УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
DEVICE FOR FLUID TREATMENT AND METHOD OF ITS FABRICATION

Настоящее изобретение относится к устройству для обработки текучей среды, содержащему удлиненный отрезок пленки, выполненный из множества слоев пленки, расположенных зигзагом, при этом первый слой пленки присоединен ко второму слою пленки первым концом, а второй слой пленки присоединен к третьему слою пленки вторым концом, удаленным от упомянутого первого конца, при этом между упомянутыми первым и вторым слоями пленки расположены разделительные элементы.
Изобретение также относится к способу, подходящему для изготовления подобного устройства.
Такие устройства подходят для передачи тепла от первой текучей среды ко второй текучей среде, при этом устройство работает в качестве теплообменника. Пленка в данном случае является теплопроводящей.
Такие устройства также подходят для использования в качестве фильтров, в которых субстанция перемещается из первой текучей среды во вторую текучую среду. Также можно использовать устройство в качестве увлажнителя воздуха. В этом случае пленка представляет собой мембранную пленку.
В таком устройстве, известном из европейской патентной заявки ЕР-А1-0.040.890, разделительные элементы в виде перекладин, расположенные у первого конца, второго конца и остальных концов, разделяют слои пленки. Такие разделительные элементы в виде перекладин также расположены между концами.
Недостаток данных разделительных элементов состоит в том, что на поверхности слоя пленки имеется сравнительно много мест, где текучая среда, текущая по слою пленки, практически неподвижна. В результате передача тепла или фильтруемого материала не является оптимальной.
Задача изобретения состоит в создании устройства, в котором турбулентный поток может быть реализован, по существу, по всей площади слоя пленки, чтобы оптимизировать передачу вещества и/или тепла.
Данная задача решается с помощью устройства по изобретению, в котором упомянутый разделительный элемент содержит сетчатый слой, через который текучая среда может течь как в плоскости сетчатого слоя, так и поперек плоскости сетчатого слоя.
Благодаря наличию сетчатого слоя текучая среда в процессе эксплуатации распределяется по всей площади поверхности слоя пленки, и одновременно с этим обеспечивается хороший контакт между слоями удлиненного отрезка пленки, расположенного по другую сторону сетчатого слоя.
Один из вариантов осуществления устройства по изобретению отличается тем, что продольные стороны первого и второго слоев пленки соединены между собой посредством связующего вещества, по меньшей мере, на протяжении участка длины.
Связующее вещество обеспечивает достаточное адгезионное сцепление между слоями пленки. Кроме того, благодаря использованию связующего вещества соединение является гибким и способным воспринимать растяжения слоев пленки. Связующее вещество представляет собой, например, силиконовую пасту, силиконовый термоклей или эпоксидную смолу. Связующее вещество соединяет между собой слои пленки и герметизирует промежуток между слоями пленки. В случае повышения давления в промежутке между слоями пленки из-за присутствующей там текучей среды упомянутое повышение давления легко воспринимается связующим веществом. Помимо силиконовой пасты также можно использовать другие виды связующих веществ, которые могут обеспечить нужное адгезионное сцепление со слоями пленки, воспринимая растяжение слоев пленки и подходящим образом герметизируя промежуток между слоями пленки, возникающий из-за текучей среды, присутствующей в данном промежутке.
Другой вариант осуществления устройства по изобретению отличается тем, что продольные стороны первого и второго слоев пленки соединены между собой до точки, находящейся на заданном расстоянии от первого конца, чтобы оставался открытый канал, в то время как продольные стороны второго и третьего слоев пленки соединены между собой до точки, находящейся на заданном расстоянии от второго конца, чтобы оставался открытый канал.
Посредством упомянутых каналов текучая среда может быть легко введена в промежуток между слоями пленки. Данные каналы предпочтительно расположены у двух продольных сторон, так что текучая среда может быть введена в промежуток между слоями пленки или отведена из него с двух сторон. Так получают правильное распределение потока через сетчатый слой.
Другой вариант осуществления устройства по изобретению отличается тем, что продольные стороны первого и второго слоев пленки, расположенных зигзагом, присоединены к сетчатому слою.
С помощью взаимного соединения слоев пленки и сетчатого слоя легко достигается нужное уплотнение продольных сторон. Когда слои пленки и сетчатые слои соединяют между собой посредством связующего вещества, соединение между слоями пленки и сетчатым слоем реализуется одновременно с нанесением связующего вещества. Таким образом, текучей среде, присутствующей между слоями пленки, придется в любом случае течь сквозь сетчатый слой.
