СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F28B3/00 F28C3/06 

В теплоэнергетике, в химической промышленности и в других отраслях широко распространены аппараты для тепломассообмена - конденсаторы смешения, деаэраторы и абсорберы, оснащенные водораспределителями и струеформирующими устройствами в виде перфорированных полок с бортами, размещенными в верхней части корпуса, заполняемого паром или другой газообразной средой (см., например, книгу: А.Г.Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии». М. ГХИ. 1960. Стр.396. Рис.281). В этих аппаратах реализуется способ проведения тепломассообмена путем контакта пара или другой газообразной среды с поверхностью струй, формируемых при истечении воды из отверстий или других струеформирующих элементов распределительного устройства. Известный способ удобен для применения, а аппараты для его реализации просты по конструкции и надежны в работе. Недостаток их заключается в малой тепловой эффективности, обусловленной небольшим развитием свободной поверхности воды, определяющей поверхность тепломассопереноса, так как межфазный контакт происходит только на боковой поверхности довольно крупных жидкостных струй.

Более эффективен другой известный аппарат для тепломассообмена (а.с. СССР № 857693, М. Кл³. F28B 3/00. Конденсатор смешения. Б.И. № 31, 28.08.81). В этом известном аппарате, предназначенном для конденсации пара, под распределительной перфорированной полкой установлена сетка, изготовленная из проволоки, в которой переплетающиеся прутья образуют ячейки для прохода жидкости.

Это известное устройство работает следующим образом. Охлаждающая вода подается на распределительную перфорированную полку. Проходя отверстия полки, вода формируется в струи, которые вытекают в пространство между полкой и сеткой, куда через патрубок подается пар. Достигая сетки, падающие струи и капли воды с большой скоростью ударяют в прутья сетки и дробятся ими на большое количество вторичных более мелких струй и капель. Вследствие этого свободная поверхность потока воды и, следовательно, поверхность контакта воды с паром резко возрастает. Пар, поступающий в пространство между полкой и сеткой, частично конденсируется на поверхности первичных струй, вытекающих из отверстий распределителя. Остальной пар, двигаясь вместе со струями, проходит в пространство под сеткой и конденсируется на более развитой поверхности вторичных струй и капель. При этом в известном аппарате реализован способ проведения тепломассообмена, включающий формирование потока охлаждающей жидкости в первичные струи, вытекающие в парообразную или газовую среду, удар первичных струй в сетку, установленную в этой среде, с образованием более мелких вторичных струй, удельная поверхность которых значительно больше, чем у первичных струй.

По технической сущности и достигаемому положительному эффекту эти способ проведения тепломассообмена и аппарат, в котором он реализован, наиболее близки к заявляемым техническим решениям и поэтому приняты в качестве прототипа.

Недостаток известных способа и аппарата состоит в том, что эффективность их остается существенно ниже возможной при начальных параметрах тепломассообменивающихся сред. Это обусловлено тем, что при ударе в сетку скорость движения потока жидкости ниже сетки возрастает и вследствие этого уменьшается время контакта ее с газообразной средой (в прототипе с конденсируемым паром) что не позволяет при приемлемых размерах аппаратов достичь высокой завершенности (полноты) процесса тепломассопереноса и увеличения, например, количества конденсируемого пара до значения, приближающегося к предельно возможному. Кроме того, в прототипе не используется энергия вторичных струй для дополнительной интенсификации процесса тепломассообмена.

Целью создания предлагаемых способа осуществления тепломассообмена и аппарата для его осуществления является устранение указанных недостатков и достижение не только дополнительного увеличения межфазной поверхности, но и обеспечения условий, позволяющих достигать предельно возможных значений полноты процесса тепломассообмена.

Поставленная цель достигается тем, что в способе проведения тепломассообмена между парообразной или газовой средой и жидкостью, заключающемся в формировании жидкости в первичные струи, вытекающие в парообразную или в газообразную среду, и в ударе первичных струй в сетку, установленную в этой среде, сопровождающемся образованием более мелких вторичных струй, согласно изобретению новым является то, что при этом обеспечивается погружение образовавшихся вторичных струй в слой обрабатываемой жидкости, инициирующее захват ими в принимающий слой парообразной или газовой среды и образование в нем развитой поверхности межфазного контакта.

