УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПЕННЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2001 года по МПК B01D47/04 

Изобретение относится преимущественно к теплоэнергетике, химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, а также к санитарной технике, жилищно-коммунальному хозяйству и может быть использовано для проведения процессов газоочистки, тепло- и массообмена при протекании эндо- и экзотермических реакций с участием жидких и газообразных веществ в любой отрасли народного хозяйства, например, для контактно-поверхностного нагрева воды продуктами сгорания природного газа, жидкого и твердого топлив, а также для нейтрализации щелочных сточных вод двуокисью углерода дымового газа или для конденсации водяных паров в процессах химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающих технологиях, машиностроительной индустрии, сталелитейной и автомобильной промышленностях при решении проблем экологии в вопросах защиты воздушного, водного бассейнов и почвы от газообразных и механических загрязнений путем обработки жидкости и очистки газов или для кондиционирования воздуха, практически без ограничения величины расхода газа и жидкости, габаритов аппарата и независимо от разновидности технологических процессов.

Известны пенные аппараты, предназначенные для проведения газоочистки, а также процессов тепло- и массообмена при протекании эндо- и экзотермических реакций с участием жидких и газообразных сред. Таким аппаратом является пенный газоочиститель со стабилизатором пенного слоя ПГПС-ЛТИ-И /Тарат Э.Я. и др. Пенный режим и пенные аппараты. Л., "Химия", 1977. - 304 с. рис. VI.I, а также Рамм В. М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., "Химия", 1976. - 656 с. Рис. V-II, в и г/. Такой пенный аппарат имеет корпус, противоточную провальную трубчатую или трубчато-решетчатую тарелку /тарелки/ с коллектором, по которому движется охлаждающий агент, стабилизатор пены, орошающее устройство, сепаратор, патрубок для отвода жидкости /пульпы/, газоотводящий и газоподводящий патрубки и бункер. Пенный слой на провальных тарелках неравномерен: через часть отверстий движется газ, а через остальные отверстия протекает жидкость; при этом газ и жидкость попеременно проходят через одни и те же отверстия. Площадь трубок коллектора строго ограничена наружными размерами самой тарелки. Тарелки провального типа могут работать только в сравнительно узком диапазоне нагрузок по газу, поскольку при малых нагрузках на тарелке отсутствует слой жидкости. Кроме того, при скоростях газа более 3 м/с на тарелке возникает волновой режим /раскачивание пенного слоя/, что приводит к ухудшению структуры пены и снижает эффективность работы аппарата. Максимальный диаметр аппарата органичен и не превышает величины 1,5 м. Производительность аппарата также ограничена и не превышает величины 25000 м³/ч, что не решает всех проблем. Кроме того, в таких аппаратах при обработке, особенно сточных вод, отверстия и щели в решетке имеют тенденцию к забиванию и зарастанию, что значительно снижает эффективность работы такого пенного аппарата и в конечном счете может привести к полной его остановке.

Наиболее близким по технической сущности является унифицированный пенный теплообменный аппарат (УПТА) /Мерчанский В.Д,, Фокин И.М. Технические характеристики и инструкция по эксплуатации УПТА (унифицированного пенного теплообменного аппарата). Редактор Сидорова Н.Б., Минобороны, 1981. - 63 с. Рис. 1.1. б, Рис. 2.3. и приложение 3/. Такой аппарат имеет корпус, поддон, воздухоподающий и воздуховыбросной патрубки, сепаратор, теплообменник, рабочую камеру, успокоительную решетку, лючок шламоотстойника. В таком аппарате компоновочные возможности ограничены, так как трубки теплообменника расположены только параллельно друг другу, что обусловливает возникновение продольной волны в пенном слое, что особенно будет ярко выражено при увеличении габаритов аппарата. Подобный недостаток не позволяет использовать /раскрыть/ полностью возможности работы пенного слоя и тем самым лишает условий расширения мультипликации вариантов конструирования более эффективного теплообменника, ограничивает возможность использования аппарата в целом и снижает эффективность его работы.