Еще один вариант осуществления устройства по изобретению отличается тем, что сетчатый слой продолжается, по существу, по всей площади слоя пленки.
Так как сетчатый слой продолжается, по существу, по всей площади слоя пленки, сравнительно большой турбулентный поток создается по всей площади слоя.
Еще один вариант осуществления устройства по изобретению отличается тем, что между первым и вторым слоями пленки, вблизи второго конца, имеется канал, проходящий поперек продольной стороны.
Данный канал получается автоматически, в результате того, что слой пленки расположен зигзагом. Через упомянутый канал текучая среда может быть введена между слоями по всей ширине удлиненного отрезка пленки, после чего текучую среду можно выпустить через каналы, расположенные вблизи первого конца, с продольных сторон, или наоборот. В результате достигается хорошее распределение потока по всей площади слоя пленки.
Еще один вариант осуществления устройства по изобретению отличается тем, что первый и второй слои пленки расположены внутри цилиндрического контейнера, первый и второй концы отрезка пленки продолжаются в осевом направлении, при этом слои пленки продолжаются по спирали от первого конца, расположенного около центральной оси контейнера, до второго конца, расположенного на некотором расстоянии от упомянутой центральной оси.
Цилиндрический контейнер дает возможность обеспечивать и контролировать хорошее распределение давления и/или потока текучих сред, протекающих сквозь цилиндрический контейнер, при использовании относительно высоких давлений.
Изобретение также относится к способу изготовления данного устройства.
Данная задача решается способом по изобретению, состоящим в том, что сетчатый слой наносят на часть удлиненного отрезка пленки, а после этого часть, образующую второй слой пленки, наносят на упомянутый сетчатый слой, при этом первый и второй слои пленки соединены между собой первым концом.
Использование данного способа дает возможность относительно простым способом изготовить устройство для обработки текучей среды, способное функционировать полностью автоматически.
Ниже изобретение будет описано более подробно, со ссылками на чертежи, где:
Фиг. 1 - вид в перспективе устройства по изобретению.
На Фиг. 2 схематично показана часть устройства, представленного на Фиг. 1.
Фиг. 3А - вид в разрезе части устройства, представленного на Фиг. 4.
Фиг. 3B - вид в разрезе по направлению, показанному стрелками В-В на Фиг. 3А.
Фиг. 3С - вид в разрезе по направлению, показанному стрелками С-С на Фиг. 3А.
Фиг. 4 - вид в перспективе удлиненного отрезка пленки, выполненного из множества слоев пленки, расположенных зигзагом, причем пленка содержит мембрану.
Фиг. 5 - вид в перспективе удлиненного отрезка пленки, выполненного из множества слоев пленки, расположенных зигзагом, причем пленка содержит теплопроводный материал.
На Фиг. 6А и 6B представлен вид сверху в плане и вид в разрезе, соответственно, сетчатого слоя устройства, представленного на Фиг. 1.
На Фиг. 7А-7Н показаны различные этапы способа по изобретению.
На Фиг. 8-10В представлены различные виды второго варианта осуществления устройства по изобретению.
Фиг. 11 и 12 - виды в разрезе по направлению, показанному стрелками D-D на Фиг. 3А, двух различных вариантов осуществления устройства по изобретению.
На Фиг. 13 и 14 представлен вид сверху в плане и два вида в разрезе, соответственно, устройства по изобретению.
Подобные детали обозначены на чертежах одинаковыми номерами ссылочных позиций.
На Фиг. 1 представлено устройство 1 по изобретению, которое содержит несколько разнесенных пластин 2, причем между двумя противолежащими пластинами 2 находится удлиненный отрезок пленки, выполненный из множества слоев пленки, расположенных зигзагом. Между слоями пленки расположены разделительные элементы. Пленка и разделительные элементы будут более подробно описаны в связи с Фиг. 3А-6В.
Вокруг удлиненных отрезков пленки и разделительных элементов расположены плоские уплотнения 3. Пластины 2, а также пленка и разделительные элементы, расположенные между ними, соединены посредством болтов 4, нарезанных с двух концов, и гаек 5, навинченных на концы болтов. Пластины снабжены первым и вторым впускными отверстиями 6, 7 для текучей среды, а также первым и вторым выпускными отверстиями 8, 9 для текучей среды. Первая текучая среда входит между удлиненными отрезками фольги через первое входное отверстие 6 для текучей среды, а затем транспортируется в направлении стрелки Р1 к первым выпускным отверстиям 8 для текучей среды, где она сначала транспортируется в направлениях стрелок Р2, Р3, а затем вытекает через первые выпускные отверстия 8 для текучей среды. Аналогичным образом, вторая текучая среда проходит между другими слоями пленки в направлении стрелки Р4 через второе входное отверстие 7 для текучей среды и транспортируется ко вторым выпускным отверстиям 9 для текучей среды, где она вытекает через вторые выпускные отверстия 9 для текучей среды в направлении стрелок Р5, Р6.
