Регулярная насадка
Владельцы патента RU 2425317:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна" (RU)
Изобретение относится к тепло - и массообменным устройствам и может быть использовано для осуществления процесса испарительного охлаждения оборотной воды в градирнях энергетических и других промышленных предприятий, например, на электростанциях. Регулярная насадка для тепломассообменных процессов в виде каркаса из жестких прямоугольных рамок с контактирующими поверхностями из нитей для взаимодействия газа и жидкости представляет собой m количество каркасов, каждый из которых представляет параллепипед, сторонами которого являются рамки, причем на двух противоположных ребрах верхней и нижней рамок расположены синтетические фибриллированные нити из сетчатой ленты, которые внутри параллепипеда пересекаются через одну, образуя Х-образную контактирующую поверхность. Каркасы установлены по высоте в несколько ярусов, причем каждый последующий ярус установлен с поворотом каркасов на 90° относительно предыдущего яруса. Технический результат - увеличение эффективности тепломассообменных процессов за счет увеличения площади контактирующей поверхности и времени контакта газа и жидкости при одновременно невысоком гидравлическом сопротивлении. 5 ил.
Изобретение относится к тепло- и массообменным устройствам и может быть использовано для осуществления процесса испарительного охлаждения оборотной воды в градирнях энергетических и других промышленных предприятий, например, на электростанциях.
Известна регулярная насадка SU 1366856 F28F 25/08// F28C 1/00, от 05.07.1986, содержащая блок закрепленных на опорах ячеек, выполненных из гибких поддерживающих элементов с уложенными на них рядами путем намотки пластмассовыми армированными лентами, концы которых прикреплены к пружинящим элементам, которые выполнены в виде узла соединенных скруткой из пластмассовых армированных лент между собой и с опорой стальных прутков, концы которых соединены с концами лент соседних ячеек.
Недостатком известной регулярной насадки является невысокая эффективность процессов тепло - и массообмена, а также сложность изготовления элементов насадки. Кроме того, такая насадка из-за особенностей намотки ленты имеет высокое гидравлическое сопротивление.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является регулярная насадка для тепломассообменных процессов (SU 901812 М. Кл3. F28F 25/08, от 25.06.1980 г.) в виде каркаса из жестких прямоугольных рамок с намотанной на них нитью. Намотка нити осуществляется с натяжением на плоский каркас. При этом нить образует контактирующие поверхности, движение жидкости и газа соосное.
Недостатком известной регулярной насадки является невысокая поверхность контакта (взаимодействия) жидкости и газа при осуществлении процессов тепло- и массообмена и, как следствие, низкая эффективность этих процессов.
Задача изобретения - увеличение эффективности тепломассообменных процессов за счет увеличения площади контактирующей поверхности и времени контакта газа и жидкости путем способа образования этих поверхностей и угла между внутренними контактирующими поверхностями при одновременно невысоком гидравлическом сопротивлении.
Указанная задача решается тем, что в регулярной насадке для тепломассообменных процессов в виде каркаса из жестких прямоугольных рамок с контактирующими поверхностями из нитей для взаимодействия газа и жидкости содержится m количество каркасов, установленных по высоте в несколько ярусов, причем каждый последующий ярус установлен с поворотом каркасов на 90° относительно предыдущего яруса, а каждый из каркасов представляет параллелепипед, сторонами которого являются рамки, причем верхняя и нижняя рамки по ходу движения газа и жидкости являются рабочими, на которых горизонтально расположены на двух противоположных ребрах верхней и нижней рамок синтетические фибриллированные нити из сетчатой ленты со свободным сечением от 25 до 40% с регулируемым шагом h=b·n, где b - диаметр нити, n - постоянный коэффициент, равный от 2 до 5, с провисанием 1-2b, а контактирующая поверхность внутри параллелепипеда образована нитями, соединяющими ребра верхней и нижней рамок так, что две контактирующие поверхности представляют Х-образную форму с углом в месте пересечения от 90 до 120°, причем нити в месте пересечения расположены через одну.
