Регулярная насадка для процессов тепломассообмена

Полезная модель относится к химической промышленности, конкретно к конструктивным решения регулярных насадок, предназначенных для осуществления процессов тепло - и/или массообмена в системе газ (пар) - жидкость, предпочтительно в малогабаритных, вентиляторных градирнях оборотного водоснабжения, а также может найти применение в различных отраслях для осуществления технологических процессов, связанных с контактом газа и жидкости: абсорбции, ректификации, очистки и осушки газов и т.д.
Из уровня техники известна регулярная насадка для осуществления различных тепломассообменных процессов, содержащая ряд гофрированных пластин из композиционного материала ситчатой структуры на основе филоментных волокон и матрицы, имеющих продольно направленные гофры и поперечные чередующиеся выступы и канавки, благодаря чему за счет повторяющегося совмещения струйного и пленочного режимов и их взаимодействия в ней достигается увеличение поверхности контакта фаз, что повышает эффективность насадки (RU 2138327, публ. 1999 г). Материал гофрированных пластин позволяет эксплуатировать насадку и в условиях агрессивных сред, но усложненный способ изготовления гофрированных пластин насадки значительно удорожает ее.
Известна регулярная насадка для тепло- и массообменных аппаратов, имеющая ряд вертикально расположенных гофрированных пластин, собранных в пакеты параллельно друг другу и с зазорами между ними, а также с зазором в соседних по высоте пакетах, достаточными для развития поверхности плёнки стекающей жидкости и использования так называемых "концевых эффектов" (RU 2533722, публ. 2014 г.). В этом аналоге повышение эффективности процесса достигают за счет выполнения на гофрированных пластинах просечек, позволяющих стекающей жидкости перетекать с одной стороны пластины на другую, вызывая дополнительное поперечное перемешивание жидкости. Размещение просечек горизонтальными рядами, в чередующемся порядке с рядами гофров приводит к увеличению габарита гофрированных пластин.
Известна также регулярная насадка для аппаратов, осуществляющих процесс массо- или теплообмена (RU 2500468, публ. 2013 г.), каждый пакет (слой) в который составлен из ряда параллельных гофрированных пластин с наклонными гофрами синусоидальной или треугольной формы, вертикально установленных с обеспечением зазора между ними посредством дистанционных проставок. Гофрированные пластины могут быть изготовлены из металла, пластика или керамики, допускающих использование насадки при работе в жестких эксплуатационных условиях. Пакеты по высоте насадки устанавливаются друг на друга с поворотом смежных пакетов на определенный угол. Эффективность процесса массо- и/или теплообмена в этом аналоге обеспечивается увеличением активной поверхности насадки за счет повышения высоты пакетов (слоев), которую назначают в диапазоне от 2 и 7/8 дюймов до более чем 6 дюймов, что следует отнести к недостатку такой насадки.
e
e
e
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) предлагаемой полезной модели  определена регулярная  насадка для  тепломассообмена (RU 2450231, публ. 2012 г.), применяемая в качестве оросителя градирни и представляющая собой n число модульных блоков, выполненных многослойными, каждый слой в которых выполнен в виде пакета, образованного рядом установленных вертикально параллельных друг другу гофрированных пластин с наклонными гофрами, и в которой пакеты установлены по высоте блока горизонтальными рядами вплотную друг к другу и с поворотом относительно друг друга на 90 градусов, а высота Н каждого слоя определяется соотношением H=m⋅d, где d- эквивалентный диаметр канала насадки, равный d=4F/П; F - площадь активного сечения отверстия канала; П - периметр отверстия канала. Насадка - прототип выполнена с уменьшенной, по сравнению с предыдущими аналогами, высотой Н слоев и относится к короткослоевым (целесообразность такого выполнения слоев насадки с точки зрения повышения ее эффективности подтверждена проведенными исследованиями - см. статью «Оптимизация конструкции короткослоевой насадки градирен, Лагуткин М.Г., Цурикова Н.П., Пушнов А.С. //Энергосбережение и водоподготовка. 2017 г., №1, с.23»), и обладает повышенной эффективностью, однако в ней недостаточно полно использована возможность дальнейшего снижения высот Н слоев для расширения диапазона их допустимых значений. К тому же в прототипе для формирования пакетов используют расширенную номенклатуру гофрированных пластин, что не во всех случаях применения такой насадки экономически целесообразно.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, направлена на расширение арсенала технических решений в области аппаратуры для осуществления тепломассообмена путем дальнейшего уменьшения высоты слоев насадки и расширения диапазона оптимальных высот Н, а также диапазона применения короткослоевой насадки.
Технический результат состоит в достижении заявленной задачи.
e
отличие от прототипа
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в регулярной насадке для процессов тепломассообмена, содержащей n число многослойных модульных блоков, каждый слой в которых выполнен в виде пакета, образованного рядами установленных вертикально параллельных друг другу гофрированных пластин с наклонными гофрами, причем пакеты установлены по высоте блока горизонтальными рядами вплотную друг к другу и с поворотом на 90 градусов, а высота Н каждого слоя выбирается из установленного диапазона величин эквивалентного диаметра канала насадки d, определяемого по соотношению 4F/П, где F - площадь активного сечения отверстия канала; П - периметр отверстия канала, в  высота Н каждого слоя выбирается из диапазона 1,1÷3,5 de, а гофрированные пластины в каждом пакете размещены с соблюдением зазора А между ними, оптимизированного для обеспечения беспрепятственного течения взаимодействующих фаз обмена при исключении зон низкой текучести.
