способ тепломассообмена

Формула изобретения

СПОСОБ ТЕПЛОМАССООБМЕНА, заключающийся в подаче в поток пара жидкости в виде двух струйных потоков, один из которых - восходящий - получают путем пропускания жидкости через водораспределитель с соплами, а другой-нисходящий - путем пропускания жидкости через перфорированную тарелку, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, сначала в поток пара подают восходящий поток жидкости с последующим пропусканием последней через перфорированную тарелку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам тепломассообмена между паром и жидкостью при непосредственном контакте, заключающемся в дроблении потока жидкости на струи и истечении образующихся струй в поток более горячего пара, при этом пар конденсируется на поверхности струй, нагревая их. Наиболее распространенными технологическими аппаратами, в которых используются способы тепломассообмена, являются деаэраторы и подогреватели 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 осуществить высокоэффективный контакт пара или газа с жидкостью.

Эффективность таких аппаратов находится в прямой зависимости от развития поверхности контакта, определяемого степенью дробления жидкости. Однако с увеличением степени дробления возрастает расход энергии на дробление и, следовательно, затраты на осуществление процесса тепломассопереноса. Основная задача, которая решается при проектировании аппаратов этого типа, заключается в достижении максимального развития поверхности контакта пара и жидкости при минимальных энергетических затратах.

Известен способ тепломассообмена между паром и жидкостью, заключающийся в дроблении потока жидкости на струи путем подачи его на перфорированную полку с бортами и истечении образующихся струй в паровое пространство [1]

Недостаток этого способа 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, и в аппарате при реализации этого способа можно разбить на два участка. На первом участке вода за счет энергии насоса по трубе поднимается от основания (дна) аппарата до распределительной перфорированной полки. На втором участке вода, вытекая из отверстий полки в паровое пространство, дробится на струи и в виде струй падает вниз. Поверхность падающих струй составляет поверхность тепломассопереноса. При рассматриваемом способе 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 тепломассообмена не участвует.

Известен также способ тепломассообмена между паром и жидкостью, заключающийся в дроблении потока жидкости на струи путем подачи его на перфорированную полку с бортами и в расположенный ниже водораспределитель с направленными вверх струеформирующими элементами и истечении образующихся струй в паровое пространство [2] При реализации этого способа в номинальном режиме работы аппарата (деаэратора) 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 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 ("вентиляционного") пара и выносятся им из аппарата.

При больших расходах вода проходит не только через струеформирующие элементы водораспределителя, но поступает также на перфорированную полку и, проходя через перфорированное дно ее, формируется в струи, которые вытекают вниз навстречу струям воды из водораспределителя. Таким образом, общий поток воды, поступающий в аппарат, разделяется на два потока, вытекающих параллельно один из водораспределителя, другой из отверстий перфорированной полки, с истечением струй, образующихся из этих потоков в один и тот же объем парового пространства аппарата при встречном их движении и неизбежном соударении. При этом полагается, что из-за взаимодействия струй значительно увеличиваются поверхность и время контакта пара и воды и тем самым интенсифицируются процессы тепло- и массообмена.

При этом известном способе тепло- и массообмена недостатки рассмотренного ранее способа в некоторой степени исключаются: в номинальном режиме работы аппарата вода, вытекающая только из направленных вверх струеформирующих элементов (форсунок), движется сначала вверх (равномерно-замедленно) и затем, достигнув некоторой величины, 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 по аппарату и, следовательно, расхода энергии на создание единицы площади поверхности контакта пара и воды в данном случае будет меньше, чем при рассмотренном ранее способе. При больших расходах воды, когда вода поступает параллельно также на перфорированную полку, экономичность рассматриваемого способа, соответственно, уменьшается.

Недостаток рассматриваемого способа 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. Вследствие этого на первые два участка струи приходится 75-80% общей площади поверхности жидкости в струе и до 85-90% общего теплового потока при нагреве такой струи паром. Лишь около 20% площади тепломассообмена и примерно 10-15% общего теплового потока приходится на нисходящую ветвь траектории струи, составляющую до 45-48% протяженности струи.

Другой недостаток известного способа обусловливается параллельной подачей жидкости на водораспределитель и на перфорированную полку при больших расходах жидкости, что ведет не только к уменьшению интенсивности тепломассообмена по аппарату из-за включения в работу перфорированной полки, но и к уменьшению времени контакта пара и жидкости и, как следствие, к уменьшению полноты процесса тепломассообмена.

