CZ155898A3 - Zařízení na výměnu tepla a hmoty - Google Patents

Description

Zařízeni na výměnu tepla a hmoty

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení na výměnu tepla a hmoty, a zejména zařízení na výměnu tepla a hmoty, které má sloužit jako náplň pro destilační kolony, mající vysoký počet teoretických desek, zejména pro kolony na destilaci vzduchu, nebo směsi oxidu uhelnatého, dusíku, vodíku a uhlovodíků, nebo pro izotopové separační kolony. Toto zařízení může rovněž sloužit pro izotopovou destilaci. Bude instalováno zejména v destilačních kolonách, které máji vysoký počet teoretických desek.

Dosavadní stav techniky

Běžně používané náplně obvykle sestávají z vlnitých pásků, které mají rovnoběžné střídavé zvlnění, uspořádané jedno proti druhému, přičemž každé leží v obecně svislé rovině. Toto zvlnění bývá šikmé a klesající v opačných směrech od jednoho pásku ke druhému. Stupeň perforaci bývá přibližně 10 % pro tyto tak zvané překřížené vlnité náplně.

Patentový spis GB-A-1 004 046 popisuje náplně překříženého vlnitého typu.

Patentový spis CA-A-1 095 827 navrhuje zlepšení tohoto typu náplni doplněním hustých perforaci o malém průměru, a to • · · · ·

za tím účelem, aby kapalina mohla dobře procházet skrze překřížené vlnité pásky.

Patentový spis WO-A-94/12258 navrhuje zlepšení tohoto typu náplní, založené na přesném vzájemném umístěni pásků ve svislé rovině prostřednictvím vzájemného uzavíracího systému. Účelem tohoto zařízení je umístit větší povrchovou oblast náplně do stejného objemového prostoru, neboť vzájemné uzamykání umožňuje rovněž vzájemné prolínání jednotlivých pásků.

Patentové spisy WO-A-86/06296 a WO-A-90/10497 popisují náplň, sestávající z vodorovných a na sebe umístěných vrstev, přičemž každá vrstva obsahuje řadu pyramid.

V patentovém spise WO-A-86/06296 popsaná struktura obsahuje pyramidy s otevřenou základnou, mající boční strany, které jsou střídavě otevřeny a uzavřeny, a které jsou spojeny jejich špičkami tak, že vytvářejí množství ventilátorových lopatek, které otočně víří plyn za účelem intenzifikace styku mezi plynem a kapalinou.

Základním charakteristickým znakem uvedené struktury je to, že ji lze získat sestavením perforovaných a ohnutých kovových listů. V současné době nejsou perforace již určeny pouze k optimalizaci proudu kapaliny, avšak jsou určeny i k tomu, aby umožnily plynu procházet skrze překřížené složené pásky, přičemž stupeň perforací bývá okolo 50 %.

Paradoxně je to právě v této době, kdy se začíná o překřížených vlnitých náplních živě diskutovat, a kdy začíná být tento typ náplní používán pro oddělování plynů ze vzduchu. Toto relativně pozdní uplatnění může být částečně vysvětleno vysokými provozními charakteristikami kryogenických desek, tabuli či plechů v porovnání s jinými deskami, tabulemi či plechy na trhu (jde zejména o charakteristiky, jako je výška ekvivalentní teoretické desce o velikosti zhruba 10 cm, a nízký tlakový pokles).

V patentovém spise WO-A-90/10497 je shora uvedené struktura zlepšena tím, že stěny pyramid jsou vyrobeny ze dvou následných shodných vrstev, které vytvářejí příčné kanály vzhledem k páskům a podporují tak příčné promíchávání. Je zde jasně zmíněna výhoda dvojité perforace: žebrový či mřížový typ perforace (mající 50 % perforovaného povrchu) pro plyn, a sekundární perforace v „uzavřených stěnách za účelem dosažení skrápění kapalinou.

Posledně uvedená patentová přihláška vedla ke vzniku Sulzerova produktu „Optiflow™, který reprezentuje první konstrukci generace nových produktů, umožňujících dosáhnout takových provozních charakteristik, které jsou vynikající ve srovnání s dosud používanými klasickými překříženými vlnitými náplněmi (výška ekvivalentní teoretické desce je snížena zhruba o 25 až 30 % pro konstantní poměr páry, nebo je poměr zaplavení zvýšen zhruba o 25 až 30 % pro konstantní výšku ekvivalentní teoretické desce).

Shora uvedený patent a shora uvedené patentové přihlášky umožňují stanovit dva základní směry výzkumu.

Předmětem prvního směru výzkumu je dosažení optimalizace proudění kapaliny tak, že skrápěná povrchová oblast je pokud možno co největší, a tak, že je jcapalina distribuována ve

všech směrech, přičemž je znovu směšována formou skrápění v náplni.

Předmětem druhého směru výzkumu je dosažení optimalizace proudění plynu, to je dosažení pokud možno turbulentního vertikálního proudění, a to bez preferovaných proudících kanálů nebo oblasti nízké cirkulace.

Dosud bylo proudění kapalné fáze studováno na strukturách zkříženého vlnitého typu. Bylo zjištěno, že perforace malého průměru (přibližně 10 %) napomáhají průchodu kapaliny na každé straně pásků.

Bylo navrženo několik zlepšení:

Patentový spis CA-A-1 095 827 nárokuje přesné rozmístění otvorů vzhledem ke skladům nebo ohybům.

Patentový spis WO-A-94/12258 nárokuje relativní rozmístění pásků vzájemným pronikáním těchto pásků.

Ve skutečnosti je zřejmé, že umístění otvorů nikterak znatelně nezvyšuje efektivnost náplně, neboť hlavní funkcí otvorů je umožnit kapalině, aby mohla protékat z jedné strany pásku na druhou. Pouze stupeň perforací a průměr příslušných otvorů pak může mít vliv na celkovou účinnost.

Myšlenka pyramid, popsaná ve shora uvedených patentových spisech WO-A-86/06296 a WO-A-90/10497, přináší nový typ perforací, a to perforace pro průchod plynu (představující přibližně 50 % povrchové plochy). Tyto perforace umožňují snížit pokles tlaku, čímž podporují *· ventilátory při jejich míchání plynu. Tyto dokumenty se však nezmiňují o proudění kapaliny.