Кроме того, в предлагаемом способе в качестве дробящих сеток могут быть использованы сетки полотняного плетения с квадратными ячейками, погружение вторичных струй может быть осуществлено в принимающий слой глубиной, соответствующей глубине проникновения паровых или газовых пузырьков в слое, неограниченном по глубине, при тех же условиях погружения вторичных струй, удар первичной струи в сетку может осуществляться на участке ее, где жидкость движется в виде капель, образовавшихся при самопроизвольном или инициированном распаде первоначально сплошного потока, выходящего из струеформирующего устройства.

В аппарате для реализации заявляемого способа проведения тепломассообмена между парообразной или газовой средой и жидкостью, содержащем корпус, в верхней части которого расположено струеформирующее устройство для жидкости со струеформирующими элементами, направленными вниз, и установленную под ним сетку, согласно изобретению новым является то, что ниже сетки размещена открытая сверху емкость, в которой при работе аппарата постоянно поддерживается слой обрабатываемой жидкости. В заявляемом аппарате сетка может быть выполнена полотняным плетением с квадратными ячейками, соотношение размеров сетки может быть равным d_np/S=0,08-0,20, где d_np - диаметр проволоки, из которой изготовлена сетка, S - размер стороны ячейки сетки в свету; расстояние от струеформирующего устройства до сетки может быть равным или превышать длину сплошного участка первичных струй при рабочих условиях истечения первичных струй, глубина слоя жидкости в емкости под сеткой может быть не менее глубины проникновения паровых или газовых пузырьков в неограниченный слой этой жидкости при рабочих условиях образования и погружения вторичных струй.

Технический результат реализации предлагаемых способа осуществления процесса тепломассообмена и аппарата для его выполнения заключается в образовании нового высокоэффективного участка тепломассопередачи в слое жидкости, содержащемся в емкости, размещенной ниже сетки, отличающегося новым механизмом и высокой интенсивностью, позволяющими достигать предельно высоких степеней полноты этого процесса. Образование нового участка тепломассообмена основано на использовании эффекта захвата газообразной среды погружающимися жидкостными струями из наджидкостного пространства в принимающий слой жидкости. Захватываемая струями газообразная фаза распределяется в принимающей жидкости в виде множества пузырьков и образует таким образом газожидкостную смесь с развитой межфазной поверхностью, по своим гидравлическим и тепломассокинетическим возможностям аналогичную барботажному слою, в котором пузырьки, всплывая в жидкости, турбулизируют ее, обеспечивая интенсивную тепломассопередачу. В конденсаторе, в котором реализуется заявляемый способ, захватываемой средой является конденсируемый пар. Измерения на опытном конденсаторе, в котором под распределительной полкой с отверстиями диаметром 8 мм на расстоянии от нее 1,15 м была установлена сетка, а под сеткой размещена емкость, вмещающая слой воды глубиной 170 мм показали, что число единиц теплопереноса от пара к воде в принимающем слое под сеткой более чем в 13 раз превышало аналогичный параметр для участка над сеткой, где пар конденсировался на поверхности первичных струй. При этом полнота теплообмена при нагреве первичных струй составляла 0,29, а в принимающем слое под сеткой - 0,928. Высокая степень полноты теплопереноса обусловлена также тем, что время контакта воды с паром в принимающем слое под сеткой было в два раза больше, чем при падении первичных и вторичных струй. Этот эксперимент наглядно показывает, что реализация заявляемых технических решений обеспечивает весьма значительные интенсификацию и увеличение полноты процесса тепломассопереноса.

Анализ научно-технической и патентной литературы не выявил описания способов осуществления процессов тепломассопередачи и конструкции тепломассообменных аппаратов с заявляемой совокупностью отличительных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемых технических решений критерию «новизна», а несомненные и значительные преимущества их - о соответствии критерию «существенные отличия».

Заявляемый способ тепломассообмена и аппарат для его осуществления иллюстрируются следующими чертежами.

на фиг.1 представлен аппарат, в котором под струеформирующим устройством и сеткой расположена емкость, выполненная в виде сплошной полки с бортами (поддона), в которой при работе аппарата постоянно поддерживается принимающий слой жидкости. На фиг.2 приведено поперечное сечение аппарата по А-А на фиг 1. На фиг.3 показаны направление и характерные формы движения жидкости по аппарату, реализующему заявляемый способ. На фиг.4 представлен вариант конструкции аппарата для реализации заявляемого способа, в котором емкостью для принимающего слоя жидкости служит нижняя часть корпуса аппарата. Фиг.5 изображает аппарат - абсорбер или охладитель газа с струеобразующим устройством, выполненным в виде форсунки.

