Тепломассообменное устройство

Решение 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 умеренных тепловых эффектов, сопровождающих сорбционные и хемосорбционные процессы.
Известно тепломассообменное устройство [1], включающее корпус, 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 При этом 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, фрагменты коллекторов между блоками герметично соединены между собой, теплопроводящие элементы выполнены с продольными гофрами, а контактные пластины – с продольными или наклонными гофрами.
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является прототипом.
Устройство работает следующим образом. Теплоноситель подается в каналы для теплоносителя, образованные вертикально установленными контактными парами пластин, через штуцера. Жидкость подается в устройство сверху, газ, распределяясь в каналах, снизу. Происходит контакт фаз.
Тепломассообменное устройство-прототип характеризуется неравномерным распределением жидкости по пластинам (крайние пластины хуже орошаются, степень смачивания составляет 30–50%), неудобством монтажа коллектора, низкой турбулизацией теплоносителя и соответственно не высоким коэффициентом теплопередачи.
Предлагаемым решением ставится задача повышение удобства монтажа коллектора, улучшение равномерности распределения жидкости по элементам и снижение пристеночного эффекта, увеличение скорости движения теплоносителя, как следствие увеличение коэффициента теплоотдачи от теплоносителя.
Технический результат – совершенствование конструкции коллектора, изменение расположения и формы газожидкостных каналов, совершенствование пространства для движения теплоносителя.
Этот технический результат достигается тем, что в тепломассообменном устройстве, включающем корпус (обечайку), коллектор для отвода и подачи теплоносителя, выполненный в виде кольцевых труб, соединенных, посредством штуцеров с каналами для теплоносителя, пластины и установленные перфорированные гофрированные теплопроводящие элементы, каналы имеют радиальное расположение. Пластины установлены вдоль радиуса обечайки и  попарно объединены в теплообменные модули. Во внутреннюю полость модулей подается теплоноситель. Пространство между модулями образует газожидкостные каналы, в каждом из которых установлены перфорированные гофрированные теплопроводящие элементы, расположенные по окружности или радиально. Это позволяет улучшить орошение устройства, уменьшить неравномерность распределения жидкости по сечению устройства. За счет изменения расположения коллекторов для отвода и подвода теплоносителя (над и под слоем устройства) достигается удобство монтажа и ремонта, так как обеспечивается удобный подход к соединениям со всех сторон. За счет установки перегородок в канале для теплоносителя увеличивается скорость его движения, и как следствие – повышается теплоотдача с его стороны. При этом перегородки выполняются наклонными.
Предлагаемое тепломасообменное устройство приведено на чертежах: на фиг. 1 – общий вид в разрезе; на фиг. 2 – вид сверху; на фиг. 3 – показан теплообменный модуль; на фиг. 4 – Объемная модель устройства.
В описании и на чертежах приняты обозначения:
1 – корпус,
2 – теплообменный модуль (канал для подачи теплоносителя),
3 – трубопровод подачи/отвода теплоносителя,
4 – распределительный коллектор,
5 – газожидкостной канал,
6 – сетчатый теплопроводящий элемент,
7 – фланец,
8 – боковая стенка модуля (пластина),
9 – перегородки.
Теплообменное устройство установлено в корпусе 1, включает круговые трубопроводы – коллектор 4 для отвода и подачи теплоносителя. Через него теплоноситель подается в каналы 2 (фиг. 1). Пары контактных пластин 8 (боковые стенки модуля), установленные вертикально, образуют канал 2 для подачи теплоносителя, который поступает и отводится по трубопроводу 3. Смежные пары пластин 8 образуют газожидкостные каналы 5. В каждом газожидкостном канале 5 установлен перфорированный гофрированный теплопроводящий элемент 6 с гофрами, аналогичными описанном в [1].
Каждая контактная пара пластин 8, примыкающие к ней участки газожидкостных каналов 5, отделенные от соседних участков теплопроводящими элементами 6 и соединены в блоки. Сверху и снизу модуля имеются штуцера, которые могут быть герметично соединены фланцами 7, муфтой и т.п. Гофры на теплопроводящих элементах образуют на одной стороне теплопроводящего элемента 6 сужающиеся треугольные каналы, на другой стороне каналы чередуются – то сужаются, то расширяются, аналогично [1]. На пластинах также имеются прямые или наклонные гофры. Внутри каналов для теплоносителя установлены наклонные перегородки. Перегородки условно показаны на Фиг. 3. Перегородки увеличивают скорость движения теплоносителя, турбулизируют поток, а значит значительно интенсифицируют теплоотдачу со стороны теплоносителя.
Сборка тепломассообменного устройства осуществляется присоединением теплообменных модулей с коллектором 4 в узле 7. Также между модулями устанавливаются теплопроводящие элементы 6.
Устройство работает следующим образом. Газовая фаза подается сверху или снизу, распределяясь в газожидкостных каналах 5. Жидкая фаза подается сверху (или снизу), распределяясь по тепломассообменным блокам и перфорированным гофрированным элементам 6. Фазы контактируют на их поверхности, где происходит массообменный процесс. В канале 2 через штуцера подается теплоноситель (вода или пар). Таким образом, на поверхности модулей (на стенках 8) происходит еще и теплообменный процесс. Теплопроводящие элементы участвуют и при теплообменном процессе. Возможна работа в затопленном режиме.
Гофры на теплопроводящих элементах и контактных пластинах увеличивают поверхность контакта. Выполнение гофр в виде сужающихся треугольных каналов на одной стороне, чередующимися на другой стороне обеспечивает хорошее перемешивание жидкости, легкий переход ее от пластин 8 к теплопроводящим элементам 6 и наоборот.
Радиальное расположение модулей, формирующих каналы, устраняет эффект неравномерного смачивания устройства, так как отсутствуют изолированные пристеночные зоны, с малым орошением их жидкостью.
Установка подводящих и отводящих трубопроводов в верхней и нижней части устройства повышает технологичность и удобство обслуживания за счет большего рабочего пространства и возможности осмотра с любой стороны.
На основании выше изложенного можно сделать вывод, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна». Авторам не известны решения со сходными отличительными признаками, на основании чего можно сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». А испытания на макете подтвердили промышленную применимость устройства.
1. Пат. РФ Ru 141 498, кл В 01 D 3/28. Тепломассообменное устройство/ А.В. Степыкин, А.А. Сидягин; заявитель НГТУ им. Р.Е. Алексеева.– опубл. Бюл № 16, 2014.