ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК F28C3/06 

Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам, в частности к прямоконтактным конденсаторам смешения и подогревателям раствора, и может быть использовано в алюминиевой, химической отраслях промышленности, а также в теплоэнергетике, более конкретно, для оснащения выпарных и автоклавных батарей в алюминиевой промышленности (глиноземном производстве).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является тепломассообменный аппарат (RU 2081697, МПК B 01 J 19/32, B 01 D 3/24, опубликован 06.20.1997), который содержит средство для подачи жидкости, средство для подачи газа (или пара), корпус, разделенный по высоте на камеры поперечной перегородкой, образующей карман со сливным отверстием; по меньшей мере, один полочный распределитель жидкости, выполненный в виде, по меньшей мере, трех наклонных контактных элементов в виде ступенчатого набора пластин, установленных под небольшим углом (8-15°) и образующих таким образом щели. Полочный распределитель жидкости установлен в количестве одного или нескольких по высоте корпуса, каждый из которых образует ступень конденсации. Кроме того, устройство содержит вертикальный подводящий/отводящий канал для движения газа (или пара), расположенный вдоль корпуса, имеющий на противоположных концах окна соответственно для отвода газа (или пара) из нижней камеры и для подвода газа (или пара) в верхнюю камеру. Окна для отвода и повода газа представляют собой вход и выход вертикального канала.

Поток газа или пара скользит по поверхности потока жидкости и, разрывая указанный поток жидкости, проходит в зазоры между пластинами. Процесс тепломассообмена происходит как на поверхности жидкостного потока, так и в местах прорыва газообразной среды через этот поток.

Известное устройство имеет недостатки, обусловленные следующим.

При принятом размещении распределительных элементов жидкость плавно перетекает по ним, притормаживая на каждой пластине. Следовательно, скорость потока жидкости в данном аппарате невелика и движущийся поток жидкости имеет довольно значительную толщину, обусловливающую небольшую удельную поверхность (на единицу ее объема) и малую интенсивность теплоотвода от поверхности жидкости вглубь потока.

По указанным причинам теплоперенос через наружную поверхность жидкости является незначительным. Прорыв газообразной среды через жидкостный поток большой толщины и проход с большой скоростью по зазорам между пластинами контактного элемента может происходить только при значительных перепадах давления потока газообразной среды. При многократных проходах газообразной среды через поток жидкости и пластины контактных элементов аэродинамическое сопротивление известного аппарата весьма велико, следовательно, для эффективной работы аппарата требуются дополнительные затраты энергии на продвижение газа.

При использовании данного тепломассообменного аппарата в качестве конденсатора большие потери потенциала пара приводят к существенному снижению температуры конденсации пара в каждой ступени и в итоге - к снижению его производительности и интенсивности процесса конденсации пара. Кроме того, большое аэродинамическое сопротивление аппарата делает невозможным его применение для переработки низкопотенциальных газов и паров.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в расширении арсенала существующих тепломассообменных аппаратов.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности работы тепломассообменного аппарата за счет увеличения интенсивности тепломассопереноса, снижения аэродинамического сопротивления газового тракта, а также обеспечения более действенного взаимодействия жидкостной и газообразной фаз.

Поставленная задача решается с помощью заявляемого тепломассообменного аппарата, включающего средство для подвода жидкости, средство для подачи пара, корпус, разделенный по высоте на верхнюю и нижнюю камеры поперечной перегородкой со сливным карманом, по меньшей мере, один полочный распределитель жидкости, каждый образующий ступень конденсации и установленный по высоте корпуса таким образом, что подаваемый пар проникает через завесу жидкости в противоположных направлениях в пределах соседних ступеней конденсации, расположенный вдоль корпуса вертикальный канал для движения пара, вход и выход вертикального канала сообщаются соответственно с нижней камерой и верхней камерой, в котором согласно изобретению в верхней части верхней камеры установлены форсунки, направленные, по меньшей мере, вниз и сообщенные со средством для подвода жидкости, и патрубок отвода неконденсирующихся газов, в нижней камере под поперечной перегородкой установлен, по меньшей мере, один полочный распределитель жидкости, при этом сливной карман поперечной перегородки выполнен в виде гидрозатвора, сообщающегося с полочным распределителем жидкости, находящимся непосредственно под поперечной перегородкой, средство для подачи пара сообщено со ступенью конденсации, соответствующей полочному распределителю жидкости, находящемуся непосредственно под поперечной перегородкой.

