Способ охлаждения воздуха в теплообменном аппарате и теплообменный аппарат
METHOD OF COOLING AIR IN A HEAT EXCHANGER AND A HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к контактным газожидкостным теплообменным аппаратам, в которых осуществляется охлаждение воздуха посредством впрыскивания и испарения жидкого азота в воздушном потоке.
Известен газожидкостной контактный теплообменник (Авторское свидетельство №615345, Кл. F28C 3/06. Авторы: И.П Старчевский, А.И. Гончарук, Л.С. Остапенко), содержащий цилиндрический корпус с расположенными в верхней его части входным тангенциальным воздушным патрубком и трубкой для ввода жидкого азота (форсункой), размещенной по вертикальной оси корпуса, в нижней части корпуса расположены окна для выпуска охлажденного воздуха. Корпус заключен в кожух с тангенциальным выходным патрубком.
Способ охлаждения воздуха в этом аппарате заключается в следующем: воздух поступает в цилиндрический корпус через входной патрубок в верхней части корпуса. Жидкий азот подают в осевую зону корпуса через трубку также в верхней части корпуса. Жидкость подхватывается нисходящим потоком воздуха и выбрасывается через выпускные каналы в нижней части корпуса в полость между корпусом и кожухом. Неиспарившиеся капли жидкого азота стекают по стенке корпуса, через отверстия в этой стенке попадают в полость между кожухом и корпусом и продолжают там испаряться в потоке воздуха, поступившего в эту полость через окна в нижней части корпуса. Далее азотно-воздушная смесь через выходной патрубок в кожухе поступает к потребителю.
Недостатком этого способа охлаждения воздуха является подача жидкого азота в осевую зону вихревого потока воздуха, где скорость вращения потока минимальна (на оси вихря линейная скорость вращения теоретически равна нулю), поэтому струйки азота не подвергаются мелкодисперсному дроблению, а в лучшем случае разбиваются на крупные капли. Крупные капли оседают на стенках и стекают вниз, при этом реализуется слабоэффективный пленочный режим испарения. Крупные капли азота, поступая сверху, подхватываются нисходящим потоком воздуха и быстро выносятся через окна корпуса в его нижней части, не успевая испариться. По описанным причинам режим охлаждения воздуха в аппарате из-за слабого тепло- массообмена становится неэффективным.
Недостатки устройства соответствуют недостаткам способа охлаждения, описанным выше. А именно: расположение входного воздушного патрубка в верхней части корпуса вызывает быстрый вынос азота из зоны испарения нисходящим потоком воздуха. Расположение трубки подачи жидкого азота в зоне минимальной скорости не обеспечивает мелкодисперсного дробления капель. Оседание жидкого азота на больших внутренних поверхностях (корпус с двух сторон, кожух) образует малоэффективный пленочный режим испарения.
Известен газожидкостной теплообменник, (Авторское свидетельство №688808, Кл. F28C 3/06. Авторы: И.П Старчевский, А.И. Гончарук, Л.С. Остапенко. (Дополнительное к выше приведенному а.с. №615345 и призванное устранить недостатки предыдущего). Теплообменник содержит цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, верхнюю и нижнюю крыльчатки, закрепленные на одной вертикальной оси, два кожуха и трубку для ввода жидкого азота, расположенную в верхней части аппарата.
Теплообменник по дополнительному а.с. №688808 отличается от основного а.с. №615345 тем, что снаружи цилиндрического кожуха установлен еще один дополнительный кожух, снабженный поддоном, над перепускными каналами в стенке кожуха выполнена перфорация, а на корпусе сверху и снизу на одной вертикальной оси установлены две крыльчатки, жестко связанные между собой, приводимые в движение потоком воздуха и предназначенные для увеличения дробления капель жидкого азота в этом потоке и дополнительного закручивания потока внизу аппарата, трубка для подачи жидкого азота введена в корпус сверху.
Очевидно, что описанная доработка аппарата, принятого за прототип, не может повысить эффективность тепло-массобмена в нем, так-как еще одна стенка дополнительного кожуха увеличит площадь пленочного режима испарения, а крыльчатки, приводимые в движение потоком воздуха, не могут иметь скорость вращения выше скорости движения потока и дробить капли жидкости в нем (для этого к ним надо подключить какой-то двигатель).