Задачей изобретения является создание универсального пенного теплообменного аппарата /УПТА/, обеспечивающего получение технического результата, направленного на повышение эффективности работы УПТА, расширение диапазона мультипликации вариантов исполнения теплообменника и аппарата в целом при полной ликвидации условий возникновения волнового режима и расширение границ использования и диапазона производительности как по газу, так и по жидкости.

Этот технический результат в универсальном пенном теплообменном аппарате, содержащем корпус, патрубок для подвода газа, газораспределительную камеру, решетку, газоподающие насадки, реакционную камеру, трубу для подвода холодной воды в реакционную камеру, поддон, переливное устройство, сепаратор, дутьевую камеру, вентилятор, газоотводящий патрубок, запорно-регулирующие устройства, газоотводящие трубы, трубки продольного теплоообменника, трубки поперечного теплообменника, коллекторы для подвода нагреваемого агента к трубкам теплообменников, коллекторы для отвода нагретого агента из трубок теплообменников, соты /ячейки/, достигается тем, что трубки продольного и поперечного теплообменников расположены в пенном слое методом последовательного чередования их горизонтальных рядов, которые установлены один над другим под углом 90^o относительно друг друга, что позволяет весь объем пенного слоя в реакционной камере равномерно разделить на равновеликие соты, стенки которых образуют прореженные по высоте пенного слоя ряды трубок продольного и поперечного теплообменников, которые относительно собственных продольных центральных осей в поперечном направлении, при омывании их пенным слоем, работают как волногасители и предотвращают раскачивание пенного слоя и возникновение волнового режима в объеме реакционной камеры, независимо от ее габаритов в плане.

Гидродинамика агентов в трубках продольного и поперечного теплообменников может совпадать или быть различной.

Нагреваемые агенты в трубках продольного и поперечного теплообменников могут быть одинаковыми или различными.

Материал трубок продольного и поперечного теплообменников может быть одинаковым или различным.

Конфигурация трубок продольного и поперечного теплообменников может быть одинаковой или различной.

Конфигурация рядов трубок продольного и поперечного теплообменников может быть одинаковой или различной.

Теплопроизводительность площади поверхности трубок продольного и поперечного теплообменников может быть одинаковой или различной.

Расстояния в ряду между осями трубок продольного и поперечного теплообменников могут совпадать или быть различными.

Диаметры трубок /d_н, мм/ продольного и поперечного теплообменников могут совпадать или быть различными.

Область эффективной работы аппарата обусловлена расстоянием в ряду между осями трубок продольного и поперечного теплообменников в диапазоне от 1,5d_н до 10d_н.

Область эффективной работы аппарата обусловлена местоположением центральных осей крайних рядов трубок продольного и поперечного теплообменников по высоте пенного слоя /H, мм/ в диапазоне от 0,5d_н до /H-0,5d_н/.

Область эффективной работы аппарата обусловлена расстоянием между центральными осями соседних рядов трубок продольного и поперечного теплообменников в диапазоне от d_н до /H-d_н/.

Область эффективной работы аппарата обусловлена формой очертания обтекателя в плане, которая должна быть идентична форме очертания в плане реакционной камеры.

Область эффективной работы аппарата обусловлена отношением площади обтекателя к площади сепаратора в диапазоне от 0,1 до 0,5.

Вентилятор размещен в дутьевой камере, которая установлена над сепаратором и совместно с реакционной, газораспределительной камерами, поддоном и газоотводящими трубами образует единый корпус в виде вертикальной колонны.

Размещение в пенном слое трубок продольного и поперечного теплообменников методом последовательного чередования их горизонтальных рядов, которые установлены один над другим под углом 90^o относительно друг друга, что позволяет весь объем пенного слоя в реакционной камере разделить на равновеликие соты, стенки которых образуют прореженные по высоте пенного слоя ряды трубок продольного и поперечного теплообменников, омываемые пенным слоем, где процессы тепло- и массообмена протекают на 1-2 порядка более интенсивно, чем в аппаратах смешения других типов, но при этом все трубки продольного и поперечного теплообменников относительно собственных продольных центральных осей в поперечном направлении работают как волногасители и предотвращают раскачивание пенного слоя и ликвидируют возникновение волнового режима без устройства какого-либо дополнительного специального приспособления в аппарате и без ограничения его габаритов в плане и расходов газа и жидкости, а также позволяет энергию, приходящуюся на раскачивание пенного слоя, использовать на дополнительное дробление газовых пузырей о стенки трубок, значительно улучшая структуру пены, что повышает эффективность работы аппарата и расширяет границы его использования.

