Аппарат для тепломассообмена

 

Использование: энергетика, обработка воды паром. Сущность изобретения: истекающая из сопл водораспределителя вода попадает на размещенную в верхней части корпуса перфорированную полку с бортом. Струи обрабатываются паром, поступающим в корпус через патрубок подвода пара, а выпар уходит через соответствующие патрубки, размещенные выше и ниже полки. Сопла размещены под углом к вертикали. Водораспределитель смещен по ширине корпуса относительно полки на величину, определяемую из неравенства S/h < tg , где h - высота размещения верхней кромки борта полки над плоскостью размещения наименее удаленных от полки сопл; S - величина смещения водораспределителя по ширине корпуса, определяемая расстоянием между наименее удаленными от полки соплами и проекцией борта полки на горизонтальную плоскость размещения этих сопл. В корпусе между полкой и водораспределителем размещена вертикальная перегородка. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к аппаратам для тепломассообмена, в которых осуществляется непосредственный контакт пара с водой или другой жидкостью. Наиболее распространенными технологическими аппаратами этого типа являются деаэраторы исходной воды в опреснительных и испарительных установках, используемых в теплоэнергетике, а также струйные контактные конденсаторы, применяемые для конденсации вторичного пара последних корпусов выпарных установок в химической промышленности. Изобретение может быть использовано в других отраслях техники, где требуется осуществлять высокоэффективный контакт пара или газа с жидкостью.

Эффективность таких прямоконтактных аппаратов находится в прямой зависимости от развития поверхности контакта, определяемого степенью дробления (диспергирования) жидкости. Однако с увеличением степени диспергирования резко возрастает расход энергии на дробление жидкости и, следовательно, затраты на осуществление процесса тепломассопереноса. В настоящее время в технике наиболее распространены аппараты, в которых жидкость при помощи простых устройств дробится на струи диаметром 3-12 мм. Затраты на дробление в этих аппаратах сравнительно невелики, но достигаемую при этом поверхность контакта пара и воды и в конечном итоге эффективность (полноту) тепломассопереноса сейчас нельзя признать удовлетворительными. Основная задача, которая решается сейчас при конструировании таких аппаратов, заключается в достижении максимального развития поверхности контакта пара и жидкости при минимальных энергетических затратах.

Широко известен тепломассообменный аппарат конденсатор смешения, содержащий корпус с размещенным в верхней части его водораспределительным устройством в виде перфорированной полки с бортами [1] При работе аппарата поток охлаждающей воды подается на эту полку. Пройдя отверстия полки, поток воды дробится на множество отдельных струй, вытекающих в паровое пространство аппарата. Пар конденсируется на поверхности падающих струй воды, образующийся конденсат вместе с водой отводится из аппарата.

Недостаток этой конструкции заключается в повышенном расходе энергии на создание поверхности контакта воды и пара и, следовательно, на осуществление процесса теплообмена. Это определяется следующим. Путь движения воды, подводимой в аппарат, в аппарате можно разбить на два участка. На первом участке вода за счет энергии поднимается от основания (дна) аппарата до распределительной перфорированной полки. На втором участке воды, вытекая из отверстий полки в паровое пространство, дробится на струи и в виде струй падает вниз. Поверхность падающих струй составляет поверхность тепломассопереноса. В рассматриваемой известной конструкции вода лишь на втором участке движения контактирует с конденсируемым паром и вся энергия, передаваемая воде в падающем насосе, затрачивается на создание только этого участка тепломассообмена. На первом участке вода движется вне аппарата без контакта с паром и в процессе теплопередачи не участвует.

Известен также тепломассообменный аппарат деаэратор, содержащий корпус с патрубками для подвода деаэрируемой воды и пара, отвода выпара и деаэрированной воды, размещенную в верхней части корпуса перфорированную полку с бортами и установленный под ним водораспределитель со струеформирующими элементами, направленными вверх, сообщенный с перфорированной полкой каналом [2] Аппарат работает следующим образом. В номинальном режиме работы деаэратора деаэрируемая вода поступает в водораспределитель с направленными вверх струеформирующими элементами (форсунками) и, сформированная в струи, вытекает вверх в пространство под перфорированной полкой с бортами, куда подается рабочий пар. Пар частично конденсируется на поверхности водяных струй и нагревает их. Вследствие этого из воды выделяются кислород и другие растворенные газы. Эти газы подхватываются потоком несконденсировавшегося рабочего (вентиляционного) пара и выносятся им из аппарата. При больших расходах вода из водораспределителя с направленными вверх струеформирующими элементами по соединительному каналу начинает поступать на перфорированную полку, формируется в струи, которые вытекают вниз навстречу струям воды из первого водораспределителя. При этом предполагается, что из-за взаимодействия струй значительно увеличиваются поверхность и время контакта пара и воды и тем самым интенсифицируются процессы тепла и массопередачи.

