ИСПАРИТЕЛЬ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ
CRYOGENIC LIQUID EVAPORATOR

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для испарения сред, находящихся в жидком состоянии.
Для решения перспективных технических задач возникает необходимость в испарителе-газификаторе с развитой поверхностью нагрева, компактного, простого по конструкции, малой массы, для относительно больших расходов испаряемого теплоносителя и работоспособного при высоких давлениях.
Известен испаритель криогенной жидкости, содержащий корпус, выполненный в виде двухслойных цилиндрических оболочек, образующих кольцевую полость для прохода греющего теплоносителя, каждая из оболочек состоит из двух жестко соединенных между собой цилиндров, между которыми образованы каналы, объединенные в коллекторы для подвода и коллекторы отвода криогенного продукта, при этом на входе в кольцевую полость закреплена крышка, в которой установлены смесительные элементы и воспламенительное устройство, а на выходе закреплен газовод (Патент РФ №2347972, МПК F17C 9/02 - прототип).
Указанный испаритель работает следующим образом.
Испаряемая среда, например криогенная жидкость, подается двумя потоками по подводящим трубам в коллекторы и по каналам внутренней оболочки и наружной оболочки поступает, постепенно испаряясь, к коллекторам, из которых отводится по отводящим трубопроводам в сторону потребителя.
Течение испаряемой среды может осуществляться как по потоку, так и противотоком по отношению к движению греющей среды.
Греющая среда (теплоноситель) - продукты сгорания какого либо топлива, например керосина, спирта, природного газа и т.д., температура которых может достигать от 900 К до 2200 К (регулируется соотношением расходов компонентов топлива) и лимитируется только свойствами применяемых материалов, движется от огневой стенки крышки в сторону газовода, по пути отдавая тепло испаряемой среде, протекающей по каналам оболочек.
Подготовка топлива к процессу горения (перемешивания, распыл) осуществляется смесительными элементами, а для воспламенения смеси служит воспламенительное устройство.
Температура продуктов сгорания на выходе из теплообменника может оказаться выше предельно допустимой для потребителя, например турбины электрогенератора. Для понижения температуры выходящей греющей среды используется устройство, которое позволяет путем введения в поток некоторого количества используемого топлива снизить температуру продуктов сгорания до необходимой величины.
Основными недостатками данного испарителя является сложность конструкции, значительные габариты и вес, обусловленные принятой компоновкой элементов конструкции испарителя.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка, улучшение технических характеристик и расширение функциональных возможностей испарителя.
Решение указанной задачи достигается за счет того, что предложенный испаритель криогенной жидкости согласно изобретению содержит, охлаждаемую криогенной жидкостью камеру сгорания, смесительную головку, включающую в себя, блок подачи горючего, блок подачи окислителя, блок огневого днища, при этом в указанных блоках по концентрическим окружностям установлены форсунки, состоящие из полого наконечника и втулки, охватывающей с кольцевым зазором наконечник, при этом на наружной поверхности наконечника форсунки выполнены ребра, взаимодействующие своей наружной частью с внутренней поверхностью втулки, причем во внутренней полости камеры сгорания расположены теплообменные элементы, выполненные в виде трубок Фильда, у которых вход наружной трубки и выход внутренней трубки соединены с полостями блока огневого днища, при этом одна из его полостей сообщается с трактом охлаждения камеры сгорания, а в выходной части камеры сгорания установлен газовод.
В варианте исполнения, ребра, выполненные на наружной поверхности наконечника форсунки смесительной головки, расположены под углом к продольной оси форсунки.
В варианте исполнения, наконечник форсунки смесительной головки со стороны подачи окислителя выполнен глухим, при этом на его наружной поверхности выполнены ребра и тангенциальные отверстия, равномерно расположенные по окружности и сообщающиеся с полостью окислителя.
