Устройство для теплообменной и смешивающей обработки текучих сред - RU2444399C2
Код документа: RU2444399C2
Чертежи
Описание
Изобретение касается устройства для теплообменной и смешивающей обработки текучих сред, в частности низковязких и высоковязких текучих сред. Это устройство осуществляет теплообменную и смешивающую функцию, причем через это устройство протекают первая и, по меньшей мере, одна другая текучая среда. Между первой текучей средой - теплонесущей текучей средой - и, по меньшей мере, одной другой текучей средой в устройстве осуществляется теплообмен. Одновременно предусмотрены средства для перемешивания упомянутой другой текучей среды во время теплообмена. В устройстве согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения осуществляется теплообмен, а также перемешивание упомянутой одной или нескольких других текучих сред. Дополнительно, устройство может быть выполнено в виде реактора, в котором протекает химическая реакция.
Устройство для теплообменной и смешивающей обработки низковязких и высоковязких сред известно из DE 28 39 564.
Задача изобретения состоит в усовершенствовании названного устройства таким образом, что может повышаться гомогенность (однородность) смеси, причем устройство пригодно, в частности, для переработки высоковязких текучих сред. Кроме того, должно осуществляться улучшенное перемешивание текучей среды.
Эта задача решается посредством устройства для теплообменной и смешивающей обработки текучих сред. Устройство включает в себя корпус с расположенными в нем внутренними устройствами. Внутренние устройства включают в себе первую полую структуру и вторую полую структуру. Первая полая структура и вторая полая структура выполнены с возможностью протекания через них первой текучей среды и с возможностью их обтекания второй текучей средой. Первая полая структура и вторая полая структура расположены крестообразно друг относительно друга. Полые структуры имеют проточное поперечное сечение с первой шириной В1 и второй шириной В2, причем отношение В1/В2 составляет больше единицы, а В1 ориентирована перпендикулярно плоскости, которая содержит продольную ось корпуса или параллельную этой продольной оси линию и ось полой структуры. Таким образом, вследствие использования полых структур для гомогенизации текучей среды достигается улучшенное распределение длительности пребывания. Устройство работает в качестве смесителя или теплообменника или в качестве комбинированного теплообменника/реактора. Полые структуры согласно одному предпочтительному примеру осуществления включают в себя множество соединительных элементов, посредством которых вызывается принудительное отклонение текущей во внутреннем пространстве полой структуры первой текучей среды. Согласно одному другому примеру осуществления корпус образован внутренним и внешним стеновыми телами, которые образуют двойную оболочку, которая выполнена с возможностью протекания через нее первой текучей среды. Во внутреннем пространстве внутреннего стенового тела проходят полые структуры, которые расположены крест-накрест (крестообразно) и в которые вводится частичный поток первой текучей среды, так что первая текучая среда протекает через эти полые структуры. Вторая текучая среда обтекает полые структуры и за счет этого осуществляется теплообмен между обоими текучими средами посредством полых структур и посредством двойной трубчатой стенки.
Согласно первому примеру осуществления, в соответствии с которым полые структуры имеют соединительные элементы, вторая текучая среда протекает через входное поперечное сечение корпуса вдоль направления главного потока, которое проходит вдоль продольной оси корпуса. Первая полая структура включает в себя первый участок, который проходит параллельно продольной оси, и имеет множество соединительных элементов, в которых осуществляется принудительное отклонение протекающей во внутреннем пространстве полой структуры первой текучей среды. Между первым соединительным элементом и вторым соединительным элементом расположен второй участок, в котором среднее направление потока первой текучей среды проходит относительно продольной оси, по меньшей мере, на отдельных участках под углом альфа. Угол альфа образован между направлением главного потока и общей касательной к оси первого и второго соединительных элементов. Вторая полая структура расположена смежно с первой полой структурой и включает в себя также участки, которые соединены посредством соединительных элементов, в которых среднее направление потока первой текучей среды проходит относительно продольной оси, по меньшей мере, на отдельных участках под углом бета. Угол альфа и бета отличаются своим знаком и/или своей величиной. Первая и вторая полые структуры в соответствии с одним предпочтительным примером осуществления расположены по существу симметрично друг относительно друга, в частности крестообразно (крест-накрест). Согласно одному предпочтительному примеру осуществления угол альфа и бета равны друг другу, но имеют противоположные знаки. Первые и вторые соединительные элементы выполнены по существу полукруглыми. Таким образом, участки полой структуры имеют параллельное расположение. Согласно одному другому примеру осуществления первые и вторые соединительные элементы выполнены V-образно или U-образно.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления полая структура состоит из одного или множества полых тел с параллельным расположением друг относительно друга. Внутренние устройства образуются из минимум 4 и максимум 12 полых структур. Посредством 4-12 полых структур осуществляется внутреннее перемешивание второй текучей среды вдоль участка пути.
Первая полая структура и/или вторая полая структура выполнены в виде пучка (связки) проходящих по существу параллельно труб, причем трубы пучка могут находиться с легким смещением друг относительно друга и/или между трубами пучка предусмотрен заданный зазор. Таким образом, этот зазор настолько узкий, что только малая доля второй текучей среды протекает через него.