Skutečnost, že pyramidy jsou spojeny špičkami („vrcholy a „rohy - přičemž „rohy se rozumějí body, ležící na základně), má obrovskou nevýhodu: z toho důvodu, že na těchto bodech zůstává velmi málo materiálu, je k dosažení mechanické celistvosti sestavy nutno, aby tyto „špičky byly fyzicky spojeny za použití mechanických postupů, jako je například sešívání, vázání, stehováni, svařování nebo pájení, což vyžaduje použít komplexních a nákladných nástrojů, a což se tím pádem projeví i ve zvýšení nákladů.

Dále je nutno zdůraznit, že počet těchto spojeni se mění s počtem pyramid, to jest jako obrácená kostka jejich velikosti, čímž je limitována ekonomická dostupnost specifických povrchových oblastí tohoto typu náplně. A navíc princip mřížových perforací vede k vysokému poměru zbytků či výstřižků, které tvoří zhruba 50 %; to je velmi nevýhodné zejména tehdy, kdy je materiál náplně velmi drahý, například v případě tkaniny.

Ukazuje se rovněž, že tato struktura je vysoce provzdušněná, a že výška ekvivalentní teoretické desce může být dále snížena, pokud budou některé zbytky uloženy ve struktuře, a to bez snížení turbulence plynu nebo stupně zvlhčení povrchu.

Podstata vynálezu

Předmětem tohoto vynálezu je vyvinout zařízení pro výměnu tepla a hmoty, které bude mít dobré vlastnosti co se týče proudění plynu, které zahrnuje celou řadu zlepšeni, týkajících se skrápění, distribuce a míšení kapaliny, a které je mnohem jednodušší na výrobu, než jsou zařízení, známá z dosavadního stavu techniky, čímž je prakticky umožněno vyrábět náplně, které jsou velmi jemné a kvalitní a přitom mají dokonce menší výšku ekvivalentní teoretické desce.

Jedním předmětem tohoto vynálezu je zařízeni na výměnu tepla a/nebo hmoty, sestávající z nad sebou umístěných stacionárních ventilátorů, které podporují míšení plynu, přičemž každý ventilátor sestává ze čtyř deflektorů, jejichž středové kolmice jsou skloněné a přibližně odvozené jedna od druhé otáčením kolem svislé osy, součet čtyř úhlů otáčení je roven 360°, a ventilátory jsou naskládány v postupných vodorovných vrstvách, v jejichž rámci vytváří každý deflektor část dvou přiléhajících ventilátorů, otáčejících se v opačných směrech, a to takovým způsobem , že mezi přiléhajícími deflektory je dostatek místa pro proudění plynu skrze tyto deflektory.

Deflektory nebo ventilátory mohou být rovinné nebo nerovinné, symetrické nebo asymetrické, a mohou být odvozeny otáčením okolo svislé nebo nesvislé osy.

Takto popsaná struktura umožňuje vytvářet vířivé proudění plynu, kterým se zlepšuje výměna mezi kapalinovým filmem, stékajícím po deflektorech, a plynem. Je zde dosaženo té výhody, že toto řešení umožňuje velkou konstrukční volnost co se týče určování tvaru deflektorů a spojení mezi jednotlivými deflektory. Této volnosti je možno využít k tomu, aby se bylo možno zaměřit na jiné funkce výsledného produktu, a tím snížit jeho cenu.

• · • 9

Je nutno poznamenat, že otevřená pyramidová struktura podle patentových přihlášek WO-A-86/06296 a WO-A-90/10497 je velmi speciálním případem celkové struktury, která byla právě popsána, pokud jsou současně splněny následující podmínky:

- deflektory ventilátorů jsou kosočtverce, jejichž jedna úhlopříčka je vodorovná, nebo trojúhelníky, jejichž základna je vodorovná;

- úhly otáčení deflektorů jsou 90°;
- osy	otáčení	procházejí skrze	konce	vodorovných
úhlopříček	kosočtverečných deflektorů,	nebo	skrze konce
vodorovných	základen	trojúhelníkových deflektorů;

- horní svislice kosočtverců nebo trojúhelníků jedné vrstvy se shoduji s vrcholem kosočtverce nebo trojúhelníku vrstvy, ležící bezprostředně nad ní.

V souladu s dalším aspektem tohoto vynálezu:

- deflektory ventilátorů nejsou ani kosočtverce, jejichž jedna úhlopříčka je vodorovná, ani trojúhelníky, jejichž základna je vodorovná; nebo

- úhly otáčeni deflektorů nejsou 90°; nebo

- osy otáčení neprocházejí skrze konce vodorovných úhlopříček kosočtvercových deflektorů; nebo

- osy otáčení neprocházejí skrze konce vodorovných základen trojúhelníkových deflektorů; nebo • · φ φ •φ φφφφ φ φ

- horní svislice kosočtverců nebo trojúhelníků jedné vrstvy se neshodují s vrcholem kosočtverce nebo trojúhelníku vrstvy, ležící bezprostředně nad ní.

V souladu s dalšími aspekty tohoto vynálezu je zařízení provedeno tak, že:

- spodní část některého nebo všech deflektorů je nesouměrná;

- horní část některého nebo všech deflektorů je souměrná vzhledem k linii největšího sklonu a má v podstatě tvar obráceného V, takže podporuje skrápění kapaliny;

- některý nebo všechny deflektory jsou opatřeny jedním nebo více vyvrtanými otvory s nebo bez svislé osové symetrie, jejíž účelem je podpořit průchod kapaliny pod deflektory;

- některý nebo všechny deflektory jsou připojeny k jednomu nebo více sousedním deflektorům ve stejné vodorovné rovině prostřednictvím společného okrajového segmentu, který je okrouhlý, plochý nebo prohloubený, pro umožnění bočního dělení kapaliny mezi deflektory;

- některý nebo všechny deflektory jsou připojeny k jednomu nebo více sousedním deflektorů prostřednictvím společného okrajového segmentu, který je okrouhlý, plochý nebo prohloubený, pro vzájemné připojení deflektorů k sobě;

