УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И СМЕШИВАНИЯ ТЕКУЧИХ СРЕД Российский патент 1996 года по МПК B01F13/02 

Изобретение относится к устройствам для распределения и смешивания текучих сред и может быть использовано для смешивания газов или паров с жидкостью в контактных тепло- и массообменных аппаратах в экономайзерах, деаэраторах, испарителях, конденсаторах, оросителях, смесителях, барботерах, а также для смешивания газов в инжекционных горелках.

В контактных аппаратах устройство для распределения и смешивания является одним из наиболее важных узлов, от конструкции которого во многом зависит технологичность, эффективность, надежность аппаратов, т. е. уровень их технического совершенства.

Так при использовании водо- и парораспределительных устройств в качестве струйных оросителей в деаэраторах от конструкции этих устройств (с характерной для каждой из них эффективностью диспергирования и смешивания пара и воды) зависят качество и надежность деаэрации, масса и габаритные размеры аппаратов.

В барботажных аппаратах эффективность устройств (барботеров) характеризуется удельной поверхностью контакта фаз, скоростью обновления фаз и циркуляции жидкости, равномерностью распределения фаз на начальном участке их контакта, интенсивностью процессов тепло- и массообмена, что в целом часто оценивают по минимально необходимой величине заглубления барботера в жидкость.

Эффективность и надежность работы инжекционных горелок также во многом зависит от конструкции газосмесительных устройств, которые должны обеспечивать не только равномерное распределение и интенсивное смешивание горючего газа и воздуха на начальных участках струй, но и эффект инжекции воздуха в зону горения газа.

В общем случае эффективность работы указанных устройств зависит от равномерности распределения и интенсивности смешивания текучих сред в зоне их взаимодействия, особенно, в зоне формирования начальных участков струй.

Известно устройство для перемешивания двух газов [1] содержащее многорядный пакет трубок с переменным внутренним диаметром, установленных между двух решеток с образованием межтрубных каналов, сообщенных с кольцевой камерой, охватывающей пакет по периферии, при этом одна их решеток выполнена перфорированной, а внутренний диаметр трубок увеличивается от средней части к концам.

Недостаток известного устройства заключается в низкой эффективности распределения и перемешивания двух газов, так как обеспечивается равномерное чередование струй каждого газа на их начальных участках. При увеличении числа трубок в пакете равномерность распределения перемешиваемых газов по площади перфорированной решетки уменьшается за счет уменьшения количества отверстий в перфорированной решетке, а также за счет уменьшения сечения межтрубных каналов. В предельном случае (при соприкосновении трубок) прохождение одного из смешиваемых газов в межтрубных каналах прекращается полностью. Другим недостатком является низкая производственная и эксплуатационная технологичность устройства за счет расширенной номенклатуры и большого количества конструктивных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для распределения и смешивания газа и жидкости в газовой горелке погружного типа [2] содержащее унифицированные струеформирующие элементы одинаковой формы, образующие в сборке многорядный пакет трубок с расширяющимися концами, примыкающими друг к другу с образованием межтрубных каналов, сообщенных с газораспределительным коллектором (выхлопным патрубком). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Недостаток известного устройства, входящего в состав горелки, заключается в его низкой технологичности из-за большого количества расчленяемых элементов. Другим недостатком является низкая надежность устройства, вследствие проскальзывания и смещения элементов относительно друг друга с последующим их выпадением из пакета, что обусловлено уменьшением сцепления между элементами после стяжки пакета бандажным поясом (ввиду деформации элементов и вибрации, возникающей при работе устройства).

Кроме того, при использовании устройства в качестве барботера его недостаток заключается в низкой эффективности работы из-за проникновения жидкости в межтрубные каналы при уменьшении нагрузки устройства по газу. При этом жидкость вытесняет газ из межтрубных каналов через треугольные отверстия, расположенные с верхней фронтальной стороны пакета, и препятствует равномерному растеканию газа в межтрубных каналах.

Для повышения эффективности устройств (за счет повышения равномерности распределения струй и интенсификации их перемешивания на начальных участках), а также для повышения производительности устройств, в них увеличивают количество струеформирующих элементов (трубок и отверстий в решетке). С другой стороны, вследствие повышения количества расчленяемых (для сборки, ремонта и обслуживания) элементов, уменьшается надежность и технологичность устройств.

Таким образом, известные устройства характеризуются таким техническим противоречием, как повышение надежности и технологичности при повышении количества струеформирующих элементов. Указанное противоречие обусловлено нерациональной конструкцией расчленяемых элементов и нерациональным расчленением известных устройств на отдельные элементы.

Задача изобретения повышение технологичности и надежности устройства, а также повышение эффективности устройства при использовании его в качестве барботера.