Полые структуры имеют первую поверхность, на которую поступает (набегает) вторая текучая среда и образует по меньшей мере два частичных потока, а именно первый частичный поток, который направляется вдоль поверхности, а также второй частичный поток, который покидает поверхность и направляется в один или несколько объемов текучей среды. Объем текучей среды образован в виде призматического тела, которое имеет шесть четырехугольных поверхностей, которые образуются краями первой, второй и третей структур так, что основная поверхность и верхняя поверхность, а также первая и вторая боковые поверхности являются открытыми, а остальные боковые поверхности образуются из частей первой поверхности и второй поверхности так, что основная поверхность, верхняя поверхность, а также первая и вторая боковые поверхности выполнены с возможностью протекания через них второй текучей среды. За счет этого осуществляется непрерывное разделение и слияние частичных потоков, вследствие чего осуществляется перераспределение и перемешивание второй текучей среды.
По выбору, ко второму концу корпуса может быть прикреплен собирающий элемент или две полые структуры или два отдельных полых тела одной полой структуры могут быть соединены друг с другом на втором конце корпуса. В собирающем элементе оканчивается часть полых структур так, что первая текучая среда после протекания через полые структуры принимается в собирающем элементе. Часть полых структур выполнена с возможность питания первой текучей средой исходя от собирающего элемента так, что собирающему элементу, по меньшей мере, на отдельных участках, придается функция распределительного элемента. По выбору, собирающий элемент может прикрепляться к первому концу корпуса или две полые структуры или два отдельных полых тела одной полой структуры могут быть соединены друг с другом на первом конце корпуса.
Соответственно этому первая и вторая текучая среда могут направляться друг относительно друга как в противотоке или в перекрестном противотоке, так и в прямотоке или в перекрестном прямотоке.
Вторая текучая среда может включать в себя компоненты, между которыми протекает химическая реакция. Между двумя смежными полыми структурами предусмотрено расстояние, если за счет этого улучшится перераспределение или перемешивание компонентов и/или применение требует уменьшенной поверхности для теплообмена относительно аппаратного объема.
Способ теплообменной и смешивающей обработки текучих сред осуществляется в устройстве, которое включает в себя корпус с расположенными в нем внутренними устройствами, причем внутренние устройства образуют первую полую структуру и вторую полую структуру. На первом этапе первая текучая среда протекает через первую полую структуру и вторую полую структуру, а вторая текучая среда обтекает их, причем первая полая структура и вторая полая структура расположены крестообразно друг относительно друга. Вторая текучая среда отклоняется полыми структурами, поскольку полые структуры имеют проточное поперечное сечение с первой шириной В1 и второй шириной В2, причем отношение В1/В2 составляет больше единицы, а В1 ориентирована перпендикулярно плоскости, которая содержит продольную ось корпуса или параллельную этой продольной оси линию и ось полой структуры так, что текучая среда смешивается, пока она обтекает полые структуры.
Устройство находит применение для теплообменной и смешивающей обработки высоковязких текучих сред, в частности полимеров или пищевых продуктов.
В дальнейшем изобретение поясняется более подробно посредством чертежей, на которых представлено:
Фиг.1 - вид устройства согласно первому примеру осуществления;
Фиг.2 - вид устройства согласно второму примеру осуществления;
Фиг.3 - продольный разрез устройства согласно первому примеру осуществления;
Фиг.4 - другой продольный разрез устройства согласно Фиг.3 в плоскости сечения, которая расположена перпендикулярно плоскости сечения по Фиг.3;
Фиг.5 - разрез устройства согласно Фиг.3, который расположен в перпендикулярной продольной оси устройства плоскости;
Фиг.6 - представление прогрессивного смешивания состоящей из двух компонентов текучей среды вдоль продольной оси устройства;
Фиг.7 - схематичный вид устройства для пояснения смешивающего действия внутренних устройств;
Фиг.8 - фрагмент с Фиг.7, а также представление объема текучей среды для пояснения течения;
Фиг.9 - вид первого примера осуществления с V-образным отклонением;
Фиг.10 - вид одного варианта пример осуществления согласно Фиг.9 с V-образным отклонением;
Фиг.11 - вид устройства согласно третьему примеру осуществления;
Фиг.12 - второй разрез устройства согласно третьему примеру осуществления.
