RU2847848C1 - Тепломассообменное устройство с завихрителем - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к контактным устройствам, предназначенным для проведения тепло- и массообменных процессов в гетерогенных системах газ (пар) - жидкость. Изобретение касается тепломассообменного устройства, включающего цилиндрический корпус, коллектор в виде центральной трубы с центральной перегородкой для отвода и подачи теплоносителя в каналы, образованные вертикально установленными контактными парами пластин, смежные пары пластин образуют газожидкостные каналы, в каждом из которых установлены перфорированные гофрированные теплопроводящие элементы, при этом пластины попарно объединены в теплообменные модули, имеющие скругленную верхнюю и нижнюю грани, и установлены с эксцентриситетом по отношению к радиусу так, что одна из стенок составляет касательную с коллектором, при этом в центральную трубу устанавливаются завихрители в виде спиральной навивки, а в верхний и нижний штуцеры подачи установлены подводящие вставки в виде патрубков, имеющих зазор с центральной перегородкой. Технический результат - повышение интенсивности теплопередачи, а также общей эффективности работы устройства. 3 ил.

Description

Изобретение 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, процессы ректификации.

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.

Недостатками данного устройства является неравномерность работы по газовой и жидкой фазе, сложность монтажа, а также незначительное количество теплообменных модулей, размещаемых в аппарате.

Известен массообменный аппарат [2], содержащий корпус, в котором вдоль его продольной оси вертикально установлены два или несколько друг за другом тепломассообменные блоки, каждый блок сформирован из элементов, представляющих собой попарно сваренные по верхним и нижним торцам гофрированные или плоские спиралеобразные стенки, а элементы сварены между собой по боковым торцам и прилегают друг к другу, образуя внутренние спиралеобразные щелевые каналы для прохода одной среды в радиально-спиральном направлении и наружные спиралеобразные щелевые каналы для прохода другой среды в направлении вдоль оси аппарата; каждый блок имеет изолированные друг от друга внутреннюю и наружную полости, при этом внутренняя полость для прохода теплоносителя в радиально-спиральном направлении ограничена цилиндрическим корпусом аппарата, коаксиально установленной вдоль оси аппарата цилиндрической обечайкой, торцевыми кольцеобразными перегородками и включает внутренние спиралеобразные щелевые каналы, соединенные с патрубками входа и выхода теплоносителя, а наружная полость для прохода массообменных сред в направлении вдоль оси аппарата ограничена цилиндрическим корпусом аппарата, перегородками, установленными горизонтально между смежными блоками по высоте аппарата, и включает наружные спиралеобразные щелевые каналы, соединенные с верхней и нижней частями наружной полости, при этом в нижней части наружной полости каждого блока установлен сепаратор и каплеотбойник для отделения газа от жидкости, выходящих из наружных спиралеобразных щелевых каналов, а в верхней части наружной полости каждого блока установлено распределительное устройство для равномерного распределения стекающей вниз жидкости по поверхностям спиралеобразных стенок наружных спиралеобразных щелевых каналов, кроме того, дополнительно нижняя часть наружной полости каждого блока соединена каналом с верхней частью наружной полости выше установленного смежного блока для прохода газа в верхнюю часть наружной полости выше установленного смежного блока, а нижняя часть наружной полости каждого выше установленного блока соединена патрубками с верхней частью наружной полости смежного ниже установленного блока для перетока жидкости на распределительное устройство ниже установленного блока, нижняя часть наружной полости каждого блока соединена с патрубком вывода части жидкости (фракции) из аппарата.

Недостатками данного устройства является значительная сложность изготовления, проблемы с герметичностью при длительной эксплуатации, и высокое гидравлическое сопротивление при работе в противоточном режиме.

Известно тепломассообменное устойство [3], включающее цилиндрический 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, отличающееся тем, что коллектор выполнен в виде центральной трубы, пластины попарно объединены в теплообменные модули и установлены с эксцентриситетом по отношению к радиусу так, что одна из стенок составляет касательную с коллектором, также модули имеют скругленную верхнюю и нижнюю грани, подача теплоносителя в модули осуществляется тангенциально к коллектору, коллектор при этом участвует в теплообмене и имеет глухую перегородку, разделяющую его на две части: подводящую и отводящую.

Данное устройство выбрано в качестве прототипа, так как является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату.

Устройство работает следующим образом. Газовая фаза подается сверху или снизу, распределяясь в газожидкостных каналах. Жидкая фаза подается сверху (или снизу), распределяясь по поверхности тепломассообменных блоков и перфорированным гофрированным элементам. Фазы контактируют на их поверхности, где происходит массообменный процесс. В смежные каналы через штуцеры подается теплоноситель (вода или пар). Таким образом, на поверхности модулей (на стенках) происходит и теплообменный процесс. Возможна работа в затопленном режиме.

Тепломассообменное устройство-прототип включает центральную трубу, которая может составлять до 20% поверхности теплообмена, Из-за близости на ней штуцеров подачи и вывода теплоносителя внутри образуется застойная зона. Из-за большого объема полости трубы - скорость теплоносителя в ней невелика, это влияет на интенсивность теплоотдачи через стенку элемента.

Предлагаемым решением, приводящим к интенсификации процесса теплопередачи, является структурирование потока в центральной трубе и увеличение скорости движения теплоносителя в ней, в частности в зоне около стенки.

