Спосіб контактного нагрівання рідин

Спосіб контактного нагрівання рідин, який включає режими заглибного горіння з наступним використанням тепла продуктів згорання, який відрізняє ться тим, що контактне нагрівання здійснюють на режимах заглибного горіння за рахунок реалізації процесів розвиненої кавітації в потоці рідини, що нагрівається, у діапазоні d/D=0,5 ¸ 0,75, æ=0,4 ¸ 1,0, L=l0 ¸ 40, а потім у діапазоні d/D=0,2 ¸ 0,5, æ=0,15 ¸ 0,35, L=30 ¸ 60 при контакті рідини, що нагрівається, і продуктів згорання, де d/D - ступінь стиснення потоку, æ - число кавітації, a L - довжина каверни. Винахід відноситься до теплоенергетики, зокрема до здійснення теплообмінних процесів між рідкими і газоподібними середовищами і може бути використаний в теплообмінних апаратах контактного типу. Відомий спосіб контактного нагрівання шляхом барботажа газоподібного теплоносія (або продуктів згоряння) через шар рідини, що нагрівається, [1]. Теплообмін у цьому випадку здійснюється при низьких коефіцієнтах тепловіддачі, оскільки розподіл пухирців газоподібного теплоносія в шарі рідини, що нагрівається, носить випадковий характер і супроводжується великими втратами води за рахунок випару і краплинного віднесення. Відомий також спосіб контактного нагрівання за рахунок реалізації плівкових режимів стікання рідини і контакту її з газоподібними теплоносіями [2]. Недоліком зазначеного способу є низька ефективність теплообмінних процесів через малі швидкості стікання плівки, і випадків її нестійкості та розпаду. Як правило, це призводить до умов, коли підтримувати високі температурні перепади на границі фаз не можливо, а отже, контактний теплообмін відбувається не інтенсивно з великими тепловтратами. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб контактного нагрівання, який включає створення режимів заглибного горіння з наступним використанням тепла продуктів згоряння [3]. Істотним недоліком такого способу контактного нагрівання є наявність заглибних пальників футерований шамотом або корундом. Це не тільки створює певні труднощі, пов'язані з дотриманням послідовності режимів запуску пальника, але й істотно позначається на можливості регулювання інтенсивності теплообмінних процесів. Для реалізації такого способу контактного нагрівання, як правило, потрібні апарати і пристрої з великою металоємністю. Крім того, у цьому способі нагрівання зберігаються недоліки попередніх способів контактного нагрівання розглянутих раніше. Метою запропонованого винаходу є підвищення інтенсивності теплообмінних процесів. (19) UA (11) 85451 (13) C2 (21) a200705363 (22) 15.05.2007 (24) 26.01.2009 (46) 26.01.2009, Бюл.№ 2, 2009 р. (72) МОРОЗ ПЕТРО МИКИТОВИЧ, U A, ЩЕРБАКОВА ТЕТЯНА ВІКТОРІВН А, U A, ШЕВЧУК МИКОЛА ФЕДОРОВИЧ, UA, ДРЮКОВА КАТЕРИНА ЮРІЇВНА, U A, КАСПЕРОВ ОЛЕКСІЙ ПЕТРОВИЧ, UA, МАЧИНСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ, UA, НЕМЧИН ОЛЕКСАНДР ФЕДОРОВИЧ, UA (73) ТОВАРИСТВО З ОБМЕЖЕНОЮ ВІДПОВІДАЛЬНІСТЮ "УКРАЇНСЬКИЙ ЦЕНТР ІННОВАЦІЙ ТА ТЕХНОЛОГІЙ", U A (56) UA 66334 A, 15.04.2004 RU 2144627 C1, 20.01.2000 RU 2300060 C2, 27.11.2006 JP 8159602 A, 21.06.1996 Соснин Ю.П. Контактные водонагреватели. - М.: Стройиздат, 1974. - С. 22-27. 