Это достигается тем, что в известном устройстве для распределения и смешивания текучих сред, например газа и воды, содержащем унифицированные струеформирующие элементы одинаковой формы, образующие в сборке многорядный пакет трубок с расширяющимися концами, примыкающими друг к другу с образованием межтрубных каналов, сообщенных с водораспределительным коллектором и патрубком подвода воды, согласно изобретению унифицированные элементы выполнены в виде продольных половин смежных рядов, снабженных поверхностями сопряжения, имеющими соединительные элементы, при этом расширяющиеся концы унифицированных элементов скреплены между собой в местах примыкания. Расширяющиеся концы выполнены многогранными. Соединительные элементы выполнены на расширяющихся концах. Соединительные элементы выполнены в виде элементов соединения "шип-паз". Унифицированные элементы скреплены между собой при помощи перемычек. Длина унифицированного элемента равна длине его посадочного места в многорядном пакете. Межтрубные каналы с одной из фронтальных сторон пакета выполнены закрытыми.

Технический результат изобретения выражается в технологичной форме унифицированных элементов, исключении проскальзывания и смещения унифицированных элементов в пакете, что повышает надежность устройства, в сокращении количества расчленяемых элементов, что повышает технологичность и надежность устройства, уменьшении трудоемкости сборки, ремонта и обслуживания устройства, что повышает технологичность устройства, самоцентровке унифицированных элементов в среднем (по высоте) сечении пакета, что повышает технологичность устройства, одностороннем истечении текучей среды из межтрубных каналов, когда эти каналы с другой фронтальной стороны пакета выполнены закрытыми.

Если между поверхностями сопряжения унифицированных элементов остаются зазоры, то происходит орошение поверхности трубок, что повышает эффективность работы устройства за счет увеличения поверхности контакта фаз в единице объема, занимаемого устройством.

Технический результат, достигаемый при использовании устройства в качестве барботера, установленного газовыводящими отверстиями вниз, когда межтрубные каналы с верхней фронтальной стороны пакета выполнены закрытыми, выражается в уменьшении проникновения жидкости в межтрубные каналы (для газа) в широком диапазоне нагрузок устройства по газу, что повышает эффективность работы барботера за счет повышения равномерности распределения газа в межтрубных каналах.

Предлагаемое устройство для распределения и перемешивания текучих сред характеризуется наличием признаков, отличительных от прототипа и достаточных во всех случаях, а именно тем, что унифицированные элементы выполнены в виде продольных половин смежных рядов, снабженных поверхностями сопряжения, имеющими соединительные элементы, при этом расширяющиеся концы унифицированных элементов скреплены между собой в местах примыкания.

Кроме того, предлагаемое устройство содержит признаки, характеризующие изобретение лишь в частных случаях, а именно тем, что расширяющиеся концы выполнены многогранными, соединительные элементы выполнены в виде элементов соединения "шип-паз", унифицированные элементы скреплены между собой при помощи перемычек, длина унифицированного элемента равна длине его посадочного места в многорядном пакете, межтрубные каналы с одной из фронтальных сторон пакета выполнены закрытыми.

Совокупность существенных признаков, благодаря их взаимному воздействию на достижение технического результата изобретения, обеспечивает при высокой эффективности работы решение поставленной задачи повышение технологичности и надежности устройства, а также решает техническое противоречие повышение технологичности и надежности при повышении количества струеформирующих элементов. Указанное противоречие решается за счет рациональной конструкции расчленяемых элементов и рационального расчленения устройства на отдельные элементы.

Технологичная форма унифицированных элементов, выполненных например с многогранными расширяющимися концами, обеспечивает возможность непрерывной отливки унифицированных элементов с использованием разъемных литьевых форм.

Исключение проскальзывания и смещения унифицированных элементов в пакете обеспечивается благодаря тому, что расширяющиеся концы унифицированных элементов скреплены между собой в местах примыкания, а также благодаря взаимной фиксации унифицированных элементов между собой при помощи соединительных элементов.

Резкое сокращение количества расчленяемых элементов обусловлено тем, что унифицированные элементы выполнены в виде продольных половин смежных рядов, а также тем, что длина унифицированного элемента равна длине его посадочного места в многорядном пакете.

Уменьшение трудоемкости сборки, ремонта и обслуживания устройства достигается тем, что сокращено количество расчленяемых элементов, продольные половины смежных рядов снабжены поверхностями сопряжения, поверхности сопряжения имеют соединительные элементы, соединительные элементы выполнены в виде элементов соединения "шип-паз" (быстроразъемное соединение).

