Башенная насадка

 

Изобретение относится к башенным насадкам для установок, в которых среды находятся в прямом контакте, для обмена энергией и/или веществами, или для химических или биологических реакций, или для процессов смешивания или отделения, например, для оросительных решеток, или каплеотделителей в скрубберах, для непосредственных теплообменников, для капельных биофильтров в установках для биологической очистки сточных вод, для химических колонн, для распределителей жидкостей и/или газов и их смесителей, для устройств подачи воздуха и т. п. Она состоит из нескольких пластин фольги волнистой формы с заданной амплитудой и длиной волны, которые соединены между собой с совмещением гребня и впадины волны для образования проточных каналов. Проточные каналы на своем протяжении имеют минимум два поворота. Соседние участки соответственно двух последовательных в одном слое пластин соединены между собой только по зонам, и над другой частью их длины остается открытой щель, соединяющая соседние проточные каналы. Сечение щелей составляет лишь часть сечения соединяемых ими проточных каналов. 18 з.п. ф-лы, 25 ил.

Изобретение относится к башенным насадкам для установок, в которых среды находятся в непосредственном контакте.

Такие насадки используются, преимущественно, для непосредственного обмена энергией, при котором взаимодействующие среды находятся в непосредственном контакте, т. к. не отделены друг от друга стенкой, например, при теплообмене в скрубберах, для непосредственного обмена веществами между средами, например, при выпаривании в скрубберах или в процессах срыва, для реакции между средами, например, в химических колоннах, для ускорения биологических процессов, например, в капельных биофильтрах для очистки сточных вод, для процессов отделения, например, в каплеотделителях в скрубберах, для разделения жидкостей, в устройствах подачи воздуха и т.п.

Известно устройство (патент СH N 556010, кл. F 28 F 25/02, 1974). Здесь описано контактное устройство для обмена веществ, главным образом, для теплообмена между жидкой и газообразной средами. Эти пластины также имеют желобчатый профиль, причем внутри пакета платы расположены таким образом, что волны соседних пластин перекрещиваются. Впадины и гребни волн пластин имеют лишь точечное касание. Кроме того, эти впадины или гребни волн на своей протяженности на отдельных участках сглажены, так что при соединении таких больших пластин в пакет при перекрещивании впадин и гребней волн их соединение возможно лишь на отдельных участках. В результате оказывается, если рассматривать этот пакет в горизонтальном направлении, то проходящее вдоль отверстие не имеет на всем своем протяжении вид щели. Щелеобразное отверстие получается лишь при виде спереди. В действительности просвет этого канала очень сложен. В этих известных больших насадках жидкая среда подается сверху, а газообразная, как правило, идет поперек заданному направлению. Задача известных устройств сводится к тому, чтобы значительно сократить потери давления протекающей среды, т.е. значительно снизить сопротивление потоку. Эта щель достигнута благодаря тому, что создан так называемый открытый канал в поперечном направлении, т.е. в направлении протекания газа, через который газ может свободно проходить. Но то, что этот свободно протекающий газ можно использовать для эффективного обмена веществ или энергией, сомнительно, поскольку газ циркулирует свободно и не проходит сложных ходов большой башенной насадки описываемой конструкции. Описанная конструкция действительно снижает сопротивление потоку, но значительно снижается и эффективность этой башенной насадки.

Цель изобретения создание башенной насадки, благодаря которой становится возможным, чтобы находящиеся в проточном канале среды хотя бы частично на своем пути меняли каналы, попадая через упомянутую щель в соседние каналы, при этом текущие среды имеют возможность хотя бы частично попадать в расположенный рядом канал, причем эта возможность зависит от величины и вида щели, сечение которой составляет лишь часть сечения соединенных ею каналов. Как показали эксперименты, эффективность таких установок повышается в неожиданной степени.

