Плоский структурный элемент, выполненная из него набивка и устройство для проведения массообменных и/или теплообменных процессов

 

Использование: в процессах тепломассообмена, Сущность изобретения: описан плоский структурный элемент со множеством отверстий, распределенных в соответствии с заданным узором, который предпочтительным образом может быть использован в набивках, и у которого каждое отверстие ограничено проходящими под углом друг к другу и/или криволинейно кромками каждых двух соседних полос плоского материала из множества полос исходного плоского материала, которые на своих обращенных друг к другу торцах соединены между собой, стыкуясь один с другим или нахлестом. 3 с. и 21 з.п. ф-лы, 23 ил.

Изобретение относится к плоским структурным элементам с множеством отверстий, распределенных в соответствии с заданным узором, а также к набивкам, выполненным из подобных структурных элементов.

Из WO 90/10497 известна для выполнения псевдоожиженного слоя набивка, которая может быть выполнена из слоев зигзагообразно сложенных листов, так называемых плиссированных матов (листов). Слои ориентированы параллельно определенной оси, оси аппарата, тогда как кромки сгибов наклонены к этой оси. Слой расположены попеременно таким образом, что образуют систему открыто пересекающихся каналов. Несложенные листы имеют узор наподобие шахматной доски в основном с ромбовидными полями, одна половина которых выполнена в виде проемов. Другая половина полей образует структурные элементы набивки. Открытые поля немного меньше, так что образуют отверстия в виде островков, а закрытые поля соединены между собой в угловых точках посредством линейных нахлестов. Открытые поля образуют в набивке вторую систему открыто пересекающихся каналов, ориентированную поперек первой системы. Кромки сгибов проходят в направлении нахлестов вдоль части краев полей.

В известной набивке предусмотрено, что выполненные в листах слоев проемы образуют высечки. Недостаток при этом заключается прежде всего в том, что почти половина исходного материала теряется и, кроме того, из-за необходимых для высеченных инструментов затрат имеются ограничения в отношении формообразования отверстий, желательного с точки зрения технологических аспектов.

Задачей изобретения является создание плоских структурных элементов самой разной и оптимально подгоняемой к соответствующим технологическим требованиям формы с минимальными затратами материала, а также выполненных из слоев этих плоских структурных элементов набивок, в частности универсальных набивок.

Эта задача решается, согласно изобретению, посредством признаков п. 1 формулы.

Особое значение при этом заключается в том, что благодаря промежуточной операции образования отдельных полос плоского материала и из взаимного соединения после определенного относительного смещения не только в значительной степени исключаются потери материалов, но и одновременно благодаря выбору особой конфигурации линий разрезов достигается очень большая свобода в отношении положения, величины, формы и распределения отверстий в плоских структурных элементах. За счет подходящего складывания и соответствующего выбора конфигурации кромок сгибов можно создавать из них поверхностных структурных элементов трехмерные плоские образования, предпочтительно пригодные для выполнения многослойных систем, в частности для выполнения набивок и особенно вихревых набивок.

Особенно предпочтительные исполнения плоских структурных элементов согласно изобретению и их применение приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