- některý nebo všechny deflektory pronikají do prostoru, ležícího na svislici přiléhajícího deflektorů;

i «I · · ♦ · 4 4 4 4 ··4 4

4444 4 4 4*444

4 4 4444 ·4··

4 · ♦ · 4 44 4 4 4 44

4 4 4 4 4444

44*4 *> 44 *4* 4*«4

- některý nebo všechny deflektory jsou upraveny tak, aby napájely kapalinou jiný deflektor, obecně s pomocí špičky, nebo tak, aby shromažďovaly kapalinu z jiného deflektoru;

- některé nebo všechny z dvojic sousedních deflektorů mají výstupky a/nebo zářezy, umožňující vzájemné uzavření za účelem vzájemného upevnění deflektorů k sobě;

- spodní část některého nebo všech deflektorů je alespoň částečně rozšířena za účelem udržování pokud možno co nejvyšši skrápěcí povrchové oblasti pro kapalinu;

- jeden konec alespoň dvou deflektorů vytváří výstupek;

- jeden nebo další výstupek je vzájemně uzavřen s jiným výstupkem nebo zářezem za účelem vzájemného upevnění vrstev ventilátorů.

Je rovněž nutno zdůraznit, že shora uvedená patentová přihláška WO-A-94/12258 popisuje strukturu, u které je každý vzájemně se prolínající bod středem čtyř deflektorů, které nejsou odvozeny jeden od druhého prostřednictvím otáčení. Avšak deflektory jsou spojeny takovým způsobem, že plyn již nemůže nadále procházet mezi dvěma deflektory svisle na sebe nakladených ventilátorů. Představa ventilátorů, tak jak je pojímána, zcela vymizela, a to z důvodu absence perforací pro plyn.

U zde navrhovaného zařízeni je vzájemná poloha pásků řízena plynovými perforacemi, které musejí být velmi přesně vzájemně rozmístěny jedna vůči druhé.

• · « · • to ···· · · toto • · · · to ♦ to toto·· • · · ♦ #··· » to ·to í> · ··· to · · ···· ♦ • to · · » · ··· ···· ·· ·· <·· · to ··

Dalším předmětem tohoto vynálezu je způsob výroby zařízeni na výměnu tepla a/nebo hmoty, které sestává z nad sebou umístěných stacionárních ventilátorů pro podporu míšení plynu, přičemž každý ventilátor sestává ze čtyř deflektorů, jejichž středové kolmice jsou skloněné a přibližně odvozené jedna od druhé otáčením kolem svislé osy, součet čtyř úhlů otáčení je roven 360°, a ventilátory jsou naskládány v postupných vodorovných vrstvách, v jejichž rámci každý deflektor vytváří část dvou přiléhajících ventilátorů, otáčejících se v opačných směrech, a to takovým způsobem, že mezi přiléhajícími deflektory je dostatek místa pro proudění plynu, přičemž se ploché kovové listy nebo listy z jiného materiálu řežou a skládají a/nebo ohýbají, zkrucují nebo lisují za účelem vytvoření varhánkovitých listů s výstupky nebo bez výstupků, přičemž pevné povrchy vytvářejí ploché, složené, zakřivené nebo zkroucené deflektory.

Plochý produkt může být válcovaný, tkaný nebo pletený.

Podle dalších aspektů tohoto vynálezu je předmětný způsob výroby daného zařízení charakterizován následujícími znaky:

- varhánkovité listy se umísťují vedle sebe rovnoběžně se svislou rovinou;

- varhánkovité listy se před skládáním alespoň ze 45 % vrtají;

- struktura sestává z přibližně stejných varhánkovitých listů, přičemž varhánkovité listy liché řady jsou obráceny ·♦ 9999 vzhůru nohama vzhledem k listům sudé řady okolo svislé nebo vodorovné osy, ležící ve střední rovině varhánkovitých listů;

- varhánkovité listy se umísťují prostřednictvím opěrných oblastí, umožňujících, aby byly listy vzájemně uzavřeny, a rovněž pokud byly jednou vzájemně uzavřeny jeden proti druhému, zajišťujících, že varhánkovité listy jsou stabilní. Vzájemné uzavření může být provedeno tak, aby zabraňovalo dvěma stupňům translační volnosti v příslušných stykových bodech nebo ve všech bodech. Nebo může být dále provedeno tak, že zabraňuje jednomu stupni translační volnosti příslušných stykových bodů a dalšímu stupni volnosti v ostatních stykových bodech;

- varhánkovité listy jsou provrtány a složeny tak, aby se dotýkaly pevných povrchů podél linií skladu, které mohou být, nebo nemusí být zakřivené, a které umožňují výměnu kapaliny mezi přiléhajícími deflektory;

- linie skladu nejsou spojité, takže vytvářejí výstupky vně oblasti, ležící mezi dvěma rovinami, obsahujícími sklady;

- opěrná oblast se vytváří místní prohlubní;

- opěrná oblast se vytváří řezáním a skládáním a/nebo ohýbáním nebo kroucením;

- výstupky umožňují, aby varhánkovité listy byly uloženy a vzájemně uzavřeny pomocí výstupků a/nebo zářezů;

- výstupky umožňují, aby se pro deflektory přiléhající vrstvy vytvářely rozdělovače nebo sběrače; a

- stupeň perforováni varhánkovitých listů umožňuje vytváření širokých skrápěcich povrchů.

Jiným předmětem tohoto vynálezu je způsob oddělování plynů ze vzduchu, nebo uhlovodíků nebo oxidu uhelnatého nebo izotopů v destilační koloně, obsahující alespoň jedno zařízení na výměnu tepla a/nebo hmoty, sestávající z nad sebou umístěných stacionárních ventilátorů pro podporu míšení plynu, přičemž každý ventilátor sestává ze čtyř deflektorů, jejichž středové kolmice jsou skloněné a přibližně odvozené jedna od druhé otáčením kolem svislé osy, součet čtyř úhlů otáčení je roven 360°, a ventilátory jsou naskládány v postupných vodorovných vrstvách, v jejichž rámci každý deflektor vytváří část dvou přiléhajících ventilátorů, otáčejících se v opačných směrech, a to takovým způsobem, že mezi přiléhajícími deflektory je dostatek místa pro proudění plynu skrze tyto deflektory.