В этом аппарате указанный выше недостаток конденсатора смешения, описанного в [1] и оснащенного только перфорированной полкой, в некоторой степени исключается: в номинальном режиме рабочая жидкость (вода), вытекающая из направленных вверх форсунок, движется сначала вверх (равномерно-замедленно) и затем, достигнув некоторой высоты, начинает падать вниз; таким образом, и движение струй воды вверх, и движение их вниз происходит при контакте с паром. За счет этого поверхность контакта пара и воды значительно возрастает при сохранении неизменным расхода энергии на перемещение воды и, следовательно, расход энергии на создание единицы площади поверхности контакта для осуществления тепломассопереноса в данном случае будет меньше, чем в аппарате, оснащенном только перфорированной полкой. При больших потоках деаэрируемой воды, когда в работу включается перфорированная полка, этот выигрыш соответственно уменьшается.

Недостаток рассматриваемого аппарата заключается в том, что удельная поверхность жидкости, отнесенная к единице длины струи, в вытекающей вверх струе не одинакова на различных участках траектории: на восходящей ветви траектории и в ее верхней части на участке перегиба траектории (на участке траектории, где изменяется направление движения жидкости) удельная поверхность жидкости имеет максимальные значения и весьма невелика на нисходящей ветви. Это обусловлено тем, что довольно высокие локальные значения поверхности, характерные для начальных участков струи, увеличиваются еще более по мере удаления от струеформирователя вследствие равномерно-замедленного движения жидкости. Максимальное развитие поверхности имеет место в верхней части траектории, где первоначально цилиндрическая струя деформируется в плоскую струю довольно сложной формы. При этом наряду с резким увеличением поверхности происходит интенсивное перемешивание жидкости в струе и, следовательно, имеет место многократное возрастание скорости тепломассопередачи. На нисходящем участке траектории жидкость силами поверхностного натяжения формируется в довольно крупные отдельные капли, в результате чего ее свободная поверхность уменьшается. Вследствие этого на первые два участка струи приходится 75-80% общей площади поверхности жидкости в струе и до 80-85% общего теплового потока при нагреве такой струи паром. Лишь около 25% площади тепломассопередачи и примерно 20% общего теплового потока приходится на нисходящую ветвь траектории струи, составляющую до 45-50% протяженности струи.

Другой недостаток известного аппарата состоит в том, что в нем струи жидкости, истекающие вниз из отверстий перфорированной полки, и струи, направленные вверх из струеформирующих элементов второго распределителя, вытекают в один и тот же паровой объем навстречу друг другу. При столкновении этих струй, имеющих в таких аппаратах сравнительно небольшие скорости, основная доля их сливается по две-три струи воедино. При этом удельная поверхность жидкости, приходящая на единицу ее объема, и, следовательно, поверхность теплопередачи и массопередачи в аппарате уменьшается и становится меньше суммарной поверхности этих струй при отсутствии столкновения. В результате поверхность тепломассообмена в рассматриваемом аппарате меньше максимально-возможных значений.

В этой известной конструкции сохраняется недостаток ранее рассмотренного конденсатора, заключающийся в том, что передача жидкости от водораспределителя на полку осуществляется вне контакта с паром компактным потоком по трубе, что обусловливает повышенный расход энергии на создание поверхности жидкости и пара в аппарате.

Целью изобретения является увеличение эффективности (интенсивности и полноты) процессов тепломассообмена и снижение затрат на осуществление этих процессов.