На фиг. 1 представлен фрагмент для выполнения псевдоожиженного слоя набивки (идеальный случай); на фиг. 2a и b две поверхности с ромбовидными полями, образующими после зигзагообразного складывания структуры на фиг. 1 элементарную ячейку точечной решетки (фиг. 3); на фиг. 4 изготовление пленки с проемами согласно изобретению, при котором зубцы обрезной кромки имеют форму ромба; на фиг. 5 другое изготовление и первый пример с зигзагообразной обрезной кромкой и зубцами, образующими угол 120^oC; на фиг. 6 другое изготовление и второй пример с зигзагообразной обрезной кромкой и зубцами, образующими угол 120^o; на фиг. 7 зигзагообразную кромку с зубцами, образующими угол 60^oC; на фиг. 8 11 варианты образной кромки на фиг. 7; на фиг. 12 полосовидный нахлест мест соединений для формы исполнения на фиг. 4; на фиг. 13 полосовидный нахлест мест соединений для формы исполнения на фиг. 9; на фиг. 14 нахлест мест соединений в виде небольшой кольцевой поверхности для формы исполнения на фиг. 4; на фиг. 15 нахлест мест соединений для формы исполнения на фиг. 7; на фиг. 16 схематическое изобретение для пояснения другого примера изготовления поверхностного структурного элемента согласно изобретению, причем отверстия имеют форму прямоугольника; на фиг. 17 изображение для пояснения другого варианта изготовления поверхностного структурного элемента согласно изобретению; на фиг. 18 фрагмент варианта поверхностного структурного элемента с варьирующимися отверстиями; на фиг. 19 частичное изображение поверхностного структурного элемента из разных полос плоского материала; на фиг. 20 - схематичное частичное изображение плоского структурного элемента с отверстиями, ограниченными криволинейными кромками; на фиг. 21 другое схематичное частичное изображение плоского структурного элемента из двух разных видов полос плоского материала; на фиг. 22 схематичное частичное изображение плоского структурного элемента с частично трехмерно деформированными участками; на фиг. 23 схематичное частичное изображение фальцованно-зажимного соединения двух полос плоского материала.

На фиг. 1 3 поясняется принципиальное устройство вихревой набивки, выполненной из плоских структурных элементов.

Изображенная вихревая набивка представляет собой упорядоченную набивку с вентиляторообразным расположением направляющих поверхностей, которые отклоняют текучие среды во все стороны из их главного направления течения и смешивают между собой соседние частичные потоки. Направляющие поверхности являются структурными элементами набивки. Решетчатым плоскостям, перпендикулярным оси аппарата, соответствуют два разных слоя октаэдров. В одном слое стороны октаэдров попеременно открыты или закрыты, тогда как в другом слое октаэдры имеют только открытые стороны. Слои оцеплены между собой таким образом, что октаэдры соседних слоев одного и того же рода соприкасаются вершинами своих полюсов. Октаэдры заполняют пространство только на две трети; промежутки состоят из тетраэдров. Вихревая набивка выполнена из плоских структурных элементов. Эти структурные элементы образуют точечную решетку, плоскости которой, лежащие перпендикулярно оси аппарата, образуют основные растры из четырехугольников. Каждый четырехугольник представляет собой экваториальный периметр октаэдра, а вершины полюсов этих октаэдров лежат в точках соседних решетчатых плоскостей.

соответствующая вихревая набивка точечная решетка является в частном случае, когда структурные элементы представляют собой ромбы с острым углом 60^oC, кубически-поверхностно центрированной решеткой. Это показано на фиг. 1; унифицированной ячейкой решетки является куб с угловыми точками A, B, C, D, K, L, M, N и центрами E, F, G, H, I, F' граней (см. также фиг.3 с вытянутым в направлении А В кубом). Изображенный фрагмент набивки состоит из двух зигзагообразно сложенных, снабженных ромбовидными проемами поверхностей 1, 2, которые в своем несложенном виде изображены на фиг. 2a и 2b. Заштрихованные поверхности (например, a и d) являются закрытыми; остальные поверхности представляют собой проемы. Стрелки 10 указывают направление и положение кромок сгиба. Для практической реализации изображенной на фиг. 1 структуры необходимо, как уже сказано, чтобы закрытые поверхности были соединены на углах линейными нахлестами (см. фиг. 4 из WO 90/10497). Здесь для простоты соединение между структурными элементами изображено точечным.

На фиг. 1 поверхности a, d, n и k выделены штриховкой: они образуют вентиляторообразное расположение направляющих поверхностей (направление основного потока проходит по соединительной линии между точками H и I (фиг. 3). Образованный центрами E, F' граней октаэдр (это правильный октаэдр) относится к виду с только открытыми боковыми поверхностями. Между обеими поверхностями d и n расположен показанный наполовину октаэдр другого вида (попеременно открытые и закрытые боковые поверхности); угловые точки этой половины I, D, G, N И G'.

Фигуры, с помощью которых ниже описаны структуры согласно изобретению, иллюстрируют кубически-поверхностно центрированный частный случай. Действительно, однако, и то обобщение, что унифицированная ячейка A, N является не кубом, в любом параллелепипедом, например, прямоугольным, изображенным на фиг. 3 (кромка AB длиннее кромок BC и AK).

