Устройство для утилизации низкопотенциального тепла жидкости

 

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к холодильной технике, и может быть использовано для охлаждения оборотной воды после теплообменной аппаратуры. Устройство состоит из корпуса с верхней и нижней крышками, штуцерами входа и выхода охлаждаемой жидкости, внутри которого помещены горизонтальные перегородки, делящие полость корпуса на ступени подъема и охлаждения, выполненные в виде прямоугольных в сечении туннелей, присоединенных к щелям выше следующей горизонтальной перегородки, изготовленных с использованием гидрофильного и гидрофобного материалов и заполненных пористой насадкой. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности устройства. 1 ил.

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к холодильной технике, и может быть использовано для охлаждения оборотной воды после теплообменной аппаратуры.

Известен водоохладитель, содержащий вытяжную башню с бассейном в нижней части с подводящими и отводящими трубопроводами, перегородками, оребренными тепловыми трубами, разбрызгивающими устройствами перед тепловыми трубами, закрытыми кожухами с жалюзийными отверстиями [1].

Недостатком известного устройства является невозможность его использования для утилизации тепла охлаждаемой воды.

Более близким к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее корпус с верхней и нижней крышками, снабженными патрубками входа и выхода охлаждаемого воздуха, внутри которого помещены верхняя и нижняя трубные решетки, соединенные между собой воздушными трубками, проходящими через подъемные гильзы и отверстия в горизонтальных перегородках, разделяющих полость корпуса на ступени подъема и охлаждения и прикрепленных к внутренней поверхности корпуса, причем каждая подъемная гильза покрыта опускным колпаком, зазоры между гильзой и воздушной трубкой, гильзой и опускным колпаком заполнены пористой насадкой, гильза и опускные колпаки изготовлены из гидрофильного материала или покрыты им, верхняя и нижняя ступени подъема и охлаждения снабжены штуцерами, соединенными циркуляционной трубой с гидрозатвором [2].

Недостатками известного устройства являются отсутствие гидрофильного покрытия на верхней поверхности горизонтальных перегородок ступеней подъема, что не позволяет упростить конструкцию устройства и увеличить высоту ступени подъема гидрофобного покрытия на нижней поверхности горизонтальных перегородок и наружной поверхности подъемных гильз ступеней подъема, что снижает надежность работы устройства, так как в процессе эксплуатации за счет гидрофильности наружной поверхности подъемных гильз пространство между подъемными гильзами и горизонтальными перегородками постепенно заполняется водой, в результате чего исчезает свободная поверхность жидкости на горизонтальной перегородке и подъем жидкости прекращается, известное устройство имеет конструкцию подъемных ступеней в форме горизонтальных перегородок с подъемными гильзами, что ограничивает площадь горизонтальной перегородки, занятую пористой насадкой, и соответственно производительность устройства.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и эффективности работы устройства для утилизации низкопотенциального тепла жидкости путем обеспечения постоянной свободной поверхности жидкости на каждой ступени подъема и охлаждения и увеличения рабочей площади ступени, занятой пористой насадкой.

Поставленная задача реализуется в устройстве, включающем корпус с верхней и нижней крышками, штуцерами входа и выхода охлаждаемой жидкости, внутри которого помещены горизонтальные перегородки, разделяющие внутренний объем корпуса по высоте на ступени подъема и охлаждения и прикрепленные к внутренней поверхности корпуса, с отбортованными щелями, образующими подъемные туннели, расположенные в каждой перегородке в шахматном порядке относительно друг друга, борта которых направлены вниз, образуя между кромкой туннеля и нижеследующей горизонтальной перегородкой щель, достаточную для прохода жидкости; внутренняя полость подъемных туннелей заполнена пористой насадкой, часть которой возвышается над поверхностью верхней горизонтальной перегородки, а другая часть достигает верхней поверхности нижеследующей горизонтальной перегородки; верхняя поверхность горизонтальных перегородок и внутренняя поверхность подъемных туннелей изготовлены или покрыты гидрофильным материалом, нижняя поверхность горизонтальных перегородок, наружная поверхность бортов подъемных туннелей и внутренняя поверхность стенок корпуса установки изготовлены или покрыты гидрофобным материалом.

