ПЛЕНОЧНЫЙ ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Техническое решение относится к трубчатым тепломассообменным аппаратам и может быть использовано в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей металлургической, машиностроительной, и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах абсорбции, хемосорбции, десорбции, выпаривания и мембранного разделения.
Известны трубчатые пленочные абсорберы, состоящие из вертикального пучка труб, закрепленных в трубчатых решетках. Для подачи орошающей жидкости к стенкам труб служат специальные устройства. В межтрубном пространстве абсорбера движется охлаждающая жидкость (обычно вода) для отвода выделяющегося при адсорбции тепла (В.М. Рамм. Абсорбция газов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1976, с. 307; Шаповалов Ю.Н., Шеин В.С. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. Издательство Воронежского университета, 1982, с. 133; Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т. 1, Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2003, с. 663-665).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая скорость массо- и теплопереноса на границе пленки жидкости с газом и внутренней поверхностью трубы из-за невысоких скоростей движения пленки жидкости и газа относительно друг друга.
Известен пленочный абсорбер, включающий корпус, патрубки для ввода и вывода фаз, устройство для диспергирования жидкости в газовом потоке, насадку из трубных пучков, закрепленных в трубных решетках (авт. св. СССР №118487, B01J 1/22, 1960).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая скорость движения пленки жидкости, образующейся на внутренней поверхности трубок трубных пучков, относительно газового потока, движущегося в центральной части этих трубок, что уменьшает скорость массо- и теплопереноса на границе поверхности от пленки жидкости с газам и теплопереноса от жидкости к внутренней поверхности трубок.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, является пленочный трубчатый тепломассообменный аппарат, содержащий вертикальный корпус, верхнюю и нижнюю камеры, верхнюю и нижнюю трубные решетки, тепло-массообменные трубы, закрепленные в трубных решетках так, что концы труб выступают на верхней трубной решеткой, подключенные к корпусу штуцера подвода и отвода теплоносителя, штуцера ввода и вывода жидкости, подсоединенные к камерам с противоположных концов аппарата, газовые штуцера, подключенные к камерам с противоположных концов аппарата, полку, установленную параллельно верхней трубной решетке и снабженную отверстиями и бортами, патрубки, герметично установленные в отверстиях полки, а также трубу для подвода жидкости к полке от штуцера ввода жидкости, при этом патрубки в отверстиях полки выполнены со сплошными стенками, на центральном патрубке соосно установлена камера распределения жидкости со сплошными стенками, герметично закрытая с верхнего конца и открытая с нижнего конца, причем борта полки выполнены с зубчатыми верхними торцами, а труба для подвода жидкости к полке подключена тангенциально к камере распределения жидкости (описание изобретения к патенту №2104755 РФ, B01D 53/18, 1998).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная скорость тепломассообменных процессов внутри труб между пленкой жидкости, стекающей по внутренней поверхности труб, и газом, и теплообменного процесса между пленкой жидкости и внутренней поверхностью труб из-за малой скорости на границе поверхности пленки жидкости с газом и жидкости на внутренней поверхности труб.
Задачей предлагаемой конструкции пленочного трубчатого тепломассообменного аппарата является увеличение скорости движения пленки жидкости относительно потока газа и внутренней поверхности труб.
Техническим результатом является повышение эффективности тепломассопередачи в аппарате на границе поверхности пленки жидкости и газа и теплопереноса между пленкой жидкости и внутренней поверхностью труб за счет вибрации пленки жидкости относительно газа и внутренней стенки труб.
