ПЛЕНОЧНЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2008 года по МПК B01D1/22 B01D3/28 

Изобретение относится к пленочным аппаратам для проведения тепломассообменных процессов и может найти применение в химической, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен пленочный аппарат, содержащий корпус со штуцерами, разделенный горизонтальными перегородками на секции для ввода и вывода жидкости, теплообменную и сжатого газа, через которые пропущены цилиндрические трубы, имеющие пористую поверхность, снабженные распределителями жидкости и винтовой перфорированной полой спиралью, покрытой полупроницаемой мембраной, причем полость цилиндрических труб сообщена с полостью секции сжатого газа посредством пористой части труб [авторское свидетельство СССР №1801540, В01D 3/26, 1993 г., БИ №10].

Однако представленный аппарат обладает сравнительно не высокими значениями коэффициента теплопередачи.

Низкие значения коэффициента теплопередачи К, обусловлены тем, что коэффициент теплоотдачи α₁ в жидкости (теплоносителе), находящейся в теплообменной секции (однофазный поток), на порядок ниже, чем α₂ в пленке жидкости, стекающей по внутренней поверхности цилиндрических труб. А известно, что коэффициент теплопередачи К будет наибольшим при равенстве α₁=α₂. В этой связи необходимо, чтобы пленка жидкости стекала по внешней и внутренней поверхности цилиндрических труб. Однако создание пленки на наружной поверхности цилиндрических труб в межтрубном пространстве не представляется возможным из-за плохой смачиваемости и наличия температурного градиента по толщине слоя теплоносителя, что обуславливает наличие «сухих» пятен на трубе.

Наиболее близким по технической сущности является пленочный аппарат [авторское свидетельство СССР №1792720, В01D 3/28, 1993 г., БИ №5], состоящий из камеры для вывода жидкости со штуцерами, контактных труб, выполненных из гофрированных листов с наклонным рифлением круглого профиля радиусом, равным радиусу контактных труб, снабженных профилированными буртиками, размещенными с наружной стороны вогнутых наклонных рифлений на всю длину листов, газовыми патрубками и винтовыми спиралями. Причем боковые кромки буртиков выполнены так, что совместно с наклонными рифлениями образуют контактные трубы цилиндрической формы, а периферийные гофрированные листы удлинены, размещены над корпусом и герметично соединены посредством боковых перегородок, размещенных на заглушках, установленных в полости контактных труб.

Однако этот аппарат, обладая высокой производительностью по жидкости, имеет низкие теплообменные характеристики (небольшую поверхность теплообмена, низкие коэффициенты теплопередачи). Подвод или отвод тепла в рассматриваемом аппарате возможен только через поверхность пленки жидкости, контактирующую с потоком газа в полости контактных труб.

Изобретение решает задачу увеличения поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи.

Технический результат заключается в увеличении поверхности теплообмена и величины коэффициента теплопередачи, путем создания на каждом листе (в контактной трубе) с одной стороны (поверхности) пленки рабочей жидкости, а с другой - пленки жидкости теплоносителя.

Указанный технический результат достигается тем, что в пленочном тепломассообменном аппарате, состоящем из корпуса с камерой для вывода жидкости со штуцерами, контактных труб, выполненных из гофрированных листов с наклонным рифлением круглого профиля радиусом, равным радиусу контактных труб, снабженных профилированными буртиками, размещенными с наружной стороны вогнутых наклонных рифлений на всю длину листов, газовыми патрубками и винтовыми спиралями, согласно изобретению, на газовые патрубки установлены заглушки, в зазоры, образованные газовыми патрубками и контактными трубами, вставлены патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, сообщенные со штуцерами для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, а в нижних торцах контактных труб герметично размещены патрубки для отвода теплоносителя, соединенные с отводящим штуцером, причем патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя размещены последовательными рядами по осям контактных труб, перпендикулярным поверхности листов, а на буртиках установлены пластины-прерыватели; на поверхности листов выполнены канавки; отношение расстояния между двумя соседними пластинами-прерывателями s их длине h равно s/h=3-10.

