РЕГУЛЯРНАЯ НАСАДКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА Российский патент 2016 года по МПК F28F25/08 

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для использования в контактных аппаратах для осуществления процессов тепло- и массообмена, в частности между жидкими и газообразными средами в градирнях.

Из уровня техники известны регулярные насадки, в том числе используемые в качестве оросителей градирен, которые с целью повышения эффективности градирен выполнены в виде многокомпонентных структур, включающих в себя длинномерные элементы разнообразных форм, например, насадки по патентам RU 2145699, 1999 г. и RU 2480275, 2013 г.

Так в первом аналоге регулярная насадка, выполнена содержащей три функциональных блока, размещенных последовательно друг за другом сверху вниз - это перераспределяющий блок в виде стопы горизонтально расположенных пластов с уложенными длинномерными сетчатыми элементами, имеющими, в частности, треугольное сечение; блок вертикально установленных оросительных пластин изогнутой формы и блок подстилающих элементов, выполненный подобно перераспределяющему блоку.

Регулярная насадка по второму аналогу представляет собой несколько установленных в корпусе по высоте насадки пакетов, образованных из пучков, параллельно установленных вертикальных труб в форме овала Кассини, перемежающихся с блоками проставок. Каждый из блоков проставок выполнен в виде стопы из нескольких горизонтальных пластов, образованных параллельной укладкой длинномерных элементов, выполненных в виде решетчатых треугольных призм. В соседних по высоте стопы пластах призмы расположены с поворотом на 90° относительно предыдущего пласта, а трубы в пакетах в соседних по высоте рядах установлены с заданным смещением.

Некоторая неравномерность распределения газовых и жидкостных потоков по поперечному сечению аппарата и усложненность изготовления таких насадок снижает эффективность их использования, что является недостатком этих аналогов.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является регулярная насадка по патенту RU 2182302, 2002 г., содержащая собранные внутри оболочки в стопу пласты из параллельно уложенных полых с решетчатой поверхностью длинномерных элементов в виде треугольных призм, с чередованием в стопе пластов с продольной и поперечной укладкой длинномерных элементов.

В прототипе повышение эффективности процесса тепло- и массообмена возможно увеличением удельной поверхности насадки путем суммарного увеличения числа пластов в стопе, что не всегда целесообразно и, следует отнести к недостатку такого конструктивного построения насадки.

Задача, решаемая изобретением, направлена на создание регулярной насадки, конструкция которой обеспечивает дальнейшее повышение эффективности процессов тепло- и массообмена.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в увеличении активной поверхности контакта взаимодействующих потоков в объеме насадки.

Поставленная задача и заявленный технический результат достигаются тем, что в регулярной насадке для осуществления процессов тепло- и массообмена, содержащей собранные в стопу пласты, образованные с использованием полых длинномерных элементов с решетчатой поверхностью, выполненных в виде трехгранных призм, согласно изобретению длинномерные элементы сгруппированы в модули таким образом, что каждый модуль образован четырьмя длинномерными элементами, размещенными с попарным противолежанием так, что они имеют общую вершину в центре модуля и прилегают друг к другу соседними боковыми гранями, при этом каждый пласт состоит из n - числа таких модулей и в стопе пласты с продольной укладкой модулей чередуются с пластами с поперечной их укладкой.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, где

на фиг. 1 дан общий вид регулярной насадки, в аксонометрии (пример);

на фиг. 2 - общий вид отдельного длинномерного элемента насадки;

на фиг. 3 - общий вид модуля из длинномерных элементов, в аксонометрии;

на фиг. 4 - пример использования предлагаемой насадки в градирне;

на фиг. 5 - графическая зависимость (A/H)=f(ζ/H), полученная опытным путем в результате проведенных стендовых испытаний (ζ - коэффициент гидравлического сопротивления слоя насадки; Н - высота слоя насадки, м; А - коэффициент, характеризующий эффективность конструкции насадки).

Для изготовления предлагаемой насадки длинномерные элементы 1, выполненные, например методом экструзии, в виде трехгранных призм, нарезают ножами требуемой длины, соответствующей боковой стороне модуля 2, и укладывают горизонтально, например на столе, формируя при этом пласт 3.

В каждом пласте 3 длинномерные элементы 1 сгруппированы в модули 2 таким образом, что каждый модуль образован четырьмя длинномерными элементами 1, размещенными с попарным противолежанием так, что они имеют одну общую вершину в центре модуля и прилегают друг к другу соседними боковыми гранями, при этом каждый пласт 3 состоит из n - числа таких модулей, при этом число n должно находиться в пределах от 8 до 60, а в стопе пласты с продольной укладкой модулей чередуются с пластами с поперечной их укладкой.

Такое конструктивное построение насадки позволяет решить задачу увеличения активной поверхности контакта взаимодействующих потоков в объеме насадки в два раза и, соответственно, увеличить период времени пребывания капель жидкости в зоне взаимодействия с охлаждаемым воздухом.