На фиг. 1 показана башенная насадка известной конструкции, вид спереди; на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - башенная насадка по фиг.1-3, изготовленная из плоской фольги, а предлагаемая установка вид спереди; на фиг.5 разрез В-В на фиг.4; на фиг.6 разрез Г-Г на фиг. 4; на фиг.7 пластины, расположенные друг против друга; на фиг.8 то же, ступенчато смещены по ширине щели 4; на фиг.9 одна пластина выступает в щели в виде планки, а соседняя имеет пазообразное углубление; на фиг.10 обе пластины в зоне щели 4 углублены; на фиг.11 обе пластины в зоне щели 4 выполнены зубчатыми; на фиг.12 пластины в зоне щели 4 выполнены волнистыми; на фиг. 13 в зоне щели предусмотрены простые группы волн; на фиг.14 - изобретение в сечении щели на фиг.8; на фиг.15 в зоне щели 4 пластины выполнены ступенчатыми; на фиг. 16 в зоне щели 4 одна пластина выполнена зубчатой, а вторая плоской; на фиг.17 то же, что и на фиг.15 с расположением между ступенчатыми пластинами плоской; на фиг.18 то же, что и на фиг.11 с наличием плоской пластины; на фиг.19 то же, что и на фиг.8 с наличием плоской пластины; на фиг.20 то же, что и на фиг.12 с наличием плоской пластины; на фиг.21 то же, что и на фиг.10 с наличием плоской пластины; на фиг.22 зона щели пластины в перспективе; на фиг.23 канал или желоб проходит через место соединения пластин; на фиг.24 канал или желоб обходит место соединения пластин; на фиг.25 башенная насадка по фиг.4-6 со множеством изгибов проточных каналов.

Башенная насадка известной конструкции (фиг.1-3) состоит из нескольких волнообразных пластин фольги 1. Эти пластины 1 сложены таким образом, что совпадают гребни волн с их впадинами, образуя проточные каналы 2. Отдельные каналы 2 расположены в одной плоскости, но образуют несколько поворотов. Непосредственно соседние в одном слое две пластины прилегают друг к другу на отдельных участках 3 и плотно соединены, например, склеены или сварены, причем по всей высоте Н башенной насадки, так что отдельные каналы 2 замкнуты по периметру на всем протяжении. Известная башенная насадка (фиг.1-3), следовательно, состоит из нескольких прилегающих друг к другу замкнутых отдельных проточных каналов 2.

Фиг. 4-6 показывают предлагаемую в изобретении башенную насадку, состоящую из пластин фольги, как и насадка по фиг.1-3, но с той разницей, что соседние участки 3 двух соседних пластин 1 соединены друг с другом лишь по зонам на участках соединения 7, которые по длине могут быть одинаковыми или разными, как и отрезки 3, но лишь в части своей длины удалены друг от друга для образования щели 4, соединяющей соседние каналы. Как видно из фиг.6, расположенные рядом пластины соединены между собой лишь в верхней 11 или, соответственно, нижней 12 зоне. Для образования щели 4 в верхнем участке 11 и в нижнем участке 12 в месте соединения можно вставить распорки. Вместо распорок можно, например, пластины в этих местах деформировать в одну сторону или в обе таким образом, что они только в этом месте непосредственно прилегают друг к другу, где их и можно соединить. Пластины в каждой зоне, в которой они соединены, имеют выступы в форме цапф, граненых или скругленных шайб, сварных швов, кнопок и т.п. и соответствующие выемки в соседней пластине. В приведенном исполнении проточные каналы имеют два поворота в направлении движения. В рамках изобретения эти каналы могут быть выполнены с несколькими поворотами, так что они могут иметь форму зигзага или змеевидную форму, причем эти каналы могут располагаться как в плоскости, так и в пространстве (фиг.25).

Формы выполнения щели показаны на фиг.5 и 9-17.

Обозначения выполнения щели показаны на фиг.5, 9-17. Примеры выполнения на фиг.7-22. Ширина, просвет В щели 4 зависит от толщины перегородок или от размера и вида формовки пластин в месте соединения 7. Глубина Т щели зависит от деформации и волнистости пластин. Хотя на чертежах показана насадка, состоящая исключительно из волнистых пластин, но она может выполняться и из плоских и волнистых пластин, причем тогда плоские и волнистые пластины перемежаются.