Гидродинамика агентов в трубках продольного и поперечного теплообменников может совпадать или быть различной, что расширяет возможности использования аппарата.

Нагреваемые агенты в трубках продольного и поперечного теплообменников могут быть одинаковыми или различными, что расширяет границы использования аппарата.

Материал трубок продольного и поперечного теплообменников может быть одинаковым или различным, что расширяет диапазон вариантов использования и конструирования теплообменников и аппарата в целом.

Конфигурация трубок продольного и поперечного теплообменников может быть одинаковой или различной, что расширяет диапазон вариантов конструирования и использования теплообменников и аппарата в целом.

Конфигурация рядов трубок продольного и поперечного теплообменников может быть одинаковой или различной, что обусловливает расширение диапазона вариантов использования и исполнения теплообменников и аппарата в целом.

Теплопроизводительность площади поверхности трубок продольного и поперечного теплообменников может быть одинаковой или различной, так как каждый теплообменник сам по себе автономен и работа одного теплообменника не зависит от работы другого, что дает возможность обеспечить одинаковую или различную тепловую нагрузку теплообменников за счет манипуляции диаметрами, конфигурацией и количеством трубок в ряду, что расширяет диапазон вариантов использования и исполнения теплообменников и аппарата в целом.

Расстояния в ряду между осями трубок продольного и поперечного теплообменников могут совпадать или быть различными, что расширяет диапазон мультипликации вариантов исполнения теплообменников и расширяет границы использования аппарата.

Диаметры трубок /d_н, мм/ продольного и поперечного теплообменников могут совпадать или быть различными, что расширяет диапазон мультипликации вариантов исполнения теплообменников и использования аппарата в целом.

Область эффективной работы аппарата обусловлена расстоянием в ряду между осями трубок продольного и поперечного теплообменников в диапазоне от 1,5d_н до 10d_н, что расширяет границы использования аппарата.

Область эффективной работы аппарата обусловлена местоположинием центральных осей крайних рядов трубок продольного и поперечного теплообменников по высоте пенного слоя /H, мм/ в диапазоне от 0,5d_н до /H-0,5d_н/, что расширяет границы использования аппарата.

Область эффективности работы аппарата обусловлена расстоянияем между центральными осями соседних рядов трубок продольного и поперечного теплоообменников в диапазоне от d_н до /H-d_н/, что расширяет границы использования аппарата.

Область эффективной работы аппарата обусловлена формой очертания обтекателя в плане, которая должна быть идентична форме очертания в плане реакционной камеры, что способствует сглаживанию /выравниванию/ аэродинамических показателей газового потока по всему поперечному сечению реакционной камеры и обусловливает тем самым эффективность работы аппарата и расширяет границы его использования.

Область эффективной работы аппарата обусловлена отношением площади обтекателя к площади сепаратора в диапазоне от 0,1 до 0,5, что расширяет границы использования аппарата.

Вентилятор размещен в дутьевой камере, которая установлена над сепаратором и совместно с реакционной и газораспределительной камерами, поддоном и газоотводящими трубами образует единый корпус вертикально скомпонованного аппарата, который легко может быть собран в многоярусную колонну, где имеет место противоток между газом и жидкостью, что способствует эффективности проведения технологических процессов и расширяет границы использования аппарата.

На фиг. 1 выполнен продольный разрез универсального пенного теплообменного аппарата; на фиг. 2 - разрез описываемого устройства по сечению А-А.

УПТА содержит корпус 1, патрубок для подвода газа 2, газораспределительную камеру 3, решетку 4, газоподающие насадки 5, реакционную камеру 6, трубу 7 для подвода холодной воды в реакционную камеру 6, поддон 8, переливное устройство 9, обтекатель 10, сепаратор 11, дутьевую камеру 12, вентилятор 13, газоотводящий патрубок 14, запорно-регулирующие устройства 15 и 16, газоотводящие трубы 17, трубки 18 продольного теплообменника, трубки 19 поперечного теплообменника, коллекторы 20 для подвода нагреваемого агента к трубкам 18 и 19, коллекторы 21 для отвода нагретого агента от трубок 18 и 19, соты /ячейки/ 22.

