АППАРАТ ДЛЯ ТЕПЛО-МАССООБМЕНА

В теплоэнергетике, в химической промышленности и в других отраслях техники широко распространены аппараты для тепло-массообмена - 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 тепло-массообмена путем контакта пара или другой газообразной среды с поверхностью струй, формируемых при истечении воды из отверстий или других струеформирующих элементов распределительного устройства. Известные аппараты удобны для применения, просты по конструкции и надежны в работе. Недостаток их заключается в малой тепловой эффективности, обусловленной небольшим развитием свободной поверхности воды, определяющей поверхность тепло-массопереноса, так как межфазный контакт происходит только на боковой поверхности довольно крупных жидкостных струй.
3
Более эффективен другой известный аппарат для тепло-массообмена (а.с. СССР №857693, М.Кл. F28В 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 эффективность (полнота теплоообмена) существенно возрастает. Таким образом, в известном аппарате реализован способ тепло-массообмена, включающий формирование потока охлаждающей воды 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 этот аппарат для тепло-массообмена наиболее близок к заявляемому техническому решению и поэтому принят в качестве прототипа.
Недостаток известного аппарата состоит в том, что эффективность его остается существенно ниже возможной при начальных параметрах тепло-массообменивающихся сред. Это обусловлено тем, что при ударе в сетку скорость движения потока воды ниже сетки возрастает и вследствие этого уменьшается время контакта ее с газообразной средой - в прототипе - с конденсируемым паром, что не позволяет при приемлемых размерах аппарата 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 тепло-массообмена.
Целью создания предлагаемого аппарата для осуществления тепло-массообмена является устранение указанных недостатков и достижения не только дополнительного увеличения межфазной поверхности, но и обеспечения условий, позволяющих достигать предельно возможных значений полноты процесса тепло-массообмена.
Поставленная цель достигается тем, что в аппарате для осуществления тепло-массообмена между парообразной или газовой средой и жидкостью, содержащем корпус, в верхней части которого расположено распределительное устройство для жидкости со струеформирующими элементами, направленными вниз, и установленную под ним сетку, согласно изобретения новым является то, что ниже сетки размещена открытая сверху емкость, в которой при работе аппарата постоянно поддерживается слой обрабатываемой жидкости.
пр
пр
Кроме того, в предлагаемом аппарате в качестве дробящих сеток могут быть использованы сетки полотняного плетения с квадратными ячейками, соотношение размеров сетки может иметь значения d/S=0,08 -0,20, где d - диаметр проволоки, из которой изготовлена сетка, S -размер стороны ячейки в свету, расстояние от струеформирующего устройства до сетки может быть равным или превышать длину сплошного участка струй при рабочих условиях истечения их из струеформирующего устройства, глубина слоя жидкости в емкости под сеткой может быть не менее глубины проникновения газовых или паровых пузырьков в слой жидкости неограниченной глубины при тех же рабочих 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.
Технический результат реализации предлагаемого аппарата для тепло-массообмена заключается в образовании нового высокоэффективного участка тепло-массопередачи 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 тепло-массообмена 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 тепло-массокинетическим возможностям аналогичную барботажному слою, в котором пузырьки, всплывая в жидкости, турбулизируют ее, обеспечивая интенсивную тепло-массопередачу. В конденсаторе, который имеет заявляемую конструкцию, 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, 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 над сеткой составляла 0,29, а в принимающем слое под сеткой, в который погружались вторичные струи, образовавшиеся на сетке, - 0,928, т.е. в три раза больше. 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 заявляемого технического решения обеспечивает весьма значительные интенсификацию и увеличение полноты процесса тепло-массопереноса.
Анализ научно-технической и патентной литературы не выявил описания конструкции тепло-массообменных аппаратов с заявляемой совокупностью отличительных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна», а несомненные и значительные преимущества его - о соответствии критерию «существенные отличия».
Заявляемый аппарат для тепло-массообмена иллюстрируется 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 фиг1. На фиг.3 показаны направление и характерные формы движения жидкости по заявляемому аппарату. На фиг.4 представлен вариант конструкции, в котором емкостью для принимающего слоя жидкости служит нижняя часть корпуса аппарата. Фиг5 изображает аппарат для тепло-массообмена - абсорбер или охладитель газа - заявляемой конструкции с струеобразующим устройством, выполненным в виде форсунки.
Конструкция заявляемого аппарата для тепло-массообмена, предназначенная для конденсации пара (фиг.1),также как и аппарат, принятый за прототип, содержит корпус 1, в верхней части которого расположена распределительная полка 2 со струеформирующимиии отверстиями 3. Под распределительной полкой установлена сетка 4 а под ней - емкость для воды в виде поддона 5. Аппарат снабжен также патрубками: 6 - для подвода пара, 7 - для подвида 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 тепло-массообменный 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 газо-жидкостная смесь 14 с интенсивной тепло-массопередачей. 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 тепло-массообмен между газом и жидкостью и высокую полноту этого процесса.
Как показали опыты при полотняном плетении сетки меньше потери энергии ударяющих в них 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 тепло-массопередачи в аппарате.
Размер ячеек сетки обусловливает диаметр вторичных струй и, соответственно, - поверхность тепло-массообмена под сеткой. На этот параметр влияет также диаметр проволоки, из которой изготовлена сетка. Заявляемое соотношение этих величин является рациональным, так как ограничивает диапазон с наиболее эффективной тепло-массопередачей под сеткой и 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 среды 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 осуществления тепло-массообмена позволяет существенно увеличить интенсивность и полноту процесса теплопереноса
по сравнению с известными способами и аппаратами. Это достигается возникновением при этой реализации нового высокоинтенсивного компактного участка тепломассопереноса, что не обеспечивается при использовании известных способов и устройств.