Регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов
Владельцы патента RU 2359749:
Государственное образовательное учреждение высшего порофессионального образования "Московский государственный университет инженерной экологии" (RU)
Изобретение относится к конструкциям регулярных насадок, которые применяются в процессах тепло- и массообмена в градирнях при осуществлении испарительного охлаждения воды в замкнутых системах оборотного водоснабжения, абсорбции, очистки и осушки природного газа, а также в качестве смесителей жидких и газовых потоков, в качестве контактных элементов в конденсаторах смешения и биофильтрах. Регулярная насадка состоит из блоков, собранных из параллельно уложенных в ряды горизонтальных элементов. В соседних по высоте рядах элементы расположены взаимно перпендикулярно, а в параллельных рядах расположены со смещением осей симметрии. Элементы выполнены в виде прямых геликоидов, лопасти которых имеют в поперечном сечении форму трапеции с расширением к осевой линии геликоида. Шаг между соседними геликоидами в каждом ряду находится в пределах 1,1-2,5 диаметра геликоида. Смещение элементов в параллельных рядах составляет 0,2-1,0 диаметра геликоида, образуя объемную структуру из взаимно пересекающихся косо направленных каналов. Лопасти геликоидов выполнены с отверстиями, расположенными на линии, параллельной образующей геликоида с шагом 0,4-0,8 диаметра геликоида, а диаметр отверстий равен 0,1-0,3 диаметра геликоида. По высоте аппарата блоки размещают с зазором, равным 4,0-12,0 диаметра геликоида. Образующая наружная кромка лопастей геликоидов выполнена с синусоидальными поверхностями, шаг и амплитуда которых равны утроенной толщине лопастей геликоидов у их основания. Изобретение позволяет увеличить эффективность процессов тепломассообмена в регулярных насадках на 10-15%. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.
Регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов относится к конструкциям регулярных насадок, которые применяются в процессах тепломассообмена в градирнях при осуществлении испарительного охлаждения воды в замкнутых системах оборотного водоснабжения, абсорбции, очистки и осушки природного газа, а также в качестве смесителей жидких и газовых потоков, контактных элементов в конденсаторах смещения и биофильтрах, и может найти применение в технологических процессах теплоэнергетики, химической, нефтяной, газовой, пищевой и парфюмерной промышленности.
Известна регулярная насадка в виде блока горизонтально уложенных в ряды параллельно друг другу объемных элементов (SU 1212522, B01D 53/20).
Недостатком такой насадки является ее сравнительно высокое гидравлическое сопротивление.
Известна также регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов, выполненная в виде блоков, собранных из параллельно уложенных в ряды горизонтальных элементов, причем в соседних по высоте рядах элементы взаимно перпендикулярны, а в параллельных рядах расположены со смещением осей симметрии (патент Российской Федерации 2173214 от 2001 г., МПК B01J 19/32).
Недостатком таких насадок при коридорном расположении элементов блока является то, что значительная часть реагирующих потоков проходит байпасом по сквозным прямым каналам между соседними элементами, образующими блок регулярной насадки, что снижает эффективность процессов тепло- и массообмена. В случае шахматного расположения элементов блока эффективность процессов тепло- и массообмена несколько увеличивается, но при этом существенно возрастает гидравлическое сопротивление насадки. К недостаткам такой конструкции также относится недостаточно интенсивная турбулизация контактирующих потоков внутри блока насадки и, как следствие, несущественное повышение эффективности тепло- и массообменных процессов.
Также недостатком известных конструкций насадок является то, что их наибольшая тепло- и/или массообменная эффективность проявляется при проведении определенных технологических процессов, где гидравлическое сопротивление не является лимитирующим, что ограничивает область их применения.
Задача изобретения - увеличение эффективности процессов тепло- и массообмена в регулярных насадках для тепломассообменных аппаратов и оросительных устройств градирен.
Указанная задача достигается тем, что в регулярной насадке для тепломассообменных аппаратов, выполненной в виде блоков, собранных из параллельно уложенных в ряды горизонтальных элементов, причем в соседних по высоте рядах элементы взаимно перпендикулярны, а в параллельных рядах расположены со смещением осей симметрии, согласно изобретению указанные элементы выполняются в виде прямых геликоидов, лопасти которых имеют в поперечном сечении форму трапеции с расширением к осевой линии геликоида, причем шаг между соседними геликоидами в каждом ряду составляет 1,1-2,5 диаметра геликоида, а смещение элементов в параллельных рядах - 0,2-1,0 величины диаметра геликоида, образуя объемную структуру из взаимно пересекающихся косо направленных каналов.
