RU2332246C1

RU2332246C1 - Film-type enthalpy exchanger

Info

Publication number: RU2332246C1
Application number: RU2007118870/15A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Войнов (RU); Николай Александрович Войнов; Дмитрий Викторович Тароватый (RU); Дмитрий Викторович Тароватый; Александр Николаевич Войнов (RU); Александр Николаевич Войнов
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-08-27

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention pertains to film-type enthalpy exchangers for absorption, evaporation processes, biological reactions, obtaining distilled water and can be used in the chemical, microbiology and other industries, as well as carrying out laboratory and scientific research works. The exchanger has a case, contact pipes, gas connection pipes and helical spirals. The gas connection pipes on the film-type enthalpy exchanger have caps. In the gaps formed by the gas connection pipes and the contact pipes, there are connection pipes for letting in the working liquid and a heat carrier, linked to the nozzle for letting in the working liquid and the heat carrier. Connection pipes for letting out the heat carrier are sealed on the lower ends of the contact pipes, and the connection pipes are joined to the outlet nozzle. The connection pipes for letting in the working liquid and the heat carrier are arranged alternately in rows on the axes of the contact pipes, perpendicular to the surface of sheets, and on the shoulders there are breaker plates. There are grooves on the surface of the sheets. The ratio of the distance between two adjacent breaker plates s, to their length h is equal to s/h=3-10. The technical outcome is the increased heat exchange surface and the heat transfer coefficient through formation of a film of working liquid on each sheet (in the contact pipe) on one side, and a film of liquid heat carrier on the other side.

EFFECT: increased heat exchange surface and heat transfer coefficient.

3 cl; 8 dwg

Description

Изобретение относится к пленочным аппаратам для проведения тепломассообменных процессов и может найти применение в химической, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности.The invention relates to film devices for carrying out heat and mass transfer processes and can find application in chemical, microbiological, food and other industries.

Известен пленочный аппарат, содержащий корпус со штуцерами, разделенный горизонтальными перегородками на секции для ввода и вывода жидкости, теплообменную и сжатого газа, через которые пропущены цилиндрические трубы, имеющие пористую поверхность, снабженные распределителями жидкости и винтовой перфорированной полой спиралью, покрытой полупроницаемой мембраной, причем полость цилиндрических труб сообщена с полостью секции сжатого газа посредством пористой части труб [авторское свидетельство СССР №1801540, В01D 3/26, 1993 г., БИ №10].A known film apparatus comprising a housing with fittings, divided by horizontal partitions into sections for introducing and discharging liquid, heat exchange and compressed gas through which cylindrical pipes having a porous surface are passed, equipped with liquid distributors and a screw perforated hollow spiral coated with a semipermeable membrane, the cavity cylindrical pipes communicated with the cavity section of the compressed gas through the porous part of the pipes [USSR copyright certificate No. 1801540, B01D 3/26, 1993, BI No. 10].

Однако представленный аппарат обладает сравнительно не высокими значениями коэффициента теплопередачи.However, the apparatus presented has relatively low heat transfer coefficient values.

Низкие значения коэффициента теплопередачи К, обусловлены тем, что коэффициент теплоотдачи α₁ в жидкости (теплоносителе), находящейся в теплообменной секции (однофазный поток), на порядок ниже, чем α₂ в пленке жидкости, стекающей по внутренней поверхности цилиндрических труб. А известно, что коэффициент теплопередачи К будет наибольшим при равенстве α₁=α₂. В этой связи необходимо, чтобы пленка жидкости стекала по внешней и внутренней поверхности цилиндрических труб. Однако создание пленки на наружной поверхности цилиндрических труб в межтрубном пространстве не представляется возможным из-за плохой смачиваемости и наличия температурного градиента по толщине слоя теплоносителя, что обуславливает наличие «сухих» пятен на трубе.The low values of the heat transfer coefficient K are due to the fact that the heat transfer coefficient α ₁ in the liquid (coolant) located in the heat exchange section (single-phase flow) is an order of magnitude lower than α ₂ in the liquid film flowing down the inner surface of the cylindrical pipes. And it is known that the heat transfer coefficient K will be greatest if α ₁ = α ₂ . In this regard, it is necessary that the liquid film flows down the outer and inner surfaces of the cylindrical pipes. However, the creation of a film on the outer surface of cylindrical pipes in the annulus is not possible due to poor wettability and the presence of a temperature gradient across the thickness of the coolant layer, which leads to the presence of “dry” spots on the pipe.