Jiným předmětem tohoto oddělování plynů ze vzduchu, vynálezu je zařízení pro nebo uhlovodíků nebo oxidu uhelnatého nebo izotopů v destilační koloně, obsahující alespoň jedno zařízení pro výměnu tepla a/nebo hmoty, sestávající z nad sebou umístěných stacionárních ventilátorů pro podporu míšení plynu, přičemž každý ventilátor sestává ze čtyř deflektorů, jejichž středové kolmice jsou skloněné a přibližně odvozené jedna od druhé otáčením kolem svislé osy, součet čtyř úhlů otáčení je roven 360°, a ventilátory jsou naskládány v postupných vodorovných vrstvách, v jejichž rámci každý deflektor vytváří část dvou přiléhajících ventilátorů, otáčejících se v opačných směrech, a to takovým způsobem, že mezi přiléhajícími deflektory je dostatek místa pro proudění plynu mezi těmito deflektory.

• ·	··	♦ ♦	♦ » 9 ·	··	99
• ·	• ♦	•	•	•	•	9	9	•
•	9 ·	•	•	• · ·	•	9	9 9
*	• · ·	•	•	• «	·· ·	9	*
«	• 9 9 ·	• • ·	•	• 999	• 99	9 9 ·	9

Přehled obrázků na výkresech

Další aspekty tohoto vynálezu budou nyní popsány s odkazy na přiložené výkresy, kde:

obr. 1 znázorňuje axonometrický pohled na dva ventilátory, otáčející se v opačných směrech u zařízení podle tohoto vynálezu;

obr. 2 znázorňuje proudění kapaliny přes deflektory u zařízení podle tohoto vynálezu;

obr. 3 znázorňuje schematickou ukázku řezání kovového listu podle tohoto vynálezu;

obr. 4 znázorňuje dvě schematické ukázky kovového listu podle obr. 3, naskládaného do varhánků;

obr. 4.1 znázorňuje axonometrický pohled; a obr. 4.2 znázorňuje pohled podél osy skladů;

obr. 5 znázorňuje dvě schematické ukázky dvou kovových pásků podle obr. 4, které jsou vzájemně spojeny;

obr. 5.1 znázorňuje axonometrický pohled; a obr. 5.2 znázorňuje pohled podél osy skladů jednoho z listů;

obr. 6 znázorňuje průmyslové řezání kovového listu podle tohoto vynálezu;

999·

9 9 9

9 99

99 • ·9 · · 99

9 9 9 9 9 99

··« 9 ·

9 9

99 obr. 7 znázorňuje strukturu, získanou vzájemným spojením dvou nařezaných a poskládaných listů podle obr. 6;

obr. 8 znázorňuje několik detailů struktury podle obr. 7;

obr. 8.1 znázorňuje čtyři lopatky, které jsou uloženy v opěrné oblasti;

obr. 8.2 znázorňuje půdorys z obr. 8.1; a obr. 8.3 znázorňuje dva na sebe nakladené ventilátory, vytvořené danou strukturou;

obr. 9 znázorňuje ve zvětšeném měřítku opěrnou oblast 7B podle obr. 7, u níž je znázorněno proudění kapaliny;

obr. 10 znázorňuje způsob výroby opěrného bodu řezáním, skládáním a vzájemným uzavřením dvou vrstev;

obr. 11 znázorňuje několik způsobů skládání, které umožňují, aby mohly být vrstvy vzájemně uzavřeny jedna vůči druhé; a obr. 12 znázorňuje plášť kolony se skládanou strukturovanou náplni, která sestává ze zařízení podle tohoto vynálezu.

♦ · • ···

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 jsou znázorněny dva přilehlé stacionární ventilátory IA a 1B ve vodorovné vrstvě. Deflektory nejsou nezbytně odvozeny jeden od druhého otáčením. Uvedené dva ventilátory 1A a 1B míchají plynový proud a pohybují jím v opačných směrech, čímž se vytvářejí víry ID a IE, a čímž rovněž dochází k maximální turbulenci.

Zde je nutno zdůraznit, že deflektor 1C je společný pro oba dva ventilátory IA a 1B. Celkové struktury lze dosáhnout opakováním tohoto vzoru ve třech směrech, a to bud’ se změnami v geometrii deflektorů, anebo beze změn této geometrie. Shora citovaný dokument se nezmiňuje o proudění kapaliny v dané struktuře.

Obr. 2 znázorňuje kapalinu, rozprostírající se po povrchu deflektorů. Způsob, kterým jsou deflektory vzájemně k sobě spojeny mezi dvěma vodorovnými vrstvami, bude vysvětlen později. Předpokládejme pouze, že každý deflektor je naplňován prostřednictvím jeho vrcholu 2C kapající kapalinou. Je zcela evidentní, že maximální plocha povrchu tak musí být zvlhčena. Toto zjištění postačuje k tomu, aby bylo možno navrhnout ten nej lepší tvar pro dané deflektory.

Horní část 2A musí být „špičatá, aby umožňovala rozprostírání se kapaliny z jejího napájecího bodu. Na druhé straně však, je-li jednou tohoto rozprostírání kapaliny dosaženo, může si deflektor udržovat svoji maximální šířku přes určitou vzdálenost, a to za účelem zvětšení skrápěné povrchové plochy 2B. Sběr je tak jednodušší a může k němu ·♦ «··« docházet na mírně skloněných okrajích s poněkud svažujícími se obrysy. To vede k „vyboulenému tvaru.

Optimální distribuce kapaliny na obou stranách deflektorů je zajišťována otvorem 2D, který je vyvrtán poblíže vrcholu 2C, a který umožňuje, aby určitá část kapaliny mohla projít skrz na druhou stranu.