С помощью соответствующего изобретению устройства согласно первому особенно предпочтительному примеру осуществления, как представлено на Фиг.1, показывается смешивание текучих сред в условиях теплообмена. Устройство включает в себя корпус 2 с расположенными в нем внутренними устройствами 4. Корпус 2 представлен на Фиг.1 частично разрезанным, чтобы показать его внутреннее пространство. Внутренние устройства 4 включают в себя первую полую структуру 5 и вторую полую структуру 105. Первая полая структура 5 и вторая полая структура 105 выполнены с возможностью протекания через них первой текучей среды 6 и с возможностью их обтекания второй текучей средой 7 в направлении 76 главного потока или противоположно ему в зависимости от типа конструкции устройства. Каждая из полых структур (5, 105) состоит из множества расположенных рядом друг с другом полых тел (71, 72, 73, 171, 172, 173), которые проходят по существу параллельно друг другу и которые в отношении своего действия для потока второй текучей среды должны восприниматься в качестве отдельного препятствия для потока. На Фиг.1 полые тела (71, 72, 73, 171, 172, 173) сформированы в виде труб с круговым поперечным сечением. Полое тело 71 закреплено на первом конце 74 в дне 60 и проходит во внутреннем пространстве корпуса 2. Полое тело 71 оканчивается в отклоняющем элементе 59 и выходит в полое тело 72, которое расположено параллельно полому телу 71 и проходит от отклоняющего элемента 59 до дна 60. Таким образом, полые тела 71 и 72 направляют первую текучую среду 6 в форме петли через внутреннее пространство корпуса. Таким образом, посредством полого тела 71 образуется замкнутый канал для первой текучей среды 6, которая течет через первое полое тело 71 в противоположном направлении относительно полого тела 72. Альтернативно, отклоняющий элемент 59 также может выходить в другое полое тело (73, 171, 172, 173 и т.д.) и, в частности, также иметь продольную протяженность перпендикулярно продольной оси 3, что графически представлено на Фиг.2. Альтернативно расположению в виде петли, полые тела могут быть расположены аналогично ЕР 06118609, что графически не представлено на фигурах.
Дно 60 может включать в себя камеры, в которые проходят полые тела или в которые выходят полые тела и в которые подводится и/или отводится первая текучая среда 6. Кроме того, дно 60 может содержать отверстия, через которые вторая текучая среда 7 втекает в корпус или покидает его. Эти отверстия графически не представлены.
Первая полая структура 5 и вторая полая структура 105 расположены крестообразно друг относительно друга. Первая полая структура 5 включает в себя первый участок 8, который проходит параллельно продольной оси 3, и множество соединительных элементов (9, 11, 13, 15, 17, 19), в которых осуществляется принудительное отклонение протекающей во внутреннем пространстве первой полой структуры первой текучей среды 6. Между первым соединительным элементом 9 и вторым соединительным элементом 11 расположен второй участок 10, в котором среднее направление потока первой текучей среды проходит относительно продольной оси 3, по меньшей мере, на отдельных участках под углом альфа 61, который образован между продольной осью 3 и вторым участком 10 или проходящим параллельно ему третьим участком 12. В случае второго участка речь идет не о прямой, а о по любому отформованном участке кривой, причем оба конца смежных соединительных элементов (9, 11) соединяются друг с другом на оси первой полой структуры 5. Угол, который образован между этой воображаемой соединительной прямой и продольной осью 3, соответствует углу альфа 61. Вторая полая структура 105 расположена во внутреннем пространстве корпуса 2 и выполнена с возможностью протекания через нее первой текучей среды 6 и с возможностью обтекания ее второй текучей средой 7. Вторая полая структура 105 включает в себя первый участок 108, который проходит параллельно продольной оси 3, и множество соединительных элементов (109, 111, 113, 115, 117), в которых осуществляется принудительное отклонение протекающей во внутреннем пространстве полого тела 105 первой текучей среды 6. Между первым соединительным элементом 109 и вторым соединительным элементом 111 расположен второй участок 110, в котором направление потока первой текучей среды проходит относительно продольной оси 3 под углом бета 161, который образован между продольной осью 3 и вторым участком 110 или проходящим параллельно ему третьим участком 112. Для участков (110, 112), которые сформированы в виде по любому отформованных участков кривой, имеют место данные, аналогичные данным для вышеописанной первой структуры. Для участков (14, 16, 18, 20, 114, 116, 118) в равной степени имеют место вышеупомянутые осуществления. Следовательно, вторые участки (10, 110) и третьи участки (12, 112) смежных полых структур (5, 105) расположены согласно Фиг.1 крестообразно друг относительно друга. Для всех следующих представленных участков имеет место аналогичное. Угол альфа 61 и бета 161 имеют в примере осуществления согласно Фиг.1 по существу одинаковую величину, но различаются по знаку. Соединительные элементы (9, 11, 13, 15, 17, 19, 109, 111, 113, 115, 117) в соответствии с Фиг.1 выполнены полукруглыми и имеют форму дуги окружности. Полые структуры (5, 105) в расположенной перпендикулярно оси участка полой структуры плоскости сечения имеют проточное поперечное сечение с первой шириной В1 и со второй шириной В2, причем отношение В1/В2 составляет больше единицы, а В1 ориентирована перпендикулярно плоскости, которая содержит продольную ось 3 корпуса или параллельную этой продольной оси 3 линию и ось полой структуры (5, 105). При этом под шириной В1 понимается ширина всех принадлежащих первой полой структуре 5 полых тел (71, 72, 73) или всех принадлежащих второй полой структуре 105 полых тел (171, 172, 173). Ширина В2 представляет собой размер поперечного сечения полого тела полой структуры или наименьший размер поперечного сечения полой структуры. Ширина В1 представляет собой размер поперечного сечения полой структуры, который расположен перпендикулярно В2. Ширина В1 полой структуры 5 и ширина В1 полой структуры 105 идентичны в этом примере осуществления. Принадлежащие полой структуре 5 полые тела (71, 72, 73) расположены по существу в прилегании друг к другу так, что группа полых тел (например, группа 71, 72, 73 или группа 171, 172, 173) представляет собой препятствие для потока второй текучей среды 7. Альтернативно этому, полые тела полой структуры также могут быть расположены с легким смещением друг относительно друга. Между полыми телами также может оставаться непредставленный зазор. Через зазор должна протекать лишь малая доля второй текучей среды 7, а большая доля второй текучей среды отклоняется при попадании на полые тела так, что большая доля второй текучей среды обтекает полые структуры или протекает вдоль них. Аналогичное имеет место для принадлежащих полой структуре 105 полых тел (171, 172, 173). В равной степени может быть предусмотрено расстояние между смежными полыми структурами (5, 105).