В УПТА поток газа со скоростью до 22 м/с по патрубку для подвода газа 2 направляет в газораспределительную камеру 3, откуда через решетку 4 по газоподающим насадкам 5 газ направляют в реакционную камеру 6, где он равномерно поступает в соты 22, куда одновременно через трубу 7 подают воду. В сотах 22 жидкость перемешивается с газом, таким образом образуется слой газожидкостной эмульсии /пена/, где интенсивно протекают процессы тепло- и массообмена и газоочистки. Эмульсия заполняет весь объем сот 22, так как высота и структура пены в основном зависят от величины скорости газа и высоты подтопления газоподающих насадков 5 и может изменяться в диапазоне от 50-100 мм до 3-4 м и более. Высота пены может быть ограничена либо достаточностью обеспечения оптимальных условий проведения заданного технологического процесса, либо мощностью тягодутьевого оборудования. По мере поступательного движения газожидкостной эмульсии вверх происходит постепенное разрушение пены. Жидкость отбрасывается к стенкам корпуса 1 и под действием тяжести стекает вниз в поддон 8, откуда с помощью переливного устройства 9 ее /жидкость или пульпу/ отводят наружу. Переливное устройство 9 в аппарате позволяет регулировать и поддерживать заданную высоту подтопления всех газоподающих насадков 5 одновременно, а следовательно, и заданную высоту пены по всей площади реакционной камеры 6, независимо от ее габаритов в плане. Обработанный в аппарате газ, огибая обтекатель 10, который играет роль стабилизатора газового потока, направляется в сепаратор 11, где освобождается от захваченных капель жидкости и поступает в дутьевую камеру 12, откуда вентилятором 13, через газоотводящий патрубок 14, при открытом 15 и закрытых 16 запорно-регулирующих устройствах, газ отводят наружу. При остановке работы УПТА запорно-регулирующие устройства 16 открывают, а запорно-регулирующее устройство 15 - закрывают и газ выбрасывают в атмосферу по газоотводящим трубам 17. Переключение направления движения газового потока в аппарате осуществляют без нарушения режима работы источника, вырабатывающего дымовой газ.

Для нагревания агента /агентов, которыми могут быть любые жидкости или газы/ в пенном слое размещают самостоятельные, технологически обособленные друг от друга /если того требует обстоятельство/, но конструктивно расположенные совместно трубки 18 продольного и трубки 19 поперечного теплообменников. Поступающий по коллекторам 20 агент /агенты/ к трубкам 18 и 19, по мере продвижения по ним, нагревается и поступает к потребителю /потребителям/ по коллекторам 21.

При использовании УПТА в качестве экономайзера он работает в режиме самоорошения, а это значит, что во время работы аппарата подача холодной воды в реакционную камеру 6 по трубе 7 не осуществляется, так как количество конденсата, образующегося в процессе охлаждения газа и поступающего в поддон 8, превышает величину брызгоуноса и в этой связи снижение расчетной высоты пенного слоя наблюдаться не будет. А для того чтобы не было постепенного и самопроизвольного повышения расчетной высоты пенного слоя, излишек конденсата непрерывно отводят наружу через переливное устройство 9. Подача холодной воды по трубе 7 в реакционную камеру 6 осуществляется только в период пуска аппарата в работу.

Корпус УПТА имеет квадратную /прямоугольную/ или круглую форму в плане и может быть изготовлен из пластмасс, металла, керамики, асбестоцемента, бетона, железобетона или стекла. Трубки теплообменников изготавливают из нержавеющей стали, меди, латуни, алюминия и его сплавов или стекла.