Поставленный технический результат достигается тем, что в пленочном трубчатом тепломассообменном аппарате, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, верхнюю и нижнюю камеры, верхнюю и нижнюю трубные решетки, теплообменные трубы, закрепленные в трубных решетках так, что концы труб выступают над верхней трубной решеткой, подключенные к корпусу штуцера подвода и отвода теплоносителя, штуцера ввода и вывода жидкости и газа, подсоединенные к камерам с противоположных концов аппарата, полку, установленную параллельно верхней трубной решетке и снабженную отверстиями и бортами, патрубки со сплошными стенками, герметично установленные в отверстиях полки, трубу для подвода жидкости к полке от штуцера ввода жидкости, отличающийся тем, что внутри каждой теплообменной трубы по всей длине осесимметрично с ней установлена цилиндрическая пружина с грузом, закрепленная на верхнем торце теплообменной трубы, причем масса груза определяется по формуле:
где m - масса груза, кг;
a
- упругость пружины, Н/м;
l - длина труб, м;
c - скорость звука в газе, м/с,
а отношение наружного диаметра цилиндрической пружины к внутреннему диаметру теплообменной трубы, определяется условием:
где d и D - соответственно наружный диаметр цилиндрической пружины и внутренний диаметр теплообменной трубы, м.
Осесимметричная установка цилиндрической пружины с грузом массой т, определяемой по формуле (1), в каждой теплообменной трубе по всей ее длине с закреплением на верхнем конце теплообменной трубы верхнего конца пружины позволяет вести тепломассообменный процесс в режиме резонансных автоколебаний витков пружины с собственной частотой колебаний газа в трубе, а так как эти автоколебания витков пружины вызывают увеличение поверхности контакта фаз и скорости тепломассообменных процессов на этой поверхности [В.М. Рамм. Абсорбция газов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1976, 395 с; А.С.Тимонин, Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник. Изд. 2-е. Том 2. - Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2002, 904 с, 906 с], то эффективность тепломассопередачи в аппарате увеличивается.
Выполнение наружного диаметра витков цилиндрической пружины в соответствии с условием (2) позволяет пружине совершать автоколебания на границе «пленка жидкости - газ» без соприкосновения с внутренней стенкой трубы и трения об нее, что снижало бы амплитуду колебаний и уменьшало эффект увеличения скорости тепломассообменных процессов.
Увеличение верхнего предела условия (2) выше указанной величины, равной 0,97, может приводить к трению витков пружины о стенки трубы из-за радиального раскачивания пружины с грузом относительно оси трубы, что как сказано выше уменьшает скорость тепломассообменных процессов.
Уменьшение нижнего предела условия (2) ниже указанной величины, равной 0,97, снижает влияние вибрации на пленку жидкости, так как витки пружины оказываются вне границы пленки жидкости с газом. Это уменьшает скорость тепломассообменных процессов на границе пленки жидкости с газом и тепловых процессов на внутренней поверхности теплообменных труб и площадь поверхности этой границы.
На фиг. 1 изображен общий вид пленочного трубчатого тепломассообменного аппарата, на фиг. 2 - теплообменная труба с осесимметрично установленной в ней по всей длине цилиндрической пружины с грузом, закрепленной на верхнем торце трубы.
Пленочный трубчатый тепломассообменный аппарат содержит вертикальный корпус 1, верхнюю 2 и нижнюю 3 камеры, верхнюю 4 и нижнюю 5 трубные решетки с закрепленными в них теплообменными трубами 6. К корпусу 1 аппарата подключены штуцера ввода 7 и вывода 8 теплоносителя, причем штуцера ввода 9 и вывода 10 жидкости, штуцера подвода 11 и вывода 12 газа присоединены к камерам 2 и 3 с противоположных концов аппарата. Параллельно с верхней трубной решеткой 4 установлена полка 13 с отверстиями 14 и бортами 15. В отверстиях 14 полки 13 герметично установлены патрубки 16 со сплошными стенками для прохода газа из теплообменных труб 6. Штуцер 9 ввода жидкости снабжен трубой 17 для подачи жидкости на полку 13. В каждой теплообменной трубе 6 осесимметрично с ней по всей длине l установлена цилиндрическая пружина 18, наружный диаметр d которой подчиняется условию (2). Верхний конец цилиндрической пружины 18 закреплен на верхнем торце теплообменной трубы 6, а нижний снабжен грузом 19, масса которого подчиняется формуле (1).