Способ охлаждения воздуха жидким азотом, испаряющимся в его потоке, реализованный в прототипе, заключается в том, что воздух тангенциально подают в вертикальный цилиндрический корпус аппарата в его верхней части, образуя нисходящий поток, который отводят из цилиндра в его нижней части. Жидкий азот вводят в поток воздуха через трубку, установленную в верхней части аппарата. Пройдя вместе с потоком воздуха через систему кожухов, выпускных окон и крыльчаток испарившаяся часть азота в виде газообразной азотно-воздушной смеси выходит из аппарата к потребителю. Неиспарившийся азот выводится в поддон в нижней части аппарата.
Недостатки способа охлаждения, описанного в прототипе:
- впрыск жидкого азота под лопасти верхней крыльчатки не обеспечивает мелкодисперсного дробления капель, так как скорость движения лопастей и вращающего их потока воздуха одинаковы, т.е. их относительная скорость близка к нулю, поэтому капли, в лучшем случае, смачивают поверхность лопастей, увеличивая зону пленочного испарения,
- подача воздуха сверху и отвод внизу совпадает с направлением силы тяжести, что ускоряет вынос капель, не успевших испариться, из рабочего пространства,
- избыточная металлоемкость элементов, заполняющих внутреннюю полость аппарата, (два кожуха, корпус, крыльчатки) «размазывают» жидкость по их поверхности, вызывая неэффективный режим пленочного испарения азота.
В итоге имеем неэффективный теплообменный аппарат, не вполне отвечающий своему назначению.
Недостатки конструкции прототипа соответствуют недостатками способа, описанным выше. А именно:
крыльчатки в воздушном потоке не могут вращаться со скоростью, выше скорости движения воздуха и разбивать капли азота, поэтому, в лучшем случае, бесполезны.
Устройство входного патрубка в верхней части корпуса, а отвод воздуха снизу вызывают образование нисходящего потока, быстро выносящего капли жидкого азота из зоны испарения.
Дополнительный (третий) кожух вокруг аппарата и крыльчатки еще более увеличивают избыточную металлоемкость элементов аппарата, увеличивая долю пленочного режима испарения на их поверхности.
Техническим результатом изобретения является многократное повышение эффективности процессов тепло-массообмена в теплообменном аппарате и повышение его холодопроизводительности.
Технический результат достигается тем, что в способе охлаждения воздуха в теплообменном аппарате, включающем подачу воздуха в теплообменный аппарат, впрыск жидкого азота в поток подаваемого воздуха с распылением жидкого азота в мелкодисперсную фракцию, смешивание мелкодисперсной фракции азота с подаваемым воздухом и испарение фракции жидкого азота в потоке воздуха с его охлаждением, отвод охлажденного воздуха, подачу воздуха осуществляют тангенциально в нижнюю часть теплообменного аппарата с образованием восходящего вихревого потока, впрыск жидкого азота в поток подаваемого воздуха осуществляют в зоне максимальной скорости движения воздуха, смешивание мелкодисперсной фракции азота с подаваемым воздухом и испарение жидкого азота осуществляют в кипящем слое азотно-воздушной смеси в восходящем вихревом потоке, отвод охлажденного воздуха осуществляют из осевой зоны верхней части теплообменного аппарата. В поток подаваемого воздуха впрыскивают избыточное количество жидкого азота, заведомо превышающее возможность испарения в одном теплообменном аппарате, неиспарившийся жидкий азот собирают в нижней части теплообменного аппарата, отводимый охлажденный воздух направляют во входной патрубок второй ступени теплообменного аппарата, впрыскивая при этом собранный жидкий азот и осуществляя его испарение с дополнительным охлаждением потока воздуха, отвод дополнительно охлажденного воздуха осуществляют из осевой зоны верхней части второй ступени теплообменного аппарата.