Предлагаемая конструкция испарителя криогенной жидкости, за счет своих отличительных признаков, обеспечивает решение поставленной технической задачи - снижение габаритов, массы устройства и расширение функциональных возможностей испарителя за счет развитой поверхности нагрева.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез испарителя криогенной жидкости, на фиг. 2 - выносной элемент А - продольный разрез форсунки смесительной головки испарителя криогенной жидкости, на фиг. 3 - сечение Б-Б - поперечное сечение форсунки смесительной головки испарителя криогенной жидкости, на фиг. 4 - продольный разрез форсунки смесительной головки испарителя криогенной жидкости в варианте исполнения, на фиг. 5 - сечение В-В - поперечное сечение форсунки смесительной головки испарителя криогенной жидкости в варианте исполнения, на фиг. 6 - продольный разрез форсунки смесительной головки испарителя криогенной жидкости в варианте исполнения, на фиг. 7 - сечение Г-Г - поперечное сечение форсунки смесительной головки испарителя криогенной жидкости в варианте исполнения.
Предложенный испаритель криогенной жидкости содержит камеру сгорания 1 и смесительную головку 2. Охлаждение камеры сгорания 1 осуществляется протоком криогенной жидкости по тракту охлаждения 3.
Смесительная головка 2 включает в себя блок подачи горючего 4, блок подачи окислителя 5, блок огневого днища 6, при этом в указанных блоках по концентрическим окружностям установлены форсунки 7, состоящие из полого наконечника 8 и втулки 9, охватывающей с кольцевым зазором наконечник 8, при этом на наружной поверхности наконечника 8 форсунки 7 выполнены ребра 10, взаимодействующие своей наружной частью с внутренней поверхностью втулки 9.
Во внутренней полости камеры сгорания 1 расположены теплообменные элементы, выполненные в виде трубок Фильда 11, при этом вход наружной трубки 12 соединен с полостью 13 блока огневого днища 6, а выход внутренней трубки 14 с полостью 15 блока огневого днища 6. Полость 13 блока огневого днища 6 сообщается с трактом охлаждения 3 камеры сгорания 1, а в выходной части камеры сгорания 1 установлен газовод 16.
В варианте исполнения, ребра 10, выполненные на наружной поверхности наконечника 8 форсунки 7 смесительной головки 2, расположены под углом к продольной оси форсунки 7.
В варианте исполнения, наконечник 8 форсунки смесительной головки 2 со стороны подачи окислителя выполнен глухим, при этом на его наружной поверхности выполнены ребра 10 и тангенциальные отверстия 17, равномерно расположенные по окружности и сообщающиеся с полостью окислителя.
Испаритель криогенной жидкости работает следующим образом.
Окислитель поступает в блок подачи окислителя 5 смесительной головки 2 и далее через наконечники 8 форсунок 7 подается во внутреннюю полость камеры сгорания 1.
Горючее поступает в блок подачи горючего 4 смесительной головки 2 и далее через каналы, образованные внутренней поверхностью втулки 9 и ребрами 10, выполненными на наружной поверхности наконечника 8, поступает во внутреннюю полость камеры сгорания 1.
Во внутренней полости камеры сгорания 1 компоненты топлива смешиваются и сгорают. Продукты сгорания компонентов топлива, двигаясь от блока огневого днища 6 в сторону газовода 16, отдают тепло криогенной жидкости, протекающей по тракту охлаждения 3 камеры сгорания 1 и трубкам Фильда 11.
Криогенная жидкость поступает в тракт охлаждения 3 камеры сгорания 1 и далее в полость 13 блока огневого днища 6. В полости 13 криогенная жидкость равномерно распределяется между трубками Фильда 11. По кольцевому зазору между внутренней поверхностью наружной трубки 12 и наружной поверхностью внутренней трубки 14 криогенная жидкость поступает, постепенно испаряясь, к глухому концу наружной трубки 12, где оно разворачивается и направляется, по внутренней трубке 14 в полость 15 блока огневого днища 6, из которой отводится в сторону потребителя.
В варианте исполнения, горючее, проходя через ребра 10, выполненные на наружной поверхности наконечника 8 и расположенные под углом к продольной оси форсунки 7, приобретает вращательное движение, что приводит к улучшению качества смесеобразования.
В варианте исполнения, окислитель поступает в осевой канал, выполненный внутри наконечника 8 через тангенциальные отверстия 17, благодаря чему оно приобретает вращательное движение, что приводит к улучшению качества смесеобразования.
Использование предложенного технического решения позволит уменьшить габариты и массу испарителя криогенной жидкости, а также улучшить технические характеристики и расширить функциональные возможности испарителя криогенной жидкости за счет развитой поверхности нагрева.