Регулярная насадка для тепло-массообменных аппаратов
Владельцы патента RU 2480274:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" (RU)
Изобретение предназначено для тепло-массообмена. Регулярная насадка выполнена в виде секций, установленных в несколько ярусов по высоте аппарата, собранных из параллельно уложенных в ряды каплевидных элементов. Концы каплевидного элемента в острой кромке профиля соединены посредством стержня. Поверхность каплевидных элементов выполнена из лавсановых мононитей в виде сетки. Закругленная кромка профиля ориентирована навстречу газовому потоку, а острая кромка навстречу потоку жидкости. Угол атаки указанных элементов по отношению к газовому потоку находится в пределах от 0° до 20°. Элементы расположены в шахматном порядке, при этом их ориентация в соседних рядах по высоте аппарата выполнена с противоположным наклоном относительно друг друга и со смещением по горизонтали на величину, равную 1.0-3.0 ширины элемента насадки. Шаг элементов в каждом ряду равен 1.5-3.5 ширины элемента насадки. Высота элемента составляет 4.0-8.0 ширины элемента насадки. Элементы насадки секции в аппарате прямоугольного сечения расположены под углом 90° относительно элементов насадки в соседних секциях. Элементы насадки в каждом ярусе аппарата круглого сечения образуют восьмилепестковую конструкцию и в соседних по высоте ярусах смещены относительно друг друга на величину, равную 10-40°. Технический результат: повышение тепло- и массообменной эффективности насадки. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Регулярная насадка для тепло-массообменных аппаратов относится к конструкциям регулярных насадок, которые применяются в процессах тепло-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 и может найти применение в технологических процессах теплоэнергетики, химической, нефтяной, газовой, пищевой и парфюмерной отраслях промышленности.
Известна регулярная насадка в виде секции вертикальных гофрированных листов (SU №1674950, B01D 53/20).
Недостатком таких насадок является ее сравнительно высокое гидравлическое сопротивление при невысокой эффективности.
Наиболее близким по технической сущности и достижению эффекта является регулярная насадка для тепло- и массообменных аппаратов, выполненная в виде секций, собранных из параллельно уложенных в ряды полых элементов с капельным профилем (SU №1599081, B01D 53/20).
Недостатком таких насадок при коридорном расположении элементов секции является то, что значительная часть реагирующих потоков проходит байпасом по сквозным прямым каналам между соседними элементами, образующими секцию регулярной насадки, что снижает эффективность процессов тепло- и массообмена. В случае шахматного расположения элементов секции 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 секции насадки и, как следствие, несущественное повышение эффективности тепло- и массообменных процессов.
Также недостатками известных конструкций является то, что их наибольшие тепло- и массообменная эффективность процесса проявляются при проведении определенных технологических процессов, где гидравлическое сопротивление не является лимитирующим, что ограничивает область их применения.
Задача изобретения - интенсификация процессов тепло- и массообмена в регулярных насадках, при одновременном снижении гидравлического сопротивления.
Технический результат, который может быть получен при использовании данного изобретения, заключается в повышении тепло- и массообменной эффективности регулярных насадок для тепло- и массообменных аппаратов и градирен.
Указанный технический результат достигается тем, что в регулярной насадке для тепло-массообменных аппаратов поверхность элементов выполнена в виде секций, установленных в несколько ярусов по высоте аппарата, собранных из параллельно уложенных в ряды каплевидных элементов, концы каплевидного элемента в острой кромке профиля соединены посредством стержня, а поверхность каплевидных элементов выполнена из лавсановых мононитей в виде сетки, причем закругленная кромка профиля ориентирована навстречу газовому потоку, а острая кромка навстречу потоку жидкости, угол атаки указанных элементов по отношению к газовому потоку находится в пределах от 0° до 20°, элементы расположены в шахматном порядке, при этом их ориентация в соседних рядах по высоте аппарата выполнена с противоположным наклоном относительно друг друга и со смещением по горизонтали на величину, равную 1.0-3.0 ширины элемента насадки, а шаг элементов в каждом ряду равен 1.5-3.5 ширины элемента насадки, причем высота элемента составляет 4.0-8.0 ширины элемента насадки. А элементы насадки в каждом ярусе аппарата круглого сечения образуют восьмилепестковую конструкцию и в соседних по высоте рядах смещены относительно друг друга на величину, равную 10-40°.
На фиг.1 изображена секция собранных из нескольких рядов по высоте каплевидных насадок в шахматном порядке; на фиг.2 в изометрии показан элемент насадки; на фиг.3 - элементы насадки секции в аппарате прямоугольного сечения расположены под углом 90° относительно элементов насадки в соседних секциях; на фиг.4 показаны элементы насадки в соседних по высоте ярусах, элементы выполнены со смещением относительно друг друга на величину, равную от 10 до 40° в аппаратах круглого сечения.
