RU2028568C1

RU2028568C1 - Vortex heat mass-transfer apparatus

Info

Publication number: RU2028568C1
Authority: RU
Inventors: А.Н. Кайданик; А.Н. Ядыкин
Original assignee: Институт теплофизики СО РАН
Priority date: 1990-12-26
Filing date: 1990-12-26
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: drying. SUBSTANCE: central branch pipe is made in form of two truncated cones 11 and 12 which are connected together by their smaller bases. Diameter of the base doesn't excess over shorter diameter of conic vortex generator 5. Lower truncated cone 12 is disposed lower than plane of top end wall 3 is disposed. EFFECT: improved efficiency of operation. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технике тепломассообменных и химических процессов, в частности к нагреву, подсушке и очистке газовым потоком сыпучего материала, и может быть использовано в сельском хозяйстве, в пищевой, химической и других отраслях промышленности. The invention relates to techniques for heat and mass transfer and chemical processes, in particular to heating, drying and cleaning the bulk material with a gas stream, and can be used in agriculture, food, chemical and other industries.

Известен вихревой тепломассообменный аппарат, содержащий корпус с боковым входным патрубком для теплоносителя, торцовыми верхней и нижней стенками, цилиндрический и расположенный под ним конический завихритель, обращенный расширенной частью вверх, разгрузочный и загрузочный бункеры, эжектор, подклю- ченный приемной камерой к загрузочному бункеру, а камерой смещения к цилиндрическому завихрителю. Known vortex heat and mass transfer apparatus, comprising a housing with a lateral inlet pipe for the coolant, end upper and lower walls, a cylindrical conical swirl located below it, with the expanded part facing up, discharge and loading bunkers, an ejector connected by a receiving chamber to the loading bunker, and a displacement chamber to the cylindrical swirler.

Недостатком известного вихревого аппарата являются высокие энергозатраты при нагреве (сушке) дисперсного материала, так как температура отработанного теплоносителя на выходе из слоя частиц существенно выше температуры частиц. Причиной неполноты использования тепла газового потока является малая (30-40 мм) толщина дисперсного материала и, как следствие, малое время контакта частиц с теплоносителем. Толщина слоя зависит от его наружного и внутреннего диаметров. Наружный диаметр слоя определяется диаметром завихрителя, а внутренний диаметр слоя теоретически ограничен диаметром центрального патрубка. Попытка сформировать более толстый слой с внутренним диаметром, меньшим диаметра патрубка, приводит к выносу частиц с отработанным газом через патрубок. Просто уменьшение диаметра выходного патрубка увеличивает сопротивление всего аппарата и также приводит к увеличению энергозатрат. Причем выходящий из вихревого аппарата закрученный газовый поток не полностью заполняет цилиндрический патрубок. Основной поток газа движется в кольцевой пристенной области, а приосевая область в зависимости от величины крутки газового потока может быть занята противопотоком. A disadvantage of the known vortex apparatus is the high energy consumption during heating (drying) of the dispersed material, since the temperature of the spent heat carrier at the exit from the particle layer is significantly higher than the temperature of the particles. The reason for the incomplete use of the heat of the gas stream is the small (30-40 mm) thickness of the dispersed material and, as a result, the short contact time of the particles with the coolant. The thickness of the layer depends on its outer and inner diameters. The outer diameter of the layer is determined by the diameter of the swirl, and the inner diameter of the layer is theoretically limited by the diameter of the central pipe. An attempt to form a thicker layer with an inner diameter smaller than the diameter of the nozzle leads to the removal of particles with exhaust gas through the nozzle. Simply reducing the diameter of the outlet pipe increases the resistance of the entire apparatus and also leads to an increase in energy consumption. Moreover, the swirling gas stream emerging from the vortex apparatus does not completely fill the cylindrical pipe. The main gas flow moves in the annular wall region, and the axial region, depending on the magnitude of the twist of the gas flow, can be occupied by counterflow.

Целью изобретения является снижение энергозатрат при нагреве (сушке) зернистого материала путем увеличения толщины слоя зернистого материала. The aim of the invention is to reduce energy consumption during heating (drying) of the granular material by increasing the thickness of the layer of granular material.