Za tím účelem, aby nemohlo dojít k nějaké přednostní cestě pro kapalinu, je vhodné a účelné zajistit, že stejný proud kapaliny bude distribuován v několika směrech, a že bude neustále znovu míchán. Proto jeden okrajový segment 2E, který je společný pro dva deflektory, rozděluje tok kapaliny podél deflektoru na dva proudy a vytváří tak směšovací oblast 2F.

listového či tabulového

Z cenových důvodů musí být možno vyrábět deflektory z materiálu. Avšak bohužel technika vrtání a skládání a/nebo techniky jsou doposud technika vrtání a ohýbání, kteréžto používány pro výrobu skládaných strukturovaných náplní, neumožňuje dosáhnout dostatečně bohaté mnohotvárnosti a rozmanitosti tvarů, která je požadována shora popsanou architekturou.

Avšak existuje způsob, který umožňuje dosáhnout velmi bohaté mnohotvárnosti a rozmanitosti tvarů z plochých produktů, přičemž tímto způsobem je řezání a ohýbání. Abychom se o tom přesvědčili, stačí se podívat na nějaké „skládané knížky nebo na určité obaly, vyrobené z lepenky či z kartónu. Ohýbáni je též všeobecně známé a používané pro výrobu mnohostěnů.

99

9 9 9 • 9 99

9 9 9

9 9

99

Tento postup však podle našich znalosti nebyl nikdy použit k výrobě skládaných strukturovaných náplní. Je rovněž možné kombinovat postup řezání a ohýbání také s lisováním, čímž je možno dosáhnout takových povrchů, které nemohou být rozvinuty do ploché roviny. Je rovněž možno uplatnit velké množství možností, přičemž tento proces může být obzvláště ekonomický, neboť následné operace řezáni, ohýbáni a připadne lisováni mohou být integrovány do jednoho stejného lisovacího nástroj e.

Obr. 3 schematicky znázorňuje řezáni listu před jeho ohýbáním, přičemž deflektory jsou zde představovány „pevnými čtyřúhelníky 3E.. Takto nařezaný list je poté naskládán do varhánků podél tečkovaných čar. Tučně tečkované čáry 3A představuji „údolní sklady, zatímco jemně tečkované čáry 3B představuji „vrcholové sklady. Zde je nutno jasně zdůraznit, že tyto skladové čáry jsou nespojité, neboť tmavošedé části 3C nejsou ohnuty se zbytkem, takže po ohnuti vytvářejí výstupky, které vystupuji ven ze dvou rovin, obsahujících vrcholové a údolní sklady.

Ve skutečnosti se skládáni projevuje pouze podél oblastí, znázorněných symbolicky černými body 3D, které vytvářejí jak spojení mezi deflektory a opěrou, tak i blokovací body, sloužící pro stohování a uvádění do správné polohy při polohování, kdy jsou varhánkovité listy skládány na sebe. Později bude podrobněji vysvětleno, jakých zařízení je možno využít pro vytváření těchto oblastí.

Obr. 4 představuje dvě schematická znázornění listu podle obr. 3, naskládaného do varhánků. Obr. 4.1 znázorňuje axonometrický pohled na složený list. Obr. 4.2 znázorňuje *· ·« ·· • ♦ · · · · • · · ·· • · · · ·· • · · 99 • 99 9 9999 ·*·♦

	99	99
•	• 9	9	9
• 9 9	9 9	99
• 9	999	9	9
9	•	9	9
• 9 9	• 9	9 9

pohled shora na příslušný list podél osy skladů, takže varhánky, vytvořené listem 4G, zde mohou být zcela zřetelně patrny.

Skládáni vytváří dvě rovinné orientace, které jsou charakteristické oblastmi deflektorů 4A a 4B, znázorněnými různou šedou barvou v různých odstínech šedi. Je zde možno vidět výstupky 4C a 4D, které vystupují z oblasti, ležící mezi dvěma rovinami, obsahujícími skladové čáry. Dále je možno vidět, že deflektory, pokud byly jednou složeny, nabízejí kapalině „špičatý rozšiřující se povrch 4E, který je souměrný vzhledem k čáře největšího sklonu, a poté k rozšířenému kapacímu povrchu 4F.

Obr. 5 zobrazuje dvě schematická znázornění skládané struktury, získané vzájemným spojením dvou pásků, naskládaných jako u obr. 4. Obr. 5.1 znázorňuje axonometrický pohled na danou strukturu. Obr. 5.2 znázorňuje pohled shora podél osy skladů listu v čelní rovině, v níž je možno vidět dva na sebe naskládané pásky 5F a 5G.

Varhánkovitý list podle obr. 4 je možno opět vidět v čelní rovině podle obr. 5.1 a podle vztahové značky 5F. V zadní rovině podle obr. 5.1 a podle vztahové značky 5G lze vidět stejný list, otočený o 180° vzhledem ke svislé ose. Touto strukturou 5A a 5B jsou vytvořeny dva na sebe kladné ventilátory.

Zde je nutno zdůraznit, že tyto ventilátory jsou dvou různých typů: ventilátor 5A představuje ventilátor, který je „uzavřený vzhledem ke středu otáčeni; to znamená, že rozšíření skrápěného povrchu je uloženo na straně od středu otáčeni, což nabízí pouze užší průchod pro plyn.

Na druhé straně je ventilátor 5B takzvaný „otevřený ventilátor. Podél stejné svislé čáry dochází ke změně těchto dvou typů ventilátorů. Aby bylo možno docílit toho, že uvedené ventilátory se otáčejí v opačných směrech, bylo by nutno přidat jeden přídavný varhánkovitý list.

Struktura, získaná podle vztahové značky 5C, ukazuje, proč spodní část deflektorů nemá souměrný skrápěný povrch. Je to z toho důvodu, že pokud by byla základna deflektorů obdélnikovitě pravoúhle souměrná, byla by i oblast skrápěného povrchu nepochybně větší, avšak spojeni okrajů dvou deflektorů, vytvářející svým způsobem druh vodorovného odvodňovacího žlabu, by bylo možno získat pod vztahovou značkou 5C. Taková struktura by byla velmi nevýhodná, a to jak z hlediska průtoku plynu, tak i z hlediska průtoku kapaliny.