В частности, соединительные элементы полых структур (5, 105), которые находятся вблизи корпуса 2, располагаются со смещением для лучшего использования находящегося в распоряжении смешивающего и теплообменного пространства, что не показано на Фиг.1. Это означает, в частности, то, что соединительные элементы (9, 11, 13, 15, 17, 19) первой полой структуры 5 или соединительные элементы (109, 111, 113, 115, 117) близкой к краю второй полой структуры 105 в соответствии с Фиг.5 выполнены в виде расположенных со смещением друг относительно друга трубчатых дуг, так как они приспособлены к форме корпуса 2. Расстояния между трубчатыми дугами и корпусом минимизируются за счет этого смещения.
Фиг.2 показывает вид устройства согласно второму примеру осуществления. В дальнейшем будет даваться ссылка только на признаки, которые отличаются от примера осуществления согласно Фиг.1. Первая полая структура 5 имеет ширину В1 и ширину В2, причем отношение В1 к В2 составляет больше единицы и за счет этого образует проточный канал во внутреннем пространстве полого тела с по существу овальным поперечным сечением, что одинаковым образом свойственно и второй полой структуре 105. Углы альфа 61 и бета 161, которые подробно описывались в связи с Фиг.1, отличаются своим знаком и/или своей величиной.
Фиг.3 показывает продольный разрез устройства согласно первому примеру осуществления. В этом случае смежные полые тела (371, 372, 373) расположены - со стороны наблюдателя - друг за другом. Фиг.3 представляет собой разрез вдоль содержащей продольную ось 3 плоскости сечения, параллельной плоскости, которая содержит в соответствии с Фиг.1 первую полую структуру 5. Полая структура 305 расположена под углом бета 161 к продольной оси 3. За полой структурой 305 частично видна полая структура 405, которая расположена под углом альфа 61 к продольной оси. В этом особом случае угол альфа 61 и угол бета 161 одинаковы по величине и составляют приблизительно 45°. В отличие от Фиг.1 предусмотрено существенно больше соединительных элементов. Согласно одному варианту полые структуры могут, по меньшей мере, частично заменяться структурами без внутреннего полого пространства или с внутренним полым пространством, через которое не протекает первая текучая среда. Эти варианты используются, в частности, если требуется небольшая теплообменная поверхность.
Фиг.4 показывает другой продольный разрез устройства согласно Фиг.3 в плоскости сечения, которая расположена перпендикулярно плоскости сечения по Фиг.3. Полые структуры (5, 105, 205, 305, 405, 505, 605, 705) в этом примере сформированы в виде пучка полых тел, в частности труб с круговым поперечным сечением. Каждая из названных полых структур имеет проточное поперечное сечение с первой шириной В1 и второй шириной В2, причем отношение В1/В2 составляет больше единицы, а В1 ориентирована перпендикулярно плоскости, которая содержит продольную ось 3 корпуса или параллельную этой продольной оси 3 линию и ось полой структуры (5, 105). При этом под шириной В1 понимают ширину принадлежащего полой структуре пучка полых тел. В этом особом случае отношение В1/В2 для полых структур (105, 205, 305, 405, 505, 605) составляет 3. В находящихся на краю полых структурах отношение В1/В2 равно 2. На Фиг.4 также показано, что может быть предусмотрено множество полых структур (5, 105, 205, 305, 405, 505, 605, 705). Для смешивающего действия оказалось оптимальным, если используются полые структуры в количестве между 4 и 12. По меньшей мере, часть полых структур также может быть выполнена в соответствии с примером осуществления по Фиг.2. Все полые структуры расположены в не представленном на этой фигуре корпусе. Предпочтительно корпус имеет круговое поперечное сечение, в частности, если вторая текучая среда 7 должна транспортироваться под высоким давлением через устройство. Чтобы оптимально использовать находящееся в распоряжении смешивающее пространство, полые структуры предпочтительно расположены в окружающем цилиндре с диаметром D1. Вместо круговой формы корпуса также может быть предусмотрена квадратная или прямоугольная форма, в частности, если внутреннее давление несущественно отличается от давления окружающей среды. Вследствие этого отношение ширины В1 к диаметру D1 совокупности полых структур согласно Фиг.4 составляет от 1/12 до 1/4. При этом промежутки или направляющие элементы 75 не учитывались. Диаметр D1 должен отличаться по возможности незначительно от внутреннего диаметра корпуса, чтобы предотвратить краевые эффекты, которые оказывают отрицательное воздействие на гомогенность (однородность) смеси. Для предотвращения краевых эффектов к расположенным на краю полым телам также могут прикрепляться направляющие элементы 75, вследствие чего гарантировано, что даже краевые потоки учитываются и отклоняются.