В чертежах показана насадка, каналы которой расположены в одной плоскости и имеют два поворота. В другом исполнении каналы могут располагаться и в пространстве. Вид волнистости для изобретения роли не играет. Понятие "волнистость" следует понимать как общее понятие, независимо от того, имеют ли волны синусообразную форму или похожую и/или ломаную.

Ширина или просвет в такой щели в зависимости от цели использования насадки может быть различной. Например, ширина щели может быть в пределах от поверхностной шероховатости до заданной микроволнистости плоской пластины. Но и в этом случае речь идет о щели, хотя невооруженному глазу кажется, что пластины прилегают плотно друг к другу. Это доказывает простой опыт: если две выполненные не из водоотталкивающего материала пластины слегка смочить, то даже при сильном сжатии не удается в месте соприкосновения пластин получить сухое их контактирование. Научно исследовано и установлено подобное явление в трибологии: даже отшлифованные сложенные гладкие поверхности в зоне видимого контактирования в действительности дают суммарную площадь контакта лишь 5% Но и, с другой стороны, нужна щель и большей ширины. Это ширина зависит от назначения насадки. Она может определяться и соотношением сечений соединяемых щелью каналов. Как правило, ширина щели составляет преимущественно одну пятую наибольшего диаметра канала. Практические опыты показали, что ширина (просвет) щели составляет от 0,05 до 1,00 мм.

Расположенные рядом участки двух соответственно соседних пластин могут быть соединены друг с другом по высоте Н насадки так, что по длине проточный канал может иметь несколько последовательных щелей. Относительно длины канала длина щели составляет максимум от одной до двух третей, причем, как уже упоминалось, щель может состоять из нескольких частей, на всей протяженности канала могут следовать друг за другом несколько щелей 4 и несколько точек соединения 7. В крайнем случае они могут выполняться в виде множества промежутков между следующими друг за другом с небольшим интервалом соединительными точками или линиями.

Щель между двумя соседними каналами может быть совершенно различного вида, т.е. выполняться очень различной по глубине Т. Примеры исполнения различной по глубине Т щели показаны на фиг.7-21, фиг.7 показывает щель в виде линии между двумя расположенными друг против друга пластин скругленной формы в самой узкой части. Как видно из фиг.5, вершины амплитудной характеристики могут быть и плоскими, тогда в самом узлом месте щель 4 имеет плоский вид как по длине, так и по глубине. На фиг.8, 9, 11, 14 и 15 показаны щели с зубчатой характеристикой. В примерах исполнения по фиг.12 и 13 щель 4 по глубине имеет волнообразный профиль. В примерах по фиг.10 отрезки, образующие щель 4 по глубине Т, имеют зеркально выполненный профиль с расширением в центральной части, так что щель 4 в середине своей протяженности имеет желобообразное расширение 5. В примере по фиг.16 против зубчатой пластины 1 расположена полоска, которые и образуют щель 4. На фиг.17-21 показаны примеры, где между двумя волнистыми пластинами 2 расположена плоская пластина 10.

Если щель 4 имеет желобообразное расширение 5, как в примерах по фиг.10 и 14 или 19 и 21, то пластины в той части, в которой они прилегают друг к другу, имеют такие совпадающие формы, что расширение 5 проходит по длине и через место соединения 7, образуя на всем протяжении. Это схематично показано на фиг. 23. Для образования мест соединения 7 пластины 1 имеют сформованные участки 8, пересекаемые желобообразными расширениями 5, причем в зоне места соединения 7 эти желобообразные расширения образуют замкнутый по периметру патрубок. Если рассматривать насадку такой конструкции как единое целое, то желобообразные выступы 5 проходят от края до края по всей длине канала.