По первому варианту устройства: вертикальный канал образован стенками корпуса и стенками верхней и нижней камер.

По второму варианту устройства: вертикальный канал выполнен в виде байпасного трубопровода.

По обоим вариантам устройства целесообразно устанавливать два полочных распределителя жидкости.

По обоим вариантам устройства целесообразно устанавливать полочные распределители жидкости наклонно.

По обоим вариантам устройства предпочтительно полочные распределители жидкости выполнять сплошными.

По обоим вариантам устройства предпочтительно патрубок для отвода неконденсирующихся газов устанавливать в нижней части верхней камеры.

Заявляемые конструкции тепломассообменных аппаратов объединены в одну заявку как варианты, поскольку оба варианта устройства выполняют одну и ту же функцию, решают одну и ту же задачу и у них общий прототип.

Образование верхней камеры с форсунками дает возможность уравнять и повысить движущую силу процесса конденсации - разность температур пара и жидкости как в нижней, так и в верхней камере. Форсунки, установленные в верхней части верхней камеры тепломассообменного аппарата и направленные, по меньшей мере, вниз, позволяют не только диспергировать поток жидкости, но также, создавая эффект струйного насоса, подсасывают поток пара, поступающего из вертикального канала, что способствует продвижению газообразной среды по аппарату с уменьшением его аэродинамического сопротивления. Повышение разности температур достигается не только осуществлением контакта частично нагретой жидкости с паром в ступени конденсации, соответствующей полочному распределителю жидкости, расположенному непосредственно под перегородкой, но и за счет нагнетательного действия потока капель жидкости, вылетающих из направленных, по меньшей мере, вниз форсунок, повышающего давление пара в нижней части верхней камеры и соответственно температуру его конденсации.

Патрубок для отвода неконденсирующихся газов, установленный в нижней части верхней камеры, обеспечивает быстрый и полный вывод газов из аппарата.

Выполнение сливного кармана в виде гидрозатвора надежно предупреждает проскок пара и повышает стабильность работы тепломассообменного аппарата и, следовательно, его эффективность.

Устройство в нижней камере может содержать два полочных распределителя жидкости, установленных наклонно.

Выполнение распределительных полок сплошными и установленными наклонно увеличивает скорость стекания жидкости, тем самым уменьшает толщину завесы жидкости и, как следствие, увеличивает удельную поверхность жидкости и интенсивность конденсации пара.

По крайней мере, одна распределительная полка, расположенная в нижней камере и образующая ступень конденсации, позволяет получать в каждой из них завесы жидкости, приобретающие при падении в паровом пространстве большую скорость завесы жидкости, которая легко разрывается потоком пара. Это обеспечивает большую удельную поверхность жидкости и высокую интенсивность процесса конденсации пара. Теплоперенос интенсифицируется также за счет удара падающей завесы жидкости о нижерасположенную полку, сопровождающегося дроблением жидкости и обновлением поверхности контакта.

Расположение средства для подачи пара, сообщенного со ступенью конденсации, образованной полочным распределителем жидкости, находящимся непосредственно под поперечной перегородкой, позволяет создать прямоточное движение пара с жидкостью, падающей с большой скоростью, обусловливающей уменьшение аэродинамического сопротивления аппарата. Таким образом, прямоточное движение жидкости и пара в пределах верхней и нижней камер способствует движению пара по аппарату, уменьшает сопротивление движению пара и повышает его потенциал при осуществлении процесса конденсации.

По первому варианту изобретения вертикальный канал, образованный стенками корпуса и стенками верхнего и нижнего отсеков, способствует продвижению пара по аппарату, обеспечивающему повышенную движущую силу процесса конденсации - разность температур пара и жидкости в пределах верхней и нижней камер аппарата.

По второму варианту изобретения выполнение вертикального канала в виде байпасного трубопровода, расположенного вне корпуса, также способствует противоточному движению пара по аппарату, что обеспечивает повышенную движущую силу процесса конденсации - разность температур пара и жидкости в пределах верхней и нижней камер аппарата.