На Фиг. 2 представлен модуль 10, в котором между представленными на Фиг. 1 пластинами 2 находятся слои, между упомянутыми слоями (показанными схематично) расположены разделительные элементы, а также показаны направления течения текучей среды с помощью стрелок Р1-Р6. Конечно, также является возможным поменять направления Р1-Р3 и/или Р4-Р6 на обратные, реализуя модуль 10 с противотоком или с параллельным потоком.
1
2
3
n
1
2
1
3
1
i
i
i+1
i-1
i-1
1
n
1
2
1
n
1
n
Фиг. 3А - вид в разрезе части модуля 10, представленного на Фиг. 2, в котором удлиненный отрезок пленки 11 и расположенные зигзагом слои пленки 12, 12, 12 … 12 четко различимы. Первый слой пленки 12 присоединен ко второму слою пленки 12 возле первого конца 13, в то время как упомянутый второй слой пленки присоединен к третьему слою пленки 12 со стороны, удаленной от первого конца 13. Каждый слой пленки 12, таким образом, присоединен одним концом 13 к следующему слою пленки 12, а другим концом 13 - к предыдущему слою 12. Слои пленки соединены между собой на расстоянии L, в точках, находящихся на расстоянии от концов 13 … 13, причем расстояние L меньше расстояния А между двумя противоположными концами 13, 13. Слои пленки 12 … 12, которые не соединены у концов 13-13, образуют каналы 14, 15, и посредством данных каналов вторая текучая среда и первая текучая среда, соответственно, могут вытекать из модуля 10.
1
n
1
n
Между слоями пленки 12 … 12 находятся сетчатые слои 16 (см. также Фиг. 6А-6В), продолжающиеся по всей площади слоя пленки 12 … 12. Сетчатые слои 16 образованы двумя группами синтетических нитей 17, 18, каждая из которых предпочтительно образует угол 15°-45° с продольным направлением слоев пленки. Сетчатый слой 16 образует так называемый разделительный элемент.
Толщина нитей 17, 18 предпочтительно составляет 0,5-2,5 мм. Сетчатый слой, таким образом, имеет толщину около 1-5 мм, в частности, в тех местах, где две нити 17, 18 пересекаются. Сетчатые отверстия 20 находятся между нитями 17, 18, при этом соотношение площади отверстий 20 и площади нитей 17, 18 составляет приблизительно 80% к 20%. Когда текучая среда течет сквозь сетчатый слой 16, длина потока, по существу, одинакова во всех местах и для всех предпочтительных потоков, и не происходит падения давления.
1
2
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
Сетчатый слой 16 расположен между двумя противолежащими слоями пленки 12, 12, при этом слои пленки 12 … 12 и сетчатые слои 16 стягивают пластинами 2, болтами 4, нарезанными с обеих сторон, и гайками 5, таким образом, что поток текучей среды сквозь сетчатый слой 16 может проходить лишь через отверстия 20, поверх нитей 17, 18 и под ними. Так как нити 17, 18 сравнительно тонкие, контакт между текучей средой и слоем пленки 12 … 12 происходит по всей поверхности слоя пленки 12 … 12. Поток текучей среды по поверхности слоя пленки 12 … 12 турбулентный, и данную турбулентность вызывают нити 17, 18. В результате получается дополнительно улучшенная передача вещества и/или тепла между текучей средой и слоями пленки 12 … 12, с относительно малым падением давления на сетчатом слое 16.
На Фиг. 4 представлен вариант осуществления пленки 21, содержащей множество слоев пленки, расположенных зигзагом, при этом пленка представляет собой мембранную пленку, проницаемую для нужных конкретных субстанций.
На Фиг. 5 представлен другой вариант осуществления пленки 22, содержащей множество слоев пленки, расположенных зигзагом, при этом пленка представляет собой теплопроводящую пленку или сочетание мембранной и теплопроводящей пленки (см. Фиг. 13 и 14).