Благодаря тому что регулярная насадка представляет собой m количество каркасов, каждый из которых представляет собой параллепипед, сторонами которого являются рамки, причем верхняя и нижняя по ходу движения газа и жидкости являются рабочими, на которых горизонтально расположены на ребрах верхней и нижней рамок с регулируемым шагом h=b·n, где b - диаметр нити, n - постоянный коэффициент, равный от 2 до 5, с провисанием 1-2b, синтетические фибриллированные нити из сетчатой ленты, которые внутри параллепипеда пересекаются через одну, образуя X-образную контактирующую поверхность, эффективность тепломассообменных процессов увеличивается на 8-12%. Значительный рост эффективности объясняется совокупностью указанных признаков, среди которых наиболее важное значение имеет провисание нити, которое позволяет ей совершать колебательные движения, обеспечивая постоянное обновление пленки жидкости и интенсификацию процесса. Гидравлическое сопротивление при этом во всем испытанном диапазоне нагрузок по жидкости qж=1-10 м3/м2·ч и газу - W0=0-4 м/с практически не увеличивается. Здесь qж - удельный расход по жидкости, м3/м2·ч; W0 - скорость газа в расчете на полное сечение пустого аппарата. Благодаря тому что синтетическая фибриллированная нить развернута в сетчатую ленту с площадью свободного сечения от 25 до 40%, достигается дополнительный эффект, заключающийся в снижении гидравлического сопротивления на 12-18% при одновременном сохранении высокой эффективности процессов теплообмена. Благодаря тому что каркасы установлены по высоте в несколько ярусов, причем каждый последующий ярус установлен с поворотом каркасов на 90° относительно предыдущего яруса, достигается дополнительная интенсификация процессов тепломассообмена и увеличение эффективности процессов на 4 - 6% за счет дополнительной турбулизации потоков.
Существенными отличиями заявляемого решения являются выполнение контактирующей поверхности, расположенной в определенной последовательности в виде синтетической фибриллированной синтетической нити со свободным сечением 25-40%, введением дополнительной контактирующей поверхности внутри параллелепипеда, увеличивающей площадь и время контактирования газа и жидкости. Только заявляемая совокупность признаков обеспечивает достижение технического результата, указанного выше.
В известном уровне техники заявляемой совокупности признаков не обнаружено, что позволяет сделать вывод о существенности отличий заявляемого решения.
Заявляемое устройство поясняется чертежами. На фиг.1 представлен в трех проекциях общий вид регулярной насадки, выполненной из 16 каркасов. На фиг.2 представлен общий вид одиночного каркаса. На фиг.3 показан фрагмент элемента каркаса регулярной насадки. На фиг.4 представлена схема провисания горизонтального участка синтетической фибриллированной нити между опорами жесткого каркаса. На фиг.5 показана схема одиночного каркаса, например, с намотанной синтетической фибриллированной нитью в трех проекциях.
Регулярная насадка состоит из жестких каркасов 1, каждый из которых представляет параллепипед, сторонами которого являются рамки 2 и 3, причем верхняя - 2 и нижняя - 3 по ходу движения контактирующих потоков газа и жидкости являются рабочими, на которых горизонтально расположены, на ребрах верхней 2 и нижней 3 рамок (см. фиг.1 и, фиг.2) с регулируемым шагом h=b·n, где b - диаметр нити, n - постоянный коэффициент, равный от 2 до 5, с провисанием Δ=1-2b (см. фиг.3 и фиг.4), синтетические фибриллированные нити 4 (см. фиг.1) из сетчатой ленты, которые внутри параллепипеда пересекаются через одну, образуя Х-образную контактирующую поверхность 5 (фиг.1 и фиг.5). Образование X-образной контактирующей поверхности может осуществляться как намоткой, так и может быть выполнено и по новым современным технологиям крепления, например, вставкой в ребро каркаса. Синтетическая фибриллированная нить развернута в сетчатую ленту 4 (см. фиг.3) с площадью свободного сечения от 25 до 40%. Каркасы 1 установлены по высоте в несколько ярусов (см. фиг.1), причем каждый последующий ярус установлен с поворотом каркасов на 90° относительно предыдущего яруса.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Охлаждаемая оборотная вода в градирне, имеющая температуру Тгорячая, разбрызгивается соплами водоподающей системы 1 и распределяется в виде пленки на контактирующей поверхности 5 насадки из каркасов 1, каждый из которых есть параллелепипед со сторонами из рамок 2 и 3, например, с намотанной синтетической фибриллированной нитью 4, и установлены в m ярусов, которая стекает с нее, взаимодействуя с потоком обдувающего ее холодного атмосферного воздуха с температурой Твоздуха. При этом на поверхности синтетической фибриллированной нити 4, например, намотанной, которая при контакте газа и жидкости распушается в сетку со свободным сечением 25-40% на каркасы, осуществляется процесс тепло - и массообмена, в результате которого оборотная вода охлаждается до температуры Тхолодная. Уменьшение свободного сечения нити меньше 25% приводит к увеличению гидравлического сопротивления, а повышение свободного сечения нити выше 40% создаст каналы для проскока жидкости и, как следствие, снижение теплообмена.