Конструкция заявляемого аппарата для тепломассообмена, предназначенная для конденсации пара (фиг.1),так же как и аппарат, принятый за прототип, содержит корпус 1, в верхней части которого расположена распределительная полка 2 со струеформирующими отверстиями 3. Под распределительной полкой установлена сетка 4, а под ней - емкость для жидкости в виде поддона 5. Аппарат снабжен также патрубками: 6 - для подвода пара, 7 - для подвода охлаждающей воды, 8 - для вывода нагретой охлаждающей воды, 9 - для вывода неконденсирующихся газов.

Этот аппарат работает следующим образом (фиг.3). Охлаждающая вода через патрубок 7 подается на распределительную полку 2 и, проходя отверстия 3 в полке, формируется в первичные струи 10, которые вытекают в пространство, заполняемое конденсируемым паром, поступающим через патрубок 6. Этот пар частично конденсируется на поверхности первичных струй 10. Остальной пар двигается вниз вместе с падающими водяными струями. Достигая сетки 4, струи и капли воды с большой скоростью ударяют в прутья ее и дробятся на множество вторичных струй 12, которые поступают под сетку. Спутный струям поток пара также проходит под сетку в пространство между сеткой и поддоном, где конденсируется сначала на поверхности вторичных струй и капель 12, а затем захватывается вторичными струями в принимающий слой воды 13 на поддоне 5. В результате в принимающем слое 13 образуется интенсивно перемешивающаяся пароводяная смесь 14, по интенсивности тепломассообмена аналогичная барботажному слою, который получается при продувке пара через слой воды. Постоянство принимающего слоя обусловлено переливом потока воды из поддона через края бортов его, а глубина принимающего слоя определяется высотой бортов. При больших разностях температур пара и воды весь захваченный струями пар в принимающем слое полностью конденсируется. Движение пара по аппарату показано на фиг.1 пунктирными линиями 10. Неконденсирующиеся газы отводятся из аппарата через патрубок 9. Нагретая вода из поддона стекает на днище аппарата и через патрубок 8 выводится из аппарата.

В аппарате, изображенном на фиг.4, движение потоков газообразной среды и жидкости полностью соответствует описанному для предыдущего варианта аппарата. Отличие заключается в конструктивном исполнении емкости, в которой создается и постоянно поддерживается принимающий слой жидкости. В рассматриваемом аппарате принимающий слой занимает нижнюю часть корпуса аппарата. Поддержание постоянной глубины принимающего слоя обеспечивается размещением патрубка для вывода жидкости 8 на боковой стенке аппарата. Расстояние от патрубка до дна аппарата определяет глубину принимающего слоя.

Фиг.5 изображает тепломассообменный аппарат для охлаждения газа или абсорбции содержащихся в нем веществ. Жидкость, поступающая на обработку газа, подается на форсунку 2, при помощи которой формируются первичные струи 10, направленные в поток газа из патрубка 6 и попадающие затем на сетку 4. Образующиеся вторичные струи 12, падая в потоке газа в нижнюю часть аппарата, погружаются в принимающий слой жидкости 13, захватывая с собой газ, вследствие чего образуется газожидкостная смесь 14 с интенсивной тепломассопередачей. Эта смесь движется от центра аппарата к периферии принимающего слоя и затем переливается через порог 17. При этом жидкость освобождается от газа, который из верхней части сепаратора 15 выводится из аппарата через патрубок 16, а жидкость отводится через патрубок 8. Энергичное перемешивание газожидкостной смеси и большая межфазная поверхность в принимающем слое обусловливают в этом аппарате интенсивный тепломассообмен между газом и жидкостью и высокую полноту этого процесса.

Как показали опыты, при полотняном плетении сетки меньше потери энергии ударяющих в нее жидкостных струй, а также достигается более равномерное распределение вторичных струй, образующихся на сетке, по поверхности принимающего слоя. Вследствие этого несколько увеличивается захват газообразной или паровой среды этими струями и, следовательно, повышается эффективность межфазной тепломассопередачи в аппарате.

Размер ячеек сетки обусловливает диаметр вторичных струй и, соответственно, величину поверхности тепломассообмена под сеткой. На этот параметр влияет также диаметр проволоки, из которой изготовлена сетка. Кроме того, диаметр проволоки определяет также турбулизацию жидкости при прохождении через сетку и воздействует на механизм захвата газообразной среды погружающимися вторичными струями. Заявляемое соотношение этих величин является рациональным, так как определяет диапазон с наиболее эффективной тепломассопередачей под сеткой и тем самым всего аппарата в целом.