Самоцентровка унифицированных элементов в среднем (по высоте) сечении пакета обеспечивается за счет того, что они снабжены поверхностями сопряжения и соединительными элементами, например, типа "шип-паз", фиксирующими взаимное положение унифицированных элементов в пространстве.

Повышение эффективности устройства при использовании его в качестве барботера, установленного газовыводящими отверстиями вниз, когда межтрубные каналы с верхней фронтальной стороны пакета выполнены закрытыми, достигается созданием устойчивой газовой подушки в межтрубных каналах пакета и беспрепятственным со стороны жидкости растеканием газа в межтрубных каналах, т. е. за счет повышения равномерности распределения и перемешивания текучих сред.

На фиг. 1 и 2 представлено предлагаемое устройство, вид сверху и осевое сечение; на фиг. 3 унифицированный элемент; на фиг. 4 вид А на фиг. 3; на фиг. 5 вид Б на фиг. 2 (при использовании устройства в качестве барботера или газовоздушного смесителя для инжекционных горелок); на фиг. 6-8 варианты выполнения унифицированных элементов с расширяющимися концами труб круглой формы; на фиг. 9-11 варианты выполнения пакета при сборке его из унифицированных элементов, показанных на фиг. 6-8.

Устройство для распределения и смешивания текучих сред содержит унифицированные струеформирующие элементы 1 одинаковой формы, образующие в сборке многорядный пакет 2 трубок 3 с расширяющимися концами 4, межтрубные каналы 5, водо- или газораспределительный коллектор 6, патрубок 7 подвода воды (или газа), продольные половины 8 смежных рядов 9, поверхности сопряжения 10, соединительные элементы 11, направляющие элементы 12. Межтрубные каналы 5 заканчиваются треугольными отверстиями 13, которые при использовании устройства в качестве барботера закрыты материалом 14 с верхней фронтальной стороны пакета 2.

В частных вариантах конструкции устройства расширяющиеся концы 4 трубок 3 могут быть выполнены многогранными (фиг. 1, 3, 5) или круглыми (фиг. 6-8), а поверхности сопряжения 10 могут быть выполнены как по всей высоте трубок 3, так и на отдельных их участках, например на расширяющихся концах 4. Унифицированные элементы 1 могут быть скреплены между собой как непосредственно, так и при помощи перемычек 15.

Соединительные элементы 11 на поверхностях сопряжения 10 (фиг. 4) могут быть выполнены, например, в двух уровнях: вверху "шип" и "паз", а внизу наоборот "паз" и "шип", что позволяет плотно соединить два унифицированных элемента 1 одинаковой формы после разворота одного из них относительно другого на 180^о, т. е. обеспечить сопрягаемость поверхностей 10. Соединительные элементы могут быть также выполнены в одном уровне, например, в средней по высоте части трубок слева "шип", а справа "паз".

При использовании устройства в качестве оросителя оно работает следующим образом.

Вода подается через тангенциальный патрубок 7 в водораспределительный коллектор 6, распределяется по межтрубным каналам 5 и направляется к центру пакета 2 по радиальным и концентрически межтрубным каналам 5. Равномерное распределение воды в межтрубных каналах 5 обеспечивается за счет повышения гидравлического сопротивления треугольных отверстий 13 над гидравлическим сопротивлением межтрубных каналов 5. Струи газа, протекающего по трубкам 3, равномерно чередуются со струями воды в зоне формирования их начальных участков у отверстий 13, чем обеспечиваются практически идеальные условия для взаимодействия текучих сред. Очистка межтрубных каналов 5 и отверстий 13 осуществляется по мере необходимости при периодической разборке пакета 2. Ремонт устройства осуществляется путем частичной замены унифицированных элементов.

При использовании устройства в качестве барботера оно работает следующим образом.

