ТЕПЛОМАССООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к контактным устройствам, предназначенным для проведения тепло- и массообменных процессов в гетерогенных системах газ (пар) - жидкость. Наиболее эффективно использовать данное устройство будет возможно в случае значительных тепловых эффектов, сопровождающих сорбционные и хемосорбционные процессы.
Известен абсорбер, имеющий корпус со встроенным трубчатым теплообменником и контактными тарелками. Трубки теплообменника снабжены металлическими стержнями, свободно навитыми на поверхность труб [1].
Недостатками устройства являются низкая производительность, большая металлоемкость, сложность конструкции.
Известна колонка для тепломассообмена, имеющая корпус с расположенными внутри него трубчато-решетчатыми тарелками, снабженными устройствами подвода и отвода тепла. Устройства соединены с продольно установленными трубопроводами [2].
Недостатками устройства являются сложность обслуживания, низкая производительность, обусловленная появлением струйного и волнового режимов, как следствие, низкая интенсивность процесса, неполное использование объема аппарата.
Известна конструкция тепломасообменной тарелки, включающей обечайку с вертикально установленными парами пластин, каждая из которых образует попеременно открытый газожидкостный канал и замкнутую полость для теплоносителя, коллектор для подачи и отвода теплоносителя. Пары пластин установлены во взаимно пересекающихся плоскостях и снабжены расположенными между соседними парами пластин направляющими элементами, установленными под углом 6-75° к поверхностям пар пластин [3].
Недостатком этого устройства являются недостаточное использование рабочего объема массообменной тарелки из-за невысоких слоев барботажа. Сложность конструкции коллектора, узкий диапазон работы, превышение которого приводит к уносу, при недостаточной скорости газа происходит провал.
Известна сетчатая насадка Зульцер [4], которая выполнена из вертикально установленных перфорированных гофрированных сетчатых пластин, соприкасающихся выступающими гофрами друг с другом.
Недостатками устройства являются отсутствие возможности эффективного применения в процессах, где имеются значительные тепловые эффекты, а также отсутствие перемешивания пленки жидкости при движении по параллельным гофрам.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является известное массотеплообменное устройство [5] (прототип).
Устройство содержит обечайку (корпус) с внутренними переливами, коллекторы для отвода и подачи теплоносителя в канал, образованный и вертикально установленными контактными парами пластин, каждая из которых образует газожидкостный канал, с примыкающими к поверхности пластин специальными гофрированными теплопроводящими элементами в виде наклонно гофрированных лент, повернутых одна относительно другой и образующих винтовые каналы. Ленты могут быть перфорированными [5].
Устройство работает следующим образом. Теплоноситель подается в каналы для теплоносителя, образованные вертикально установленными контактными парами пластин, через штуцера. Жидкость через перелив заполняет газожидкостный канал, газ, подаваемый снизу тарелки через жидкостной коллектор, барботирует через слой этой жидкости и захватывает струи. Поток поднимается по винтовым каналам. Через перелив жидкость поступает на тарелку, расположенную ниже.
Массотеплообменное устройство-прототип характеризуется недостаточным использованием рабочего объема массообменной тарелки из-за наличия переливов, что снижает пропускную способность, влияет на стабильность процесса, сложностью профиля устанавливаемой между пластинами ленты, невозможностью изменять параметры под каждый конкретный процесс.
Предлагаемым решением ставится задача повышения технологичности устройства, увеличение пропускной способности и расширение рабочего диапазона.
Технический результат - возможность изменить параметры под каждый конкретный процесс, повышение стабильности проходящих процессов за счет совершенствования конструкции устройства.
Этот технический результат достигается тем, что в тепломассообменном устройстве, включающем корпус, обечайку, коллекторы для отвода и подачи теплоносителя в канал, образованный вертикально установленными контактными парами пластин, смежные пары пластин образуют газожидкостные каналы, в каждом из которых установлены перфорированные гофрированные теплопроводящие элементы, каждая контактная пара пластин, примыкающие к ней участки газожидкостных каналов, отделенные от соседних участков теплопроводящими элементами, и фрагменты коллекторов для отвода и подачи теплоносителя соединены в блоки, при этом фрагменты коллекторов между блоками герметично соединены между собой; теплопроводящие элементы выполнены с продольными гофрами, а контактные пластины - с продольными или наклонными гофрами, над контактными пластинами установлено оросительное устройство.
За счет использования блочной конструкции появляется возможность увеличить/уменьшить расстояние между блоками и их количество, таким образом менять характеристики контактного устройства (поверхность, свободный объем, гидравлическое сопротивление) в зависимости от требований процесса.
Гофры на теплопроводящих элементах и наличие их на контактных пластинах обеспечивает хорошее перемешивание и распределение потоков и способствует лучшему теплообмену.
Следует отметить, что предлагаемое устройство более технологично: за счет блочности конструкции, исполнения коллекторов, отсутствия переливного устройства, полотна распределителя, надежной фиксации теплопроводящих элементов, в узле соединения фрагментов коллектора облегчается монтаж устройства, а следовательно, повышается надежность, стабильность проходящих в нем процессов.