Изображенная на фиг. 1 структура представляет собой идеальный случай, для которого направляющие поверхности a, b, k и n соприкасаются точно в точке 1. Если обе поверхности 1 и 2 смещены относительно друг друга в направлении слоев (т.е. в направлении плоскости, проходящей, например, через точки A, B и C), то, в целом, имеется отклонение от идеального случая. Также при таком отклонении преимущества вихревой набивки сохраняются до определенной степени. Это действительно и тогда, когда поверхности 1, 2 расположены произвольно рядом друг с другом. Изобретение включает в себя также такие ситуации, когда не имеется идеального случая.

На фиг. 4 показано, как из листового или пленочного исходного материала 3 можно изготовить поверхностный структурный элемент 4 с ромбовидными отверстиями 5 согласно изобретению.

Стрелки 40 и 30 указывают подачу поверхностного исходного материала 3 и образованных разрезами полос 6 плоского материала, которая происходит шагами на длину a и b.

На передней обрезной стороне 31 соприкасаются исходный материал 3 и отделенная разрезом полоса 6 плоского материала. Линия 32 разреза проходит таким образом, что образуется зубчатый узор из ромбовидных зубцов 35 и промежутков 36. Соединение противоположных друг другу торцов 33 зубцов 35 осуществляется, например, сваркой.

Полученная на следующей операции линия разреза обозначена штрихпунктирной линией 38, т.е. образованная полоса 6 плоского материала ограничена линиями 32 и 38 разрезов и состоит из ряда ромбов 39, соединенных между собой в угловых точках. Соединительные перемычки находятся попеременно в угловых точках с острыми или тупыми углами ромбов 39.

Плоский структурный элемент 4, полученный за счет разрезов, смещения и соединения полос 6 плоского материала, содержит з0акрытые участки 7 и отверстия 5. Он выполнен зубчатым на боковых краях, причем зубцы могут быть срезаны вдоль краевых линий 41. Может быть также предпочтительным оставить зубцы на одной стороне и использовать их в качестве носиков для капельного стекания в выполненной из таких элементов набивке массобменной колонны.

Соединительные швы 8 между отрицательными полосами 6 плоского материала могут быть получены, например, сваркой или пайкой и полностью автоматически.

В варианте на фиг. 5 линия 32 (или 38) разреза выполнена выполнена зигзагообразной. Отдельные отрезки или участки этой зигзагообразной линии разреза имеют одинаковую длину и заключают угол 120^o, причем следует упомянуть, что этот угол может быть выбран и другим, однако предпочтительно 110 150^o. Полоса 6 плоского материала, вложенная между линиями 32, 38 разреза, имеет форму цепочки ромбов 39, соединенных между собой в угловых точках. Соединительные перемычки 37 находятся в этом случае на острых углах. Соединительные швы 8, получаемые, например, сваркой или пайкой, делают из полос 6 плоского материала нужный плоский структурный элемент 4 с отверстиями 5.

Фиг. 6 поясняет вариант изображенного с помощью фиг. 5 способа изготовления, который приводит, в основном, к такому же плоскому структурному элементу 4, причем, однако, направление подачи 30 исходного материала 3 повернуто на 90^o, а именно при том же направлении подави 40 поверхностного структурного элемента.

Отличие в том, что получают попеременно линию 38а разреза и линию 38b, смещенные относительно друг друга на половину длины зубцов в направлении передней обрезной стороны 31. Линия 32 соответствует линии 38b.

На фиг. 7 изображена форма осуществления изобретения, в которой линия 32 разреза выполнена зигзагообразной из зубцов 35 и промежутков 36. Отдельные отрезки имеют при этом одинаковую длину и заключают угол 60^o. Этот угол может быть выбран и другим, однако предпочтительно 30 70^o.

Закрытые участки 7, 7', изображенные лишь фрагментами, представляют собой цепочки ромбов 39, соединенных между собой в угловых точках, причем соединительные перемычки 37 находятся всегда в угловых точках с тупыми углами.