Наконец, недостаток известного способа заключается в том, что струи жидкости вытекают из водораспределителя и из отверстий перфорированной полки в один и тот же паровой объем. При этом происходит смешение и слияние жидкостных струй, вследствие чего удельная поверхность жидкости, приходящаяся на единицу ее объема, и, следовательно, поверхность тепломассообмена в аппарате уменьшается и становится меньше суммарной поверхности этих струй при отсутствии столкновения. Кроме того, при таком взаимном движении жидкостных струй становится невозможным организованное движение между струями паровой фазы и отвод парогазовой фазы, что также ведет к снижению интенсивности тепломассообмена, а также к увеличению сопротивления движению парогазовой фазы и, соответственно, к возрастанию затрат энергии на процесс тепломассообмена.

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

Цель достигается тем, что в известный способ тепломассообмена между паром и жидкостью, заключающийся в дроблении потока жидкости на струи путем подачи его на перфорированную полку с бортами и в расположенный ниже водораспределитель с направленными вверх струеформирующими элементами и истечении образующихся струй в паровое пространство, внесены изменения и новым является то, что подачу жидкости на дробление осуществляют последовательно: сначала в водораспределитель, а затем на перфорированную полку, при этом струи из водораспределителя направляют под углом 2-30^о к вертикали с наклоном к полке, а скорость истечения их поддерживают равной

v (1,05 1,20) м/с где h высота расположения полки над водораспределителем, м.

Сопоставительный анализ заявляемого способа с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что подачу жидкости на дробление осуществляют последовательно: сначала в водораспределитель, а затем на перфорированную полку, при этом струи из водораспределителя направляют под углом 2-30^о к вертикали с наклоном к полке, а скорость истечения их поддерживают равной

v (1,05 1,20) м/с где h высота расположения полки над водораспределителем, м.

Сопоставление заявляемого способа не только с прототипом, но и с другими известными способами не обнаруживает наличия у них отличительных признаков, характеризующих заявляемый способ. Кроме того, благодаря отличительным признакам предлагаемого способа, в заявляемой совокупности их проявляется новое свойство увеличение поверхности контакта жидкости и пара до значений, соответствующих локальным значениям поверхности жидкости, максимально возможным без дополнительного подвода энергии извне, с равномерным распределением этих локальных значений поверхности жидкости по длине (по траектории) жидкостных струй. Это свойство не присуще ни одному из отличительных признаков в отдельности, ни известным способам тепломассообмена.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

Заявляемый способ предусматривает последовательную подачу всего потока жидкости сначала в водораспределитель, а затем на перфорированную полку. Причем весь этот поток, в отличие от способа-прототипа, полностью проходит сначала через струеформирующие элементы водораспределителя, а затем через отверстия полки. При этом перемещение жидкости из водораспределителя на полку происходит в виде струй, двигающихся снизу вверх в паровом пространстве (т. е. жидкость находится в развитом контакте с паром), достигающих высоты подъема, превосходящей высоту расположения полки, и попадающих затем на полку сверху. Такая передача жидкости обеспечивается реализацией отличительных признаков. Струи из водораспределителя направляют под углом 2-30^о к вертикали с наклоном к полке, а скорость истечения их поддерживается равной

v (1,05 1,20) м/с где h высота расположения полки над водораспределителем, м. Второй из этих признаков обеспечивает достижение струями высоты подъема выше полки, а первый движение струй в сторону полки и нависание их над полкой, обусловливая в начале нисходящей ветви траекторий струй попадание их на полку. При движении восходящие струи проходят мимо полки, поднимаются выше нее, затем, падая вниз, попадают на полку, создавая на ней некоторый слой. Истекая из отверстий полки, жидкость вновь формируется в струи, и этот пучок струй движется вертикально вниз без смешения с пучком восходящих струй.

Такое последовательное движение жидкости от водораспределителя вверх на полку и с полки вниз разделенными пучками струй позволяет получить следующие преимущества. Во-первых, увеличить время контакта жидкости и пара и тем самым достичь более высокой полноты тепломассообмена. Во-вторых, достигается отсутствие столкновения и слияния струй, что увеличивает поверхность контакта жидкости и пара. В-третьих, увеличение поверхности контакта жидкости и пара, а также интенсивности тепломассообмена достигается замещением малоэффективного участка теплообмена нисходящей ветви струй, вытекающих под углом к вертикали, пучком струй, вытекающих из отверстий перфорированной полки и характеризующихся более высокими значениями удельной поверхности жидкости и интенсивности тепломассообмена. В-четвертых, движение жидкости в виде разделенных обособленных пучков струй позволяет организовать упорядоченное движение пара и парогазовой фазы между этих струй с более полным и быстрым отделением парогазовой смеси от струй, что обеспечивает более высокие движущие силы процессов тепломассообмена и меньшее сопротивление движению пара и парогазовой смеси по струйным пучкам жидкости.