Техническим результатом изобретения является снижение температуры и повышение потенциальной энергии давления воды путем ступенчатого поднятия воды в капиллярах и охлаждения ее при этом.

На чертеже представлено предлагаемое устройство.

Устройство для утилизации низкопотенциального тепла жидкости содержит корпус 1 с верхней и нижней крышками 2, снабженный трубками входа и выхода охлаждаемой жидкости 3 и 4, соответственно внутри которого размещены горизонтальные перегородки 5, делящие корпус 1 на ступени подъема и охлаждения 6, прикрепленные к внутренней поверхности корпуса 1, с встроенными в них подъемными туннелями 7, расположенными в шахматном порядке относительно друг друга на близлежащих перегородках 5, борта которых направлены вниз, образуя между кромкой борта туннеля 7 и нижнеследующей поверхностью горизонтальной перегородки 5 зазор; внутренняя поверхность подъемных туннелей 7 заполнена пористой насадкой 8, часть которой возвышается над поверхностью верхней горизонтальной перегородки 5 на высоту, несколько превышающую высоту слоя жидкости на поверхности горизонтальной перегородки 5, а другая достигает верхней поверхности нижеследующей горизонтальной перегородки 5; верхняя поверхность горизонтальных перегородок 5 и внутренняя поверхность бортов подъемных туннелей 7 изготовлены или покрыты гидрофильным материалом 9, нижняя поверхность горизонтальных перегородок 5, наружная поверхность бортов туннелей 7 и внутренняя поверхность стенок корпуса 1 изготовлены или покрыты гидрофобным материалом 10.

В основу работы предлагаемого устройства положен способ капиллярного поднятия уровня жидкости, осуществляемый при помощи открытого с обоих концов стеклянного капилляра, погружаемого открытым концом в жидкость со стороны ее свободной поверхности, в результате чего уровень жидкости внутри капилляра повышается относительно уровня свободной поверхности жидкости одновременно со снижением поверхностного теплосодержания жидкости [3], причем функцию капилляров в устройстве выполняет пористая насадка 8, помещенная в подъемные туннели 7, а процесс подъема и охлаждения осуществляется ступенчато в ступенях подъема и охлаждения 6 с высотой подъема и глубиной охлаждения, описанной в нижнеприведенном примере.

Устройство для утилизации низкопотенциального тепла жидкости работает следующим образом. Оборотную воду после нагрева ее в теплообменной аппаратуре с температурой t_г через штуцер 3 подают в нижнюю ступень подъема и охлаждения 6 в количестве, достаточном для того, чтобы часть насадки 8, выступающая из нижней части подъемного туннеля 7 была затоплена, после чего начинается подъем этой воды за счет капиллярных сил по пористой насадке 8 в подъемном туннеле 7 на высоту ступени подъема 6 до вышеследующей горизонтальной перегородки 5 с одновременном охлаждением воды. При этом за счет гидрофобных свойств гидрофобного покрытия 10 наружной поверхности подъемных туннелей 7, нижней поверхности горизонтальной перегородки 5 и внутренней поверхности стенки корпуса 1 полости между туннелями 7, стенкой корпуса 1 и горизонтальными перегородками 5 не заполняются полностью водой, оставляя на гидрофильной поверхности 9 нижней горизонтальной перегородки 5 место для образования свободной поверхности жидкости. В тоже время за счет гидрофильных свойств гидрофильного покрытия 9 внутренней поверхности подъемного туннеля 7 и верхней поверхности горизонтальной перегородки 5 вода свободно перемещается из пор капиллярной насадки 8, возвышающейся над горизонтальной перегородкой 5 на ее гидрофильную поверхность 9, образуя свободную поверхность жидкости, в которую погружен нижний конец пористой насадки 8 туннеля 7 следующей ступени подъема и охлаждения 6, где происходит аналогичный процесс подъема и охлаждения и так до самого верха установки, откуда охлажденная до заданной температуры t₀ вода с высотой напора H снова направляется в теплообменную аппаратуру.

Эффективность предлагаемого устройства для утилизации низкопотенциального тепла жидкости можно проиллюстрировать примером.