Na závěr je možno zdůraznit, že výstupky varhánkovitých listů v první rovině 5D leží přesně mezi dvěma po sobě jdoucími následnými sklady listu ve druhé rovině. Podobně také rovněž výstupky listu v zadní rovině 5E leží mezi sklady listu v čelní rovině. Listy jsou tak umístěny vzájemně relativně jeden ke druhému ve všech směrech, a jejich jednoduché vzájemné spojeni zajišťuje, že struktura je stabilní.

Záměrem všech shora popsaných obrázků, které jsou úmyslně velmi schematické, je ukázat hlavni charakteristické znaky dané struktury. Je zcela evidentní, že struktura na obr. 5 nemá žádnou mechanickou celistvost či integritu, neboť ve stykových bodech mezi deílektory není žádný materiál.

Princip řezání a ohýbání, který může být někdy kombinován rovněž s lisováním, umožňuje docílit velmi široké mnohostrannosti a rozmanitosti tvarů, z nichž je nutno vybrat ten pravý k vylepšení dané struktury, a to jak s ohledem na provozní charakteristiky, tak i vzhledem k jednoduchosti výroby. Obrázky, jejichž popis bude nyní následovat, znázorňují strukturu, která byla schválena v průmyslovém měřítku, a která má dobrou mechanickou celistvost a integritu a zahrnuje několik zlepšení, týkajících se proudění kapaliny a vlastní výroby.

Obr. 6 znázorňuje řezání nesloženého listu. Linie skladu 6A jsou znázorněny tečkovanými čarami; je zde možno jasně vidět, že jsou nespojité. Za účelem dosažení dobré mechanické celistvosti či integrity zůstává ve spojovacích bodech jedna třetina materiálu, který by měl být ohnut, aniž by byl nařezán. Za účelem udržení struktury pokud možno co nejblíže k ideálnímu stavu, byl tento materiál distribuován nestejně přes různé spojovací body.

V místě 6B přidáním svislého okraje lze dosáhnout dobré cesty k získání dlouhého skladu při ztrátě minimální velikosti otevřeného povrchu. Na druhé straně je nutno zabránit vkládání vodorovného okraje, na kterém se kapalina shromažďuje; linie skladu je potom provedena tak, že představuje okrajový segment 6C, který umožňuje boční dělení kapaliny. Výstupek v bodě 6D slouží jak pro distribuci kapaliny, tak i pro připevnění jednotlivých pásků k sobě. V • · ·· • · 9 · každém deflektoru může být vyvrtán otvor 6E, který umožňuje, aby kapalina mohla procházet z jedné strany listu na druhou.

Obr. 7 znázorňuje dva listy podle obr. 6, které jsou zohýbány, naskládány na sebe a vzájemně spojeny. Lze zde vidět sérii na sebe naskládaných ventilátorů 7A. Obr. 5 nám ukázal, že pásky jsou umístěny přesně, a to pomocí výstupků. Linie skladu přinášejí do tohoto umísťování nepřesnost, která se rovná délce jedné linie skladu. Za účelem kompenzování tohoto nedostatku je možno při skládání vytvořit na linii skladu místní prohlubeň tak, že bod, vložený jako další, je vystředěn v opěrném bodě. Takže při sestavování struktury je tato struktura udržována ve své poloze jednoduše pomocí pásků, které jsou proti sobě vzájemně uzavřeny. Vztahovou značkou 7B je označen opěrný bod, kde je výstupek pásku v zadní rovině opatřen špičkou, která představuje jak druh připojení pro připevnění pásků, tak i distributor kapaliny pro její opětovné míchání.

Obrázek 8 představuje několik zvětšenin z obr. 7.

Obr. 8.1 znázorňuje ve zvětšeném měřítku opěrnou oblast 7B.

Obr. 8.2 znázorňuje pohled zeshora na obr. 8.1 se žádnými skrytými čelními plochami, kde je možno vidět, že deflektory pronikají do prostoru, ležícího podél svislice přiléhajících deflektorů tak, že se vytváří široký skrápěcí povrch 8.2A a přívod kapaliny z jiného deflektoru 8.2B.

·· ···· • · • ···

Obr. 8.3 znázorňuje dva typy na sebe vrstvených ventilátorů vytvořených danou strukturou: „otevřený” ventilátor 8.3A a „uzavřený” ventilátor 8.3B.

Obr. 9 znázorňuje detail z obr. 7, ležící kolem vztahové značky 7B. Deflektory 9E a 9F náležejí k varhánkovitému listu v zadní rovině, zatímco deflektory 9C a 9E náležejí k listu v přední čelní rovině. Černé šipky zobrazují proudění kapaliny přes uvedené reflektory. Struktura je souměrná vzhledem k opěrnému bodu 9A. Lze zde vidět způsob, jakým špička 9B a její souměrnost vytváří spojení, které stabilizuje celou strukturu.

Pokud jsou dva varhánkovité listy umístěny čelně k sobě jeden ke druhému, struktura se poněkud deformuje a pak znovu nabývá svou polohu v důsledku pružnosti a ohebnosti, pokud špička již zaujala svoji konečnou polohu. Vztahovou značkou 9C je označena oblast, která způsobuje boční dělení kapaliny, následované opětovným míšením. Kapalina, která proudí přes deflektor v zadní rovině, se rozděluje na dvě části 9D. Část kapaliny poté, co projde volným pádem 9G, smočí deflektor v přední čelní rovině 9E přes distributor, vytvořený výstupkem na špičce 9B, a poté se smísí s kapalinou, která proudí přes přiléhající varhánkovitý list. Další část kapaliny zůstává na stejném varhánkovitém listu a smáčí spodní stranu deflektorů 9F.

Obr. 10 znázorňuje jeden možný způsob vzájemného spojování listů v opěrném bodě, který může nahradit místní prohlubeň ve společném bodě 6C, to znamená ve středu ventilátoru. Z toho důvodu, aby obrázky byly co ·· ·· • · · · • ·· ♦ ® ·· • ·· ··· · ·· ·* ·«·· ·· ·· • · · ·· · t • · ·♦· ···· • · · « ··· ·· • · · · ·· • * «·« ·· ·· nej srozumitelnější, je jejich průmět proveden tak, že směr odshora dolů vede směrem k zadní části listu.