Наиболее близким по технической сущности является пленочный аппарат [авторское свидетельство СССР №1792720, В01D 3/28, 1993 г., БИ №5], состоящий из камеры для вывода жидкости со штуцерами, контактных труб, выполненных из гофрированных листов с наклонным рифлением круглого профиля радиусом, равным радиусу контактных труб, снабженных профилированными буртиками, размещенными с наружной стороны вогнутых наклонных рифлений на всю длину листов, газовыми патрубками и винтовыми спиралями. Причем боковые кромки буртиков выполнены так, что совместно с наклонными рифлениями образуют контактные трубы цилиндрической формы, а периферийные гофрированные листы удлинены, размещены над корпусом и герметично соединены посредством боковых перегородок, размещенных на заглушках, установленных в полости контактных труб.The closest in technical essence is the film apparatus [USSR author's certificate No. 1792720, B01D 3/28, 1993, BI No. 5], consisting of a chamber for liquid output with fittings, contact tubes made of corrugated sheets with an inclined corrugation of a round profile a radius equal to the radius of the contact tubes equipped with profiled collars placed on the outside of the concave inclined corrugations for the entire length of the sheets, gas pipes and helical spirals. Moreover, the lateral edges of the shoulders are made so that, together with the inclined corrugations, they form cylindrical contact tubes, and the peripheral corrugated sheets are elongated, placed above the housing and hermetically connected by means of side partitions placed on plugs installed in the cavity of the contact tubes.

Однако этот аппарат, обладая высокой производительностью по жидкости, имеет низкие теплообменные характеристики (небольшую поверхность теплообмена, низкие коэффициенты теплопередачи). Подвод или отвод тепла в рассматриваемом аппарате возможен только через поверхность пленки жидкости, контактирующую с потоком газа в полости контактных труб.However, this device, having a high liquid productivity, has low heat transfer characteristics (small heat transfer surface, low heat transfer coefficients). The supply or removal of heat in the apparatus under consideration is possible only through the surface of the liquid film in contact with the gas flow in the cavity of the contact pipes.

Изобретение решает задачу увеличения поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи.The invention solves the problem of increasing the heat transfer surface and the heat transfer coefficient.

Технический результат заключается в увеличении поверхности теплообмена и величины коэффициента теплопередачи, путем создания на каждом листе (в контактной трубе) с одной стороны (поверхности) пленки рабочей жидкости, а с другой - пленки жидкости теплоносителя.The technical result consists in increasing the heat transfer surface and the magnitude of the heat transfer coefficient by creating on each sheet (in the contact tube) on one side (surface) a film of the working fluid, and on the other, a coolant fluid film.

Указанный технический результат достигается тем, что в пленочном тепломассообменном аппарате, состоящем из корпуса с камерой для вывода жидкости со штуцерами, контактных труб, выполненных из гофрированных листов с наклонным рифлением круглого профиля радиусом, равным радиусу контактных труб, снабженных профилированными буртиками, размещенными с наружной стороны вогнутых наклонных рифлений на всю длину листов, газовыми патрубками и винтовыми спиралями, согласно изобретению, на газовые патрубки установлены заглушки, в зазоры, образованные газовыми патрубками и контактными трубами, вставлены патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, сообщенные со штуцерами для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, а в нижних торцах контактных труб герметично размещены патрубки для отвода теплоносителя, соединенные с отводящим штуцером, причем патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя размещены последовательными рядами по осям контактных труб, перпендикулярным поверхности листов, а на буртиках установлены пластины-прерыватели; на поверхности листов выполнены канавки; отношение расстояния между двумя соседними пластинами-прерывателями s их длине h равно s/h=3-10.The specified technical result is achieved by the fact that in the film heat and mass transfer apparatus, consisting of a housing with a fluid outlet chamber with fittings, contact pipes made of corrugated sheets with oblique corrugation of a round profile with a radius equal to the radius of contact pipes equipped with profiled collars placed on the outside concave inclined corrugations for the entire length of the sheets, gas pipes and screw spirals, according to the invention, plugs are installed on the gas pipes, in the gaps, forming gas pipes and contact pipes, pipes for the supply of working fluid and coolant are inserted, in communication with the fittings for supplying the working fluid and coolant, and at the lower ends of the contact pipes are tightly placed pipes for the removal of coolant connected to the outlet fitting, and the pipes for supplying the working fluid and the coolant are placed in successive rows along the axes of the contact tubes perpendicular to the surface of the sheets, and chopper plates are mounted on the beads; grooves are made on the surface of the sheets; the ratio of the distance between two adjacent chopper plates s their length h is s / h = 3-10.