Анализ известных технических решений, касающихся тепломассообменных аппаратов аналогичного назначения, позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение не известно из уровня техники, что свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Заявляемая совокупность существенных признаков изобретения, предопределяющая получение указанного технического результата, для специалиста явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

Предпочтительный пример выполнения изобретения по двум вариантам поясняется более подробно с помощью приложенных чертежей тепломассообменного аппарата - конденсатора пара.

На фиг.1 изображена схема продольного разреза предлагаемого конденсатора пара по первому варианту.

На фиг.2 изображена схема продольного разреза предлагаемого конденсатора пара аппарата по второму варианту.

Конденсатор пара по обоим вариантам изобретения (фиг.1, 2) содержит корпус 1, поперечную конусную перегородку 2 с патрубком 3, образующую верхнюю камеру 4 конденсации и нижнюю камеру 5 конденсации. Форсунки 6 установлены в верхнем днище корпуса 1 (соответствующем верхнему днищу верхней камеры 4 конденсации) вертикально вниз и соединены со средством для подвода воды (на чертеже не показано). В нижней камере 5 конденсации под поперечной перегородкой 2 размещены полочные распределители воды, выполненные в виде сплошной круглой полки 7 и сплошной кольцевой полки 8, образующие две ступени конденсации: первую ступень 9 - между полками 7 и 8 и вторую ступень 10 - между полкой 8 и отбойным конусом 11. При этом поперечная перегородка 2 оснащена гидрозатвором 12, сообщающимся с верхней круглой полкой 7.

По первому варианту изобретения (фиг.1) стенки корпуса 1 и стенки верхней камеры 4 конденсации вместе со стенками нижней камеры 5 конденсации в пределах верхней 9 и нижней 10 ступеней конденсации образуют вертикальный кольцевой (цилиндрический) канал 13 для движения газа; вход и выход вертикально канала 13 сообщается соответственно со второй ступенью конденсации 10 нижней камеры 5 конденсации и с верхней камерой 4 конденсации. Средство для подачи пара выполнено в виде патрубка 14, врезанного в боковую стенку корпуса 1 и стенку нижней камеры конденсации 5 напротив верхней ступени конденсации 9.

По второму варианту изобретения (фиг.2) вертикальный канал выполнен в виде байпасного трубопровода 18, вход и выход которого соединен соответственно со второй ступенью конденсации 10 нижней камеры 5 конденсации и с верхней камерой 4 конденсации. Средство для подачи пара выполнено в виде патрубка 14, врезанного в боковую стенку корпуса 1 напротив верхней ступени конденсации 9.

По обоим вариантам устройства у парового патрубка 14 внутри аппарата установлена отбойная решетка 15 для равномерного распределения поступающего пара, обозначающая боковую границу верхней ступени 9 конденсации. В нижней части верхней камеры конденсации 4 установлен патрубок 16 для отвода несконденсировавшихся газов из указанной камеры 4; в нижней части нижней камеры 5 установлен патрубок 17 для отвода воды из аппарата.

Заявляемый аппарат по первому варианту работает следующим образом.

Холодная вода через патрубок (на чертеже не показан) поступает из форсунок 6, где диспергируется на множество капель. Вытекающие с большой скоростью из форсунок 6 вниз капли попадают в поток пара, выходящего из кольцевого канала 13, и увлекают пар в нижнюю часть верхней камеры конденсации 4. При этом пар интенсивно конденсируется на поверхности капель. В нижней части указанной камеры 4 водяные капли попадают на поперечную перегородку 2 и, попадая в патрубок 3, стекают в гидрозатвор 12, а несконденсировавшиеся газы, охлажденные водой, через патрубок 16 выводятся из аппарата. Из гидрозатвора 12 вода попадает на сплошную круглую полку 7 верхней ступени конденсации 9, стекает вниз в виде водяной завесы и попадает на сплошную кольцевую полку 8 нижней ступени конденсации 10. При равномерно-ускоренном движении под действием силы тяжести водяная завеса превращается в весьма тонкую пленку, которая турбулизируется и легко разрывается потоком пара, поступающим из патрубка 14, с образованием множества мелких струй и капель и многократным развитием площади контакта. При попадании воды на нижерасположенную кольцевую полку 8 происходит ее энергичное перемешивание и турбулизация с обновлением поверхности контакта с паром, а затем вода вновь формируется в весьма турбулизированную завесу. Пройдя ступени конденсации 9, 10, вода попадает на дно конденсатора и через патрубок 17 выводится из аппарата.

