся поверхностью «конфузор-диффузор» - Казань: КГЭУ, 2005, с.21-24 - прототип).Closest to the proposed technical solution is an apparatus for carrying out heat and mass transfer processes, comprising a housing with a rotating rotor located therein, consisting of an external housing with a peripheral part and an axisymmetric circular channel rigidly connected to it with partitions mounted on a hollow drive shaft with a confuser-like surface -diffuser ”(Diss. Candidate of Science Panteleeva LR“ Heat transfer during the laminar flow of a viscous liquid in heat-exchange devices of the “Pipe in pipe” type with a rotating surface Stu "konfuzor diffuser" - Kazan: KSPEU 2005, s.21-24 - prototype).

Недостатком известного аппарата является высокое гидравлическое сопротивление проточной части полого вала с поверхностью типа «конфузор-диффузор», что вызывает необходимость увеличения давления «прокачки» жидкости внутри вала, а также высокое термическое сопротивление пленки конденсата на внешней стенке приводного вала, образующейся из увеличивающегося объема конденсата, сбрасываемого при ударе о внутреннюю поверхность цилиндрической части корпуса аппарата.A disadvantage of the known apparatus is the high hydraulic resistance of the flowing part of the hollow shaft with a confuser-diffuser surface, which necessitates an increase in the “pumping” pressure of the liquid inside the shaft, as well as the high thermal resistance of the condensate film on the outer wall of the drive shaft formed from the increasing volume of condensate discharged upon impact on the inner surface of the cylindrical part of the apparatus.

Задачей изобретения является увеличение поверхности теплообмена при общем снижении гидравлического сопротивления проточной части полого приводного вала и термического сопротивления теплопередающей криволинейной поверхности приводного вала типа «конфузор-диффузор».The objective of the invention is to increase the heat transfer surface with a general decrease in hydraulic resistance of the flowing part of the hollow drive shaft and thermal resistance of the heat transfer curved surface of the drive shaft of the "confuser-diffuser" type.

Технический результат достигается тем, что в аппарате для проведения процессов тепломассообмена, например, между газом и жидкостью или несмешивающимися жидкостями, содержащем корпус с размещенным в нем вращающимся ротором, состоящим из внешнего корпуса с периферийной частью, выполненной в виде диффузора, внутри которого расположен жестко связанный с ним перегородками осесимметричный круговой канал, смонтированный на полом приводном валу с поверхностью типа «конфузор-диффузор», поверхность полого приводного вала типа «конфузор-диффузор» выполнена в виде криволинейной поверхности, спрофилированной, например по показательной функции, полиномам второго, третьего или четвертого порядков или по дуге окружности, при этом с обеих сторон внешнего корпуса ротора соосно полому приводному валу жестко закреплена цилиндрическая поверхность, являясь продолжением внешнего корпуса, образуя с полым приводным валом теплообменное устройство типа «труба в трубе».The technical result is achieved by the fact that in the apparatus for carrying out heat and mass transfer processes, for example, between gas and liquid or immiscible liquids, comprising a housing with a rotating rotor housed in it, consisting of an external housing with a peripheral part made in the form of a diffuser, inside of which is rigidly connected with it partitions an axisymmetric circular channel mounted on a hollow drive shaft with a confuser-diffuser surface, the surface of a hollow drive shaft of a confusor-diffus type the gap ”is made in the form of a curved surface, profiled, for example, by an exponential function, polynomials of the second, third or fourth orders or along an arc of a circle, while on both sides of the outer rotor casing, a cylindrical surface is rigidly fixed to the hollow drive shaft, being a continuation of the outer casing, forming hollow drive shaft pipe-to-pipe heat exchanger.

Отличительным признаком предлагаемого аппарата от указанного прототипа является выполнение полого приводного вала с поверхностью типа «конфузор-диффузор» в виде элементов с криволинейными поверхностями, спрофилированными по одной из функций: показательной, полиномам второго, третьего или четвертого порядков, а также по дуге окружности, что позволяет увеличить поверхность теплообмена приводного вала, сократить длину его проточной части и заметно снизить гидравлическое сопротивление его проточной части, а жестко закрепленная с обеих сторон внешнего корпуса ротора цилиндрическая поверхность соосно полому валу, образуя теплообменное устройство типа «труба в трубе», обеспечивает сепарацию конденсата, сбрасываемого с внешней поверхности приводного вала.A distinctive feature of the proposed apparatus from the specified prototype is the implementation of a hollow drive shaft with a confuser-diffuser surface in the form of elements with curved surfaces profiled according to one of the functions: exponential, second, third or fourth order polynomials, as well as along a circular arc, which allows you to increase the heat exchange surface of the drive shaft, reduce the length of its flowing part and significantly reduce the hydraulic resistance of its flowing part, and rigidly fixed on both of the sides of the outer rotor casing, the cylindrical surface is aligned with the hollow shaft, forming a tube-in-tube heat exchanger, which separates condensate discharged from the outer surface of the drive shaft.

