Вихревой тепломассообменный аппарат

 

Использование: в теплотехнике для сушки и очистки зернистого материала. Сущность изобретения: вихревой тепломассообменный аппарат содержит корпус 1 с боковым входным патрубком 4 для теплоносителя и торцевыми верхней 2 и нижней 3 стенками, загрузочный 9 и разгрузочный 10 бункеры, основной конический завихритель 6, имеющий щели и обращенный расширенной частью вверх, дополнительный завихритель 5, а также имеющий щели и соосно расположенный над основным, причем в зоне сопряжения завихрителей 5, 6 диаметр дополнительного больше диаметра основного. Для сокращения энергозатрат на обработку зернистого материала в центробежном слое путем уменьшения затрат несущего газового потока на формирование и удержание центробежного слоя обрабатываемого материала, дополнительный завихритель 5 выполнен в виде усеченного конуса, обращенного расширенной частью вверх, причем угол наклона его образующей и относительная площадь его щели соответственно меньше, чем у основного завихрителя 6, при этом высота дополнительного завихрителя составляет 0,15-0,35 высоты основного, а в зоне сопряжения завихрителей 5,6 диаметр дополнительного равен 1,05-1,2 диаметра основного. 1 ил.

Изобретение относится к технике тепломассообменных процессов в частности, к сушке и очистке газовым потоком зернистого материала и может быть использовано в сельскохозяйственном производстве, в пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Известна вихревая камера для проведения процессов тепломассообмена, содержащая корпус с тангенциальным входным патрубком и профилированными торцевыми стенками, в которых выполнены осевые выходные отверстия, кольцевой закручивающий аппарат, который выполнен в форме усеченного конуса и установлен между торцевыми стенками корпуса расширенной частью усеченного конуса вверх (1).

Вихревая камера работает следующим образом. Газ, пройдя через закручивающий аппарат, образует в рабочем объеме камеры закрученный газовый поток, который вовлекает во вращательное движение частицы дисперсного материала. Центробежный силой частицы отбрасываются к закручивающему аппарату и образуют центробежный слой, в котором ведется обработка зернистого материала.

Наличие в аппарате конусного завихрителя, обращенного расширенной частью вверх, способствует уменьшению энергозатрат на удержание слоя в вихревой камере.

Однако, производительность аппарата мала. Это объясняется тем, что при увеличении расхода обрабатываемого материала (повышении производительности) в верхней зоне конусного завихрителя происходит вытеснение поступающего материала на внутреннюю поверхность центробежного слоя, он не успевает раскрутиться до нужных скоростей и уносится газом из рабочего объема камеры.

Известен также вихревой тепломассообменный аппарат, в котором решена проблема устойчивости центробежного слоя в верхней зоне конусного завихрителя при повышении производительности (2) за счет того, что над основным конусным завихрителем выполнен дополнительный цилиндрический завихритель с диаметром, превышающим диаметр верхней части конусного завихрителя.

Вихревой тепломассообменный аппарат содержит корпус с боковым входным патрубком для теплоносителя и торцевыми верхней и нижней стенками, загрузочный и разгрузочный бункеры, основной конический завихритель обработки материала, имеющий щели и обращенный расширенной частью вверх, над основным соосно расположен дополнительный цилиндрический завихритель завихритель формирования слоя, также имеющий щели, причем в зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного больше диаметра основного, и, по меньшей мере, один эжектор, подключенный приемной камерой к загрузочному бункеру, а камерой смешения к дополнительному завихрителю при помощи кольцевого канала со щелью в его нижней части, к которому камера смешения направлена по касательной.

Вихревой тепломассообменный аппарат работает следующим образом.

Зерно из загрузочного бункера эжектором подается в кольцевой канал, где обрабатываемый материал получает окружную скорость и через кольцевую щель верхней стенки поступает в дополнительный цилиндрический завихритель, где формируется центробежный слой, а затем в основной конический завихритель. Теплоноситель, пройдя через тангенциальные щели завихрителей, воздействует на обрабатываемый материал в центробежном слое.