Пленочный трубчатый тепломассообменный аппарат работает следующим образом.
По штуцеру 11 подвода газа подают газ в нижнюю камеру 3, который из этой камеры поступает внутрь теплообменных труб 6 и движется по ним снизу вверх, проходит по патрубкам 16, попадает в верхнюю камеру 2 и удаляется через штуцер выхода газа 12.
Одновременно с подачей газа жидкость поступает по штуцеру 9 ввода жидкости через трубу 17 на полку 13, где формирует кольцевую пленку жидкости, образующуюся в кольцевом зазоре между отверстиями 14 и наружными сплошными стенками патрубков 16. Слой жидкости внутри полки 13 удерживается бортами 15, обеспечивая тем самым непрерывную подачу кольцевых пленок жидкости на внутренние боковые стенки теплообменных труб 6 и течение по ним сверху вниз. Из теплообменных труб 6 жидкость поступает в нижнюю камеру 3 и отводится по штуцеру вывода 10 жидкости из аппарата. Для отвода тепла по штуцеру подвода 7 теплоносителя непрерывно подается в межтрубное пространство теплоноситель, который отводится через штуцер отвода 8 теплоносителя.
Так как масса груза 19 подчиняется формуле (1), то витки цилиндрической пружины 18 имеют частоту колебаний, равную частоте колебаний газа в теплообменной трубе 6 длиной l, то есть витки цилиндрической пружины 18 совершают автоколебания в режиме резонанса с частотой f, определяемой по уравнению:
(Б.М. Яворский и А.А. Детлаф. Справочник по физике - Государственное издательство физико-математической литературы. - М.: 1963, с. 102).
В этом же справочнике (с. 510) собственная частота колебаний газа в цилиндрической трубе определяется по уравнению:
Из совместного решения уравнений (3) и (4) получается формула (1) для массы m груза 19, обеспечивающей резонансные колебания витков цилиндрической пружины 18. Так как наружный диаметр d витков цилиндрической пружины 18 и внутренний диаметр D теплообменной трубы 6 подчиняются условию (2), то витки цилиндрической пружины 18 приводят в колебательное движение кольцевую границу между пленкой жидкости и газом, что увеличивает поверхность этой границы и скорость тепломассообменных процессов между пленкой жидкости и газом. Эти колебания, идущие с большой амплитудой, так как они совершаются в режиме резонанса, интенсифицируют также теплообменный процесс на внутренней стенке теплообменной трубы 6, что повышает эффективность тепломассопередачи в аппарате.
Пример. Скорость звука в воздухе с=330 м/с; длина теплообменных труб 6 равна /=5 м; упругость цилиндрической пружины 18 «=35000 Н/м, это значит, что под действием силы 35 кг она растягивается на 0,01 м.
Тогда из условия (1) получаем, что масса т груза 19, обеспечивающего резонансные колебания витков цилиндрической пружины 18 с собственными колебаниями воздуха в теплообменной трубе 6, должна быть:
кг.
Собственная частота колебаний воздуха в теплообменной трубе 6 рассчитана по уравнению (4):
f=330/2-5=33,
а частота колебаний витков цилиндрической пружины 18, рассчитана по уравнению (3):
,
то есть условие резонанса соблюдается.
Таким образом, осесимметричная установка внутри каждой теплообменной трубы 6 по всей ее длины цилиндрической пружины 18 с грузом 19 массой m, определяемой по формуле (1), верхний конец которой закреплен на верхнем торце теплообменной трубы 6, при отношении наружного диаметра d цилиндрической пружины 18 к внутреннему диаметру D теплообменной трубы 6, соответствующему условию (2), позволяет увеличить поверхность и скорость тепломассопереноса на границе пленки жидкости с газом и теплопереноса от пленки жидкости к внутренней поверхности теплообменной трубы 6 за счет резонирующих автоколебаний витков цилиндрической пружины 18 с совпадающими с ними по частоте собственными колебаниями газа в трубе, что приводит к возрастанию эффективности тепломассопередачи в аппарате.