Поставленная цель достигается тем, что в вихревой тепломассообменный аппарат, содержащий корпус с боковым выходным патрубком для теплоносителя, торцовыми нижней и верхней стенками с выходным патрубком, цилиндрический завихритель и конический, обращенный расширенной частью вверх, загрузочный и разгрузочный бункеры, эжекторы, подключенные приемной камерой к загрузочному бункеру, а камерой смешения к цилиндрическому завихрителю, согласно изобретению центральный патрубок выполнен в форме двух усеченных конусов, соединенных меньшим основанием между собой, диаметр которого не превышает меньший диаметр конического завихрителя, причем нижний усеченный конус расположен ниже плоскости верхней торцовой стенки. This goal is achieved by the fact that in the vortex heat and mass transfer apparatus, comprising a housing with a lateral outlet pipe for the coolant, end lower and upper walls with an outlet pipe, a cylindrical swirler and a conical, facing the expanded part upward, loading and unloading bunkers, ejectors connected to the receiving chamber to the feed hopper, and the mixing chamber to the cylindrical swirler, according to the invention, the central pipe is made in the form of two truncated cones connected by a smaller main vaniem each other, the diameter of which is less than the smaller diameter of the conical swirler and a lower truncated cone located below the plane of the upper end wall.

Для увеличения толщины слоя выходной патрубок выполняется в форме усеченного конуса, установленного меньшим основанием в плоскости верхней торцовой стенки. Диаметр D₁ этого основания меньше диаметра цилиндрического выходного патрубка. Такая форма выходного патрубка позволяет увеличить толщину слоя при незначительном (< 10% от общего сопротивления) увеличении сопротивления аппарата. При движении закрученного потока по расширяющемуся патрубку окружная и осевая составляющие скорости потока падают, трение потока о стенку патрубка уменьшается.To increase the layer thickness, the outlet pipe is made in the form of a truncated cone installed by a smaller base in the plane of the upper end wall. The diameter D _{1 of} this base is less than the diameter of the cylindrical outlet pipe. This shape of the outlet pipe allows you to increase the layer thickness with a slight (<10% of the total resistance) increase in the resistance of the device. When the swirling flow moves along the expanding nozzle, the circumferential and axial components of the flow velocity decrease, the friction of the flow against the nozzle wall decreases.

При взаимодействии со слоем увеличенной толщины газ на выходе из слоя имеет меньшую окружную составляющую скорости, чем на выходе из тонкого слоя. Благодаря малой окружной составляющей скорости (2-3 м/с) на выходе из толстого слоя в выходном патрубке не образуется приосевая зона противотока, а отработанный газ занимает все сечение выходного патрубка. Кроме этого, коническая форма выходного патрубка позволяет плавно перейти сразу на выходе из аппарата к трубопроводу, по которому отработанный газ транспортируется к циклону или утилизируется в топочном устройстве (резкое расширение потока - дополнительное сопротивление). When interacting with a layer of increased thickness, the gas at the exit from the layer has a smaller peripheral velocity component than at the exit from the thin layer. Due to the small peripheral velocity component (2-3 m / s), a near-axial counterflow zone is not formed at the outlet from the thick layer in the outlet pipe, and the exhaust gas occupies the entire cross section of the outlet pipe. In addition, the conical shape of the outlet pipe allows you to smoothly go directly at the outlet of the apparatus to the pipeline through which the exhaust gas is transported to the cyclone or disposed of in the combustion device (a sharp expansion of the flow - additional resistance).

Кроме сказанного, в результате взаимодействия закрученного потока газа в рабочем объеме аппарата с торцовой стенкой в пристенной области возникает сильное радиальное течение газа. Объясняется это торможением газа в пограничном слое на торцовой стенке и уменьшением тангенциальной составляющей скорости газа. В результате в пристенной области частицы дисперсного материала под действием радиального течения газа выносятся из слоя и вместе с отработанным газом выводятся из камеры через патрубок. Наличие торцового эффекта мешает удерживать слой частиц большой и практически толщина удерживаемого слоя существенно меньше расстояния между завихрителем и отверстием выходного патрубка. Исключить вынос частиц через торцовой погранслой возможно, устанавливая выступ на пути частиц, движущихся в радиальном направлении вдоль торцовой стенки, направлять их назад в слой. In addition, as a result of the interaction of a swirling gas flow in the working volume of the apparatus with the end wall in the wall region, a strong radial gas flow arises. This is explained by gas deceleration in the boundary layer on the end wall and a decrease in the tangential component of the gas velocity. As a result, in the near-wall region, particles of dispersed material under the action of a radial gas flow are removed from the layer and, together with the exhaust gas, are removed from the chamber through a pipe. The presence of the end effect prevents the large layer of particles from being held and the thickness of the retained layer is practically less than the distance between the swirl and the outlet opening. It is possible to exclude the removal of particles through the end boundary layer by setting a protrusion in the path of particles moving radially along the end wall, to direct them back into the layer.

