ПЛЕНОЧНЫЙ ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Техническое решение относится к трубчатым тепломассобменным аппаратам и может быть использовано в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки газов от вредных примесей в процессах абсорбции, хемосорбции, десорбции и выпаривания.
Известны трубчатые пленочные абсорберы, состоящие из вертикального пучка труб, закрепленных в трубных решетках. Для подачи орошающей жидкости к стенкам труб служат специальные устройства. В межтрубном пространстве абсорбера движется охлаждающая жидкость (обычно вода) для отвода выделяющегося при абсорбции тепла (В.М. Рамм. Абсорбция газов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1976, с. 307; Шаповалов Ю.Н., Шеин B.C. 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 недостаточная интенсивность теплопереноса от пленки жидкости и газа к внутренней поверхности трубы из-за малой теплопередающей поверхности труб.
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, B0/I1/22,1960).
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип, является пленочный трубчатый тепломассообменный аппарат, содержащий вертикальный корпус, верхнюю и нижнюю камеру, верхнюю и нижнюю трубные решетки, теплообменные трубы, закрепленные в трубных решетках, подключенные к корпусу штуцера подвода и отвода теплоносителя, штуцера ввода и вывода жидкости и газа, подсоединенные к камерам 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 внутри каждой теплообменной трубы по всей ее длине осесимметрично установлена цилиндрическая пружина с грузом, масса которого определяется в виде
,
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 трубы, м.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная теплопередающая боковая поверхность теплообменных труб, что приводит к уменьшению теплопереноса от жидкости и газа, двигающихся внутри труб к их боковой поверхности теплопередачи (описание полезной модели №148728 РФ B01D 3/28, B01D 1/22, 2014)
Техническим результатом предлагаемой конструкции пленочного трубчатого тепломассообменного аппарата является увеличение теплопереноса между жидкостью, газом и теплоносителем.
Поставленный технический результат достигается тем, что в пленочном трубчатом тепломассообменном аппарате, содержащем вертикальный корпус, верхнюю и нижнюю камере, верхнюю и нижнюю трубные решетки, тепло-обменные 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, при этом внутри каждой теплообменной трубы по всей длине осесимметрично с ней установлена цилиндрическая пружина с грузом, масса которого определяется по формуле:
где m - масса груза, кг;
a
- упругость пружины, Н/м;
l - длина теплообменной трубы, 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, отличающийся тем, что цилиндрическая пружина выполнена в виде трубки, верхний конец которой соединен с коллектором для подвода теплоносителя, а нижний - с коллектором для отвода этого теплоносителя через гофрированную манжету.
Изготовление цилиндрической пружины из трубки позволяет использовать поверхность боковых стенок трубки для теплопереноса и способствует увеличению теплопередачи. Соединение верхнего конца каждой трубки цилиндрической пружины с коллектором подвода теплоносителя, а нижнего - с коллектором его отвода позволяет подводить теплоноситель внутрь трубок и отводить его из них, то есть использовать цилиндрическую пружину в качестве змеевика для охлаждения или нагревания жидкости или газа, движущихся противотоком внутри каждой теплообменной трубы, что также способствует интенсификации теплопередачи между газом и жидкостью в теплообменных трубах и теплоносителем.
a
Соединение нижнего конца каждой трубки с коллектором отвода теплоносителя через гофрированную манжету, позволяет обеспечить резонансный режим колебаний массы m груза и цилиндрической пружины с упругостью  с собственными колебаниями газа в теплообменных трубах при выполнении условия (1), так как гофрированная манжета обеспечивает возможность колебаний в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Таким образом, изготовление цилиндрической пружины в виде трубки, верхний конец которой соединен с коллектором для подвода теплоносителя, а нижний через гофрированную манжету с коллектором для отвода дополнительного теплоносителя, позволяет увеличить поверхность теплопередачи и обеспечить режим резонансных колебаний цилиндрической пружины с газом, движущимся в трубах, а значит увеличить теплоперенос между жидкостью и газом в трубах и теплоносителем, подаваемым в трубку, образующую цилиндрическую пружину.
На фиг. 1 представлен разрез пленочного трубчатого тепломассообменного аппарата предлагаемой конструкции, на фиг. 2 - разрез одной теплообменной трубы с осесимметрично установленной в ней цилиндрической пружиной из трубки, верхний конец которой присоединен к коллектору для подвода теплоносителя, а нижний - через гофрированную манжету к коллектору для отвода теплоносителя.