Мембранная пленка может быть, например, гидрофобной мембранной пленкой PFFE толщиной 30-500 мкм, с размером пор 0,1-0,45 мкм, а также другой гидрофобной пленкой или гидрофобной мембранной пленкой. Теплопроводящая пленка 22 может быть трехслойной пленкой, выполненной, например, из металлической фольги, покрытой пластиком с двух сторон, причем упомянутый пластик может содержать пентаэритрит (PET), а упомянутая металлическая фольга может содержать алюминий. Толщина слоя пленки из пентаэритрита может составлять, к примеру, 12 мкм, в то время алюминиевая фольга может иметь толщину 37 мкм.
1
1
1
2
2
3
1
n
1
n
2
n-1
На Фиг. 7А-7Н представлены семь этапов способа по изобретению, подходящего для изготовления показанного на Фиг. 2 модуля 10 устройства 1. На этапе, представленном на Фиг. 7А, первый слой 12 пленки располагают на опоре 25, разматывая с ролика 26, на который намотана пленка 27. Затем сетчатый слой 16 размещают поверх слоя пленки 12. Вслед за этим с обеих сторон в продольном направлении, на расстояние L (см. Фиг. 3В, 3С), накладывают клейкую пленку 28 посредством клеенаносящего устройства, причем клейкая пленка 28 продолжается до точки, расположенной на заданном расстоянии от первого конца 13 первого слоя пленки 12 (Фиг. 7С). Клейкий слой содержит связующее вещество, такое как силиконовая паста, силиконовый термоклей или эпоксидная смола. Вслед за этим ролик 26 перемещают в направлении стрелки Р7, в процессе чего пленка 27 разматывается с ролика 26 и располагается поверх сетчатого слоя 16 со стороны, удаленной от первого слоя пленки 12 (см. Фиг. 7D, 7E). Так получается второй слой пленки 12. Затем сетчатый слой 16 размещают поверх второго слоя пленки 12 (Фиг. 7F), сразу после чего наносят клейкую пленку 28 на расстояние L от первого конца 13 (Фиг. 7G). Затем ролик 26 перемещают в противоположном направлении относительно стрелки Р7, к первому концу 13, в процессе чего пленка 27 разматывается с ролика 26, и тем самым располагают третий слой пленки 12 поверх сетчатого слоя 16. Одновременно с этим образуется канал 14 (Фиг. 7Н). Затем этапы, показанные на Фиг. 7А-7Н, повторяют некоторое количество раз, пока не будет образован модуль 10, содержащий необходимое число слоев 12 … 12 с сетчатым слоем 16 между ними. Затем модуль 10 размещают между двумя противолежащими пластинами 10, и каналы 14, 15 присоединяют к выпускным отверстиям 9 и 8 для текучей среды, соответственно. Между концами 13 … 13, вблизи каналов 15, расположены каналы, соединенные с впускным отверстием 7 для текучей среды. Аналогичным образом, каналы, расположенные между концами 13 … 13 возле каналов 14, соединены с впускным отверстием 6 для текучей среды. Требуемые уплотнения могут быть реализованы, например, с помощью силиконовой пасты.
1
n
В устройстве 1, представленном на Фиг. 1-7, слои пленки 12 … 12 и сетчатые слои 16, расположенные между ними, продолжаются параллельно друг другу и расположены в одной плоскости.
1
n
В вариантах осуществления устройства 31 по изобретению, представленных на Фиг. 8-10B, слои пленки 12 … 12 и сетчатые слои, расположенные между ними, продолжаются от центральной оси 32 цилиндрического контейнера до наружной стороны цилиндрического контейнера 33. В данных вариантах осуществления можно использовать относительно высокие давления.
На Фиг. 8 представлен вид устройства 31 в перспективе, с местным разрезом.
Устройство 31 содержит цилиндрический контейнер 33, содержащий цилиндрическую трубку 34, закрытую с обеих сторон крышкой 35 в форме диска, снабженной впускным и выпускным отверстиями для текучей среды.
На Фиг. 9А, 9В представлен вариант осуществления 41 устройства 31, представленного на Фиг. 8, в котором слои пленки соединены между собой посредством силиконовой пасты с коротких сторон цилиндрического контейнера 33, способом, практически аналогичным показанному на Фиг. 3А, при этом остаются открытыми чередующиеся каналы 14, 15. Первая текучая среда попадает в промежуток между слоями пленки и сетчатыми слоями 16 через центральное впускное отверстие 42 и выходит через каналы 14. Вторая текучая среда подается через промежуток 43 между наружными сторонами слоев пленки и цилиндрической трубкой 34, а выходит через каналы 15. Слои пленки могут содержать непроницаемую теплопроводящую пленку, мембранную пленку и/или сочетание теплопроводящей пленки с гидрофобной мембранной пленкой, и т.д.