Установка на газовом патрубке заглушки, размещение в зазорах, образованных газовыми патрубками и контактными трубами, патрубков для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, сообщенных с коллекторами для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, герметичное размещение в нижних торцах контактных труб патрубков для отвода теплоносителя, соединенных с отводящим коллектором, и расположение патрубков для подвода рабочей жидкости и теплоносителя последовательно рядами по осям контактных труб, перпендикулярным поверхности листов, а также наличие на буртиках пластин-прерывателей позволяет организовать пленочное течение рабочей жидкости и теплоносителя на поверхности каждого листа и тем самым позволяет увеличить поверхность теплообмена и интенсифицировать процесс за счет увеличения коэффициентов теплоотдачи не только со стороны рабочей жидкости α₂, но и со стороны теплоносителя α₁ и, следовательно, повысить общий коэффициент теплопередачи. Увеличение теплопередающей поверхности обеспечивается за счет создания пленки жидкости теплоносителя на поверхности каждого листа. А это позволяет подводить или отводить тепло не только за счет контакта рабочей жидкости с газовым потоком (как в прототипе), но и за счет поверхности самого листа, что резко увеличивает поверхность теплопередачи. Обеспечение устойчивого (за счет центробежной силы, обусловленной вращательно-поступательным движением пленки, вызванной винтовой спиралью) пленочного течения рабочей жидкости и теплоносителя по противоположным сторонам листа (контактных труб) позволяет получить наибольший коэффициент теплопередачи, что не возможно реализовать в известных аппаратах (аналог).

Наличие на буртиках пластин-прерывателей препятствует образованию струйного течения непосредственно около буртиков и обеспечивает перемешивание жидкости, обновление поверхности и возврат жидкости из рассматриваемой области в пленку, что интенсифицирует теплопередачу.

Выполнение отношения расстояния между двумя соседними пластинами-прерывателями s их длине h s/h=3-10 позволяет максимально перемешивать жидкость между пластинами-прерывателями (в этом случае циркуляционный вихрь за уступом полностью распространяется на все расстояние s), что интенсифицирует теплообмен.

Выполнение на боковых поверхностях листов канавок обеспечивает искусственную шероховатость, которая вызывает интенсивное перемешивание вращающейся жидкости в пленке во впадинах и срыв ламинарного слоя, а это, как известно, интенсифицирует теплообмен.

На фиг.1 изображен пленочный тепломассообменный аппарат со стекающей пленкой; на фиг.2 - поперечный разрез аппарата по сечению А-А; на фиг.3 - показана установка двух листов с пластинами прерывателями; на фиг.4 - размещение патрубка для подвода рабочей жидкости или теплоносителя в зазоре, образованном газовым патрубком и внутренней поверхностью контактной трубы; на фиг.5 - размещение патрубков для отвода теплоносителя; на фиг.6 - продольный разрез контактной трубы, в полости которой, перпендикулярно к листам, установлены пластины-прерыватели; на фиг.7 - канавки на поверхности листов; на фиг.8 - схема течения теплоносителя t₁ и рабочей жидкости t₂.

Тепломассообменный аппарат состоит из корпуса 1 с камерой для вывода рабочей жидкости 2, со штуцерами для подвода теплоносителя 3 и вывода рабочей жидкости 4 и подвода рабочей жидкости 5 и вывода теплоносителя 6, контактных труб 7. Последние выполнены из гофрированных листов 8 с наклонным рифлением круглого профиля 9 радиусом, равным радиусу контактных труб 7. Кроме того, контактные трубы 7 снабжены профилированными буртиками 10, размещенными с наружной стороны вогнутых наклонных рифлений на всю длину листов, газовыми патрубками 11 и винтовыми спиралями 12. На газовые патрубки 11 установлены заглушки 13. В зазоры 14, образованные газовыми патрубками 11 и контактными трубами 7, вставлены патрубки 15 для подвода рабочей жидкости и теплоносителя 16, сообщенные со штуцерами 3 и 5 для подвода рабочей жидкости и теплоносителя. В нижних торцах контактных труб 7, герметично посредством уплотнения 17, размещены патрубки 18 для отвода теплоносителя, соединенные с отводящим штуцером 6, причем патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя размещены последовательно рядами по осям контактных труб, перпендикулярным поверхности листов. На буртиках 10 установлены пластины прерыватели 19. На поверхности листов 8 выполнены канавки 20.