Диаметр капель, образующихся при самопроизвольном распаде струй, примерно в 1,5-2 раза больше, чем начальный диаметр сплошных струй, из которых они образуются. Вследствие этого при ударе капель в сетку получается больше вторичных струй, чем при ударе сплошных струй, поэтому поверхность контакта газообразной или парообразной сред и жидкости в этом случае также больше. Это условие достигается, когда расстояние от струеформирующего устройства до сетки равно или больше длины сплошного участка струй.

В случае, когда в емкости под сеткой обеспечивается глубина слоя жидкости не меньше глубины проникновения газовых или паровых пузырьков в слой неограниченной глубины, в нем достигается максимальная поверхность межфазного контакта.

Таким образом, реализация заявляемых способа и аппарата для проведения тепломассообмена позволяет существенно увеличить интенсивность и полноту процесса тепломассопереноса между жидкостью и паровой или газообразной средами по сравнению с известными способами и аппаратами. Это достигается возникновением в тепло-массообменном аппарате при применении заявляемого способа нового высокоинтенсивного компактного участка тепломассопереноса, что не обеспечивается при использовании известных способов и устройств.

Изобретение относится к области тепломассообмена и может быть использовно при конденсации технологических паров, для деаэрации воды, для охлаждения газов и нагрева жидкостей и растворов, для абсорбции веществ, содержащихся в газообразных средах. Способ проведения тепломассообмена между газовой или парообразной средами и жидкостью заключается в формировании жидкости в первичные струи, вытекающие в газовую или парообразную среду, и в ударе первичных струй в сетку, установленную в этой среде с образованием более мелких вторичных струй. При этом обеспечивается погружение образовавшихся вторичных жидкостных струй в слой обрабатываемой жидкости, инициирующее захват ими в принимающий слой газовой или парообразной среды и образование в нем развитой поверхности межфазного контакта. Аппарат для тепломассообмена для реализации способа содержит корпус, в верхней части которого расположено струеформирующее устройство для жидкости со струеформирующими элементами, направленными вниз, и установленную под ним сетку, причем ниже сетки размещена открытая сверху емкость, в которой при работе аппарата постоянно поддерживается слой обрабатываемой жидкости. Техническим результатом изобретения является существенное увеличение интенсивности и полноты процесса тепломассопереноса между жидкостью и паровой или газообразной средами по сравнению с известными способами и аппаратами. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ проведения тепломассообмена между газовой или парообразной средой и жидкостью, заключающийся в формировании жидкости в первичные струи, вытекающие в газовую или парообразную среду и в ударе первичных струй в сетку, установленную в этой среде, с образованием более мелких вторичных струй, отличающийся тем, что при этом обеспечивается погружение образовавшихся вторичных струй в слой обрабатываемой жидкости, инициирующее захват ими в принимающий слой газовой или парообразной среды и образование в нем развитой поверхности межфазного контакта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дробящих сеток используют сетки полотняного плетения с квадратными ячейками.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что погружение вторичных струй осуществляют в принимающий слой глубиной, соответствующей глубине проникновения газовых или паровых пузырьков в слой жидкости неограниченной глубины при тех же условиях погружения вторичных струй.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что удар первичной струи в сетку осуществляется на участке ее, где жидкость движется в виде капель, образовавшихся при самопроизвольном или инициированном распаде первоначально сплошного потока, выходящего из струеформирующего устройства.

5. Аппарат для тепломассообмена для реализации способа, содержащий корпус, в верхней части которого расположено струеформирующее устройство для жидкости со струеформирующими элементами, направленными вниз, и установленную под ним сетку, отличающийся тем, что ниже сетки размещена открытая сверху емкость, в которой при работе аппарата постоянно поддерживается слой обрабатываемой жидкости.

6. Аппарат для тепломассообмена для реализации способа по п.5, отличающийся тем, что сетка выполнена полотняным плетением с квадратными ячейками.

7. Аппарат для тепломассообмена по п.5, отличающийся тем, что соотношение размеров сетки d_пр/S=0,08-0,20, где d_пр - диаметр проволоки, из которой изготовлена сетка, S - размер стороны ячейки в свету.

8. Аппарат для тепломассообмена по п.5, отличающийся тем, что расстояние от струеформирующего устройства до сетки равно или превышает длину сплошного участка струй при рабочих условиях истечения первичных струй.

9. Аппарат для тепломассообмена по п.5, отличающийся тем, что глубина слоя жидкости в емкости под сеткой не менее глубины проникновения паровых или газовых пузырьков в неограниченный слой этой жидкости при рабочих условиях погружения вторичных струй.