Лопасти прямых геликоидов могут быть выполнены с отверстиями, расположенными на линии, параллельной образующей геликоида, с шагом 0,4÷0,8 диаметра геликоида, а диаметр отверстий равен 0,1÷0,4 диаметра геликоида.
Блоки насадки по высоте аппарата могут размещаться с зазором, равным 4,0÷12,0 диаметра геликоида.
Образующая наружная кромка лопастей геликоидов может быть выполнена с синусоидальными поверхностями, шаг и амплитуда которых равна утроенной толщине лопастей геликоидов у их основания.
На фиг.1 в изометрии показан прямой четырехзаходный геликоид; на фиг.2 - поперечное сечение геликоида; на фиг.3 изображена регулярная насадка в виде блока, собранного из уложенных во взаимно перпендикулярные ряды прямых геликоидов, образующих объемную структуру из пересекающихся косо направленных каналов; на фиг.4 - геликоид с отверстиями; на фиг.5 показаны блоки регулярной насадки, размещенные по высоте аппарата с зазором; на фиг.6 изображен в плане блок регулярной насадки из четырехзаходных прямых геликоидов (разрез А-А фиг.5); на фиг.7 изображен геликоид, у которого наружная кромка лопастей выполнена с синусоидальными поверхностями.
Регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов выполнена в виде блоков, собранных из горизонтальных прямых геликоидов 1 диаметром (d), параллельно уложенных во взаимно перпендикулярные соседние ряды 2 и 3 с шагом (t), а оси симметрии в параллельных рядах 2 выполнены со смещением (s), образующих объемную структуру из взаимно пересекающихся косо направленных каналов под углом α, причем лопасти геликоидов имеют в поперечном сечении форму трапеции с расширением к осевой линии геликоида.
Компоновка насадки выполнена так, что шаг (t) между соседними геликоидами в каждом ряду составляет 1,1-2,5 диаметра геликоида 1 (d), а смещение геликоидов в параллельных рядах составляет 0,2-1,0 величины диаметра геликоида (d).
Лопасти геликоида 1 выполнены с отверстиями 4, расположенными на линии, параллельной образующей геликоида с шагом 0,4÷0,8 диаметра геликоида (d), а диаметр отверстий равен 0,1-0,3 диаметра геликоида.
Блоки регулярной насадки 5 высотой (Нб)по высоте (Н) аппаратов 6 устанавливают с зазором (l), который находится в пределах от 4,0 до 12,0 диаметров геликоида (d).
Крепление отдельных геликоидов 1 в блок регулярной насадки 5 осуществляется с помощью уголков 7 и стяжек 8.
Образующая наружная кромка лопастей геликоидов 1 выполняется с синусоидальными поверхностями 9, шаг и амплитуда которых равна утроенной толщине лопастей геликоидов у их основания (α).
Регулярная насадка работает следующим образом. Жидкая фаза подается равномерно на верхнюю часть блоков, собранных, например, из четырехзаходных геликоидов 1, уложенных в горизонтальные взаимно перпендикулярные ряды 2 и 3 и стекает по их поверхности в виде тонкой пленки и капельных струек жидкости, контактируя с восходящими по свободным косым каналам под углом α, образованным взаиморасположением смещенных в параллельных рядах геликоидов 1, потоками газа. Таким образом, массообмен между жидкостью и газом происходит в наиболее эффективном капельно-пленочном режиме течения жидкости.
Косо направленные каналы, образованные взаимным расположением геликоидов в соседних параллельных рядах, обеспечивают увеличение пути прохождения контактирующих потоков в объеме аппарата 6, а также условия для более полного смывания потоками всей поверхности геликоидов.
Эффективность процесса тепло- и массообмена при этом в исследованном диапазоне нагрузок по газу 0÷3,0 м/с и по жидкости 0-9,0 м3/м2 час увеличивается на 10-15%.