За счет смещения участка 7 в направлении стрелки 11 от линии 32 разреза образуются ромбовидные отверстия 5. При этом вдоль примыкающих друг к другу отрезков линий разреза изготовляют новые соединительные швы 8. При изготовлении поверхностного структурного элемента 4 направление подачи (стрелка 40) проходит параллельно передней обрезной стороне 31 закрытых участков 7, 7'.

В изображенных на фиг. 8 11 вариантах формы исполнения на фиг. 7 зубцы 35 имеют на острие короткий отрезок 34, причем два таких отрезка 34 образуют соединительный участок. На этом участке может осуществляться пайка или сварка с нахлестом или без него, однако можно также предусмотреть на этих участках механическое фальцованно-зажимное соединение.

При зигзагообразном складывании полученного поверхностного структурного элемента линии сгиба могут быть выбраны так, чтобы они проходили через участки соединения между полосами плоского материала, что, в частности, предпочтительно тогда, когда эти полосы 6 соединяют меду собой посредством фальцованно-зажимных соединений, поскольку благодаря требуемой для изготовления зигзагообразной структуры кромке сгиба можно получить усиление и упрочнение этого особого соединения, а именно, в частности, тогда, когда, согласно особой форме осуществления изобретения, кромка сгиба и фальцованное соединение проходит под углом друг к другу.

На фиг. 10, 11 изображен асимметричный вариант, причем в этой форме исполнения соответствующую кромку сгиба ведут не по соединительному шву 8. В изображенных на фиг. 8 и 10 формах исполнения между зубцами 35 и промежутками 36 имеется зацепление, пока соединительные швы 8 еще не выполнены.

Выполнение проходящих в соответствии с линиями 32, 38 разрезов может осуществляться посредством механических или немеханических способов.

Примеры механических способов: высекание осциллирующих высечным инструментом, ножницеобразное разделение профильными ножами или контурными пилами с пильной проволокой.

Примеры немеханических способов резки: водоструйная резка, лазерная, микроплазменная или газоплазменная резка проволокой.

Способы с пильной проволокой или электроэрозионной резкой проволокой пригодны, в частности, тогда, когда необходимо разрезать одновременно несколько лежащих друг на друге пленок или листов.

Для выполнения соединений между полосами 6 плоского материала рассматриваются как механические способы, так и способы сварки, пайки или склеивания.

Для механических соединений можно назвать следующие примеры: заклепки с дополнительным материалом или без него, скобки с дополнительным материалом или без него, кнопкообразные соединения или фальцованно-зажимные соединения.

В качестве предпочтительных способов сварки следует назвать: микроплазменная или лазерная сварка, контактная роликовая или контактная точечная сварка.

Для различных, названных выше способов соединения необходимо, чтобы в местах или на участках соединений были предусмотрены небольшие поверхностные нахлесты.

На фиг. 12, 13 изображены полосовые нахлесты 42, а на фиг. 14, 15 - точечные нахлесты 43. В соответствии с этим в исходном материале предусмотрены полукруглые выемки 44.

На фиг. 16 изображен другой вариант изготовления поверхностного структурного элемента согласно изобретению с прямоугольными отверстиями 5, которые образованы меандровыми линиями 32 разрезов. Как и в уже описанных выше формах исполнения, поверхностный структурный элемент 4 получен без каких-либо потерь материала, причем полосы 6 плоского материала, образованные особой конфигурацией разрезов, смещены относительно друг друга с образованием отверстий 5 и соединены между собой.

Для выполнения из полученного плоского структурного элемента 4 трехмерного структурного элемента, в частности для использования в вихревых набивках, поверхностей структурный элемент 4 деформирует предпочтительно зигзагообразно в соответствии с линиями сгиба f, обозначенными на фиг. 16 в качестве примера. Конфигурация линий сгиба может быть при этом выбрана так, что, с одной стороны, образуются оптимальные общие структуры в отношении данного нужного ведения жидкости и газа, а, с другой стороны повышение стабильности упрочнения структурных элементов.

На фиг. 17 в схематичном виде изображен вариант способа изготовления, при котором линии 32 разрезов выполняют не в поперечном направлении исходного материала 3, а в его продольном направлении и в соответствии с этим полосы 6 плоского материала взаимно смещают в том же направлении, что и направление подачи 30 исходного материала 3.