Предложено выполнить выступ в виде усеченного конуса, соединенного меньшим основанием с меньшим основанием конического выходного патрубка и расположенного ниже плоскости верхней торцовой стенки. Высота и угол раскрытия конического выступа определяется исходя из конструктивных размеров аппарата и размеров частиц в слое. Так как выступ выполняет функцию возврата частиц в слой, то высота его должна быть не меньше среднего эффективного диаметра частиц, образующих слой. It is proposed to perform a protrusion in the form of a truncated cone connected by a smaller base with a smaller base of the conical outlet pipe and located below the plane of the upper end wall. The height and opening angle of the conical protrusion is determined based on the structural dimensions of the apparatus and the size of the particles in the layer. Since the protrusion performs the function of returning particles to the layer, its height should be no less than the average effective diameter of the particles forming the layer.

В случае обработки частиц с малым диаметром (1 мм и менее) высота выступа должна быть не менее толщины пограничного слоя у верхней торцовой стенки, ответственного за радиальное движение частиц вдоль стенки. In the case of processing particles with a small diameter (1 mm or less), the height of the protrusion should be not less than the thickness of the boundary layer at the upper end wall, responsible for the radial movement of particles along the wall.

Угол при вершине конического выступа должен быть таким, чтобы частицы под действием реакции стенки попадали на внутреннюю поверхность слоя. The angle at the apex of the conical protrusion should be such that particles under the action of the wall reaction fall on the inner surface of the layer.

В вихревом аппарате для нагрева зерна перед сушкой высота конического выступа выбрана не менее 5 мм, а угол между осью аппарата и образующей конуса 20-25^о.The vortex apparatus for heating the beans before drying conical protrusion height is selected at least 5 mm, and the angle between the axis of the device and forming a cone of ^about 20-25.

Экспериментально установлено, что в вихревом аппарате предлагаемой конструкции при протоке зернистого материала через слой скорость его вращения 2,3-4,0 м/с и центробежная сила одного порядка с силой тяжести, действующей на частицы. В результате внутренняя граница слоя может в оптимальном режиме иметь форму цилиндра диаметром, приблизительно равным диаметру D₂ меньшего основания конического завихрителя.It was experimentally established that in the vortex apparatus of the proposed design, when the granular material flows through the layer, its rotation speed is 2.3-4.0 m / s and the centrifugal force is of the same order as the gravity acting on the particles. As a result, the inner boundary of the layer may optimally be in the form of a cylinder with a diameter approximately equal to the diameter D _{2 of the} smaller base of the conical swirl.

Увеличение диаметра D₁ центрального патрубка по сравнению с диаметром D₂ приводит к уменьшению толщины слоя, а внутренняя граница слоя имеет форму усеченного конуса, раскрывающегося к выходному патрубку.An increase in the diameter D _{1 of the} central pipe in comparison with the diameter D ₂ leads to a decrease in the thickness of the layer, and the inner boundary of the layer has the shape of a truncated cone, opening to the outlet pipe.

Следовательно, диаметр D₁ выходного патрубка не должен превышать диаметр D₂ меньшего основания конического завихрителя.Therefore, the diameter D _{1 of the} outlet pipe should not exceed the diameter D _{2 of the} smaller base of the conical swirl.

На чертеже показан предлагаемый аппарат. The drawing shows the proposed apparatus.

Вихревой тепломассообменный аппарат содержит улиткообразный корпус 1 с входным патрубком 2, верхнюю 3 и нижнюю 4 торцовые стенки, конический 5 и цилиндрический 6 завихрители с тангенциальными щелями, кольцевой канал 7, эжектор 8, загрузочный 9 и разгрузочный 10 бункеры, центральный газоотводящий патрубок, состоящий из верхнего 11 и нижнего 12 конусов. В верхней торцевой стенке 3 выполнена кольцевая щель 13, а в нижней торцовой стенке 4 - кольцевая щель 14. The vortex heat and mass transfer apparatus contains a cochlear-shaped housing 1 with an inlet pipe 2, an upper 3 and a lower 4 end walls, a conical 5 and a cylindrical 6 swirl with tangential slots, an annular channel 7, an ejector 8, a loading 9 and an unloading 10 hoppers, a central gas outlet, consisting of upper 11 and lower 12 cones. An annular gap 13 is made in the upper end wall 3, and an annular gap 14 in the lower end wall 4.

Вихревой тепломассообменный аппарат работает следующим образом. Vortex heat and mass transfer apparatus operates as follows.

Зернистый материал из бункера 9 через эжектор 8, кольцевой канал 7 и щель 13, получая начальную окружную скорость, поступает в цилиндрический завихритель 6. Granular material from the hopper 9 through the ejector 8, the annular channel 7 and the slot 13, receiving the initial peripheral speed, enters the cylindrical swirler 6.