На Фиг. 10А и 10В представлен еще один вариант осуществления 51 устройства 31, представленного на Фиг. 8, в котором слои пленки 12 поочередно соединены между собой с коротких сторон, на всем протяжении расстояния от центра до наружной стороны, посредством силиконовой пасты 52, при этом слои пленки 12 между ними вообще не соединены на протяжении большей части упомянутого расстояния - так образуются каналы 53. Для получения надлежащего уплотнения слои пленки соединяют между собой у центра и у наружной кромки, как у верхней стороны, так и у нижней стороны, посредством кольцевых силиконовых полос 54, 55. Принцип работы устройства согласно варианту осуществления 51 состоит в следующем. Слои пленки 12 выполнены из мембранной пленки, и первая текучая среда подается через каналы 53. Растворенное вещество проходит через слои пленки 12, а затем течет в радиальном направлении к центральному каналу 56 и/или каналу 57, расположенному около цилиндрической трубки 34. Вариант осуществления 51 особенно подходит для фильтрации, требующей высокого давления, такой как, например, обратный осмос.
На Фиг. 11 показан вид в разрезе по направлению, указанному стрелками D-D на Фиг. 3А, на котором слои пленки 12 соединены между собой по обеим продольным сторонам, на протяжении желаемых расстояний, посредством силиконовой пасты 28. Как ясно видно на чертеже, ширина сетчатого слоя 16 меньше расстояния между полосами силиконовой пасты 28, обеспеченными с каждой стороны, так что между сетчатым слоем 16 и силиконовой пастой 28 имеется небольшой зазор 62. Текучая среда, проходящая между слоями пленки 12, течет в основном сквозь сетчатый слой 16. Силы, действующие со стороны текучей среды, воспринимаются слоями пленки 12 и силиконовой пастой 28 в поперечном направлении, указанном двойной стрелкой Р10, и в продольном направлении слоев пленки 12. Силы, действующие в направлении, поперечном упомянутому, воспринимаются пластинами 2.
Фиг. 12 - вид в разрезе еще одного варианта осуществления в направлении, указанном стрелками D-D на Фиг. 3А, в котором ширина сетчатого слоя 16 такова, что кромки 63 сетчатых слоев 16 также соединяются со слоями пленки 12 при нанесении силиконовой пасты 28. В процессе эксплуатации текучая среда, протекающая между слоями пленки 12 и через сетчатые слои 16, создает давление, в числе прочего, в направлении двойной стрелки Р10. Возникающие силы воспринимаются относительно тонкими слоями пленки, но также, в еще большей степени, сетчатыми слоями 16 и силиконовой пастой 28. Таким образом, является возможным создать простой, но очень хорошо функционирующий теплообменник, фильтр или комбинированное устройство, включающее в себя оба из упомянутых, посредством сравнительно тонких слоев пленки 12, расположенных между ними сетчатых слоев 16 и пасты 28, например, силиконовой пасты.
В завершение следует отметить, что на видах в разрезе, представленных на Фиг. 11 и 12, сетчатый слой 16 находится на расстоянии от слоев пленки 12. Это сделано исключительно из соображений ясности чертежей. На практике слои пленки 12 плотно прилегают к сетчатому слою 16.
На Фиг. 13 и 14 представлен еще один вариант осуществления устройства 71 по изобретению, в котором используется сочетание мембранной пленки и теплообменной пленки с целью использования устройства в качестве мембранного дистиллятора.
Пленка 72 содержит непроницаемую теплопроводящую пленку 73 и мембранную пленку 74. Теплопроводящая пленка 73 и мембранная пленка 74 соединены между собой по обеим продольным сторонам посредством, например, слоя полиуретанового лака 75 на основе растворителя, шириной 5 мм и толщиной 1 мм. В остальном устройство, как показано на Фиг. 2 и 3А-3С, реализуют аналогично вышеописанному, с взаимным соединением зигзагообразных слоев пленки посредством силиконовой пасты 28. Вслед за этим в нескольких местах выполняют выемки 76 в полиуретановом лаке и пленке 72, продолжающиеся по всей высоте устройства 71. Выемки 76 образуют выпускные отверстия промежутка 77 для дистиллята, расположенного между теплопроводной пленкой 73 и мембранной пленкой 74. Поток через устройство 71 может проходить таким же образом, как и через устройство, представленное на Фиг. 2, за исключением того, что в добавление к этому получается движущийся в направлении стрелки Р11 поток дистиллята, собираемого в промежутке 77 для дистиллята посредством мембраны 74.
Габариты модуля 10 могут варьироваться, например, от 20x150x500 мм до 500x500x1500 мм.