Существенное преимущество изобретения в том, что изготовление данного поверхностного структурного элемента может осуществляться различным образом, что обеспечивает соответствие с возможностями изготовления на данном производстве.

На фиг. 18 20 изображены другие примеры поверхностных структурных элементов согласно изобретению.

На фиг. 18 поясняется, что линии 32 разрезов при сохранении периодичности могут быть выбраны настолько неравномерными, что после взаимного смещения образованных полос 6 плоского материала и их поворотного соединения образуются отверстия 5 разных форм и размеров, что вполне может быть преимуществом для некоторых случаев применения.

На фиг. 19 изображен фрагмент поверхностного структурного элемента, составленного из полос плоского материала зигзагообразной формы, причем, однако, полосы 6 имеют разную ширину, так что по всей поверхности структурного элемента в отношении распределения и при необходимости величины отверстий 5 возникает целенаправленное отклонение от полной равномерности, что в сочетании с перегибами дает предпочтительные результаты.

Пример исполнения на фиг. 20 показывает, что линия 32 разреза может иметь также криволинейные отрезки и таким образом получают отверстия 5, которые имеют совершенно особую форму и могут быть приведены в соответствие с особыми условиями.

Также в изображенном на фиг. 21 примере исполнения полосы 6 плоского материала вырезаны без отходов из листового исходного материала, причем за счет выбранной конфигурации линий 32 разрезов получены две разные формы полос, а именно сравнительно узкая волнообразная полоса и расположенная между двумя такими полосами полоса с широкими и узкими отрезками, образующаяся за счет волнообразной конфигурации линий при резке плоских полос. При соответствующем смещении и повторном соединении полос плоского материала образуются уже описанным образом отверстия 5.

На фиг. 22 схематично изображен применяемый также в других формах исполнения поверхностных структурных элементов принцип использования полос плоского материала, трехмерно деформированных на участках их длины. В примере исполнения на фиг. 22 трехмерная деформация реализована путем отгибания перемычек в одном направлении или, например, попеременно в противоположных направлениях, однако эта трехмерная деформация участков может быть также достигнута путем скручивания участков полос 6 плоского материала.

На фиг. 23 изображен пример фальцованно-зажимного соединения между двумя полосами плоского материала. Для этого противоположные края полос на предусмотренном участке соединения надрезают и образованные за счет этого язычки вставляют друг в друга с зацеплением. Это зажимное соединение фиксируют путем выполнения кромки сгиба вдоль штриховой линии f.

Из поверхностных структурных элементов согласно представленным выше и поясненным примерам набивки, в частности вихревые набивки, могут быть особенно предпочтительно изготовлены по поясненному на фиг. 1 основному принципу. Исходный материал может быть из металла или пластика. Он может иметь структурную поверхность, например, мелкие гофры. Кроме того, он может быть перфорирован, причем диаметр отверстий значительно меньше диаметра дополнительно образованных отверстий. Сами обрезные кромки могут быть гладкими или зубчатыми.

При выполнении вихревой набивки оказалось предпочтительным снабдить еще имеющиеся в поверхностных структурных элементах закрытые участки дополнительным отверстием каждый, причем диаметр этих отверстий должен составлять, по меньшей мере, 2 мм, однако не более 4 мм.

Для выполненной согласно изобретению набивки открываются различные возможности использования, из которых в качестве примера можно привести следующие: использование в колонне для массообмена и/или теплообмена между сыпучим слоем и потоком газа, причем, с целью равномерного смачивания, может быть предусмотрено горизонтальное гофрирование структурных элементов; использование в реакторе, в котором набивка выполнена в качестве носителя катализатора, или в статическом смесителе для текучих сред.

Формула изобретения

1. Плоский структурный элемент со множеством отверстий, распределенных в соответствии с заданным узором, отличающийся тем, что каждое отверстие ограничено проходящими под углом одна к другой и/или криволинейно кромками каждых двух соседних полос плоского материала из множества полос исходного материала, обращенные друг к другу торцы которых соединены между собой, стыкуясь один с другим или с нахлестом.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что полосы плоского материала образованы разделением листового или пленочного исходного материала в соответствии с заданной линией разреза, которая в направлении обрезной передней стороны имеет периодически повторяющиеся, проходящие под углом и/или криволинейно отрезки.