Описание работы насадки дано на примере ее использования в качестве оросителя вентиляторной градирни (типа «Росинка» с производительностью по охлаждаемой воде 10 м³/ч).

Насадка, содержащая двенадцать пластов 3, каждый из которых состоит из двадцати модулей 2, загружается в градирню. Подлежащая охлаждению оборотная вода поступает в градирню 4 через форсунки 5 и подается на поверхность длинномерных элементов 1 насадки, где осуществляется процесс испарительного охлаждения оборотной воды атмосферным воздухом, который подается в градирню вентилятором 6 (фиг. 4).

Охлаждающий атмосферный воздух взаимодействует в объеме насадки с охлаждаемой водой, которая равномерно растекается в объеме и по всей поверхности длинномерных элементов насадки 1 в виде множества капель и пленок. При непосредственном контакте холодного воздуха с жидкостью на поверхности насадки происходит охлаждение. Эффективность охлаждения пропорциональна удельной поверхности насадки. При этом действуют механизмы тепло- и массообмена при непосредственном контакте газ - жидкость. Часть воды в количестве 2÷3% от общего объема циркулирующей воды испаряется.

Предлагаемая регулярная насадка по сравнению с прототипом позволяет увеличить активную поверхность контакта взаимодействующих потоков в объеме насадки на 60-75% в зависимости от размера ячейки решетчатой поверхности длинномерных элементов 1.

Процесс испарительного охлаждения принято характеризовать (см. B.C. Пономаренко, Ю.И. Арефьев. «Градирни промышленных и энергетических предприятий», Энергоатомиздат, 1998 г., с. 376) уравнением вида

βxv=А·q_ж·λ^m,

где βxv - объемный коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности влагосодержания, кг/(м³·ч·кг/кг);

q_ж - расход жидкой фазы, (кг/м²)ч;

λ=qв/qж - отношение массового расхода охлаждающего атмосферного воздуха к расходу охлаждаемой воды q в градирне,

m - показатель степени, характеризующий зависимость объемного коэффициента массоотдачи β от изменения скорости воздуха w₀.

Коэффициент А здесь характеризует эффективность процесса испарительного охлаждения оборотной воды в градирне, этот коэффициент зависит от конструкции насадки и ее удельной поверхности - чем больше удельная поверхность насадки, тем больше величина коэффициента А и тем выше эффективность осуществления процесса испарительного охлаждения.

Были проведены сравнительные стендовые испытания насадки по прототипу и предлагаемой насадки. Опыты проводились в идентичных условиях в колонном аппарате диаметром 200 мм. Общая высота слоя насадки в обоих случаях составляла 400 мм. Высота длинномерных решетчатых призмообразных элементов 1 насадки составляла 50 мм. Величина скорости газового потока составляла w₀=0,8÷1,0 м/с.

Результаты тепло- и массообменных испытаний представлены на фиг. 5 в виде графических зависимостей (А/Н)=f(ζ/H) прототипа (7) и предлагаемой насадки (8).

Как видно из представленного графика, имеет место рост величины коэффициента А. Отмеченное увеличение эффективности предлагаемой насадки объясняется увеличением активной удельной поверхности насадки на 60-75% по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к области машиностроения, точнее к конструкции регулярных насадок, которые применяются в различных отраслях промышленности при осуществлении процессов тепло- и массообмена, в частности в разнообразных градирнях. Регулярная насадка состоит из полых с решетчатой поверхностью длинномерных элементов 1, выполненных в виде трехгранных призм, которые сгруппированы в каждом пласте в модули 2 таким образом, что каждый модуль образован четырьмя длинномерными элементами, размещенными с попарным противолежанием так, что они имеют одну общую вершину в центре модуля и прилегают друг к другу соседними боковыми гранями. При этом каждый пласт состоит из n - числа таких модулей и в стопе пласты с продольной укладкой модулей чередуются с пластами с поперечной их укладкой. В результате достигнуто повышение эффективности процесса тепло- и массообмена при непосредственном контакте газ - жидкость за счет увеличения активной поверхности насадки и увеличения времени пребывания капель жидкости на поверхности насадки. 5 ил.

Регулярная насадка для осуществления процессов тепло- и массообмена, содержащая собранные в стопу пласты, образованные с использованием полых длинномерных элементов с решетчатой поверхностью, выполненных в виде трехгранных призм, отличающаяся тем, что в ней длинномерные элементы сгруппированы в модули таким образом, что каждый модуль образован четырьмя длинномерными элементами, размещенными с попарным противолежанием так, что они имеют одну общую вершину в центре модуля и прилегают друг к другу соседними боковыми гранями, при этом каждый пласт состоит из n - числа таких модулей и в стопе пласты с продольной укладкой модулей чередуются с пластами с поперечной их укладкой.