3 85451 4 Поставлена мета досягається тим, що контакПриклад 1. Рідина, що нагрівається, зі збірника тне нагрівання здійснюється на режимах заглибно1 надходить за допомогою циркуляційного насосу го горіння за рахунок реалізації процесів розвине2 у проточну контактну камеру 3 з кавітаційними ної кавітації в потоці рідини, що нагрівається, у елементами 4 і 5. Циркуляційний насос забезпечує діапазоні d/D=0,5¸0,75, æ=0,4¸1,0 L=10¸40, а пошвидкість потоку рідини порядку 18¸25м/с, що при тім у діапазоні d/D=0,2¸0,5 і æ=0,15¸0,35 L=30-60 тиску Рвх=5¸6кгс/см 2 дозволяє одержати кавітаційпри контакті рідини, що нагрівається, і продуктів ні порожнини (каверни) зі стійкими границями роззгоряння, де d/D - ступінь стиснення потоку, æ ділу фаз. число кавітації, a L - довжина каверни. Спосіб контактного нагрівання здійснюється на На Фіг. представлена технологічна схема зарежимах розвиненої кавітації в діапазоні пропонованого способу контактного нагрівання. æ=0,4¸1,0, при стиснені потоку d/D=0,5¸0,75 і каРідину, що нагрівається, наприклад воду, зі вернах, що утворилися, з довжиною L=10¸40, а збірника 1 при температурі 18-20°С подають цирпотім при æ=0,15¸0,35 d/D=0,2¸0,5 і L=30¸60. куляційним насосом 2 у проточну кавітаційну конЧисло кавітації (æ), що визначає режим кавітактну камеру 3 з робочими органами кавітаційнитації на кавітаційних елементах у контактній камеми елементами 4 і 5 виконаними у виді зрізаних рі, обчислюється по формулі: конусів (наприклад). За одним з них закріплений 2(Pвх - Рк ) заглибний газовий пальник 6. c= , ruвх 2 Процес контактного нагрівання відбувається де Рвх і uвх тиск і швидкість рідкої фази на вхона режимах суперкавітації (розвиненій кавітації). ді в контактну камеру; При обтіканні кавітаційних елементів 4 і 5 утвоРк - тиск у кавітаційній порожнині; ряться кавітаційні порожнини зі стійкою границею розділу фаз. r - щільність обтікаючої рідини. З приведеного співвідношення видно, що паСтабільність границі каверни і її геометричних раметри кавітаційної порожнини (L) на першому характеристик (довжина і ширина) визначаються етапі можуть бути забезпечені за рахунок швидкогідродинамікою потоку рідини, що нагрівається, сті і тиску потоку при ступені стиснення (тиском, швидкістю потоку, температурою), а також конструктивними характеристиками кавітаційd/D=0,2¸0,5. них елементів (діаметром, кутом розкриття конуса, Оскільки на другому етапі контактного нагрідіаметром контактної камери). вання швидкість і тиск потоку за рахунок гідравлічКавітаційні порожнини, які утворюються при ного опору контуру падають, тому для одержання обтіканні, є таким чином контактними камерами, стабільної і стійкої каверни з необхідною довжиде безпосередньо відбувається нагрівання і тепною L=10¸40 варто збільшити ступінь стиснення лопередача. потоку до d/D=0,5¸0,75. При обтіканні кавітаційного елемента 5 у поЕкспериментально встановлена залежність рожнині утворюється каверна, де розміщений заступеня стиснення (d/D) довжини каверни (L) і чиглибний газовий пальник, відбувається контактне сла кавітації (æ). нагрівання між факелами пальника й обтічною Характер цієї залежності показує, що зі збільрідиною. шенням ступеня стиснення потоку, діапазон чисел Висока інтенсивність теплопередачі обумовкавітації зміщається у бік їхнього збільшення за лена безпосереднім контактом рідини і факела з інших рівних умов. Отже, для одержання стабільодного боку, а з іншого, можливістю