Предлагаемый аппарат схематично представлен на фиг.1; на фиг.2 - разрез А-А аппарата; на фиг.3 - вид Б на выходное сечение осесимметричного криволинейного конвергентного кругового канала; на фиг.4 - сечение В-В проточной части приводного вала с радиальными лопатками.The proposed apparatus is schematically represented in figure 1; figure 2 is a section aa apparatus; figure 3 is a view of B on the output section of the axisymmetric curvilinear convergent circular channel; figure 4 is a cross-section bb of the flowing part of the drive shaft with radial blades.

Аппарат содержит корпус 1 в виде спирального отвода с коноидальным выходным патрубком 2, карманами 3 со штуцерами 4 для подвода пара. В корпусе расположен свободно вращающийся ротор 5, состоящий из внешнего корпуса 6 с периферической частью, выполненной в виде диффузора 7, и цилиндрической поверхностью 8, расположенной соосно полому приводному валу 9. Внешний корпус через перегородки 10 жестко связан с осесимметричным криволинейным конвергентным круговым каналом 11, который снабжен радиальными лопатками 12 и образован элементами 13 и 14. Выходное сечение канала выполнено в виде призматических насадок 15.The apparatus comprises a housing 1 in the form of a spiral outlet with a conoidal outlet pipe 2, pockets 3 with fittings 4 for supplying steam. A freely rotating rotor 5 is located in the housing, consisting of an external housing 6 with a peripheral part made in the form of a diffuser 7 and a cylindrical surface 8 located coaxially with the hollow drive shaft 9. The external housing through the baffles 10 is rigidly connected with an axisymmetric curved convergent circular channel 11, which is equipped with radial blades 12 and is formed by elements 13 and 14. The output section of the channel is made in the form of prismatic nozzles 15.

Полый приводной вал 9 с радиальными лопатками 16 выполнен из криволинейных конфузорно-диффузорных элементов, спрофилированных по кривой, например по показательной функции, полиномам второго, третьего или четвертого порядков или по дуге окружности.The hollow drive shaft 9 with radial blades 16 is made of curved confuser-diffuser elements profiled along a curve, for example, according to an exponential function, polynomials of the second, third or fourth orders or along an arc of a circle.

Подача инжектирующей жидкости (воды) в объем криволинейного конвергентного кругового канала 11 осуществляется через радиальные патрубки 17 приводного вала 9, жестко соединенного с цилиндрической поверхностью 8, опирающейся на подшипники 18. Подача инжектируемого пара в полость 19, образованную внешним корпусом ротора и конвергентным круговым каналом 11, осуществляется через штуцера 4 карманов 3 по пространству 20, образованному цилиндрической поверхностью 8 и приводным полым валом 9.The injection liquid (water) into the volume of the curved convergent circular channel 11 is carried out through the radial nozzles 17 of the drive shaft 9, rigidly connected to the cylindrical surface 8, supported by bearings 18. The injection of injected steam into the cavity 19 formed by the outer rotor body and the converged circular channel 11 is carried out through the fitting 4 of the pockets 3 through the space 20 formed by the cylindrical surface 8 and the drive hollow shaft 9.

Герметичность рабочих камер обеспечивается сочетанием лабиринтных и сальниковых уплотнений.The tightness of the working chambers is ensured by a combination of labyrinth and stuffing box seals.