Предлагаемое тепломасообменное устройство приведено на чертежах: на фиг. 1 - общий вид в разрезе; на фиг. 2 - вид сверху; на фиг. 3 - показана пластина; на фиг. 4 - выполнение гофр на теплопроводящем элементе; на фиг. 5 - выполнение гофр на теплопроводящем элементе; на фиг. 6 - ороситель.
В описании и не чертежах приняты обозначения:
1 - корпус,
2 - канал для подачи теплоносителя,
3 - трубопровод подачи теплоносителя,
3а - трубопровод отвода теплоносителя,
4 - узел соединения фрагментов коллектора,
5 - газожидкостной канал,
6 - теплопроводящий элемент,
7 - рамка,
8 - фланец,
9 - контактные пластины,
10 - фрагменты коллектора,
11 - ороситель.
Тепломассообменное устройство установлено в корпусе 1, включает коллекторы для отвода и подачи теплоносителя. Коллекторы состоят из фрагментов 10, приваренных к соответствующим контактным пластинам 9 (фиг. 1, 2). Пары контактных пластин 9, установленные вертикально, образуют канал 2 для подачи теплоносителя, который поступает по трубопроводу 3 и отводится по трубопроводу 3a. Смежные пары пластин 9 образуют газожидкостные каналы 5. В каждом газожидкостном канале 5 установлен перфорированный гофрированный теплопроводящий элемент 6 с продольными гофрами. Заданный профиль гофр теплопроводящего элемента показан на фиг. 4. Для формирования профиля элемент нужно деформировать по ребрам, показанным на Фиг. 6, причем ребра I должны быть вогнутыми, ребра II - выступающими. Полученный профиль формирует на поверхности теплопроводящего элемента с одной стороны чередование сужающихся и расширяющихся гофр (Фиг. 4а), а с другой стороны - сужающиеся гофры (Фиг. 4б).
Каждая контактная пара пластин 9, примыкающие к ней участки газожидкостных каналов 5, отделенные от соседних участков теплопроводящими элементами 6, и фрагменты 10 коллекторов для отвода и подачи теплоносителя соединены в блоки. Фрагменты 10 коллекторов между блоками герметично соединены между собой в узел 4. На каждой стороне имеются штуцера, которые могут быть герметично соединены фланцами 8, муфтой или гибкими элементами. Теплопроводящие элементы закреплены в узлах 4. Гофры на теплопроводящих элементах образуют на одной стороне теплопроводящего элемента 6 сужающиеся треугольные каналы, на другой стороне каналы чередуются - то сужаются, то расширяются. На контактных пластинах 9 также имеются прямые или наклонные гофры. Ход гофр условно показан наклонными линиями на Фиг. 3.
Теплопроводящие элементы 6 между пластинами 9 могут устанавливаться в несколько слоев в зависимости от необходимости теплообмена. Контактные пластины 9 выполнены с продольными или наклонными гофрами. Контактные пластины 9 скреплены по периметру рамкой 7. Внешние границы рамки 7 совпадают с пластиной, внутренние показаны на фиг. 3 - пунктиром.
Пластины 9 могут как привариваться к рамке 7, так и прикрепляться к ней с помощью винтов (диаметр около 500-800 мм). В верхней части устройства возможна установка оросителя 11, представляющего собой камеру с щелями, выполненными по боковым граням. Ороситель приваривается к пластинам 9 или к рамке 7.
Устройство работает следующим образом. Сборка тепломассообменного устройства осуществляется из заранее подготовленных блоков путем монтажа их в узле 4 соединения фрагментов 10 коллектора. Газовая фаза подается снизу, распределяясь в газожидкостных каналах 5. Жидкая фаза подается сверху, распределяясь по тепломассообменным блокам и перфорированным гофрированным теплопрводящим элементам 6. Фазы контактируют на их поверхности, где происходит массообменный процесс. В каналы 2 через штуцера подается теплоноситель (вода или пар). Таким образом, на поверхности модулей происходит еще и теплообменный процесс. При повышении расхода по жидкости и газу возможна работа в затопленном режиме.
Гофры на теплопроводящих элементах и контактных пластинах увеличивают поверхность контакта, глубина гофр составляет обычно не более ½ толщины пластин. Выполнение гофр в виде сужающихся треугольных каналов на одной стороне, чередующимися на другой стороне обеспечивает хорошее перемешивание жидкости, легкий переход ее от пластин 9 к теплопроводящим элементам 6 и наоборот.
На основании выше изложенного можно сделать вывод, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», а испытания на макете подтвердили промышленную применимость устройства.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №191472, B01D 1/02, опубл. 01.01.1967,
2. Авторское свидетельство СССР №351557, B01D 3/22, опубл. 01.01.1972,
3. Авторское свидетельство СССР №747478, B01D 3/32, опубл. 15.07.1980,
4. Патент Канады № СА 1095827 (A1), МПК B01D 53/18 от 17.02.1981,
5. Авторское свидетельство СССР №1001952, B01D 3/28, опубл. 07.03.1983.