Дополнительные отличительные признаки состоят в том, что
зазоры А между гофрированными  пластинами в пакете обеспечиваются посредством дистанцирующих элементов;
пл
пл
2
3
2
зазор А=B 2 δ, где В - коэффициент равный 1,28÷2,8; δ - толщина пленки стекающей жидкости, определяемая в зависимости от ускорения свободного падения, м/с, линейной плотности орошения м/(м⋅с), кинематического коэффициента вязкости,  м/с;
гофрированные пластины выполнены с гофрами синусоидальной формы;
гофрированные пластины выполнены с гофрами трапециевидной формы;
гофрированные пластины выполнены из стали повышенной коррозионной стойкости, например марки AISI 316L.
На представленных чертежах: на фиг.1 дан общий вид блока насадки; на фиг.2 - общий вид отдельного слоя (пакета) блока; на фиг.3 - примеры форм гофр; на фиг.4 - конкретный пример применения предлагаемой насадки.
пл
пл
Описание сущности конструктивного построения и работы предлагаемой регулярной насадки дано на конкретном примере ее использования в качестве оросителя градирни оборотного водоснабжения. Насадка содержит несколько многослойных модульных блоков 1, помещенных внутри колонны 2 градирни, например два, (фиг. 4) каждый из которых состоит из нескольких горизонтально расположенных слоев - пакетов 3, размещенных по высоте блока вплотную друг к другу и с поворотом каждого из них относительно предыдущего на 90°. Каждый пакет 3 образован несколькими рядами вертикально установленных параллельно друг другу гофрированных пластин 4, выполненных с наклонно расположенными по отношению к горизонтальной кромке пластины гофрами 5 синусоидальной или трапециевидной формы (фиг.3). Пластины 4 в пакетах 3 установлены с технологическим зазором А между собой, размер которого должен обеспечивать оптимальные характеристики беспрепятственного течения взаимодействующих фаз обмена и при этом исключать вероятность появления зон низкой текучести. Величина зазора А может определяться, например, как А=B×2 δ, где В - коэффициент, равный 1,28÷2,8; δ - толщина пленки стекающей жидкости,  зависящая от ускорения свободного падения, линейной плотности орошения и кинематического коэффициента вязкости среды. Установленный таким образом оптимизированный зазор А может обеспечиваться любым известным целесообразным средством или приемом, например посредством пропущенных по верху и/или низу пластин 4 дистанцирующихся стержней 6 (фиг.2), на которых пластины  фиксируются, например сваркой, в соответствии с требуемым зазором. Пластины  4 могут быть изготовлены из любого, целесообразного назначению насадки, материала. При тяжелых условиях работы с агрессивными средами предлагается изготавливать их из стали повышенной коррозионной стойкости, например марки AISI 316L.
e
e
3
При использовании предлагаемой регулярной насадки в аппаратах другого назначения число и конфигурация блоков 1, число пакетов 3 в блоках и их параметры, к примеру: диаметр и высота Н, определяются требуемыми служебными характеристиками конкретного аппарата тепломассообмена, его габаритами и производительностью. При этом высота пластин 4 и, соответственно, пакетов 3 определяется по формуле Н=m×d, где m - коэффициент равный 1,1÷3,5; d - эквивалентный диаметр канала насадки, определяемый соотношением 4F/П, где F - площадь активного сечения отверстия канала; П - периметр отверстия канала. При реализации заявленной насадки в малогабаритной вентиляторной градирне производительностью по охлаждаемой воде 10 м/час пакет 3 выполняется с высотой Н не более 20 мм.
Регулярная насадка работает следующим образом. Жидкая фаза подаётся на верхний пакет 3, собранный из вертикально установленных гофрированных пластин 4 и обтекает их с двух сторон в виде тонкой плёнки, контактируя с потоками газа, восходящими по свободным каналам образованными взаиморасположением гофрированных пластин 4.
Установка пакетов 3 с поворотом на 90° относительно соседних по высоте пакетов, способствует развитию активной поверхности контакта взаимодействующих фаз, за счёт более частого разрыва и обновления плёнки, стекающей жидкости, а уменьшение высоты пакета 3 позволяет увеличить число "концевых эффектов" в сравнении с тем же объёме насадки с большей высотой пакета, т.е. участков локальной турбулизации (волнообразования) плёнки жидкости при её перетекании между соседними слоями (пакетами), характеризующихся интенсивным перестроением профиля скорости потока.
Таким образом, за счёт турбулизации гравитационного стекания по поверхности насадки плёнки жидкости удаётся интенсифицировать процессы тепло- и массообмена между контактирующими потоками за счет повышения удельной поверхности и турбулизации потоков внутри слоя насадки.
Возможность дальнейшего снижения высоты пакетов в предлагаемой регулярной насадке, по сравнению с прототипом, позволяет уменьшить габариты насадки в целом и расширить диапазон ее применения разнообразными малогабаритными аппаратами тепломассообмена, к примеру, используемыми в бытовых или промышленных кондиционерах, климатических установках.