Технический результат - повышение интенсивности теплопередачи, а также общей эффективности работы устройства.

Этот технический результат достигается тем, что в тепломассообменное устройство, включающее цилиндрический корпус, коллекторы для отвода и подачи теплоносителя в канал, образованный вертикально установленными контактными парами пластин, смежные пары пластин образующие газожидкостные каналы, в каждом из которых установлены перфорированные гофрированные теплопроводящие элементы, имеющее коллектор выполненный в виде центральной трубы с глухой перегородкой, пластины попарно объединены в теплообменные модули и установлены с эксцентриситетом по отношению к радиусу так, что одна из стенок составляет касательную с коллектором, включены трубные вставки в верхнюю и нижнюю часть центральной трубы, установленные с зазором к перегородке, а также спиральная навивка по внутреннему контуру центральной трубы. Использование трубных вставок в соответствующие штуцеры, расположенные в нижней и верхней части устройства, позволяет разнести в пространстве зону подачи и отвода теплоносителя и исключить застойную зону. Выполненный во внутренней части центральной трубы завихритель в виде спиральной навивки создает канал для движения теплоносителя, что повышает скорость движения теплоносителя и турбулизирует его.

Тепломасообменное устройство приведено на чертежах: на фиг. 1 - общий вид сбоку; на фиг. 2 - вид сверху; на фиг. 3 - показана изометрическая проекция устройства без корпуса и теплопроводящих элементов.

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 - теплопроводящий элемент, 6 - подводящая вставка, 7 - завихритель в виде спирали.

Теплообменное устройство установлено в корпусе 1, включает трубопроводы 3 и коллектор 4 для отвода и подачи теплоносителя. Теплоноситель подается и отводится через подводящие вставки 6, установленные в центральном коллекторе. Проходя через завихритель 7 теплоноситель подается в каналы модулей 2 (фиг. 1, 2, 3). Пары контактных пластин (боковые стенки модуля), установленные вертикально, образуют канал 2 для подачи теплоносителя, который поступает и отводится по трубопроводу 3. Смежные пары пластин образуют газожидкостные каналы. В каждом газожидкостном канале установлен перфорированный гофрированный теплопроводящий элемент 5 с гофрами, аналогичными описанным в [1] и [3].

Контактные пластины попарно соединены в теплообменные модули. Сбоку модуля имеются штуцеры (патрубки 3), которые могут быть соединены фланцами, муфтой и т.п. с коллектором 4. 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], [3]. На пластинах также могут располагаться прямые или наклонные гофры.

Сборка тепломассообменного устройства осуществляется присоединением теплообменных модулей через трубы 3 с коллектором 4 с помощью фланца, муфты или т.п. Завихрители 7 монтируются в центральную трубу до ее сборки. Подводящие вставки устанавливается после сборки устройства. Также между модулями устанавливаются теплопроводящие элементы 5.

Устройство работает следующим образом. Газовая фаза подается сверху или снизу, распределяясь в газожидкостных каналах между модулями 2. Жидкая фаза подается сверху (или снизу), распределяясь по тепломассообменным блокам и перфорированным гофрированным элементам 5. Фазы контактируют на их поверхности, где происходит массообменный процесс. В каналы внутрь модулей 2 подается теплоноситель (вода, охлаждающая жидкость или пар). Таким образом, на поверхности модулей (на стенках) происходит теплообменный процесс. Теплопроводящие элементы 5 участвуют и в теплообменном процессе. Возможна работа устройства 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 модулей 2 к теплопроводящим элементам 5 и наоборот.

Изменения в конструкции центральной трубы позволяют исключить возникновение застойных зон и интенсифицировать процесс теплоотдачи за счет увеличения скорости движения теплоносителя в ней. Таким образом, при работе устройства общая эффективность теплопередачи может увеличиться до 20%, в зависимости от размеров устройства.

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 B01D 3/28, Тепломассообменное устройство/ А.В. Степыкин, А.А. Сидягин; заявитель НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - опубл. Бюл № 16, 2014

2. Пат. РФ Ru 2647029, кл B01D 3/28, B01D 5/00, B01D 1/00 Массообменный аппарат/ Астановский Д.Л., Астановский Л.З., Астановская О.В., Кустов П.В., Розенштейн В.А.; заявитель Астановский Д. Л. - опубл. Бюл № 8, 2018.

3. Пат. РФ RU 2 806 946 C1, кл B01D 3/28, Тепломассообменное устройство/ Д.М. Бухаров, А.В. Степыкин, А.А. Сидягин; заявитель НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - опубл. Бюл № 31, 2023.

Claims (1)

1. Тепломассообменное устройство, включающее цилиндрический корпус, коллектор в виде центральной трубы с центральной перегородкой для отвода и подачи теплоносителя в каналы, образованные вертикально установленными контактными парами пластин, смежные пары пластин образуют газожидкостные каналы, в каждом из которых установлены перфорированные гофрированные теплопроводящие элементы, при этом пластины попарно объединены в теплообменные модули, имеющие скругленную верхнюю и нижнюю грани, и установлены с эксцентриситетом по отношению к радиусу так, что одна из стенок составляет касательную с коллектором, отличающееся тем, что в центральную трубу устанавливаются завихрители в виде спиральной навивки, а в верхний и нижний штуцеры подачи установлены подводящие вставки в виде патрубков, имеющих зазор с центральной перегородкой.