Если в случае транспортировки загрязненных сред возникает опасность засоров в месте соединения 7, как на фиг.23 предусмотрена деталь, то перед выступами 8 для соединения 7 в средней части щели желобообразные расширения 5 отводятся в стороны и в месте соединения 7 вдоль скоса 12 волны пластины вновь спускаются к середине щели. Такое образование желоба на скосе 12 в области выступов 8 для соединения 7 предусмотрено в таком случае, где следует ожидать в канале уменьшенного давления или уменьшенной скорости воздуха. Распределение как давления, так и скорости не одинаково как при изменении направления каналов, так и в зависимости от сечения канала.

Соединение желобов щели посредством труб или отлогих желобов имеет важное значение для каплеотделителей, состоящих из волокнистых пластин, соединенных на отвесных участках: в скрубберах каплеотделители принимают снизу воздушный поток, насыщенный каплями воды в первом отвесном отрезке канала. Воздушный поток под влиянием профиля канала поворачивается под острым углом, благодаря чему первая часть капель под влиянием инерции и центробежной силы ударяется в стенки канала и объединяется до тех пор, пока их вес не станет больше удерживающего усилия воздушного потока, и тогда капли стекают вниз по стенкам каналов или по клиновидному элементу каналов, находящемуся в местах соединения пластин, в случае известной конструкции каплеотделителя. В устройствах предлагаемой изобретением конструкции щели создают дополнительный неожиданный эффект, поскольку разбрасываемые капли в щелях объединяются легче и, кроме того, в присоединительной части соседних каналов возникает меньшее давление, чем в том отрезке канала, из которого поступают капли, поэтому капли могут следовать через щель под влиянием давления ускорения и воздуха и стекать по другой стороне, достигая cледующего поворота канала, где этот процесс повторяется снова в обратном направлении, проходя через щель. В узких щелях, воздействующих как капилляры, адгезия между водой и стенками щели и/или агломерация воды достаточно велика также благодаря образованным на протяжении щели ступеням волны и другим выступам, так что жидкая среда закупоривает щель, препятствуя газовому потоку. Воздух вынужден следовать профилю канала и разбрызгивать капли в щель.

Показанные на фиг. 8-21 профили сечения щелей 4 оказывают, с одной стороны, одностороннему высокому давлению воздуха большое сопротивление в виде плоского сечения щели, с другой стороны, разбрызгиваемые капли встречают в этих профилях больше адгезионных поверхностей и свободную возможность для агломерирования.

Это осуществляется благодаря описанному желобообразному расширению 5 в средней части глубины щели 4 (фиг.10, 14, 19, 21), которое к тому же способствует свободному прохождению отделенной воды.

Отклонение желобообразных расширений 5 щелей 4 к стороне 9 каналов предусмотрено с той стороны, где следует ожидать в канале уменьшенного давления и скорости воздуха. Распределение как давления, так и скорости при изменении направления каналов не одинаково по величине при соответствующем сечении и направлении потока на данном отрезке канала.

Фиг. 22 показывает в изометрии отрезок 3 щели волнистой пластины 2. Этот отрезок 3 имеет волнообразный или зубчатый профиль 6, расположенный поперек продольного направления щели. Оси этих отдельных профилей могут быть расположены вертикально или под острым углом к продольной оси щели. Выполненные таким образом ограничивающие щель отрезки 3 могут быть также расположены таким образом, что зубцы этих профилей сцепляются друг с другом. Поскольку оси этих профилей расположены поперек воздушного потока в канале 2, но в том направлении, в котором разбрызгиваются капли, то капли преимущественно попадают в щель 4.

Описанный принцип действия предлагаемой в изобретении башенной насадки соответствует существенным признакам первого пункта формулы и перечисленным в вводной части описания примерам использования.

Предлагаемые башенные насадки относятся к ламельным системам, состоящим из пакета соединенных волнообразных пластин фольги с проложенными между ними плоскими пластинами и предназначены для непосредственного, т.е. без разделительных перегородок, пропускания различных сред.