Тепломассообменный аппарат работает следующим образом. Теплоноситель через штуцер 3 и рабочая жидкость через штуцер 5 поступают в патрубки 15 и 16, затем в зазоры 14, формируются там, в жидкостное кольцо, и перемещаются в виде пленки по внутренней поверхности контактных труб 7, образованных гофрированными листами 8. Так как часть жидкости проходит между витками винтовой спирали 12, пленка приобретает вращательно-поступательное движение и устойчивое пленочное течение, вызванное центробежной силой. При этом жидкость интенсивно перемешивается, обтекая каждый виток винтовой спирали, осуществляется интенсивный теплообмен через поверхность контактных труб 7 и за счет контакта газа (поступающего в полость контактных труб из камеры 2) с рабочей жидкостью. Та часть жидкости, которая поступает в зону размещения буртиков 10, набегает на пластинчатые прерыватели 19, перемешивается, срываясь с их кромок, и уносится в пленку жидкости.

На выходе из контактных труб 7 рабочая жидкость поступает в камеру 2 и далее отводится через штуцер 4, теплоноситель через патрубки 18 поступает в штуцер 6.

Использование заявляемого пленочного тепломассообменного аппарата позволяет увеличить коэффициент теплопередачи и поверхность теплообмена и тем самым снизить металлоемкость аппарата (при одинаковой производительности), что обеспечивает снижение капитальных и текущих затрат, а следовательно, уменьшает себестоимость выпускаемого продукта.

Изобретение относится к пленочным тепломассообменным аппаратам, для проведения процессов абсорбции, испарения, биохимических реакций, получения опресненной воды и может найти применение в химической, микробиологической и других отраслях промышленности, а также для проведения лабораторных и научно-исследовательских работ. Аппарат содержит корпус, контактные трубы, газовые патрубки и винтовые спирали. В пленочном тепломассообменном аппарате на газовые патрубки установлены заглушки. В зазоры, образованные газовыми патрубками и контактными трубами, вставлены патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, сообщенные со штуцерами для подвода рабочей жидкости и теплоносителя. В нижних торцах контактных труб герметично размещены патрубки для отвода теплоносителя, соединенные с отводящим штуцером. Патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя размещены последовательными рядами по осям контактных труб, перпендикулярным поверхности листов, а на буртиках установлены пластины прерыватели. На поверхности листов выполнены канавки. Отношение расстояния между двумя соседними пластинами прерывателями s их длине h равно s/h=3-10. Технический результат заключается в увеличении поверхности теплообмена и величины коэффициента теплопередачи путем создания на каждом листе (в контактной трубе) с одной стороны (поверхности) пленки рабочей жидкости, а с другой - пленки жидкости теплоносителя. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Пленочный тепломассообменный аппарат, состоящий из корпуса с камерой для вывода жидкости со штуцерами, контактных труб, выполненных из гофрированных листов с наклонным рифлением круглого профиля радиусом, равным радиусу контактных труб, снабженных профилированными буртиками, размещенными с наружной стороны вогнутых наклонных рифлений на всю длину листов, газовыми патрубками и винтовыми спиралями, отличающийся тем, что на газовые патрубки установлены заглушки, в зазоры, образованные газовыми патрубками и контактными трубами, вставлены патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, сообщенные со штуцерами для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, а в нижних торцах контактных труб герметично размещены патрубки для отвода теплоносителя, соединенные с отводящим штуцером, причем патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя размещены последовательными рядами по осям контактных труб, перпендикулярным поверхности листов, а на буртиках установлены пластины-прерыватели.2. Пленочный тепломассообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что на поверхности листов выполнены канавки.3. Пленочный тепломассообменный аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что отношение расстояния между двумя соседними пластинами-прерывателями s их длине h равно s/h=3-10.