Газ, пройдя входной патрубок 2, корпус 1, распределяется по щелям завихрителей 5 и 6. Газовый поток, поступающий через щели цилиндрического завихрителя 6, сообщает зернистому материалу достаточную окружную скорость для формирования концентрированного слоя. Поступающий из эжектора 8 зернистый материал вытесняет с цилиндрического завихрителя плотный слой, который спускается вниз вдоль конического завихрителя 5. The gas passing through the inlet pipe 2, housing 1, is distributed over the slots of the swirlers 5 and 6. The gas flow entering through the slots of the cylindrical swirler 6 gives the granular material sufficient peripheral speed to form a concentrated layer. The granular material coming from the ejector 8 displaces a dense layer from the cylindrical swirler, which descends along the conical swirl 5.

Сформированный на цилиндрическом завихрителе слой является демпфером, предотвращающим вынос в приосевую область поступающих через щель 13 новых частиц. Эти частицы, еще не получая достаточную окружную скорость, задерживаются более толстым слоем, вращающимся на цилиндрическом завихрителе. Часть частиц, поступающих в слой, захватывается приторцовым радиальным потоком, движутся вдоль верхней торцовой стенки 3 от завихрителя 6 к оси аппарата. Нижний конус 12 выходного патрубка расширяющейся частью, расположенной в рабочем объеме аппарата, возвращает вылетающие из слоя частицы на внутреннюю поверхность слоя, где они подкручиваются выходящим из слоя потоком газа, получая дополнительную окружную скорость, и за счет центробежной силы удерживаются в слое. The layer formed on the cylindrical swirler is a damper that prevents the removal of 13 new particles entering the axial region through the slit. These particles, not yet receiving sufficient peripheral speed, are held back by a thicker layer rotating on a cylindrical swirler. A part of the particles entering the layer is captured by the frontal radial flow, moving along the upper end wall 3 from the swirl 6 to the axis of the apparatus. The lower cone 12 of the outlet pipe with an expanding part located in the working volume of the apparatus returns particles emanating from the layer to the inner surface of the layer, where they are twisted by the gas stream leaving the layer, obtaining an additional peripheral speed, and are held in the layer due to centrifugal force.

Отработанный газовый поток выводится из рабочего объема через нижний 12 и верхний 11 расширяющийся конус выходного патрубка, где окружная составляющая скорость потока уменьшается и газ занимает все сечение патрубка. Это компенсирует сопротивление газовому потоку местным сужением в сечении соединения конусов 11 и 12 патрубка. Отработанный дисперсный материал выводится из нижней части конического завихрителя 5 через щель 14 в бункер 10. The exhaust gas stream is removed from the working volume through the lower 12 and upper 11 expanding cone of the outlet pipe, where the peripheral component of the flow rate decreases and the gas occupies the entire cross section of the pipe. This compensates for the resistance to the gas flow by local narrowing in the section of the connection of the cones 11 and 12 of the pipe. Spent particulate material is discharged from the bottom of the conical swirler 5 through the gap 14 into the hopper 10.

Нижняя торцовая стенка 4 препятствует проникновению в бункер 10 вихрей, сопутствующих закрученным потокам и несущих легкие примеси. The lower end wall 4 prevents the penetration into the hopper 10 of vortices associated with swirling flows and carrying light impurities.

Предлагаемое техническое решение в аппарате с максимальным диаметром завихрителя 0,65 м позволило увеличить толщину слоя на цилиндрическом завихрителе с 0,04 до 0,09 м и снизить удельный расход топлива на нагрев зерна перед сушкой на 25% (см. таблицу). The proposed technical solution in the apparatus with a maximum swirl diameter of 0.65 m made it possible to increase the layer thickness on the cylindrical swirl from 0.04 to 0.09 m and reduce the specific fuel consumption for heating grain before drying by 25% (see table).

Из таблицы видно, что снижение энергозатрат осуществляется за счет уменьшения начальной температуры теплоносителя с 200 до 150^оС и разности температур (t_г - t_з) с 40-45 до 5-9^оС.The table shows that the reduction of energy consumption is carried out by reducing the initial flow temperature from 200 to 150 ^{° C} and the temperature difference (t _d - t _h) from 40-45 to 5-9 ° ^C.

Claims

Vortex heat and mass transfer apparatus, comprising a housing with side and central nozzles for supplying and discharging heat carrier, upper and lower end walls and conical and cylindrical swirlers located one below the other, characterized in that, in order to reduce energy consumption, the central nozzle is made in the form of two truncated cones, interconnected by smaller bases, while the diameter of the smaller base does not exceed the diameter of the smaller base of the conical swirl, and the lower truncated yc situated below the plane of the upper end wall.