Конденсируемый пар подается в аппарат через патрубок 14, равномерно распределяемый с помощью решетки 15, набегает на завесу воды, стекающей с круглой полки 7, омывает наружную поверхность водяной завесы, в нижней части верхней ступени конденсации 9 пар разрывает тонкую водяную пелену и омывает внутреннюю поверхность водяной завесы. Таким образом, пар конденсируется на наружной и внутренней поверхностях водяной завесы в пределах верхней ступени 9 конденсации. Кроме того, происходит конденсация пара и на многочисленных мелких каплях и струях, образующихся при распаде водяной пелены. Под действием межфазного трения и захвата несконденсировавшийся в первой ступени 9 пар подхватывается потоком воды, что способствует движению пара во вторую ступень конденсации 10. Процесс конденсации пара интенсифицируется энергичным перемешиванием массы воды при ударе падающей водяной завесы о нижележащий распределительный конус 11, а также обновлением и развитием поверхности контакта вследствие такого удара. Из нижней ступени конденсации 10 несконденсировавшийся пар, поступая во вход канала 13, направляется в верхнюю часть верхней камеры конденсации 4, где подсасывается потоком капель из форсунок 6 и нагнетается в нижнюю часть этой камеры 4. Под действием массы капель воды, вылетающих их форсунок 6 и падающих с большой скоростью давление и, следовательно, температура конденсации в нижней части верхней камеры конденсации 4 увеличивается, что, во-первых, интенсифицирует процесс конденсации и, во-вторых, способствует эвакуации неконденсирующихся газов через патрубок отвода 16.

Устройство по второму варианту работает аналогично, только несконденсировавшийся пар из нижней камеры 5 в верхнюю камеру 4 движется по байпасному трубопроводу 18.

Возможность использования заявляемого устройства позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость».

Заявляемые варианты тепломассообменного аппарата обладают следующими преимуществами по сравнению с известным устройством, выбранным в качестве ближайшего аналога:

- увеличение интенсивности тепломассопереноса;

- снижение аэродинамического сопротивления газового тракта;

- обеспечение более действенного взаимодействия жидкостной и газообразной фаз.

Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам, в частности к прямоконтактным конденсаторам смешения и подогревателям раствора, и может быть использовано в алюминиевой, химической отраслях промышленности, а также в теплоэнергетике, более конкретно, для оснащения выпарных и автоклавных батарей в алюминиевой промышленности (глиноземном производстве). Решаемая задача и технический результат: расширение арсенала существующих тепломассообменных аппаратов, повышение эффективности работы тепломассообменного аппарата за счет увеличения интенсивности тепломассопереноса, снижения аэродинамического сопротивления газового тракта, а также за счет обеспечения более действенного взаимодействия жидкостной и газообразной фаз. Сущность изобретения: тепломассообменный аппарат содержит средство для подвода жидкости, средство для подачи пара, корпус, разделенный по высоте на верхнюю и нижнюю камеры поперечной перегородкой с гидрозатвором, по меньшей мере, один полочный распределитель жидкости, каждый образующий ступень конденсации и установленный по высоте корпуса таким образом, что пар проникает через завесу жидкости в противоположных направлениях в пределах соседних ступеней конденсации, расположенный вдоль корпуса вертикальный канал для движения пара, вход и выход вертикального канала сообщаются соответственно с нижней камерой и верхней камерой. В верхней части верхней камеры установлены форсунки, направленные, по меньшей мере, вниз и сообщенные со средством для подвода жидкости, а также патрубок отвода неконденсирующихся газов, а в нижней камере под поперечной перегородкой установлен, по меньшей мере, один полочный распределитель жидкости. При этом гидрозатвор сообщается с полочным распределителем жидкости, находящимся непосредственно под поперечной перегородкой, средство для подачи пара сообщено со ступенью конденсации, соответствующей полочному распределителю жидкости, находящемуся непосредственно под поперечной перегородкой. По первому варианту устройства: вертикальный канал образован стенками корпуса и стенками верхней и нижней камер. По второму варианту устройства: вертикальный канал выполнен в виде байпасного трубопровода. По обоим вариантам устройства целесообразно устанавливать два полочных распределителя жидкости. По обоим вариантам устройства целесообразно устанавливать полочные распределители жидкости наклонно. По обоим вариантам устройства предпочтительно выполнять каждый полочный распределитель жидкости сплошным. По обоим вариантам устройства предпочтительно патрубок для отвода неконденсирующихся газов устанавливать в нижней части верхней камеры. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тепломассообменный аппарат, включающий средство для подвода жидкости, средство для подачи пара, корпус, разделенный по высоте на верхнюю и нижнюю камеры поперечной перегородкой со сливным карманом, по меньшей мере, один полочный распределитель жидкости, каждый образующий ступень конденсации и установленный по высоте корпуса таким образом, что подаваемый пар проникает через завесу жидкости в противоположных направлениях в пределах соседних ступеней конденсации, расположенный вдоль корпуса вертикальный канал для движения пара, вход и выход вертикального канала сообщаются соответственно с нижней камерой и верхней камерой, отличающийся тем, что в верхней части верхней камеры установлены форсунки, направленные, по меньшей мере, вниз и сообщенные со средством для подвода жидкости, и патрубок отвода неконденсирующихся газов, в нижней камере под поперечной перегородкой установлен, по меньшей мере, один полочный распределитель жидкости, при этом сливной карман поперечной перегородки выполнен в виде гидрозатвора, сообщающегося с полочным распределителем жидкости, находящимся непосредственно под поперечной перегородкой, средство для подачи пара сообщено со ступенью конденсации, соответствующей полочному распределителю жидкости, находящемуся непосредственно под поперечной перегородкой, вертикальный канал для движения газа образован стенками корпуса и стенками верхней и нижней камер.2. Тепломассообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что в нижней камере установлены два полочных распределителя жидкости.3. Тепломассообменный аппарат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что полочные распределители жидкости установлены наклонно.4. Тепломассообменный аппарат по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что полочные распределители жидкости выполнены сплошными.5. Тепломассообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что патрубок для отвода неконденсирующихся газов установлен в нижней части верхней камеры.6. Тепломассообменный аппарат, включающий средство для подвода жидкости, средство для подачи пара, корпус, разделенный по высоте на верхнюю и нижнюю камеры поперечной перегородкой со сливным карманом, по меньшей мере, один полочный распределитель жидкости, каждый образующий ступень конденсации и установленный по высоте корпуса таким образом, что пар проникает через завесу жидкости в противоположных направлениях в пределах соседних ступеней конденсации, расположенный вдоль корпуса вертикальный канал для движения пара, вход и выход вертикального канала сообщаются соответственно с нижней камерой и верхней камерой, отличающийся тем, что в верхней части верхней камеры установлены форсунки, направленные, по меньшей мере, вниз и сообщенные со средством для подвода жидкости, и патрубок отвода неконденсирующихся газов, в нижней камере под поперечной перегородкой установлен, по меньшей мере, один полочный распределитель жидкости, при этом сливной карман поперечной перегородки выполнен в виде гидрозатвора, сообщающегося с полочньм распределителем жидкости, находящимся непосредственно под поперечной перегородкой, средство для подачи пара сообщено со ступенью конденсации, соответствующей полочному распределителю жидкости, находящемуся непосредственно под поперечной перегородкой, вертикальный канал выполнен в виде байпасного трубопровода.7. Тепломассообменный аппарат по п.6, отличающийся тем, что в нижней камере установлены два полочных распределителя жидкости.8. Тепломассообменный аппарат по любому из пп.6 и 7, отличающийся тем, что полочные распределители жидкости установлены наклонно.9. Тепломассообменный аппарат по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что полочные распределители жидкости выполнены сплошными.10. Тепломассообменный аппарат по п.6, отличающийся тем, что патрубок для отвода неконденсирующихся газов установлен в нижней части верхней камеры.