Аппарат для проведения процессов теплообмена работает следующим образом. После включения привода при помощи клиноременной передачи осуществляется вращение ротора 5. Одновременно в проточную часть вала 9 подается вода, а в штуцер 4 карманов 3 через пространство 20 пар. Под действием центробежного статического давления высоконапорная инжектирующая жидкость через радиальные патрубки 17 приводного вала 9 подается в осесимметричный криволинейный конвергентный круговой канал 11 с радиальными лопатками 12, затем с большой скоростью выбрасывается из канала в объем внешнего корпуса 6 ротора 5, периферийная часть которого завершается насадкой в виде диффузора 7, в зону интенсивного турбулентного смешения, где пар, отдавая теплоту конденсации, нагревает инжектирующую жидкость.The apparatus for conducting heat transfer processes works as follows. After turning on the drive by means of a V-belt drive, the rotor 5 is rotated. At the same time, water is supplied to the flowing part of the shaft 9, and 4 pockets 3 through the space 20 pairs. Under the action of centrifugal static pressure, a high-pressure injecting fluid is supplied through the radial nozzles 17 of the drive shaft 9 into an axisymmetric curved convergent circular channel 11 with radial blades 12, then it is ejected from the channel into the volume of the outer casing 6 of the rotor 5, the peripheral part of which ends with a nozzle in the form diffuser 7, into the zone of intense turbulent mixing, where the steam, giving off the heat of condensation, heats the injecting liquid.

Экспериментальные исследования, проведенные с приводными валами, выполненными из элементов различной конфигурации, показали, что за счет профилирования теплообменной поверхности типа «конфузор-диффузор» с помощью показательной функции поверхность теплообмена возрастает на 1%, полиномами второго, третьего и четвертого порядков соответственно на 4,9; 9,6 и 21%, а по дуге окружности на 30% по сравнению с конфузсрно-диффузорными элементами с прямыми стенками.Experimental studies conducted with drive shafts made of elements of various configurations showed that due to profiling of the confuser-diffuser heat exchange surface using the exponential function, the heat exchange surface increases by 1%, polynomials of the second, third and fourth orders, respectively, by 4, 9; 9.6 and 21%, and along the arc of a circle by 30% compared with embarrassing-diffuser elements with straight walls.

Также экспериментально установлено, что длина канала за счет профилирования может быть сокращена на 30...40%, а гидравлическое сопротивление канала снижено в 1,5...2 раза, что в конечном счете снижает металлоемкость аппарата и энергию на «прокачку» жидкости в рабочих элементах аппарата.It was also experimentally established that the length of the channel due to profiling can be reduced by 30 ... 40%, and the hydraulic resistance of the channel is reduced by 1.5 ... 2 times, which ultimately reduces the apparatus’s metal consumption and energy for pumping the liquid in the working elements of the apparatus.

В процессе исследования также установлено, что в предлагаемой конструкции аппарата имеет место снижение термического сопротивления теплообменной поверхности (в 3...10 раз) вследствие сепарации парожидкостного потока под действием центробежных сил, сбрасываемого с внешней поверхности приводного вала, и предотвращая, тем самым, его последующий заброс конденсата с внутренней стенки цилиндрической поверхности. В результате этого наблюдается переход «пленочного режима» конденсации пара в «пленочно-капельный» и «капельный» режимы конденсации, а коэффициенты теплоотдачи при этом для пара достигают значений 20000...40000 Вт/(м²К) по сравнению с коэффициентами теплоотдачи для пленочного режима конденсации - 10000...15000 Вт/(м²K).During the study, it was also found that in the proposed design of the apparatus there is a decrease in thermal resistance of the heat exchange surface (3 ... 10 times) due to the separation of the vapor-liquid flow under the action of centrifugal forces discharged from the outer surface of the drive shaft, and thereby preventing it subsequent condensate reflux from the inner wall of the cylindrical surface. As a result of this, the transition of the “film mode” of steam condensation to the “film-drop” and “drop” modes of condensation is observed, while the heat transfer coefficients for the steam reach 20,000 ... 40,000 W / (m ² K) compared to the heat transfer coefficients for film condensation mode - 10000 ... 15000 W / (m ² K).

Claims

Apparatus for carrying out heat and mass transfer processes, comprising a housing with a rotating rotor housed in it, consisting of an external housing with a peripheral part made in the form of a diffuser, inside of which an axisymmetric circular channel rigidly connected with partitions is mounted on a hollow drive shaft with a confuser-type surface -diffuser ", characterized in that the surface of the hollow drive shaft of the type" confuser-diffuser "is made in the form of a curved surface, profiled, for example, exponentially functions, polynomials of the second, third or fourth order or a circular arc, wherein both sides of the outer housing coaxially with the hollow rotor drive shaft is rigidly fixed a cylindrical surface, as a continuation of the outer housing and forming a centrifugal type heat transfer device "pipe in pipe".