Внутри этого ряда они относятся к двум видам, с одной стороны, к конструкциям, в которых волнистые пластины, сложенные вместе, соединены таким образом, что они образуют из пластин каналы и они на своем протяжении меняют направление, благодаря чему сечения различно направленных участков канала различны, благодаря чему от отрезка к отрезку меняется скорость и давление в потоке среды, с другой стороны, к таким конструкциям, в которых между пластинами ламельного пакета предусмотрены различные расстояния. При этом в обычных конструкциях стремились к тому, чтобы среды двигались не только в основном направлении, но и поперек к нему без особых помех, чтобы выровнять разницу между каналами в давлении и в количестве. Чтобы достичь этого, расстояния поддерживались достаточно большими и дополнительно волнистые пластины часто накладывались крест-на-крест. В противоположность этому в изобретении предусмотрено соединение между соседними каналами без ограничения прохождению сред.

Изобретение предлагает кажущееся противоречие, при котором, с одной стороны, поддерживается разница в давлении и скорости на протяжении различно направленных отрезков каналов, а, с другой стороны, все же создаются поперечные проходы в расположенных в одном пакете соседних каналах.

Это достигается благодаря тому, что соединение от канала к каналу осуществляется с помощью щелей, длина и количество которых на протяжении канала, а также их вид и профиль поддерживаются такими, что прохождение сред через щели затрудняется, так что основной поток сред в канале остается прежним.

При использовании возникают варианты в деталях выполнения башенной насадки и, соответственно, волн пластин и каналов, в зависимости от того, используются ли насадки для пропускания сред в системах смесительных, обменных, реактивных или разделительных.

В смесительных системах прежде всего используется турбулентный эффект при изменении направления каналов и неодинаковая скорость потока массы сред через сечение канала. Главным образом для смешивания сумма сечений щелей должна быть достаточно большой, но не настолько, чтобы нарушать проводную способность канала.

В обменных системах также используется турбулентный эффект, создаваемый в каналах посредством отклонения потоков и неодинаковой их скоростью, для обмена сред, которые должны обменяться энергией и/или веществами. Если обменивающиеся среды имеют различные плотности и/или вязкости, особенно различные агрегатные состояния, то в результате уже упомянутых воздействий наступает дополнительно перед и после каждого изменения направления различные соотношения давлений и скоростей между двумя составляющими потока, направленных напротив друг другу в каждом канале. Благодаря этому составляющие среды одного вида в соответствии с чертежами располагаются с левой стороны щели, а среды другого вида с ее правой стороны. При этом они, естественно, взаимодействуют через щель. При следующем изменении направления соотношения в канале изменяются, что направляет среды в обратном направлении, и возникающие при этом взаимопроникновения приводят к новым обменным процессам. Особенно наглядны эти процессы в системах жидкость газ, таких как оросительные решетки в скрубберах, где горячая вода отдает воздуху не только тепло, т.е. энергию, но и в качестве обмена веществами примесь частичек воды.

В реакционных системах происходят процессы, подобные процессам в обменных системах. Для эффекта смешивания сред и для химических и биологических реакций через щель возникает дополнительно феномен, что некоторые реакции под воздействием механического или гидравлического, или аэродинамического трения, которое наряду с турбулентностью вызывается также эффектом щели, происходят значительно быстрее и эффективнее, чем в других случаях подачи энергии.

В биологических реакциях следует учитывать явления обрастания. Например, в капельных биологических фильтрах для водоочистки щели должны быть относительно большими, поскольку субстраты с биологическими средами, содержащими микроорганизмы, образуют наросты определенной толщины, что ведет к сужению щели.

О разделительных системах уже говорилось при описании процессов в скрубберах с каплеотделителями. Другие примеры отгонка газов и процессы сепарации в системах жидкость-жидкость, газ-газ и газ-жидкость.

Если особенно в разделительных системах при прохождении по желобу отрезки щелей соединены между собой, то такие желоба должны быть замкнуты в плоскости направления общего потока или просто не выполняться в этой области, чтобы уже разделенные среды не могли уйти вверх.