Устройство согласно Фиг.1, 3 или 4 состоит из трубчатого корпуса с расположенными в нем полыми структурами, которые образуются трубчатыми петлями. Для упрощения представления на Фиг.7 представляются полые структуры в виде лент. Ширина лент соответствует ранее заданной величине В1. За счет описываемого в дельнейшем более подробно отклонения потока второй текучей среды 7 посредством конструкции лент достигается оптимальная гомогенность смешиваемых материалов и теплообмен по всему поперечному сечению описанного выше окружающего цилиндра. Таким образом, может наблюдаться проявляющийся "равномерный по всему поперечному сечению характер перемещения" протекающей через корпус второй текучей среды 7, что наглядно показано представленной на Фиг.6 серией опытов. Соответствующее изобретению устройство с "равномерным по всему поперечному сечению характером перемещения" особенно подходит для высоковязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей, которые среди прочего склонны к известным в литературе как канализирование или неравномерное распределение эффектам и/или имеют критичный с точки зрения времени выдержки параметр для реакций с большим выделением тепла. Смешивающее действие и, таким образом, мощность теплообмена имеют оптимальное значение при системе из 4-12 полых структур, в частности, для только что названных типов текучих сред.
Фиг.5 показывает разрез устройства согласно Фиг.3, который расположен в плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства. На Фиг.5, в частности, показано, что более двух участков (424, 426, 428, 430, 432, 434, 436) первой полой структуры 405 разрезано такой плоскостью сечения. Подобного рода делительный элемент 477 полой структуры 405 по бокам ограничивается, например, участками 432 и 434 полой структуры. Вторая текучая среда протекает через этот делительный элемент 477, а также через смежные делительные элементы в той же самой полой структуре 405, а также через аналогичные делительные элементы (77, 177, 277, 377, 577, 677, 777) смежных полых структур (5, 105, 205, 305, 505, 605, 705). При этом вид делительного элемента соответствует проекции двух боковых поверхностей представленного на Фиг.8 призматического тела. Если боковые поверхности наклонены относительно направления 76 главного потока второй текучей среды на углы альфа и бета, одинаковые по величине, но разные по знаку (см. Фиг.8), то эта проекционная поверхность содержит в себе диагональ призматического тела. Таким образом, через каждый из делительных элементов 477 протекает соразмерная доля второй текучей среды 7.
Делительные элементы 477, боковые кромки которых образованы полыми телами полой структуры 405, в представленном на Фиг.5 разрезе расположены со смещением относительно делительных элементов 377 или 577. В этом случае также более двух участков (424, 426, 428, 430, 432, 434, 436) полой структуры 405, а также других показанных полых структур (5, 105, 205, 405, 505, 605, 705) находятся в плоскости сечения. Краевые элементы (77, 777) в самой верхней и в самой нижней краевых областях, которые представлены на Фиг.5, имеют в этом примере осуществления меньшую поверхность, чем делительные элементы (177, 277, 377, 477, 577, 677). Краевая область содержит секторный направляющий элемент 75 для предотвращения участия существенной части второй текучей среды 7 не в смешивании, а в протекании вдоль в остальном открытой краевой области по существу вдоль внутренней стенки корпуса. Подобного рода характер протекания может в соответствии с Фиг.6 также иметь место при реакции теплообмена согласно уровню техники. Смешивание является недостаточно гомогенным (однородным) и теплообмен также не гарантирован в достаточном объеме.
Фиг.6 показывает представление прогрессирующего смешивания состоящей из двух компонентов второй текучей среды вдоль продольной оси устройства. Вторая текучая среда 7 также может состоять из более чем двух компонентом. В верхней части показано устройство 1 согласно представленному на Фиг.4 примеру осуществления. Под ним расположено два ряда сечений, которые воспроизводят обозначенные соединительными линиями места устройства. Верхний ряд сечений показывает прогресс смешивания состоящей из двух компонентов текучей среды 7, причем компоненты обозначены различными цветами. Нижний ряд показывает смешивание двух компонентов в устройстве согласно уровню техники. Из этого представления особенно понятно, что посредством устройства перемешивание компонентов имеется на приблизительно половине пути смешивания и на второй половине пути смешивания осуществляется прогрессирующая гомогенизация смеси, так что возникающая на первой половине пути смешивания картина из отдельных струй в значительной мере исчезает. После пути смешивания, который составляет, по меньшей мере, приблизительно 2,5 величины диаметра D1 устройства, имеется по существу гомогенная смесь. Согласно устройству из уровня техники, которое имеет не полые структуры с отношением В1 к В2 больше единицы, а трубы, которые расположены крестообразно друг относительно друга, вдоль того же самого пути смешивания осуществляется не существенное смешивание обоих компонентов, а лишь определенное отклонение на угол между 45 и 90°. Даже в выходной области имеется большая область, в которой доминирует окрашенный в черное компонент, а также область, в которой доминирует окрашенный в белое компонент. Таким образом, Фиг.6 отчетливо показывает поразительный эффект, который достигается с помощью соответствующего изобретению устройства.