3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что в структурном элементе с взаимным смещением в продольном направлении расположены взаимопримыкающие полосы плоского материала, образующие отверстия.

4. Элемент по пп. 1 3, отличающийся тем, что листовой или пленочный исходный материал снабжен проемами и/или выступающими с одной или обеих сторон поверхностными структурами.

5. Элемент по пп. 1 4, отличающийся тем, что линия разреза выполнена в форме меандра, а соседние полосы плоского материала расположены с взаимным смещением, причем промежутки и зубцы взаимно ориентированы и за счет этого образованы прямоугольные отверстия.

6. Элемент по пп. 1 4, отличающийся тем, что линия разреза выполнена зигзагообразной, а соседние полосы плоского материала расположены с взаимным смещением, причем образованные отверстия имеют форму ромба.

7. Элемент по п. 6, отличающийся тем, что зигзагообразная линия разреза состоит из отдельных чередующихся отрезков, которые имеют одинаковую длину и составляют единый угол 30 150^o.

8. Элемент по п. 7, отличающийся тем, что угол между отрезками составляет 30 70^o.

9. Элемент по п. 6, или 7, или 8, отличающийся тем, что образованные линией разреза зубцы имеют на острие короткий отрезок, который проходит в основном параллельно линии разреза или выполнен криволинейным, причем эти отрезки образуют места соединений.

10. Элемент по пп. 1 9, отличающийся тем, что конфигурация линии разреза выбрана так, что расположенные с взаимным смещением полосы плоского материала образуют разные по величине и/или разные по форме группы отверстий.

11. Элемент по пп. 1 10, отличающийся тем, что полосы плоского материала выполнены одинаковыми.

12. Элемент по пп. 1 10, отличающийся тем, что полосы плоского материала по меньшей мере частично имеют разную ширину.

13. Элемент по пп. 1 12, отличающийся тем, что по меньшей мере часть полос плоского материала выполнена с трехмерной деформацией на участках их длины.

14. Элемент по п. 13, отличающийся тем, что часть полос плоского материала скручена.

15. Элемент по пп. 1 14, отличающийся тем, что полосы плоского материала в местах своих соединений сварены, спаяны, склеены или соединены между собой посредством фальцованного зажима.

16. Элемент по пп. 1 15, отличающийся тем, что образованная полосами плоского материала общая поверхность сложена в соответствии с множеством параллельных одна другой линий сгибов, причем кромки сгибов проходят попеременно в параллельных одна другой плоскостях.

17. Элемент по п. 16, отличающийся тем, что взаимное расстояние между соседними линиями сгибов периодически изменяется.

18. Элемент по п. 16 или 17, отличающийся тем, что по меньшей мере часть линий сгибов проходит через участки соединения соседних полос плоского материала.

19. Элемент по п. 18, отличающийся тем, что в случае фальцованного зажима двух соседних полос плоского материала соответствующая линия сгиба проходит под углом через место фальцованно-зажимного соединения.

20. Элемент по пп. 1 19, отличающийся тем, что полосы плоского материала состоят из замкнутых колец.

21. Элемент по пп. 1 20, отличающийся тем, что листовой или пленочный исходный материал выполнен из металла или пластика.

22. Набивка, состоящая из нескольких слоев плоских структурных элементов и содержащая первую систему открыто пересекающихся и образованных сгибами каналов и вторую систему открыто пересекающихся и образованных отверстиями в структурных элементах каналов, проходящую поперек первой системы каналов, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть плоских структурных элементов выполнена зигзагообразной.

23. Набивка по п. 22, отличающаяся тем, что структурные элементы покрыты или плакированы по всей поверхности каталитическим материалом или состоят из каталитического материала.

24. Устройство для проведения массообменных и/или теплообменных процессов между сыпучим слоем и потоком газа, содержащее набивку из структурных элементов, отличающееся тем, что последние выполнены гофрированными в горизонтальной плоскости и/или дополнительно снабжены перфорацией.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23