Исходные данные: охлаждаемый агент - вода (физические характеристики воды приняты при нормальных условиях); t_г = 30^oC; t₀ = 10^oC; σ = 72,8 10^-3 н/н - коэффициент поверхностного натяжения воды при 20^oC; g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения; ρ_ж = 1000 кг/м³ - плотность воды; ρ_п = 1,28 кг/м³ - плотность воздуха над поверхностью воды; α ≈0 - краевой угол смачивания (величина принимается по рекомендациям /3/); R = 0,5· 10^-3м - радиус насадки (величина радиуса принимается из условий возможности широкомасштабного производства пористой насадки промышленным способом и обеспечения, достаточной ее производительности);
μ = 1· 10^-3н·с/м² - коэффициент динамической вязкости воды при 20^oC;
γ = 9810 н/м³ - удельный вес воды при 20^oC;
c = 4,19 КДж/(кг·град) - средняя теплоемкость воды;
Высоту одной ступени подъема и охлаждения 5 найдем из уравнения [2]:

Действительную высоту одной ступени принимаем меньшей и равной h = 0,015 м;
Расход жидкости через пористую насадку определяем по уравнениям кинетики фильтрования /4, с. 43 - 47/
Принимаем режим движения жидкости через капилляр ламинарным аналогично движению жидкости при фильтровании.

Скорость движения воды через капилляр находится из уравнения:

где Δh = γh - перепад давления по длине капилляра, н/м²;
W - скорость движения воды в капилляре, м/с;
d=2R=1 · 10^-3м - диаметр капилляра;
Из уравнения (2) скорость равняется:

Производительность одного капилляра найдем из уравнения расхода:

.

Площадь живого сечения капилляров пористого материала принимаем равной 50% от общей площади сечения пористого материала%. При этом кол-во капилляров, приходящееся на 1 м² поверхности пористого материала:

Удельная производительность 1 м² поверхности одной ступени охлаждения по воде:
G=nq=6,38·10⁵·7·10^-8=0,0446 м³/с.

Удельная энергетическая эффективность 1 м² поверхности одной ступени подъема и охлаждения можно оценить по формуле мощности для насосов /5, с. 154/
.

Снижение температуры воды, охлаждаемой на 1 м² рабочей поверхности одной ступени найдем из уравнения теплового баланса /6/:

где Q= N_i = 65 Вт - тепло, эквивалентное удельной мощности, затраченной на подъем воды в одной ступени.

Для требуемого снижения температуры воды потребуется ступеней:

Напор, создаваемый установкой при снижении температуры воды на 20^oC через 1 м² поверхности живого сечения аппарата, будет равен:
H = Z·h = 5700·0,015 = 85 м.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает создание напора (энергии давления) и охлаждение оборотной воды за счет использования низкопотенциального тепла, полученного ей, например, в теплообменной аппаратуре, что позволяет снизить затраты на охлаждение и транспортировку воды к потребителю.

Литература
1. А.с. СССР N 1760291, Мкл. 5 F 28 C 1/00, 1990.

2. Патент РФ N 2095697, Мкл. 6 F 24 F 3/14, 1994.

3. Э.А. Мельвин-Хьюз. Физическая химия, ч. II, М.: Иностр. лит-ра, 1962, 810 с.

4. А.Н. Плановский, П.И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии, М.: Химия, 1972, с. 43 - 47.

5. Т.М. Башта и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы, М.: Машиностроение, 1982, с. 154.

6. И.Н. Сушкин, Теплотехника, М.: Металлургия, 1973, с. 49.

Формула изобретения

Устройство для утилизации низкопотенциального тепла жидкости, включающее корпус с верхней и нижней крышками, штуцерами входа и выхода охлаждаемой жидкости, внутри которого помещены горизонтальные перегородки, разделяющие полость корпуса на ступени подъема и охлаждения, изготовленные с использованием гидрофильного материала и заполненные пористой насадкой, отличающееся тем, что ступени подъема и охлаждения выполнены в виде прямоугольных в сечении туннелей, присоединенных к щелям вышеследующей горизонтальной перегородки, причем наружная поверхность бортов туннелей, нижняя поверхность горизонтальных перегородок и внутренняя поверхность стенок корпуса выполнены из гидрофобного материала, а верхняя поверхность горизонтальных перегородок выполнена из гидрофильного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1