Obr. 10.1 znázorňuje právě detail řezání v opěrném bodě. Linie řezu je označena vztahovou značkou 10.1A. Listy jsou dále zahnuty v místech, označených vztahovými značkami 10.1C a 10.1B.

Obr. 10.2 znázorňuje dva složené listy, umístěné vzájemně proti sobě, a to před jejich vzájemným spojením.

Obr. 10.3 znázorňuje shora uvedené listy, které jsou již vzájemně spojeny. Toto vzájemné spojení vytváří střed ventilátoru, přičemž na obr. 10.3 lze vidět čtyři orientace deflektorů, pod podmínkou, že je tento obrázek narovnán.

Uvedené vzájemné spojení může být navrženo tak, aby zabraňovalo dvěma stupňům translační volnosti v určitých stykových bodech nebo ve všech těchto stykových bodech. Alternativně může být toto vzájemné spojení navrženo tak, aby zabraňovalo jednomu stupni translační volnosti v určitých stykových bodech, a jinému stupni volnosti v jiných stykových bodech.

Obr. 11 znázorňuje listy 11 podle tohoto vynálezu, u nichž je opěrná plocha rovinná a je ohraničena dvěma sklady (viz obr. 11.2), nebo je tato opěrná plocha zakřivená (viz obr. 11.3), nebo zahrnuje více než dva sklady (viz obr. 11.4). V těchto třech případech umožňuje příslušné nařezání to, aby okraje deflektorů vytvářely výstupky 11.A.

Obr. 11.1 znázorňuje jednoduchý varhánkovitý sklad.

·· ·· • · · · • · ·· ··· · · • · · ·· ·♦ ·· ·· • · · · • ·· • · ·· • ·· ···· ·· ·· ···· • ·· • ···· • ·· · • ·· ·· ···

Obr. 11.2 znázorňuje případ, kde je ploška 11B, ležící uvnitř dvojice skladů nebo ohybů, plochá, tak jako na obr. 10.

Na obr. 11.3 je znázorněn zakřivený povrch 11C, který je proveden namísto skladů.

Konečně na obr. 11.4 je znázorněn dodatečný přídavný sklad nebo ohyb 11D.

Obr. 12 znázorňuje plášť 100 destilační kolony, obsahující dvě skládané strukturované náplňové jednotky 200, vytvářející zařízení pro výměnu tepla a/nebo hmoty podle tohoto vynálezu.

Skládané listy 300 jsou vzájemně spojeny šikmo vzhledem k ose pláště 100.

Zařízení pro výměnu tepla a hmoty podle tohoto vynálezu může být instalováno v jakékoliv koloně zařízení pro dělení vzduchu, například ve středotlaké koloně, nízkotlaké koloně, argonové koloně nebo v koloně pro odstraňování dusíku.

Každá kolona může být opatřena zařízením pro výměnu tepla a hmoty podle tohoto vynálezu, stejně dobře, jako může být opatřena konvenčními skládanými náplněmi (například křížového vlnitého typu) a/nebo volnými náplněmi a/nebo deskami.

• · · ·

Specifická povrchová oblast zařízení pro výměnu tepla a hmoty podle tohoto vynálezu se může libovolně měnit od jedné sekce kolony ke druhé.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ

   NÁROKY

   1. Zařízení pro výměnu tepla a/nebo hmoty vyznačující se tím, že sestává z nad sebou umístěných stacionárních ventilátorů (IA, 1B, 5A, 5B, 7A,

   8.3A, 8.3B) pro podporu míšení plynu, přičemž každý ventilátor sestává ze čtyř deflektorů (1C, 3E, 4A, 4B, 9C,

   9D, 9E, 9F), jejichž středové kolmice jsou skloněné a přibližně odvozené jedna od druhé otáčením kolem svislé osy, součet čtyř úhlů otáčení je roven 360°, a ventilátory jsou naskládány v postupných vodorovných vrstvách, v jejichž rámci každý deflektor vytváří část dvou přiléhajících ventilátorů, otáčejících se v opačných směrech, a to takovým způsobem, že mezi přiléhajícími deflektory je dostatek místa pro proudění plynu skrze tyto deflektory.
2. 2. Zařízení podle nároku 1 vyznačující se tím, že:

   - deflektory (1C,
3. 3E, 4A, 4B, 9C, 9D, 9E, 9F) ventilátorů (IA, 1B, 5A, 5B, 7A, 8.3A, 8.3B) nejsou ani kosočtverce, jejichž jedna úhlopříčka je vodorovná, ani trojúhelníky, jejichž základna je vodorovná; nebo

   - úhly otáčení deflektorů nejsou 90°; nebo

   - osy otáčení neprocházejí skrze konce vodorovných úhlopříček kosočtvercových deflektorů; nebo

   - osy otáčeni neprocházejí skrze konce základen trojúhelníkovitých deflektorů; nebo vodorovných •9 «· ·· 9999 9999 • · · · ···9···

   99 9 9 9999 9 999 •9 999 9 99 99999

   9^999 9 9 99 *9*9 *9 *9 9*9 ·*··

   - horní svislice kosočtverců nebo trojúhelníků jedné vrstvy se neshodují s vrcholem kosočtverce nebo trojúhelníku vrstvy, ležící bezprostředně nad ní.

   3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2 v y značující se t í m , že spodní část některého nebo všech deflektorů (1C, 3E, 4A, 4B, 9C, 9D, 9E, 9F) je nesouměrná. 4. Zařízení podle nároku 1 1 2 nebo 3 v y značující se t í m , že horní část (2A, 4E) některého nebo všech deflektorů (1C, 3E, 4A, 4B, 9C, 9D, 9E,

   9F) je souměrná vzhledem k linii největšího sklonu a má v podstatě tvar obráceného V, takže podporuje skrápění kapaliny.

   5. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků vyznačující se tím, že některý nebo všechny deflektory jsou opatřeny jedním nebo více vyvrtanými otvory (2D, 6E) s nebo bez svislé osové symetrie, jejichž účelem je podpořit průchod kapaliny pod deflektory.