Предлагаемый способ тепломассообмена реализуется в аппарате, принципиальная конструкция которого приведена на чертеже.

В верхней части корпуса 1 расположена перфорированная полка 2 с бортами, в нижней части водораспределитель 3, содержащий направленные вверх струеформирующие элементы сопла 4, закрепленные на листе 5. Под листом 5 в корпусе 1 размещен патрубок 6 для подвода воды. Водораспределитель 3 размещен со смещением относительно полки 2 вне вертикальной проекции этой полки. Струеформирующие элементы (сопла) 4 водораспределителя 3 установлены под углом 2-30^о к вертикали и наклонены в сторону полки 2. Величина смещения, определяемая расстоянием от ближайших к полке 2 струесодержащих элементов 4 до вертикальной проекции края полки 2, составляет не менее h_б tg м, где h_б высота верхнего края борта полки над выпускными отверстиями сопл 4 водораспределителя 3. Исследования показали, что для того, чтобы все струи попали на полку 2, смещение водораспределителя 3 относительно полки 2 не должно превышать

0,66 sin2(90-)-tgh_б-s_сф, м где S_сф расстояние между ближайшими и максимально удлиненными от полки струеформирующими элементами, м.

Между водораспределителем 3 и полкой 2 размещена 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 патрубок 10 для отвода жидкости (воды), а со стороны полки 2 выше и ниже нее патрубки 11 и 12 для отвода неконденсирующихся газов и выпара. Из сопл 4 водораспределителя 3 вытекает пучок струй 13, а из отверстий полки 2 пучок струй 14.

Аппарат работает следующим образом.

Деаэрируемая вода через патрубок 6 подается под перфорированный лист 5, проходит сопла 4 и в виде струй 13 вытекает вверх под некоторым углом к вертикали, выбранным из диапазона значений 2-30^о, с наклоном в сторону полки 2. Эти струи, двигаясь по траектории, близкой к параболической, проходят вблизи борта полки 2 мимо нее и, достигая наивысшей точки траектории выше полки 2, начинают падать затем вниз и в начале нисходящей ветви траекторий попадают на полку 2. При этом струи, сливаясь, образуют на полке 2 некоторый слой. Проходя отверстие в полке 2, вода вновь дробится на струи 14, которые падают вниз. Рабочий пар подается в аппарат через патрубок 9, поступает в струйный пучок 13 и частично конденсируется на струях воды, нагревая их. При этом из воды выделяются газы, которые подхватываются потоком несконденсировавшегося ("вентиляционного") пара. Несконденсировавшийся пар увлекается струями в верхнюю часть аппарата, а в верхней части основная масса этого пара проходит через зазор 8 в струйный пучок 14 под полку 2 и продолжает конденсироваться на поверхности струй 14 и нагревать их. Часть пара конденсируется на поверхности струй, нависающих над полкой 2. Выпар (пар в смеси с выделившимися из воды газами) из парового пространства над полкой 2 отводится из аппарата через патрубок 11. Выпар из парового пространства под полкой 2 отводится из аппарата через патрубок 12. Деаэрированная вода отводится через патрубок 10.

Технико-экономические преимущества заявляемого способа обеспечиваются более высокой интенсивностью процессов тепломассообмена и заключаются в следующем. При использовании его в деаэраторе опреснительной установки 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 исходной воды и возможностью использования вследствие этого более дешевых материалов и уменьшения толщины стенок оборудования. При использовании заявляемого способа при конструировании конденсатора смешения для выпарной установки достигается уменьшение расхода охлаждающей воды, т.е. сокращение эксплуатационных затрат на процесс конденсации за счет обеспечения более высокой полноты теплообмена в аппарате.

В настоящее время определить полный экономический эффект от реализации предлагаемого способа не представляется возможным, так как для этого потребуется подробная конструктивная проработка как тепломассообменных аппаратов, так и полностью технологических установок, в которых эти аппараты используются. Для иллюстрации достигаемого экономического эффекта рассмотрим лишь уменьшение эксплуатационных затрат в конденсаторе смешения при реализации в нем предлагаемого способа. Проведенные измерения показали, что полнота теплообмена в таком конденсаторе будет в среднем на 10% выше, чем в аппарате, принятом за прототип. Для конденсатора производительностью 24 т/ч конденсируемого пара с температурой 39^оС расход воды, имеющей начальную температуру 25^оС, составляет 1030 м³/ч.