Технический результат достигается также тем, что в теплообменом аппарате для охлаждения воздуха, содержащем цилиндрический корпус, подводящий и отводящий патрубки, форсунку для впрыска жидкого азота, подводящий патрубок установлен тангенциально в нижней части корпуса, форсунка для впрыска жидкого азота установлена в подводящем патрубке перед входом в корпус, отводящий патрубок установлен по вертикальной оси внутри корпуса, а входное отверстие отводящего патрубка расположено в верхней части корпуса. Теплообменный аппарат может дополнительно содержать вторую ступень, содержащую цилиндрический корпус, подводящий и отводящий патрубки и форсунку для впрыска жидкого азота, при этом его подводящий патрубок соединен с выходным патрубком теплообменного аппарата первой ступени, теплообменный аппарат первой ступени содержит устройство сбора неиспарившегося жидкого азота и подачи его для впрыскивания через форсунку второй ступени.
Недостатки конструкции прототипа соответствуют недостатками способа, описанным выше. А именно:
крыльчатки в воздушном потоке не могут вращаться со скоростью, выше скорости движения воздуха и разбивать капли азота, поэтому, в лучшем случае, бесполезны.
Устройство входного патрубка в верхней части корпуса, а отвод воздуха снизу вызывают образование нисходящего потока, быстро выносящего капли жидкого азота из зоны испарения.
Принципиальная схема теплообменного аппарата для охлаждения воздуха приведена на фиг. 1.
Он состоит из цилиндрического корпуса 1, подводящего 2 и отводящего 3 патрубков и форсунки 4 для впрыска жидкого азота через регулирующий вентиль 5. Подводящий патрубок установлен тангенциально в нижней части корпуса 1, форсунка 4 для впрыска жидкого азота установлена в подводящем патрубке 2 перед входом в корпус, отводящий патрубок 3 установлен по вертикальной оси внутри корпуса 1, а входное отверстие отводящего патрубка 3 расположено в верхней части корпуса 1.
.Теплообменный аппарат может дополнительно содержать вторую ступень, содержащую цилиндрический корпус, подводящий и отводящий патрубки и форсунку для впрыска жидкого азота, при этом его подводящий патрубок соединен с выходным патрубком теплообменного аппарата первой ступени, теплообменный аппарат первой ступени содержит устройство сбора неиспарившегося жидкого азота и подачи его для впрыскивания через форсунку второй ступени.
Основным отличием и преимуществом указанной конструкции является то, что цилиндрический корпус теплообменного аппарата абсолютно пуст, т.е. освобожден от всех перегородок, каналов, крыльчаток, кожухов, заполняющих полости корпусов в приведенных аналогах.
Способ осуществляют следующим образом.
Осуществляют подачу сжатого воздуха тангенциально в нижней части цилиндра, а отвод сверху. Это позволяет образовать в свободной полости цилиндрического корпуса восходящий вихревой поток.
Осуществляют впрыск жидкого азота во входном патрубке, т.е. в зоне с максимальной скоростью движения воздуха, что приводит к мелкодисперсному распылению жидкости (как в пульверизаторе), увлекаемой вихревым потоком вверх. В то же время, силы гравитации, действующие против силы аэродинамического давления воздуха на капли жидкости, стремятся уронить капли вниз. Образуется кипящий слой азотно-воздушной смеси, в котором мелкие капли жидкого азота, находящиеся во взвешенном состоянии, успевают испариться и охладить поток хладоносителя до выхода из аппарата, так как, время контакта взвешенных капель жидкости с воздухом увеличивается. Т.е. смешивание мелкодисперсной фракции азота с подаваемым воздухом и испарение жидкого азота осуществляют в кипящем слое азотно-воздушной смеси в восходящем вихревом потоке, Находясь в кипящем слое, капля жидкости подвергается воздействию нескольких силовых полей - поле гравитации вызывает движение вниз, капля все время падает, сила аэродинамического давления восходящего потока направляет каплю вверх, центробежная сила вихревого движения устремлена по радиусу к периферии. Равновесие двух первых сил создает состояние пульсирующей (по вертикали) взвешенности, что значительно увеличивает время контакта капли с потоком газа. Именно это постоянное движение капли по трем координатам с одновременным перемещением по спирали создает условия для значительной интенсификации тепло-массообмена, быстрого испарения капли и охлаждения воздуха. Отброс капель к периферии окончательно подсушивает поток азотно-воздушной смеси, особенно в осевой зоне верхней части цилиндра, откуда забирают готовый хладоноситель к потребителю, отвод охлажденного воздуха осуществляют из осевой зоны верхней части теплообменного аппарата.