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, при этом концы теплообменных труб 6 выступают над верхней трубной решеткой 2. К корпусу 1 аппарата подключены штуцера подвода 7 и отвода 8 теплоносителя, штуцера ввода 9 и вывода 10 жидкости, штуцера подвода 11 и отвода 12 газа. 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 ввода 9 жидкости снабжен трубой 17 для подачи жидкости на полку 13. Осесимметрично с каждой теплообменной трубой 6 внутри них по всей длине установлена цилиндрическая пружина 18, выполненная в виде трубки, причем наружный диаметр d пружины 18 подчиняется условию (2). Нижний конец трубки цилиндрической пружины 18 соединен с грузом 19, масса которого подчиняется условию (1), и с коллектором 20 отвода теплоносителя через гофрированную манжету 21. Верхний конец трубки цилиндрической пружины 18 соединен с коллектором 22 для дополнительного подвода теплоносителя.
Пленочный трубчатый тепломассообменный аппарат работает следующим образом.
По штуцеру 11 ввода газа подают газ в нижнюю камеру 3, который из этой камеры поступает внутрь теплообменных труб 6 и движется по ним снизу вверх, проходит по теплообменным трубам 6 и через патрубки 16 попадает в верхнюю камеру 2, а затем удаляется через штуцер выхода газа 12. Одновременно с подачей газа жидкость поступает по штуцеру ввода 9 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, которые поступают 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 жидкости 10 из аппарата. Для отвода тепла по штуцеру 7 непрерывно подается в межтрубное пространство теплоноситель, который отводится через штуцер отвода теплоносителя 8.
Кроме того, по коллектору 22 в каждую трубку, образующую цилиндрическую пружину 18 дополнительно подают теплоноситель, который отводят через гофрированную манжету 21 в коллектор 20 отвода теплоносителя.
Так как масса груза 19 подчиняется условию (1), то витки цилиндрической пружины 18, выполненной из трубки, имеют частоту колебаний, равную частоте колебаний газа в теплообменной трубе 6 длиной l, то есть витки 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 условие (1) для массы m груза 19, обеспечивающей резонансные колебания витков пружины 18. Так как наружный диаметр квитков пружины 18 и внутренний диаметр D теплообменной трубы 6 подчиняется условию (2), то витки пружины 18 приводят в колебательное движение кольцевую границу между пленкой жидкости и газом, что увеличивает скорости тепломассообменных процессов. Эти колебания, идущие с большой амплитудой, так как они совершаются в режиме резонанса, интенсифицируют также теплообменный процесс на внутренней стенке трубы, а теплоноситель, двигающийся внутри каждой трубки цилиндрической пружины 18, обеспечивает дополнительный теплоперенос между газом и жидкостью в трубах 6 и теплоносителем.
B
с
с
Пример. В каждой теплообменной трубе 6 с внутренним диаметром D=0,08 м установлена цилиндрическая пружина 18 с наружным диаметром d=0,076 м, выполненная из трубки с внутренним диаметром d=0,010 м и толщиной стенки δ=0,001 м. В этом случае средний диаметр витка пружины 18 составит D=0,078 м, а средний диаметр трубки d=0,011 м.
Тогда длина одного витка пружины 18 составляет:
в
c
L=π·D=3,14·0,064≈0,2 м,
а площадь боковой поверхности одного витка пружины:
с
с
в
2
f=π·d·L=3,14·0,011·0,2=0,007 м.
Обычно витки пружины имеют зазор между смежными наружными поверхностями равный наружному диаметру трубки:
в
Δ=d+2δ=0,010+2·0,001=0,012 м.
Поэтому на одном метре высоты трубы умещается число витков n цилиндрической пружины 18:
шт.
Площадь боковой поверхности этих витков на 1 метр высоты теплообменной трубы 6:
в
с
n
2
F=f·=0,007·41=0,287 м,
при этом площадь поверхности 1 метра высоты теплообменной трубы 6:
Т
2
F=π·D=3,14·0,08=0,251 м.
Таким образом, выполнение цилиндрической пружины 18 из трубки позволяет увеличить теплопередающую поверхность от газа и жидкости к хладагенту в
раз,
то есть более чем в два раза увеличивает общую теплопередающую поверхность, а закрепление верхнего конца каждой трубки в коллекторе 22 подвода теплоносителя, а нижнего - в коллекторе 20 отвода теплоносителя через гофрированную манжету 21 позволяет обеспечить герметичность теплоносителя в трубках и сохранить возможность резонансных колебаний физического маятника, каким является цилиндрическая пружина 18 с грузом 19, и собственных колебаний газа в теплообменной трубе 6, что в целом способствует увеличению теплопереноса более чем в 2 раза.