Установка на газовом патрубке заглушки, размещение в зазорах, образованных газовыми патрубками и контактными трубами, патрубков для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, сообщенных с коллекторами для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, герметичное размещение в нижних торцах контактных труб патрубков для отвода теплоносителя, соединенных с отводящим коллектором, и расположение патрубков для подвода рабочей жидкости и теплоносителя последовательно рядами по осям контактных труб, перпендикулярным поверхности листов, а также наличие на буртиках пластин-прерывателей позволяет организовать пленочное течение рабочей жидкости и теплоносителя на поверхности каждого листа и тем самым позволяет увеличить поверхность теплообмена и интенсифицировать процесс за счет увеличения коэффициентов теплоотдачи не только со стороны рабочей жидкости α₂, но и со стороны теплоносителя α₁ и, следовательно, повысить общий коэффициент теплопередачи. Увеличение теплопередающей поверхности обеспечивается за счет создания пленки жидкости теплоносителя на поверхности каждого листа. А это позволяет подводить или отводить тепло не только за счет контакта рабочей жидкости с газовым потоком (как в прототипе), но и за счет поверхности самого листа, что резко увеличивает поверхность теплопередачи. Обеспечение устойчивого (за счет центробежной силы, обусловленной вращательно-поступательным движением пленки, вызванной винтовой спиралью) пленочного течения рабочей жидкости и теплоносителя по противоположным сторонам листа (контактных труб) позволяет получить наибольший коэффициент теплопередачи, что не возможно реализовать в известных аппаратах (аналог).Installation of plugs on the gas pipe, placement in the gaps formed by the gas pipes and contact pipes, pipes for supplying the working fluid and coolant in communication with the manifolds for supplying the working fluid and coolant, hermetic placement in the lower ends of the contact pipes of the pipes for the removal of coolant connected to the outlet by the collector, and the location of the nozzles for supplying the working fluid and coolant in series in rows along the axes of the contact tubes perpendicular to the surface of the sheets, and the presence of breaker plates on the flanges allows you to organize a film flow of the working fluid and coolant on the surface of each sheet and thereby allows you to increase the heat transfer surface and intensify the process by increasing the heat transfer coefficients not only from the working fluid α ₂ but also from the coolant α ₁ and therefore, increase the overall heat transfer coefficient. An increase in the heat transfer surface is provided by creating a film of heat transfer fluid on the surface of each sheet. And this allows you to supply or remove heat not only due to the contact of the working fluid with the gas stream (as in the prototype), but also due to the surface of the sheet itself, which dramatically increases the heat transfer surface. Providing a stable (due to centrifugal force due to rotational-translational motion of the film caused by a helical spiral) film flow of the working fluid and the coolant on opposite sides of the sheet (contact tubes) allows to obtain the highest heat transfer coefficient, which is not possible to implement in known devices (analog).

Наличие на буртиках пластин-прерывателей препятствует образованию струйного течения непосредственно около буртиков и обеспечивает перемешивание жидкости, обновление поверхности и возврат жидкости из рассматриваемой области в пленку, что интенсифицирует теплопередачу.The presence of breaker plates on the flanges prevents the formation of a jet flow directly near the flanges and provides mixing of the liquid, updating the surface, and returning the liquid from the considered region to the film, which intensifies the heat transfer.

Выполнение отношения расстояния между двумя соседними пластинами-прерывателями s их длине h s/h=3-10 позволяет максимально перемешивать жидкость между пластинами-прерывателями (в этом случае циркуляционный вихрь за уступом полностью распространяется на все расстояние s), что интенсифицирует теплообмен.Fulfillment of the ratio of the distance between two adjacent breaker plates s with their length h s / h = 3-10 allows maximum mixing of the liquid between the breaker plates (in this case, the circulation vortex behind the ledge completely extends to the entire distance s), which intensifies heat transfer.

Выполнение на боковых поверхностях листов канавок обеспечивает искусственную шероховатость, которая вызывает интенсивное перемешивание вращающейся жидкости в пленке во впадинах и срыв ламинарного слоя, а это, как известно, интенсифицирует теплообмен.Performing grooves on the lateral surfaces of the sheets provides artificial roughness, which causes intensive mixing of the rotating fluid in the film in the depressions and the breakdown of the laminar layer, and this, as is known, intensifies heat transfer.