Цель достигается тем, что в известный аппарат для тепломассообмена между жидкостью и паром, содержащий корпус с патрубками для подвода пара и отвода выпара, размещенную в верхней части корпуса перфорированную полку с бортами и установленный ниже водораспределитель с направленными вверх струеформирующими элементами, внесены изменения, заключающиеся в том, что водораспределитель размещен со смещением относительно полки, патрубок для подвода пара размещен со стороны водораспределителя, патрубки для отвода выпара выше и ниже полки, а струеформирующие элементы водораспределителя установлены под углом = 2-30^о к вертикали с наклоном к полке, при этом смещение водораспределителя определяется соотношением S/h < tg где h высота верхнего края борта полки над ближайшими к полке струеформирующими элементами, м; S удаление ближайших к полке струеформирующих элементов водораспределителя от вертикальной проекции края полки, м.

Кроме того, между полкой и водораспределителем с зазором к полке установлена вертикальная перегородка.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что предлагаемый аппарат действительно отличается от прототипа перечисленными признаками. Следовательно, заявляемый аппарат соответствует критерию изобретения "новизна".

Благодаря отличительным признакам, перечисленным выше, в заявляемой совокупности признаков проявляется новое свойство: обеспечение поверхности контакта жидкости и пара в аппарате при значениях, соответствующих локальным значениям поверхности жидкости, максимально возможным без дополнительного подвода энергии извне, с равномерным распределением этих локальных значений поверхности жидкости по длине (по участкам траектории) струи в аппарате.

Это свойство не присуще ни каждому из отличительных признаков в отдельности, ни известным струйным контактам аппарата для осуществления процессов тепло- и массообмена (деаэраторам и конденсаторам).

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На чертеже приведена принципиальная конструкция аппарата.

В верхней части корпуса 1 расположено водораспределительное устройство в виде перфорированной полки 2 с бортами, в нижней части водораспределитель 3, содержащий направленные вверх струеформирующие элементы (сопла) 4, закрепленные на наклонном листе 5. При этом наклон листа 5 обеспечивает положение осей сопл 4 под углом = 2-30^о к вертикали, причем оси сопл 4 наклонены в сторону полки 2. Водораспределитель 3 смещен относительно полки 2, т.е. находится вне вертикальной проекции полки 2. Величина смещения определяется расстоянием от ближайших к полке 2 струеформирующих элементов (сопл) 4 до вертикальной проекции края полки 2. Это расстояние должно быть не мене значения h_бtg м, где h_б высота верхнего края борта полки над выпускными отверстиями сопл 4 водораспределителя 3, ближайшими к полке 2. h_б h_п + +h_п.б, где h_п высота расположения основания полки (перфорированного дна); h_п.б высота борта относительно основания полки.

Под листом 5 в корпусе 1 размещен патрубок 6 для подвода воды. В водораспределителе 3 в качестве струеформирующих элементов могут быть использованы перфорированные листы, насадки и форсунки, соответственно ориентированные. Между водораспределителем 3 и полкой 2 размещена вертикальная перегородка 7, установленная с зазором 8 относительно полки 2. Над водораспределителем 3 в корпусе 1 расположен патрубок 9 для подвода пара, в нижней части аппарата под полкой 2 патрубок 10 для отвода жидкости (воды). Со стороны полки 2 выше и ниже нее в корпусе 1 размещены патрубки для отвода выпара. Из сопл 4 водораспределителя 3 вытекает пучок струй 11, а из отверстий полки 2 пучок струй 12.

Аппарат работает следующим образом.

Деаэрируемая вода через патрубок 6 подается под перфорированный лист 5, на котором закреплены сопла 4, и, проходя через сопла 4, формируется в струйный пучок 11. Струи 11 вытекают вверх под некоторым углом к вертикали в интервале значений 2-30^о с наклоном в сторону полки 2. Эти струи, двигаясь по траектории, близкой к параболической, проходят мимо борта полки 2 и, достигнув наивысшей точки траекторий выше полки 2, начинают падать вниз. В начале нисходящей ветви траекторий струи достигают полки 2. Упавшие сверху струи воды образуют на полке 2 некоторый слой. Проходя отверстия в перфорированной полке, вода вновь формируется в струи и в виде струйного пучка 12 падает вниз. Рабочий пар подается в аппарат через патрубок 9 и поступает в струйный пучок 11. Проходя между струями, пар частично конденсируется на поверхности струй. Конденсирующийся пар увлекается струями в верхнюю часть аппарата и продолжает конденсироваться на струях при движении вверх и в пространстве над полкой 2. Не сконденсировавшийся в пучке струй 11 пар через зазор 8 проникает под полку 2 в струйный пучок 12, где также конденсируется на струях воды, двигаясь вместе со струями вниз.