Таким образом, основные отличительные признаки предлагаемого способа по сравнению с прототипом, а именно:
- восходящий вихревой поток в пустом корпусе;
- ввод жидкости в зоне максимальной скорости движения воздуха, обеспечивающий мелкодисперсное распыление жидкости;
- образование кипящего слоя со взвешенными частицами жидкого азота многократно увеличивают тепло-массообмен и эффективность процесса охлаждения азотно-воздушной смеси.
В свою очередь, реализация этих признаков конструктивно обеспечивается тангенциальным вводом подводящего патрубка в нижней части аппарата, расположением форсунки жидкого азота в подводящем воздушном патрубке у входа в аппарат и отводом охлажденного и осушенного хладоносителя из верхней зоны корпуса аппарата.
В любом конкретном аппарате, описанной выше конструкции, существует некий предел испаряемости жидкого азота, зависящий от конструктивных размеров аппарата, соотношения расходов компонентов, подаваемых в теплообменник, а так же длины пути и времени контакта жидкой и газообразной фракций. Чем ниже заданная температура охлаждения, тем больше жидкого азота должно успеть испариться при прохождении через аппарат. Но при увеличении подачи жидкости в поток и достижении упомянутого предела избыточный азот, не успевающий испариться, будет или накапливаться где-то в аппарате, или проскакивать на выход с газовым потоком. Достичь более низкой температуры хладоносителя с полным испарением избыточного азота возможно, если повторить описанный процесс охлаждения во второй дополнительной ступени аппарата конструктивно подобной первой. Для этого увеличивают подачу жидкого азота в воздух на входе первой ступени до уровня, заведомо превышающего предел испаряемости азота в данном аппарате, описанный выше, отделяют и собирают неиспарившийся жидкий избыточный азот в нижней части корпуса аппарата и вновь впрыснуть его в уже частично охлажденный поток на выходе из аппарата первой ступени. Процесс отделения и сбора жидкости реализуется посредством сепарации газа, содержащего капли жидкости, в вихревом потоке первой ступени. Осушенный газ отводится из осевой зоны в отводящий патрубок и далее поступает в подводящий патрубок второй ступени, подключенной к первой. Впрыск избыточного жидкого азота производят через отверстие в стенке отводящего патрубка на уровне днища корпуса. Жидкость попадет в отводящий патрубок и далее потоком газа переносится во вторую ступень в распыленном состоянии. Процесс охлаждения повторяется на новом, более низком температурном уровне. Испарение жидкости в потоке будет происходить до тех пор, пока имеет место разность температур между газом и температурой кипения азота при рабочем давлении в аппарате. Отвод дополнительно охлажденного воздуха осуществляют из осевой зоны верхней части второй ступени теплообменного аппарата.
В опытном образце двухступенчатого теплообменника удалось охладить хладоноситель до -165°С при полном испарении избыточного азота.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности охлаждения, в частности, за счет повышения степени испарения жидкого азота в теплообменном аппарате и обеспечения возможности снижения предельной температуры охлаждения до температуры, близкой к температуре кипения жидкого азота.
Достижению технического результата также способствовало следующее:
- обеспечение мелкодисперсного распыления жидкого азота, подаваемого в поток воздуха, многократно увеличивая тем самым поверхность тепло-массообмена компонентов;
- увеличение время контакта жидкости с потоком воздуха, обеспечивая этим полное испарение капель в воздухе;
- то, что были полностью убраны избыточные металлические поверхности внутри теплообменного аппарата, радикально сократило (или полностью исключило) пленочный режим испарения;
увеличение интенсивности тепло-массообмена между жидкостью и воздухом, изменением направления и увеличением относительной скорости движения хладагента (жидкого азота) в хладоносителе (воздухе).
- расположение входного патрубка тангенциально в нижней части корпуса, а выход готового хладоносителя в верхней части аппарата для образования восходящего вихревого потока
- размещение форсунки, подающей жидкий азот, во входном патрубке, т.е. в зоне максимальной скорости воздуха.