При этом провисание нити 4, по величине равное 1-2 диаметра нити - b, под воздействием набегающего потока воздуха приводит к возникновению колебательных движений последней (вибраций), что обеспечивает периодическое обновление пленки жидкости, предотвращает застой пленки жидкости на поверхности синтетической фибриллированной нити. В свою очередь постоянное обновление (срыв) пленки жидкости с поверхности фибриллированной нити приводит к значительной интенсификации процесса тепло - и массообмена в объеме предлагаемой насадки.
Уменьшение регулируемого шага намотки нити - h на каркас насадки менее h<2b приводит к неоправданному росту гидравлического сопротивления. При h>5b происходит уменьшение развиваемой поверхности, а следовательно, и снижение эффективности процесса тепломассообмена.
При увеличении величины угла в месте Х-образного пересечения нитей больше 120° из-за провисания нитей на их поверхности образуются застойные зоны, что снижает характеристики тепломассообмена, а при уменьшении величины угла Х-образного пересечения контактирующей поверхности снижается поверхность контакта фаз и ухудшаются характеристики тепломассообмена и время контактирования газа и жидкости.
Таким образом, совокупность всех отличительных признаков позволяет достичь указанного технического результата.
Ниже приведены результаты гидравлических испытаний предлагаемого устройства на опытном стенде ОАО ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Общая высота насадки составляла 1,6 м. При этом насадка была выполнена в 4 яруса. Шаг намотки синтетической фибриллированной нити 4 на каркасах 1 составлял 10 мм толщиной 3,0 мм. Испытания проводили в диапазоне плотности орошения qж=6-12 м3/м2·ч; скоростей воздуха в расчете на полное сечение пустого аппарата W0=0,8-2 м/с; относительных расходов воздуха в расчете на полное сечение аппарата λ=0,29-1,38. Температура охлаждаемой воды составляла Тгорячая=29,4-31,7°С. Температура атмосферного воздуха составляла θ=18,8-20,6°С, а его относительная влажность во время опытов находилась в пределах φ=50-61%. Результаты гидравлического сопротивления (коэффициент ξ) орошаемой насадки представлены в таблице.
| Таблица | |||
| Опытные данные по гидравлическому сопротивлению орошаемой насадки | |||
| № п/п | W0, м/с | qж, м3/м2·ч | ξ |
| 1 | 1,5 | 8,0 | 13,4 |
| 2 | 10,0 | 14,8 | |
| 3 | 1,7 | 8,0 | 11,5 |
| 4 | 10,0 | 12,6 |
Эффективность процесса испарительного охлаждения оборотной воды оцениваем с помощью числа испарения Ки:
Ки=A·λn
где А и n - безразмерные коэффициенты, определяемые по результатам испытаний. Полученная по результатам испытаний аппроксимирующая зависимость имеет вид:
Ки=0,52·λ0,6
Как показывает сравнение с прототипом, предлагаемое устройство превосходит прототип на 8-12% в испытанном диапазоне нагрузок по газу и жидкости. При этом гидравлическое сопротивление снижается на 12-18% за счет развертки нити в сетчатую ленту, площадь свободного сечения которой составляет 25-40%.
Поворот каркасов в соседних по высоте ярусах позволяет дополнительно увеличить эффективность процессов тепло - и массообмена на 4-6% за счет дополнительной турбулизации взаимодействующих потоков жидкости и газа в объеме насадки.
Регулярная насадка для тепломассообменных процессов в виде каркаса из жестких прямоугольных рамок с контактирующими поверхностями из нитей для взаимодействия газа и жидкости, отличающаяся тем, что регулярная насадка представляет собой m количество каркасов, установленных по высоте в несколько ярусов, причем каждый последующий ярус установлен с поворотом каркасов на 90° относительно предыдущего яруса, а каждый из каркасов представляет параллелепипед, сторонами которого являются рамки, причем верхняя и нижняя рамки по ходу движения газа и жидкости являются рабочими, на которых горизонтально расположены на двух противоположных ребрах верхней и нижней рамок синтетические фибриллированные нити из сетчатой ленты со свободным сечением от 25 до 40% с регулируемым шагом h=b·n, где b -диаметр нити, n - постоянный коэффициент, равный от 2 до 5, с провисанием 1-2b, а контактирующая поверхность внутри параллелепипеда образована нитями, соединяющими ребра верхней и нижней рамок так, что две контактирующие поверхности представляют Х-образную форму с углом в месте пересечения от 90 до 120°, причем нити в месте пересечения расположены через одну.