В качестве материалов для этих башенных насадок используют пластмассы или металлические пластины толщиной 0,2-1 мм. В особых случаях используют более толстые перегородки или другие материалы, например, стекло или керамику.

Если рассматривать башенную насадку в общем виде, то все ее щели по виду и величине одинаковы. Но в рамках изобретения щели башенной насадки должны выполняться различными по величине и виду. Предложенная башенная насадка может иметь на волнах также ребра, утолщения, выступы и т.п. которые служат для дополнительного воздействия на поток среды.

Формула изобретения

1. Башенная насадка для установок, в которых среды находятся в непосредственном контакте, состоящая из множества пластин фольги с волнистой поверхностью с заданной амплитудой и длиной волны, которые соединены между собой с совмещением гребня и впадины волны и расположены друг против друга с образованием проточных каналов, и проточные каналы по своей протяженности имеют минимум два поворота и преимущественно по всей своей длине различное сечение, отличающаяся тем, что соседние отрезки двух расположенных слоями друг над другом пластин соединены друг с другом по зонам, а над другим участком их длины имеется щель, соединяющая соседние проточные каналы, причем сечение щели составляет часть сечения соединяемых ею каналов.

2. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что щель, соединяющая расположенные рядом проточные каналы, предусмотрена в той части каналов, в которой их сечения меньше по сравнению с другими участками.

3. Насадка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что ширина щели находится в диапазоне между шероховатостью поверхности или обусловленной изготовлением микроволнистостью плоской пластины фольги и 1,5 мм.

4. Насадка по пп. 1 3, отличающаяся тем, что между двумя волнистыми пластинами фольги расположена плоская пластина фольги.

5. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что ширина щели составляет максимум одну пятую от максимального диаметра проточного канала.

6. Насадка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ширина щели составляет 1/10 1/20 амплитуды волнистости.

7. Насадка по одному из пп.1 6, отличающаяся тем, что профиль сечения минимум одного ограничивающего в глубину щель отрезка двух расположенных рядов пластин имеет ступенчатую, волнистую или зубчатую форму и щель в глубину имеет разную ширину.

8. Насадка по п.7, отличающаяся тем, что профили сечения ограничивающих в глубину щель отрезков двух расположенных рядом пластин выполнены соответственно ступенчатыми, волнистыми или зубчатыми и щель по своей глубине имеет отрезки, расположенные под углом относительно друг друга.

9. Насадка по п.7 или 8, отличающаяся тем, что расположенные под углом участки щели имеют различную ширину.

10. Насадка по п.9, отличающаяся тем, что расположенные в середине щели участки образуют наибольшую ширину зазора.

11. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что длина щели составляет от одной до двух третей длины проточного канала.

12. Насадка по п.1 или 9, отличающаяся тем, что по всей длине канала расположено несколько щелей.

13. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что ограничивающие щели отрезки хотя бы частично имеют выполненное поперечно продольному направлению волно- или зубообразное профилирование.

14. Насадка по п.8, отличающаяся тем, что наиболее широкие желобообразные участки щели связаны между собой в виде трубы посредством соединения пластин.

15. Насадка по п.13, отличающаяся тем, что желобообразные участки щели в зоне мест соединения продолжены и там по бокам последних проходят вдоль скосов каналов.

16. Насадка по пп.1 15, отличающаяся тем, что предусмотренные между соседними каналами щели отдельных или всех волнистых пластин выполнены различными по форме и/или по длине.

17. Насадка по п. 3, отличающаяся тем, что ширина (просвет) щели составляет 0,05 1,00 мм.

18. Насадка по пп.1 17, отличающаяся тем, что проточные каналы в направлении прохождения среды имеют множество поворотов, т.е. имеют зигзагообразную или змеевидную форму.

19. Насадка по пп.1 18, отличающаяся тем, что проточные каналы расположены в различных плоскостях.

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, Рисунок 24, Рисунок 25