Фиг.7 показывает схематичный вид устройства для пояснения смешивающего действия внутренних устройств. Характер протекания второй текучей среды 7 вокруг полых структур сопоставим с характером протекания вокруг ленты, как это показано на Фиг.7. Вторая текучая среда протекает через входное поперечное сечение корпуса 2 вдоль направления 76 главного потока, которое пролегает по существу вдоль продольной оси 3 корпуса 2. Если вторая текучая среда 7 попадает/набегает на полую структуру (5, 105, 205, 305), то поток отклоняется и одновременно осуществляется теплопередача, причем вторая текучая среда 7 либо нагревается либо охлаждается. Таким образом, вторая текучая среда 7 набегает на поверхность полой структуры (5, 105, 205, 305) с шириной В1. На Фиг.7 представлен лишь один участок с подобного рода расположением полых структур; для упрощения представления и для повышения обзора показано только четыре смежные полые структуры (5, 105, 205, 305). Первая полая структура 5 включает в себя множество участков (10, 12, 14, 16, 18), которые расположены под углом альфа 61 к продольной оси 3, и множество соединительных элементов (9, 11, 13, 15, 17), которые расположены между участками (8, 10, 12, 14, 16, 18). Вторые полые структуры (105, 305) включают в себя множество участков (110, 112, 114, 116, 118, 120), которые расположены под углом бета 161 к продольной оси 3, и множество соединительных элементов (109, 111, 113, 115, 117, 119, 121), которые расположены между участками (108, 110, 112, 114, 116, 118, 120). Полая структура 205 имеет такое же строение, как и полая структура 5, а полая структура 305 имеет такое же строение, как и полая структура 105, так что обе эти полые структуры не нуждаются в более подробном описании.
Фиг.8 показывает фрагмент из четырех полых структур (5, 105, 205, 305) с Фиг.1, 7, 11 и 12, а также представление объема текучей среды для пояснения потока второй текучей среды 7. Направление 76 главного потока второй текучей среды 7 схематично обозначено стрелкой. Часть участка 10 и участка 12 полой структуры 5, а также часть участка 112 и участка 114 полой структуры 105 расположены крестообразно друг относительно друга. Часть участка 210 и участка 212 полой структуры 205, а также часть участка 312 и участка 314 полой структуры 305 расположены крестообразно друг относительно друга. Точки пересечения участков (10, 12, 112, 114, 210, 212) обозначаются А, В, С, D, E, F, G, H. Если участки упрощенно представляют в виде плоских, очень тонких лент (то есть В2 стремится к нулю), то посредством точек А, В, С, D, E, F, G, H пересечения замыкается объем 70 текучей среды, который образован в виде призмы, в частности в виде прямоугольного параллелепипеда, причем этот объем имеет угловые точки А, В, С, D, E, F, G, H, как это представлено в правой части Фиг.8. Объем 70 текучей среды имеет первую поверхность 68, которая ограничена угловыми точками А, D, H, E и которая образована частью второго участка 112 второй полой структуры 105. Объем 70 текучей среды имеет вторую поверхность 69, которая ограничена угловыми точками В, С, G, F и которая образована частью участка 114 полой структуры 105. Таким образом, полые структуры (5, 105) имеют первую боковую поверхность 68, на которую набегает вторая текучая среда 7 и вдоль которой направляется первый частичный поток 66. Второй частичный поток 67 покидает боковую поверхность 68 и направляется в объем 70 текучей среды, в расположенный под ним объем 170 текучей среды или в расположенный над ним объем текучей среды. Объем 70 текучей среды включает в себя основную поверхность 62 с угловыми точками Е, F, G, H и верхнюю поверхность 63 с угловыми точками А, В, С, D, а также третью боковую поверхность 64 с угловыми точками А, В, Е, F и четвертую боковую поверхность 65 с угловыми точками С, D, G, H, причем боковые поверхности 64 и 65 являются открытыми и первая боковая поверхность 68 образована из участка 112, а вторая боковая поверхность 69 - из участка 114. Таким образом, основная поверхность 62, верхняя поверхность 63 и третья и четвертая боковые поверхности (64, 65) выполнены с возможностью протекания через них второй текучей среды 7, так что осуществляется непрерывное разделение и слияние частичных потоков, вследствие чего осуществляется перераспределение и перемешивание второй текучей среды 7. Примыкающий к объему 70 текучей среды объем 170 текучей среды обозначен в правой части Фиг.8 со смещением относительной своей позиции в устройстве для более наглядного представления. Объем 170 текучей среды находится точно под объемом 70 текучей среды. Объем 170 текучей среды также образован в виде четырехугольной призмы и ограничивается угловыми точками Е, F, G, H, I, J, K, L. Объем 70 текучей среды и объем 170 текучей среды имеют общую основную поверхность или соответственно верхнюю поверхность 62, которая расположена между угловыми точками E, F, G, H. Боковая поверхность 164 с угловыми точками E, F, I, J образована участком 21, а боковая поверхность 165 с угловыми точками G, H, K, L образована участком 210 полой структуры 205. Вторая текучая среда 7 входит через открытую боковую поверхность 168 с угловыми точками E, H, I, L, первый частичный поток 166 отклоняется на угол альфа 61, который образован между участком 210 и проходящим в направлении продольной оси 3 (представлено на Фиг.7) направлением 76 главного потока второй текучей среды 7. Другой отдельный поток 167 выходит через верхнюю поверхность 62 с угловыми точками E, F, G, H, а другой частичный поток 180 выходит через основную поверхность 162 с угловыми точками I, J, K, L объема 170 текучей среды. Таким образом, через эту верхнюю поверхность или соответственно основную поверхность 62 одновременно осуществляется вход и выход частичных потоков (67, 167), так что осуществляется перемешивание второй текучей среды 7.