   6. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků vyznačující se tím, že některý nebo všechny deflektory jsou připojeny k jednomu nebo více sousedním deflektorům ve stejné vodorovné rovině prostřednictvím společného okrajového segmentu (2E, 6C), který je okrouhlý, plochý nebo prohloubený, pro umožnění

   bočního dělení kapaliny mezi deflektory. 7. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků vyznačující se tím, že některý nebo

   • to • · · · všechny deflektory jsou připojeny k jednomu nebo více sousedním deflektorům prostřednictvím společného okrajového segmentu (2E, 6A, 6C) , který je okrouhlý, plochý nebo prohloubený, pro vzájemné připojení deflektorů k sobě.

   8. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků vyznačující se tím, že některý nebo všechny deflektory pronikají prostorem, ležícím na svislici přiléhajícího deflektoru.

   9. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků vyznačující se tím, že některý nebo všechny deflektory jsou upraveny tak, aby napájely kapalinou jiný deflektor, obecně s pomocí špičky (6D, 8.2B, 9B) , nebo tak, aby shromažďovaly kapalinu z jiného deflektoru.

   10. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků vyznačující se tím, že některé nebo všechny z dvojic sousedních deflektorů mají výstupky (6D, 8.2B, 9B, 11A) a/nebo zářezy, umožňující vzájemné uzavření za účelem vzájemného upevnění deflektorů k sobě.

   11. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků vyznačující se tím, že spodní část některého nebo všech deflektorů je alespoň částečně rozšířena za účelem udržování pokud možno co nejvyšší skrápěcí povrchové oblasti (2B, 4F, 8.2A) pro kapalinu.

   12. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků vyznačující se tím, že jeden konec alespoň dvou deflektorů (1C, 3D, 4A, 4B, 9C, 9D, 9E, 9F) vytváří výstupek (3C, 4C, 4D, 5D, 5E, 6D, 9B, 11A).

   nebo každý

   13. Zařízení podle nároku vyzná č u j ici ze jeden výstupek (3C, 4C, 4D, 5D,

   5E,

   6D,

   9B,

   11A) je vzájemně uzavřen s jiným výstupkem nebo zářezem za účelem upevnění vrstev ventilátorů.

   14. Způsob výroby zařízení podle jednoho z předcházejících nároků vyznačující se tím, že se ploché kovové listy nebo listy z jiného materiálu řežou a skládají a/nebo ohýbají, zkrucují nebo lisují za účelem vytvoření varhánkovitých listů (4G, 5F, 5G, 300) s výstupky nebo bez výstupků, přičemž pevné povrchy (3E) vytvářejí ploché, složené, zahnuté nebo zkroucené deflektory.

   15. Způsob výroby podle nároku 14 v y značuj íc í se t í m , že varhánkovité listy (4G, 5F, 5G, 300) se umísťují vedle sebe rovnoběžně se svislou rovinou. 16. Způsob výroby podle nároku 14 v y značuj íc í se t í m , že varhánkovité listy

   (4G, 5F, 5G, 300) se před skládáním alespoň ze 45 % vrtají.

   17. Způsob výroby podle jednoho z nároků 14 až 16 vyznačující se tím, že struktura sestává z přibližně stejných varhánkovitých listů (4G, 5F, 5G, 300), a že varhánkovité listy liché řady (5F) jsou obráceny vzhůru nohama vzhledem k listům sudé řady (5G) okolo svislé nebo vodorovné osy, ležící ve střední rovině varhánkovitých listů.

   18. Způsob výroby podle jednoho z nároků 14 až 17 vyznačující se tím, že varhánkovité listy (4G, 5F, 5G, 300) se umisťují prostřednictvím opěrných oblastí (3D, 7B) , umožňujících, aby byly listy vzájemně uzavřeny, a rovněž pokud byly jednou vzájemně uzavřeny jeden

   proti druhému, stabilní. zajišťujících, že varhánkovité listy j sou 19. Způsob výroby podle nároku 18 vyznačuj ící se tím, že opěrná oblast (3D,

   7B) se vytváří místní prohlubní.

   20. Způsob výroby podle nároku 18 nebo 19 vyznačující se tím, že opěrná oblast (3D, 7B) se vytváří řezáním a skládáním a/nebo ohýbáním nebo kroucením.

   21. Způsob výroby podle jednoho z nároků 14 až 20 v kombinaci s nárokem 6 vyznačující se tím, že varhánkovité listy se vrtají a skládají tak, aby se spojily pevné povrchy podél linií skladu (6C), které mohou nebo nemusí být zakřiveny, a to pro umožnění výměny kapaliny mezi přiléhajícími deflektory.

   22. Způsob výroby podle jednoho z nároků 14 až 21 vyznačující se tím, že linie skladu (3A, 3B, 6A, 6C) nejsou spojité, takže vytvářejí výstupky (3C, 4C, 4D, 5D, 5E, 6D, 11A) vně oblasti, ležící mezi dvěma rovinami, obsahujícími sklady.

   « · • ·

   23. Způsob výroby podle jednoho z nároků 14 až 22 vyznačující se tím, že výstupky (3C, 4C,
4. 4D, 5D, 5E, 6D, 9B, 11A) umožňují, aby varhánkovité listy byly uloženy a vzájemně uzavřeny pomocí výstupků a/nebo zářezů.

   24. Způsob výroby podle jednoho z nároků 14 až 23 vyznačující se tím, že výstupky (3C, 4C,

   4D, 5D, 5E, 6D, 9B, 11A) umožňují, aby se pro def lektory přiléhající vrstvy vytvářely rozdělovače nebo sběrače.

   25. Způsob výroby podle jednoho z nároků 14 až 24 v kombinaci s nárokem 11 vyznačující se tím, že alespoň 45 % perforací varhánkovitých listů (4G, 5F, 5G) umožňuje vytváření širokých skrápěcích povrchů (2B, 4F, 8.2A).

   26. Způsob oddělování plynů ze vzduchu, nebo uhlovodíků nebo oxidu uhelnatého nebo izotopů v destilační koloně vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jedno zařízení podle některého z nároků 1 až 13.

   27. Zařízení pro oddělování plynů ze vzduchu, nebo uhlovodíků nebo oxidu uhelnatého nebo izotopů v destilační koloně vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jedno zařízení podle některého z nároků 1 až 13.