По мере движения дисперсного материала в слое вниз происходит его сепарация, нагрев, подсушка. Примеси вместе с отработанным теплоносителем выводятся из рабочего объема через центральный патрубок. Обработанный дисперсный материал из нижней части основного конического завихрителя выводятся через кольцевую щель в разгрузочный бункер.

Однако, на формирование центробежного слоя материала в дополнительном цилиндрическом завихрителе требуются большие затраты энергии газового потока. Это можно объяснить тем, что при цилиндрическом завихрителе нет осевой составляющей от аэродинамической силы (угол наклона образующей к оси равен нулю), которая частично уравновешивает силу тяжести, поэтому для удержания в слое частицы необходимо "раскручивать" до больших тангенциальных скоростей и, следовательно, затрачивать больше энергии.

В основу изобретения положена задача создания вихревого тепломассообменного аппарата с таким завихрителем, конструкция которого позволила бы уменьшить энергозатраты на обработку зернистого материала в центробежном слое путем уменьшения затрат несущего газового потока на формирование и удержание центробежного слоя обрабатываемого материала.

Поставленная задача решается тем, что в вихревом тепломассообменном аппарате, содержащем корпус с боковым входным патрубком для теплоносителя и торцевыми верхней и нижней стенками, загрузочный и разгрузочный бункеры, основной конический завихритель, имеющий щели и обращенный расширенной частью вверх, дополнительный завихритель, также имеющий щели и соосно расположенный над основным, причем в зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного больше диаметра основного, и, по меньшей мере, один эжектор, подключенный приемной камерой к загрузочному бункеру, а камерой смешения к дополнительному завихрителю при помощи кольцевого канала со щелью в его нижней части, к которому камера смешения направлена по касательной, согласно изобретению, дополнительный завихритель выполнен в виде усеченного конуса, обращенного расширенной частью вверх, причем угол наклона его образующей и относительная площадь его щелей соответственно меньше, чем у основного завихрителя, при этом высота дополнительного завихрителя составляет 0,15-0,35 высоты основного, а в зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного равен 1,05-1,2 диаметра основного.

На фигуре схематически изображен вертикальный разрез предлагаемого вихревого тепломассообменного аппарата.

Вихревой тепломассообменный аппарат содержит корпус 1 с верхней 2 и нижней 3 торцевыми стенками, входной патрубок 4, дополнительный конический завихритель 5, основной конический завихритель 6, кольцевой канал 7, эжектор 8, загрузочный 9 и разгрузочный 10 бункеры, центральный патрубок 11, кольцевая щель 12, выполненная в верхней торцевой стенке 2, кольцевая щель 13, выполненная в нижней стенке 3.

Вихревой тепломассообменный аппарат работает следующим образом. Зернистый материал из загрузочного бункера 9 через эжектор 8, кольцевой канал 7 и кольцевую щель 12, получив под действием газа начальную окружную скорость, поступает в дополнительный завихритель 5, газ, пройдя через щели завихрителя 5 образует вращающийся газовый поток, который сообщает частицам материала окружную скорость, необходимую для формирования и удержания концентрированного центробежного слоя. Сформированный центробежный слой зернистого материала под действием силы тяжести поступающего материала опускается вниз по основному коническому завихрителю 6, в котором под действием газа, поступающего через щели, происходит удержание центробежного слоя материала и его обработка (сушка, охлаждение, очистка, химические реакции и т.д.). Обработанный материал под действием веса вновь поступающих порций обрабатываемого материала вытесняется из нижней части основного конического завихрителя 6 и через кольцевую щель 13 опускается в разгрузочный бункер 10. Отработанный газ вместе с легкими примесями выводится из объема аппарата через центральный патрубок 11.

Формирование центробежного слоя происходит в дополнительном завихрителе, выполненном в виде усеченного конуса и обращенном расширенной частью вверх, поэтому требуется меньший момент количества движения газа, следовательно газа можно подать меньше, т.е. уменьшить площадь щелей завихрителя (уменьшить относительную площадь щелей).

В зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного завихрителя выполняется большим диаметра основного, поэтому при поступлении потока обрабатываемого материала в основной завихритель скорость его вращения нарастает (уменьшение радиуса приводит к увеличению скорости вращения при сохранении момента количества движения) и для его удержания в слое необходимо затратить меньше энергии от потока газа. Диаметр дополнительного завихрителя должен составлять не меньше 1,05 диаметра основного завихрителя в месте их сопряжения. Уменьшение его приводит к увеличению энергозатрат. При увеличении диаметра дополнительного завихрителя больше 1,2 диаметра основного в месте их сопряжения ухудшается проточность слоя, появляются застойные зоны обрабатываемого материала.

Высота дополнительного завихрителя влияет на энергозатраты, так при высоте большей 0,35 высоты основного завихрителя энергозатраты на формирование и удержание центробежного слоя увеличиваются, т.к. необходимо удерживать большую массу материала на большем радиусе, а при высоте меньше 0,15 высот основного завихрителя слой не успевает сформироваться.

Дополнительный завихритель при высоте меньшей высоте основного завихрителя должен иметь меньший угол наклона образующей, т.к. необходимо уравновесить меньшую высоту слоя. Увеличение угла наклона образующей приводит к увеличению осевой составляющей аэродинамической силы, уравновешивающей частично силу тяжести, но одновременно затрудняет проток через слой обрабатываемого материала.

Проведены испытания предлагаемого аппарата производительностью 1,5 т/ч на зерне пшеницы. Результаты, полученные при скорости газа на входе в центробежный слой 41 м/с, приведены в таблице.

Из таблицы видно, что использование предлагаемого тепломассообменного аппарата позволяет путем изменения формы дополнительного завихрителя и соотношения размеров снизить энергозатраты на формирование и удержание центробежного слоя на 24,6% и, как следствие этого, снизить энергозатраты на обработку материала. Так, при очистке зерна от легких примесей энергозатраты снижаются примерно на 18% при нагреве на 2.5% Конкретные значения угла конусности и площади щелей завихрителей подбираются в зависимости от свойств обрабатываемого материала и цели обработки. В рассматриваемом примере для зерна пшеницы угол наклона образующей конуса основного завихрителя 10^o, относительная площадь щелей 12% а у дополнительного завихрителя соответственно 3^o и 9% Из приведенных результатов испытания видно, что в предлагаемом вихревом тепломассообменном аппарате повышается и производительность. Действительно, у предлагаемого аппарата примерно на 30% повышается масса удерживаемого слоя. Следовательно, при одном и том же времени обработки через камеру можно пропустить больше обрабатываемого материала, т.к. производительность П=M_o/τ, М_c масса слоя, τ время обработки материала (время пребывания частиц в слое).

Формула изобретения

Вихревой тепломассообменный аппарат, содержащий корпус с боковым входным патрубком для теплоносителя и торцевыми верхней и нижней стенками, загрузочный и разгрузочный бункеры, основной конический завихритель, имеющий щели и обращенный расширенной частью вверх, дополнительный завихритель, также имеющий щели и соосно расположенный над основным, причем в зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного больше диаметра основного, и по меньшей мере один эжектор, подключенный приемной камерой к загрузочному бункеру, а камерой смешения к дополнительному завихрителю при помощи кольцевого канала со щелью в его нижней части, к которому камера смешения направлена по касательной, отличающийся тем, что дополнительный завихритель выполнен в виде усеченного конуса, обращенного расширенной частью вверх, причем угол наклона его образующей и относительная площадь его щелей соответственно меньше, чем у основного завихрителя, при этом высота дополнительного завихрителя составляет 0,15 0,35 высоты основного, а в зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного равен 1,05 1,2 диаметра основного.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

QZ4A - Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Институт теплофизики им. С.С.Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью "СибАгроМаш"

Характер внесенных изменений (дополнений):Изменен объем предоставляемых прав

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения: 15.05.2008 № РД0036067

Извещение опубликовано: 10.01.2009        БИ: 01/2009

* ИЛ - исключительная лицензия НИЛ - неисключительная лицензия