Регулярная насадка для тепло-массообменных аппаратов выполнена в виде секций 1, собранных из параллельно уложенных в ряды каплевидных элементов высотой l, установленных в несколько ярусов по высоте аппарата элементов 2, 3, 4, концы каплевидных элементов в острой кромке профиля соединены посредством стержня 5 и расстояние между рядами элементов 2, 3, 4 по вертикали z составляет 0.7-1.5 высоты элемента, угол атаки α указанных элементов по отношению к газовому потоку находится в пределах от 0° до 20°, элементы расположены в шахматном порядке, при этом их ориентация в соседних рядах по высоте аппарата выполнена с противоположным наклоном относительно друг друга и со смещением по горизонтали t на величину, равную 1.0-3.0 ширины элемента насадки, а шаг элементов m в каждом ряду равен 1.5-3.5 ширины элемента насадки, причем высота l элемента составляет 4.0-8.0 ширины элемента насадки h. А элементы насадки в каждом ярусе аппарата круглого сечения образуют восьмилепестковую конструкцию и в соседних по высоте ярусах смещены β относительно друг друга на величину, равную 10-40°.
Регулярная насадка работает следующим образом. Жидкая фаза подается равномерно на верхнюю часть секций, собранных, например, из параллельно уложенных в ряды каплевидных элементов, уложенных в горизонтальные ряды 2, 3, 4, и стекает по их поверхностям в виде тонкой пленки и капельных струек жидкости, контактируя с восходящими потоками газа, по свободным косым каналам под углом α, образованным смещением в параллельных рядах элементов насадки. Таким образом, массообмен между жидкостью и газом происходит в наиболее эффективном капельно-пленочном режиме течения жидкости. Косонаправленные каналы, образованные со смещением элементов насадки в соседних параллельных рядах, обеспечивают увеличение пути прохождения контактирующих потоков в объеме аппарата, а также условия для более полного омывания потоками всей поверхности насадки.
Эффективность процесса тепло- и массообмена при этом в исследованном диапазоне нагрузок по газу 0÷3.0 м/с и по жидкости 0÷10.0 м3/(м2·ч) увеличивается до 10%.
Опытным путем установлено, что регулярная насадка в виде секций из многоуровневых групп элементов насадки, обладает свойством равномерного перераспределять потоки жидкости по всему поперечному сечению секции насадки, даже при недостаточно равномерной первоначальной раздаче жидкости на входе в секции насадки из-за дефектов водораздающей форсунки аппарата.
Выполнение насадки в виде каплевидного сечения позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление со стороны воздуха.
Компоновка секции насадки с шагом между соседними элементами насадки в каждом ряду в пределах от 1.5 до 3.5 ширины элемента насадки h обусловлено следующим. Нижний предел - 1.5h объясняется тем, что дальнейшее сужение «живого сечения» свободных каналов приводит к заметному росту гидравлического сопротивления насадки, что нежелательно. Верхний предел - 3.5h объясняется тем, что при дальнейшем увеличении шага между соседними насадками в рядах секции существенно снижается удельная поверхность насадки, что также нецелесообразно.
Смещение элементов насадок в параллельных рядах секции насадки в пределах от 1.0 до 3.0 ширины элемента насадки h обусловлено требованиям оптимизации условий для обеспечения максимальной эффективности процесса тепло-массообмена при минимальном гидравлическом сопротивлении за счет организации множества взаимодействующих во всем объеме секции регулярной насадки косонаправленных каналов для турбулизации потока газовой фазы и увеличения поперечного перемешивания контактирующих потоков.
Выполнение насадки в виде каплевидного сечения позволяет дополнительно интенсифицировать тепло- и массообмен на 7-10% в процессах испарительного охлаждения оборотной воды в вентиляторных градирнях.
Предлагаемая регулярная насадка позволяет повысить эффективность на 10-15% в процессах охлаждения жидкостей, абсорбции и т.п. за счет увеличения поперечного перемешивания и турбулизации потоков, проста в изготовлении - отдельные ее каплевидные элементы изготавливают методом горячей прессовки.
1. Регулярная насадка для тепло-массобменных аппаратов, выполненная в виде секций, установленных в несколько ярусов по высоте аппарата, собранных из параллельно уложенных в ряды каплевидных элементов, отличающаяся тем, что концы каплевидного элемента в острой кромке профиля соединены посредством стержня, а поверхность каплевидных элементов выполнена из лавсановых мононитей в виде сетки, причем закругленная кромка профиля ориентирована навстречу газовому потоку, а острая кромка навстречу потоку жидкости, угол атаки указанных элементов по отношению к газовому потоку находится в пределах от 0° до 20°, элементы расположены в шахматном порядке, при этом их ориентация в соседних рядах по высоте аппарата выполнена с противоположным наклоном относительно друг друга и со смещением по горизонтали на величину, равную 1,0-3,0 ширины элемента насадки, а шаг элементов в каждом ряду равен 1,5-3,5 ширины элемента насадки, причем высота элемента составляет 4,0-8,0 ширины элемента насадки.
2. Регулярная насадка по п.1, отличающаяся тем, что элементы насадки секции в аппарате прямоугольного сечения расположены под углом 90° относительно элементов насадки в соседних секциях.
3. Регулярная насадка по п.1, отличающаяся тем, что элементы насадки в каждом ярусе аппарата круглого сечения образуют восьмилепестковую конструкцию.
4. Регулярная насадка по п.1, отличающаяся тем, что элементы насадки в аппаратах круглого сечения в соседних по высоте ярусах смещены относительно друг друга на величину, равную 10°-40°.