Опытным путем установлено, что регулярная насадка в виде блоков из многозаходных геликоидов обладает свойством равномерно перераспределять потоки жидкости по всему поперечному сечению блока насадки даже при недостаточно равномерной первоначальной раздаче жидкости на входе в блок насадки из-за дефектов водораздающей форсунки аппарата.
Выполнение лопастей геликоидов в их поперечном сечении в форме трапеции с расширением к осевой линии геликоида позволяет увеличить механическую прочность блока насадки.
Компоновка блоков насадки с шагом между соседними геликоидами в каждом ряду в пределах от 1,0 до 2,5 диаметра геликоида (d) обусловлено следующим. Нижний предел - 1,1d объясняется тем, что дальнейшее сужение «живого сечения» свободных каналов приводит к заметному росту гидравлического сопротивления насадки, что нежелательно. Верхний предел - 2,5d объясняется тем, что при дальнейшем увеличении шага между соседними геликоидами в рядах блоков насадки существенно снижается удельная поверхность насадки, что также нецелесообразно.
Смещение геликоидов в параллельных рядах блока насадки на 0,2-1,0 диаметра геликоида обусловлено требованиями оптимизации условий для обеспечения максимальной эффективности процесса тепломассообмена при минимальном гидравлическом сопротивлении за счет организации множества взаимодействующих взаимно пересекающихся во всем объеме блока регулярной насадки косо направленных каналов для турбулизации потока газовой фазы и увеличения поперечного перемешивания контактирующих потоков.
Выполнение лопастей геликоидов с отверстиями, расположенными на линии, параллельной образующей геликоида с шагом 0,4-0,8 диаметра геликоида (d), а диаметра отверстий в пределах от 0,1 до 0,3 диаметра геликоида (d) позволяет дополнительно интенсифицировать тепло- и массообмен на 7-10% в процессах испарительного охлаждения оборотной воды в вентиляторных градирнях. Материалоемкость блока насадки при этом снижается на 10-14%, механическая прочность геликоидов сохраняется достаточно высокой.
Выполнение блоков насадки по высоте аппаратов с зазором относительно друг друга в пределах от 4,0 до 12,0 диаметра геликоида позволяет дополнительно повысить эффективность тепло- и массообмена на 6-8%. При этом верхний предел объясняется чрезмерным увеличением габаритов колонного оборудования, например, при осуществлении процессов абсорбции.
Выполнение образующей наружной кромки лопастей геликоидов регулярной насадки для тепломассообменных аппаратов с синусоидальными поверхностями, шаг и амплитуда которых равна утроенной толщине лопастей геликоидов у их основания, позволяет дополнительно увеличить турбулизацию пленки жидкости, а также увеличить перераспределяющее действие блока регулярной насадки на жидкую фазу.
Предлагаемая регулярная насадка позволяет повысить эффективность на 10-15% в процессах абсорбции, охлаждения жидкостей и т.п. за счет увеличения поперечного перемешивания и турбулизации потоков, проста в изготовлении - отдельные ее элементы - геликоиды изготавливаются методом экструзии.
1. Регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов, выполненная в виде блоков, собранных из параллельно уложенных в ряды горизонтальных элементов, причем в соседних по высоте рядах элементы взаимно перпендикулярны, а в параллельных рядах расположены со смещением осей симметрии, отличающаяся тем, что элементы выполнены в виде прямых геликоидов, лопасти которых имеют в поперечном сечении форму трапеции с расширением к осевой линии геликоида, причем шаг между соседними геликоидами в каждом ряду составляет 1,1-2,5 диаметра геликоида, а смещение элементов в параллельных рядах - 0,2-1,0 величины диаметра геликоида, образуя объемную структуру из взаимно пересекающихся косо направленных каналов.
2. Регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов по п.1, отличающаяся тем, что лопасти прямых геликоидов выполнены с отверстиями, расположенными на линии, параллельной образующей геликоида с шагом 0,4-0,8 диаметра геликоида, а диаметр отверстий равен 0,1-0,4 диаметра геликоида.
3. Регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов по п.1 или 2, отличающаяся тем, что по высоте аппарата блоки размещают с зазором, равным 4,0-12,0 диаметра геликоида.
4. Регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов по п.1, отличающаяся тем, что образующая наружная кромка лопастей геликоидов выполнена с синусоидальными поверхностями, шаг и амплитуда которых равны утроенной толщине лопастей геликоидов у их основания.