реалізації виної довжини каверни зі зменшенням швидкості соких температурних перепадів на границі каверпотоку необхідно збільшити ступінь стиснення пони. току. Висока швидкість обтікання сприяє утворенню Саме в такий спосіб реалізується можливість стабільності між фазної поверхні, а також забезпеодержання кавітаційної порожнини на стадії загличує відновлення поверхні контакту фаз. бного горіння, коли відбувається контактне нагріПродукти згоряння на цій стадії контактного вання за кавітаційним елементом і пальником. теплопереносу, що віддають поряд зі факелом Контактне нагрівання в цьому випадку хараксвоє тепло рідині, використовуються при обтіканні теризується високим ступенем коефіцієнта теплокавітаційного елемента 4, куди вони надходять за віддачі і визначається, як величиною поверхні карахунок різниці парціальних тисків у кавернах, що верни (L), так і вихідною температурою факела утворяться. пальника. Таким чином відбувається процес контактного Теплогідродинамічна досконалість (y) спосонагрівання, як за рахунок заглибного горіння, так і бів контактного нагрівання може характеризуватиза допомогою контакту газоподібного теплоносія з ся величиною, яка являє собою відношення переобтікаючою рідиною. даної рідині теплоти (Q) до витраченого на Нагріта рідина надходить споживачеві, а газоподолання гідравлічного опору роботи (А). подібний теплоносій після контакту разом із крапЗначення (Q) визначається за даними теплолинним віднесенням рідкої фази з каверн надхового балансу апарата, а робота (А) визначається дить у «руба шку» нагрівання збірника 1. як Α=Δр ×u, де u - об'ємна витрата продуктів згоУ прикладах 1, 2 і 3 приведене обґрунтування ряння на виході із сопла пальника, а (Dр) - гідраввибору конструктивних (d/D) і гідродинамічних лічний опір контактної камери. Отже, чим більше (æ/L) параметрів контактного способу нагрівання (y), тим інтенсивніший теплообмін і тим ефективрідин. ніший спосіб контактного нагрівання. 5 85451 6 При реалізації приведених в прикладі 1 співЗбільшення вихідних гідродинамічних парамевідношень d/D, æ і L досягається найбільш висотрів, як показано в прикладі 3, навіть при збереженні конструктивних параметрів кавітаційних кий коефіцієнт (y) рівний 475. елементів не приводить до значного збільшення Приклад 2. Аналогічно прикладові 1 параметкоефіцієнта теплогідродинамічної досконалості ри технологічного режиму наступні: uвх=14¸18м/с; (y), оскільки різко збільшуються витрати на подоРвх=2,5¸4кгс/див2 æ=0,8¸1,75, при d/D=0,5¸0,75 лання гідравлічного опору контуру контактної каL=10¸20, а потім æ=0,35¸0,4 d/D=0,2¸0,5 L=20¸30 мери. y=361. Джерела інформації Приклад 3. Аналогічно прикладові 1 парамет1. Таубман Е.И., Горнев В.А., Мельцер В.Л. ри технологічного режиму наступні: uвх=25¸35м/с; Контактные теплообменники. М., Химия, 1987, Рвх=6¸8кгс/див2 æ=0,51¸0,82, при d/D=0,5¸0,75 256с. L=15¸35, а потім æ=0,08¸0,21 d/D=0,2¸0,5 L=50¸70 2. Соснин Ю.П. Контактные водонагреватели. y=378. М.: Стройиздат, 1974, 359с. Таким чином, оптимальні режими контактного 3. Алабовский А.Н. Выпарные аппараты понагрівання по інтенсивності теплопередачі й ефекгружного горения. Киев: Вища школа, 1980. 120с. тивності нагрівання реалізуються в описаних прикладах. Комп’ютерна в ерстка В. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601