Конденсируясь, пар нагревает струи воды. Вследствие интенсивной теплопередачи и увеличенного времени контакта жидкости и пара обеспечивается температура деаэрируемой воды, приближающаяся к температуре рабочего пара. Это обеспечивает практически полное выделение газов и воды. Проникая через поверхность струй, выделившиеся кислород и другие газы попадают в поток несконденсировавшегося (вентиляционного) пара и переносятся этим потоком по аппарату. Часть выпара (смеси газов и пара) отводится из пространства через патрубок над полкой 2, другая часть выпара отводится из аппарата через патрубок, размещенный под полкой 2 в нижней части корпуса 1. Деаэрированная вода выводится через патрубок 10.

Размещение водораспределителя 3 со смещением относительно полки 2, наклон осей струеформирующих элементов на 2-30^о от вертикали в сторону полки 2 обеспечивает передачу жидкости из водораспределителя 3 на полку 2 непосредственно через паровое пространство аппарата при одновременном обеспечении развитого контакта этого передаваемого потока воды с паром. Это резко увеличивает поверхность контакта воды и пара по сравнению с прототипом при тех же затратах энергии на перемещение воды. Кроме того, увеличивается время контакта воды и пара.

Поверхность контакта воды и пара увеличивается также за счет замены малоэффективной нисходящей ветви траектории струй, вытекающей вверх из водораспределителя, струйным участком, вытекающим из перфорированной полки 2, а также обеспечением разделенного движения струйных пучков, вытекающих из водораспределителя 3 и из полки 2.

Расположение патрубка для подвода пара и патрубков для отвода выпара, наличие вертикальной перегородки 7, размещенной с зазором относительно полки 2, согласующиеся с траекторией движения струйных потоков воды по аппарату, позволяют создать упорядоченное движение газов по аппарату, предупреждающее накапливание их в паровом объеме и обеспечивающее оперативное удаление их из аппарата. В конечном итоге это сводит к минимуму негативное влияние их на процессы тепло- и массообмена. При этом движение водяных струй способствует продвижению пара и парогазовой смеси по аппарату, уменьшая сопротивление парового тракта и увеличивая тем самым движущие силы тепло- и массообмена.

Технико-экономические преимущества заявляемого аппарата обеспечиваются более высокой интенсивностью процессов тепло- и массообмена в нем и заключаются в следующем. При использовании этого аппарата в качестве деаэратора в опреснительной установке достигается снижение капитальных затрат за счет снижения габаритов его при сохранении качества деаэрации исходной воды, или за счет уменьшения металлоемкости опреснительной установки, обусловливаемой увеличением степени деаэрации и возможностью использования вследствие этого более дешевых материалов и уменьшения толщины стенок аппаратов. При использовании заявляемого аппарата в качестве конденсатора в выпарной установке достигается уменьшение расхода охлаждающей воды, т.е. сокращение эксплуатационных затрат на процесс конденсации за счет обеспечения более высокой полноты теплообмена в аппарате.

Формула изобретения

1. АППАРАТ ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА, содержащий корпус с установленной в его верхней части перфорированной полкой с бортом, ниже которой расположен водораспределитель с соплами, обращенными в сторону полки, причем к корпусу подключены патрубки подвода пара и отвода выпара, последний из которых размещен выше перфорированной полки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности тепломассообмена, он снабжен дополнительным патрубком отвода выпара, размещенным ниже полки, сопла установлены под углом равным 2-30^o, к вертикали, причем водораспределитель смещен по ширине корпуса относительно полки на величину, определяемую из неравенства: S/h < tg, где h высота размещения верхней кромки борта полки над плоскостью размещения наименее удаленных от полки сопл; S величина смещения водораспределителя по ширине корпуса относительно полки, определяемая расстоянием между наименее удаленными от полки соплами и проекцией борта полки на горизонтальную плоскость размещения этих сопл, а патрубок подвода пара подключен к корпусу в зоне размещения водораспределителя.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вертикальной перегородкой, размещенной между водораспределителем и полкой с зазором относительно последней.

РИСУНКИ

Рисунок 1