На Фиг.9 показан другой пример осуществления устройства для теплообменной и смешивающей обработки текучих сред. В представлении согласно Фиг.9 корпус 2 показан в разрезе и нижняя часть внутренних устройств представлена со смещением в вертикальном направлении, так что, по меньшей мере, частично видны выполненные в виде первой и второй полой структуры (5, 105, 205, 305) внутренние структуры 4. Для простоты опущено представление части внутренних устройств. Соединительные элементы (11, 13, 15, 111, 211, 213, 311, 313) выполнены V-образно. Также согласно этому примеру осуществления возможно, что первая текучая среда 6, которая протекает внутри полых структур (5, 105, 205, 305), направляется внутри части полых тел (71, 72, 73) в противоположном направлении. Альтернативно этому, вход первой текучей среды 6 в полые тела может осуществляться на первом конце корпуса, а выход - на втором противоположном конце корпуса, что не представлено на фигурах. Между продольной осью 3 корпуса сторонами V-образных участков, которые образованы участками (10, 12, 14, 210, 212, 214) первых полых структур (5, 205), попеременно образуются угол альфа 61 и угол гамма 91. Между продольной осью 3 корпуса 2 и сторонами V-образных участков, которые образованы участками (110, 112, 310, 312, 314) вторых полых структур (105, 305), попеременно образуются угол бета 161 и угол дельта 191. Хотя участками одной и той же структуры попеременно образуются углы альфа и гамма или бета и дельта с параллелями к продольной оси, все же представленная на Фиг.7 и 8 модель потока текучей среды для второй текучей среды 7 в равной степени применима для этого примера осуществления и далее описываемого варианта согласно Фиг.10. Другая возможность состоит в том, что предусмотрен выход первой текучей среды 6 в собирающий узел или коллектор. В этом собирающем узле собираются, по меньшей мере, частичные потоки первой текучей среды 6 и затем вновь разделяются между первой и второй полыми структурами (5, 105, 205, 305), что не представлено на фигурах.
Фиг.10 показывает вид варианта примера осуществления согласно Фиг.9, причем используются полые структуры согласно Фиг.2. Представленный на Фиг.7 и 8 принцип смешивания осуществляется также для V-образных участков со сторонами, которые расположены под различными углами альфа 61 и гамма 91, а также бета 161 и дельта 191 к продольной оси 3.
Фиг.11 показывает вид устройства для теплообменной и смешивающей обработки текучих сред согласно третьему примеру осуществления, в соответствии с которым первые полые структуры (5, 205, 405, 605) и вторые полые структуры (105, 305, 505) расположены крестообразно друг относительно друга. Для обозначения полых структур следует обратиться к левой части Фиг.12. Корпус 2 выполнен в виде двойной оболочки, внутри которой протекает первая текучая среда 6. Между обоими стеновыми телами (79, 81) двойной оболочки расположен разделительный элемент 78, посредством которого области противоположных направлений потока отделены друг от друга во внутреннем пространстве двойной оболочки. На Фиг.11 двойная оболочка представлена в разрезе, а именно по плоскости, которая содержит продольную ось 3 стеновых тел (79, 81) двойной оболочки. Стеновые тела (79, 81) в этом варианте осуществления сформированы в виде концентричных цилиндров. К внутреннему стеновому телу 79 прикреплено множество первых и вторых полых структур (405, 505), которые выполнены с возможностью их обтекания второй текучей средой 7. Направление главного потока текучей среды 7 лежит в направлении продольной оси 3. Так как текучая среда 7 набегает на проходящие во внутреннем пространстве стенового элемента 79 полые структуры (5, 105, 205, 305, 405, 505, 605), то она отклоняется посредством этих внутренних устройств 4, то есть совокупностью первых и вторых полых структур (5, 105, 205, 305, 405, 505, 605). Однако первые полые структуры (5, 205, 405, 605) и вторые полые структуры (105, 305, 505) могут быть сформированы из нескольких полых тел, как это представлено на Фиг.1, 3, 4, 5, 9. Первые полые структуры (5, 205, 405, 605) заключают с продольной осью угол альфа 61, а вторые полые структуры (105, 305, 505) заключают с продольной осью угол бета 161. Углы альфа 61 и бета 161 в соответствии с одним предпочтительным вариантом могут иметь одну и ту же величину, но отличаться по знаку. Здесь первая текучая среда 6 втекает в полые структуры не через дно 60, как показано на Фиг.1, а через внутреннюю стенку внутреннего стенового тела 79. Представление согласно Фиг.8, а также содержание соответствующих частей описания могут также использоваться для этого примера осуществления, так как имеется крестообразное расположение смежных полых структур.