При использовании УПТА, например, в качестве экономайзера для глубокого охлаждения дымового газа открываются возможности для решения отраслевых экологических проблем и экономии топлива ибо УПТА способен совместно работать с любым типом котла. Больше того, аппарат настолько компактен, что может быть установлен над выходным отверстием дымовой трубы, что кардинально решает проблему защиты газоходов и ствола дымовой трубы от разрушающего воздействия конденсата. Кроме того в этом случае не требуется дополнительной производственной площади для размещения экономайзера. Эти обстоятельства были использованы для разработки проекта, направленного на удовлетворение дефицита тепловой мощности в размере 13000 Гкал/ч на нужды отопления и горячего водоснабжения, а также для экономии топлива и решения ряда экологических задач в теплоэнергетической отрасли жилищно-коммунального хозяйства Госстроя РФ. Общая характеристика экономайзера, выполненного на базе УПТА и принятого за эквивалент по отрасли для совместной работы с котлом мощностью 5 МВт, по показателям проекта приведена в таблице 1.

Уровень экологических и технико-экономических показателей УПТА характеризуется итоговыми результатами проекта, приведенными в таблице 2.

Для оценки конкурентоспособности УПТА, в объеме проекта было выполнено сравнение вариантов /показателей/ работы экономайзеров, что представлено в материалах таблицы 3.

Изобретение относится к теплоэнергетике, химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, а также к санитарной технике, жилищно-коммунальному хозяйству и может быть использовано для проведения процессов газоочистки, тепло- и массообмена при протекании эндо- и экзотермических реакций с участием жидких и газообразных веществ. Универсальный пенный теплообменный аппарат содержит корпус, патрубок для подвода газа, реакционную камеру, трубу для подвода холодной воды в реакционную камеру, трубки продольного теплообменника и трубки поперечного теплообменника. Трубки продольного и поперечного теплообменников расположены в пенном слое с последовательным чередованием их горизонтальных рядов, которые установлены один над другим под углом 90° относительно друг друга. Это позволяет весь объем пенного слоя в реакционной камере равномерно разделить на равновеликие соты, стенки которых образуют прореженные по высоте пенного слоя ряды трубок продольного и поперечного теплообменников, которые относительно собственных продольных центральных осей в поперечном направлении, при омывании их пенным слоем, работают как волногасители и предотвращают раскачивание пенного слоя и возникновение волнового режима в объеме реакционной камеры, независимо от ее габаритов в плане. 8 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.

1. Универсальный пенный теплообменный аппарат, содержащий корпус, патрубок для подвода газа, газораспределительную камеру, решетку, газоподающие насадки, реакционную камеру, трубу для подвода холодной воды в реакционную камеру, поддон, переливное устройство, сепаратор, дутьевую камеру, вентилятор, газоотводящий патрубок, запорно-регулирующее устройство, газоотводящие трубы, трубки продольного теплообменника, трубки поперечного теплообменника, коллекторы для подвода нагреваемого агента к трубкам теплообменников, коллекторы для отвода нагретого агента из трубок теплообменников, соты, отличающийся тем, что трубки продольного и поперечного теплообменников расположены в пенном слое в виде последовательно чередующихся горизонтальных рядов, которые установлены один над другим под углом 90° относительно друг друга с образованием в объеме пенного слоя в реакционной камере равновеликих сот, стенки которых образованы рядами трубок продольного и поперечного теплообменников, при этом стенки дополнительно работают как волногасители, предотвращая возникновение волнового режима и раскачивание пенного слоя в объеме реакционной камеры, независимо от ее габаритов в плане. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что материал трубок продольного и поперечного теплообменников может быть одинаковый или различный. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что конфигурация трубок продольного и поперечного теплообменников может быть одинаковой или различной. 4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что расстояние в ряду между осями трубок продольного и поперечного теплообменников могут совпадать или быть различными. 5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что диаметр трубок (d_н, мм) продольного и поперечного теплообменников могут совпадать или быть различными. 6. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что расстояние в ряду между осями трубок продольного и поперечного теплообменников 1,5 - 10 d_н. 7. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что область его эффективной работы обусловлена формой очертания обтекателя в плане (круг, прямоугольник или квадрат), которая должна быть идентична форме очертания в плане реакционной камеры. 8. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что отношение площади поперечного сечения обтекателя к площади поперечного сечения сепаратора 0,1 - 0,5. 9. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что вентилятор размещен в дутьевой камере, которая установлена над сепаратором и совместно с реакционной и газораспределительной камерами, поддоном и газоотводящими трубами образуют единый корпус в виде вертикальной колонны.