Газ (или пар) подается через тангенциальный патрубок 7 в газораспределительный коллектор 6, распределяется по межтрубным каналам 5 и направляется к центру пакета 2 по радиальным и концентрическим межтрубным каналам 5, вытесняя из них жидкость. Через отверстия 13, равномерно чередующиеся с трубками 3, газ вдувается в жидкость, диспергируется и поднимается вверх по трубкам 3 в газожидкостном потоке. Диспергирование жидкости происходит при взаимодействии ее со струями газа, выходящими из отверстий 13 на оптимальной глубине их затопления. Газожидкостный поток выводится из трубок 3 и сепарируется над пакетом 2. Обработанная жидкость отводится потребителю или при необходимости снова подводится к отверстиям 13. По мере прохождения газа в каналах 5 к центру затопленного пакета 2 часть газа выводится в жидкость через отверстия 13, а другая часть газа, оставшегося в каналах 5, постоянно уменьшается, проходя через постоянно уменьшающееся к центру пакета 2 количество отверстий 13. Поскольку суммарная площадь отверстий 13, заключенных внутри любого кругового сечения пакета 2, меньше суммарной площади межтрубных каналов 5, попавших в это сечение, то лимитирующим аэродинамическим сопротивлением является сопротивление отверстий 13, что и обеспечивает практически постоянный напор газа в каналах 5, практически одинаковый динамический напор газа во всех отверстиях 13 и практически идеальное распределение и перемешивание газа и жидкости в зоне их контакта на начальных участках формирования струй. Постоянный динамический напор газа в отверстиях 13 значительно уменьшает проникновение жидкости в каналы 5 с нижней фронтальной стороны пакета 2, в результате чего жидкость не нарушает упорядоченное распределение газа в этих каналах. При уменьшении динамического напора (вследствие уменьшения нагрузки устройства по газу) проникновению жидкости в каналы 5 препятствует одинаковый во всех отверстиях 13 статический напор газа (газовая подушка), который поддерживается небольшой подачей газа благодаря тому, что каналы 5 с верхней фронтальной стороны пакета 2 выполнены закрытыми.

При использовании устройства в качестве газовоздушного смесителя для инжекционных горелок оно работает следующим образом.

Горючий газ под давлением подается через тангенциальный патрубок 7 в газораспределительный коллектор 6. Выходя из каналов 5, открытых с какой-либо одной фронтальной стороны пакета 2, горючий газ инжектирует воздух, подсасываемый в зону горения по трубкам 3. При этом струи горючего газа и воздуха эффективно перемешиваются между собой как за счет равномерного чередования струй горючего газа и воздуха, так и за счет контакта струй на их начальных участках. Односторонний выход горючего газа из пакета 2 обеспечивается благодаря тому, что каналы 5 с одной из фронтальных сторон пакета 2 закрыты материалом 14, так же как и в случае использования устройства в качестве барботера.

Использование предлагаемого устройства для распределения и перемешивания текучих сред позволяет по сравнению с прототипом повысить производственную и эксплуатационную технологичность устройства, повысить надежность устройства, повысить эффективность работы, в особенности при использовании устройства в качестве барботера.

Кроме того, изобретение позволяет создать размерный ряд унифицированных элементов для различных контактных тепло- и массообменных аппаратов экономайзеров, деаэраторов, испарителей, конденсаторов, оросителей, смесителей, барботеров и т. д. Размеры унифицированных элементов в размерном ряду могут быть рассчитаны с учетом известных соотношений между количествами подаваемых в устройства жидкости L и газа G, например, в интервале G/L50-500.

Изобретение позволяет также создать размерный ряд унифицированных элементов газосмесительных устройств для инжекционных горелок.

Использование: в контактных тепло- и массообменных аппаратах - экономайзерах, деаэраторах, конденсаторах, оросителях, смесителях, барботерах и т. д. Сущность изобретения: унифицированные элементы устройства выполнены в виде примыкающих друг к другу продольных половин смежных рядов, которые скреплены неразъемными перемычками в местах примыкания и снабжены поверхностями сопряжения с соединительными элементами. При этом ширина одного унифицированного элемента равна половине ширины одного ряда. Длина унифицированного элемента равна длине его посадочного места в многорядном пакете. Расширяющиеся концы трубок выполнены многогранными. Соединительные элементы выполнены в виде элементов соединения "шип-паз". Межтрубные каналы с одной из фронтальных сторон пакета выполнены закрытыми. Положительный эффект - повышение технологичности, надежности и эффективности. 6 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для распределения и смешивания текучих сред, например газа и воды, содержащее унифицированные струеформирующие элементы одинаковой формы, образующие в сборке многорядный пакет трубок с расширяющимися концами, примыкающими друг к другу с образованием межтрубных каналов, сообщенных с водораспределительным коллектором и патрубком подвода воды, отличающееся тем, что унифицированные элементы выполнены в виде продольных половин смежных рядов, снабженных поверхностями сопряжения, имеющими соединительные элементы, при этом расширяющиеся концы унифицированных элементов скреплены между собой в местах примыкания. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расширяющиеся концы выполнены многогранными. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что соединительные элементы выполнены на расширяющихся концах. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что соединительные элементы выполнены в виде элементов соединения шип-паз. 5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что унифицированные элементы скреплены между собой при помощи перемычек. 6. Устройство по пп.1 5, отличающееся тем, что длина унифицированного элемента равна длине его посадочного места в многорядном пакете. 7. Устройство по пп.1 6, отличающееся тем, что межтрубные каналы с одной из фронтальных сторон пакета выполнены закрытыми.