Фиг.12 показывает два разреза устройства согласно показанному на Фиг.11 примеру осуществления. Левая часть Фиг.12 показывает радиальный разрез корпуса 2. Внутреннее стеновое тело 79 и внешнее стеновое тело 81 представлены в разрезе. Штуцеры (82, 83) для ввода и отвода первой текучей среды в этом разрезе не видны. Между внутренним стеновым телом 79 и внешним стеновым телом 81 расположено два разделяющих элемента 78.
Правая часть Фиг.12 показывает продольный разрез корпуса 2 и поясняет направления течения первой текучей среды 6. Первая текучая среда 6, которая входит через входной штуцер 82 в промежуточное пространство между внутренним стеновым телом 79 и внешним стеновым телом 81, течет через это промежуточное пространство и входит во внутреннее пространство расположенных крестообразно первых и вторых полых структур (5, 105, 205, 305, 405, 505, 605). Через полые структуры крестообразно протекает первая текучая среда 6 и частичные потоки вводятся в нижней половине корпуса 2 в ограниченное внутренним стеновым телом 79 и внешним стеновым телом 81 промежуточное пространство и выходят через выходной штуцер 83. Вторая текучая среда 7 протекает внутри внутреннего стенового тела 79 и отклоняется полыми структурами (5, 105, 205, 305, 405, 505, 605). Одновременно вдоль полых структур, а также через поверхность внутреннего стенового тела 79 осуществляется теплообмен. Собирающий элемент здесь имеет смысл только в том случае, если можно предотвратить то, что существенная часть первой текучей среды образует обвод и выходит из устройства без протекания через полые структуры (5, 105, 205, 305, 405, 505, 605). Собирающий элемент 84 прикреплен ко второму концу корпуса 2. В собирающем элементе 84 оканчивается часть полых структур, так что первая текучая среда 6 после протекания через полые структуры оказывается в собирающем элементе 84. Часть полых структур - исходя от собирающего элемента - выполнена с возможностью питания первой текучей средой, так что собирающему элементу, по меньшей мере, на отдельных участках придается функция распределительного элемента. Собирающий элемент имеет запирающий элемент 85, который предотвращает образование первой текучей средой 6 обвода без протекания через полые структуры. Запирающий элемент 85 также может быть выполнен кольцеобразно и иметь канал для вхождения второй текучей среды 7, которая, таким образом, течет в противотоке относительно направляемой в двойной оболочке первой текучей среды 6 или в перекрестном потоке относительно направляемой в полых структурах первой текучей среды 6.
Если, напротив, вторая текучая среда 7 вытекает через расположенный в запирающем элементе канал, то течение первой текучей среды 6 и течение второй текучей среды 7 осуществляется в противотоке друг относительно друга, если течение рассматривают в двойной оболочке, и в перекрестном потоке, если рассматривают течение первой текучей среды через полые структуры. Отношение В1/В2 на Фиг.12 составляет больше единицы. За счет этого перемешивание и теплообмен второй текучей среды 7 могут неожиданно улучшаться.
Реферат
Изобретение относится к устройству для смешивающей транспортировки текучих сред при осуществлении теплообмена и может использоваться для теплообмена, перемешивания и проведения реакций в низковязких и высоковязких текучих средах, в частности полимерах и пищевых продуктах. Устройство включает корпус (2) с внутренними устройствами (4). Внутренние устройства (4) содержат первую полую структуру (5), выполненную с возможностью протекания через нее первой текучей среды (6) и с возможностью ее обтекания второй текучей средой (7). Вторая текучая среда (7) течет вдоль направления (76) главного потока, которое проходит вдоль продольной оси (3) корпуса. Также предусмотрена вторая полая структура (105), которая выполнена с возможностью протекания через нее первой текучей среды (6) и с возможностью ее обтекания второй текучей средой (7). Вторая полая структура расположена крестообразно относительно первой полой структуры. Полые структуры (5, 105) имеют проточное поперечное сечение с первой шириной В1 и второй шириной В2, причем отношение В1/В2 составляет больше единицы, а В1 ориентирована перпендикулярно плоскости, которая содержит продольную ось (3) корпуса или параллельную этой продольной оси (3) линию и ось полой структуры (5, 105). Технический результат состоит в повышении гомогенности смеси. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 12 ил.