На фиг.1 изображен пленочный тепломассообменный аппарат со стекающей пленкой; на фиг.2 - поперечный разрез аппарата по сечению А-А; на фиг.3 - показана установка двух листов с пластинами прерывателями; на фиг.4 - размещение патрубка для подвода рабочей жидкости или теплоносителя в зазоре, образованном газовым патрубком и внутренней поверхностью контактной трубы; на фиг.5 - размещение патрубков для отвода теплоносителя; на фиг.6 - продольный разрез контактной трубы, в полости которой, перпендикулярно к листам, установлены пластины-прерыватели; на фиг.7 - канавки на поверхности листов; на фиг.8 - схема течения теплоносителя t₁ и рабочей жидкости t₂.Figure 1 shows a film heat and mass transfer apparatus with a falling film; figure 2 is a cross-sectional view of the apparatus along section AA; figure 3 - shows the installation of two sheets with plates breakers; figure 4 - placement of the pipe for supplying a working fluid or coolant in the gap formed by the gas pipe and the inner surface of the contact pipe; figure 5 - placement of pipes for the removal of coolant; figure 6 is a longitudinal section of the contact pipe, in the cavity of which, perpendicular to the sheets, plate-breakers are installed; figure 7 - grooves on the surface of the sheets; on Fig - flow diagram of the coolant t ₁ and the working fluid t ₂ .

Тепломассообменный аппарат состоит из корпуса 1 с камерой для вывода рабочей жидкости 2, со штуцерами для подвода теплоносителя 3 и вывода рабочей жидкости 4 и подвода рабочей жидкости 5 и вывода теплоносителя 6, контактных труб 7. Последние выполнены из гофрированных листов 8 с наклонным рифлением круглого профиля 9 радиусом, равным радиусу контактных труб 7. Кроме того, контактные трубы 7 снабжены профилированными буртиками 10, размещенными с наружной стороны вогнутых наклонных рифлений на всю длину листов, газовыми патрубками 11 и винтовыми спиралями 12. На газовые патрубки 11 установлены заглушки 13. В зазоры 14, образованные газовыми патрубками 11 и контактными трубами 7, вставлены патрубки 15 для подвода рабочей жидкости и теплоносителя 16, сообщенные со штуцерами 3 и 5 для подвода рабочей жидкости и теплоносителя. В нижних торцах контактных труб 7, герметично посредством уплотнения 17, размещены патрубки 18 для отвода теплоносителя, соединенные с отводящим штуцером 6, причем патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя размещены последовательно рядами по осям контактных труб, перпендикулярным поверхности листов. На буртиках 10 установлены пластины прерыватели 19. На поверхности листов 8 выполнены канавки 20.The heat and mass transfer apparatus consists of a housing 1 with a chamber for discharging the working fluid 2, with fittings for supplying the coolant 3 and the output of the working fluid 4 and the supply of the working fluid 5 and the output of the coolant 6, contact tubes 7. The latter are made of corrugated sheets 8 with inclined corrugation of a round profile 9 with a radius equal to the radius of the contact tubes 7. In addition, the contact tubes 7 are equipped with profiled flanges 10 located on the outside of the concave inclined corrugations for the entire length of the sheets, gas pipes 11 and screw by means of spirals 12. Plugs 13 are installed on the gas nozzles 11. In the gaps 14 formed by the gas nozzles 11 and contact tubes 7, nozzles 15 for supplying a working fluid and a coolant 16 are inserted, connected with fittings 3 and 5 for supplying a working fluid and a coolant. At the lower ends of the contact tubes 7, hermetically sealed by means of a seal 17, pipes 18 are arranged for removal of the coolant, connected to the discharge nozzle 6, and the pipes for supplying the working fluid and the coolant are arranged sequentially in rows along the axes of the contact pipes perpendicular to the sheet surface. On the flanges 10 mounted plate breakers 19. On the surface of the sheets 8 are grooves 20.

Тепломассообменный аппарат работает следующим образом. Теплоноситель через штуцер 3 и рабочая жидкость через штуцер 5 поступают в патрубки 15 и 16, затем в зазоры 14, формируются там, в жидкостное кольцо, и перемещаются в виде пленки по внутренней поверхности контактных труб 7, образованных гофрированными листами 8. Так как часть жидкости проходит между витками винтовой спирали 12, пленка приобретает вращательно-поступательное движение и устойчивое пленочное течение, вызванное центробежной силой. При этом жидкость интенсивно перемешивается, обтекая каждый виток винтовой спирали, осуществляется интенсивный теплообмен через поверхность контактных труб 7 и за счет контакта газа (поступающего в полость контактных труб из камеры 2) с рабочей жидкостью. Та часть жидкости, которая поступает в зону размещения буртиков 10, набегает на пластинчатые прерыватели 19, перемешивается, срываясь с их кромок, и уносится в пленку жидкости.Heat and mass transfer apparatus operates as follows. The coolant through the nozzle 3 and the working fluid through the nozzle 5 enters the nozzles 15 and 16, then into the gaps 14, are formed there, into the liquid ring, and move in the form of a film on the inner surface of the contact tubes 7 formed by corrugated sheets 8. Since part of the liquid passes between the turns of a spiral spiral 12, the film acquires a rotational-translational motion and a stable film flow caused by centrifugal force. In this case, the liquid is intensively mixed, flowing around each coil of a helical spiral, intensive heat exchange is carried out through the surface of the contact tubes 7 and due to the contact of the gas (entering the cavity of the contact tubes from the chamber 2) with the working fluid. The part of the liquid that enters the zone of placement of the beads 10 runs onto the plate breakers 19, mixes, tearing off their edges, and is carried away into the liquid film.

На выходе из контактных труб 7 рабочая жидкость поступает в камеру 2 и далее отводится через штуцер 4, теплоноситель через патрубки 18 поступает в штуцер 6.At the exit of the contact tubes 7, the working fluid enters the chamber 2 and then is discharged through the nozzle 4, the coolant through the nozzles 18 enters the nozzle 6.

Использование заявляемого пленочного тепломассообменного аппарата позволяет увеличить коэффициент теплопередачи и поверхность теплообмена и тем самым снизить металлоемкость аппарата (при одинаковой производительности), что обеспечивает снижение капитальных и текущих затрат, а следовательно, уменьшает себестоимость выпускаемого продукта.The use of the inventive film heat and mass transfer apparatus allows to increase the heat transfer coefficient and heat transfer surface and thereby reduce the metal consumption of the apparatus (with the same performance), which reduces capital and current costs, and therefore reduces the cost of the product.

Claims

1. Пленочный тепломассообменный аппарат, состоящий из корпуса с камерой для вывода жидкости со штуцерами, контактных труб, выполненных из гофрированных листов с наклонным рифлением круглого профиля радиусом, равным радиусу контактных труб, снабженных профилированными буртиками, размещенными с наружной стороны вогнутых наклонных рифлений на всю длину листов, газовыми патрубками и винтовыми спиралями, отличающийся тем, что на газовые патрубки установлены заглушки, в зазоры, образованные газовыми патрубками и контактными трубами, вставлены патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, сообщенные со штуцерами для подвода рабочей жидкости и теплоносителя, а в нижних торцах контактных труб герметично размещены патрубки для отвода теплоносителя, соединенные с отводящим штуцером, причем патрубки для подвода рабочей жидкости и теплоносителя размещены последовательными рядами по осям контактных труб, перпендикулярным поверхности листов, а на буртиках установлены пластины-прерыватели.1. Film heat and mass transfer apparatus, consisting of a housing with a fluid outlet chamber with fittings, contact pipes made of corrugated sheets with oblique corrugation of a round profile with a radius equal to the radius of contact pipes equipped with profiled collars placed on the outside of the concave inclined corrugations for the entire length sheets, gas nozzles and helical spirals, characterized in that the gas nozzles are fitted with plugs, in the gaps formed by the gas nozzles and contact tubes, inserted the nozzles for supplying the working fluid and the coolant are in communication with the fittings for supplying the working fluid and the coolant, and at the lower ends of the contact tubes are hermetically sealed nozzles for draining the coolant connected to the outlet fitting, and the nozzles for supplying the working fluid and coolant are arranged in successive rows along the axes contact pipes perpendicular to the surface of the sheets, and on the flanges are installed plate-breakers.

2. Пленочный тепломассообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что на поверхности листов выполнены канавки.2. Film heat and mass transfer apparatus according to claim 1, characterized in that grooves are made on the surface of the sheets.

3. Пленочный тепломассообменный аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что отношение расстояния между двумя соседними пластинами-прерывателями s их длине h равно s/h=3-10.3. The film heat and mass transfer apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio of the distance between two adjacent plate-breakers s their length h is s / h = 3-10.