ИСПАРИТЕЛЬ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ
CRYOGENIC LIQUID EVAPORATOR

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к испарителям криогенной жидкости, и может быть использовано в газификационных установках.
Известен испаритель криогенной жидкости [а.с. СССР №1275182, F17C 9/02. Опубл. 07.12.86, бюл. №45], содержащий корпус с входным и выходным распределительными устройствами, размещенный внутри корпуса основной теплообменный элемент в виде регулярной насадки с каналами для протока криогенной жидкости и дополнительный теплообменный элемент с насыпной насадкой, установленный за основным теплообменным элементом по ходу потока криогенной жидкости.
Криогенная жидкость поступает через входное распределительное устройство в корпус испарителя, где в основном теплообменном элементе происходит полное испарение криогенной жидкости в режиме пленочного кипения. Дополнительный теплообменный элемент предназначен для испарения капель, сохранившихся в потоке, их возвращения в зону испарения и поддержания заданного перепада давления между зоной испарения и выходом испарителя.
Недостатком данного испарителя является то, что испарение криогенной жидкости происходит за счет тепла, запасенного от предварительного нагрева горячим газом, что приводит к дополнительным энергозатратам. Кроме того данное устройство не позволяет возвращать нагретые пары криогенной жидкости на повторное охлаждение, что приводит к перерасходу криогенной жидкости.
Известен испаритель криогенной жидкости [RU №2239121, F17C 9/02, F25B 39/02. Опуб. 27.10.2004, бюл. №30], принятый за прототип. Испаритель криогенной жидкости содержит корпус с узлами подвода и выдачи хладагента и теплообменный узел. Узел подвода хладагента содержит патрубок, образующий с внешней стенкой центральной трубы кольцевую полость, сообщенную с камерой жидкого хладагента. Теплообменный узел выполнен в виде трубного пучка, межтрубное пространство которого содержит насыпную насадку. Узел выдачи хладагента выполнен в виде центральной трубы, снабженной эжектором, приемная камера которого сообщена с межтрубным пространством, а сопло - с камерой газообразного хладагента.
Криогенная жидкость (например, жидкий азот) поступает через входной патрубок, кольцевую полость и нижнюю камеру жидкого хладагента в трубки теплообменного элемента, где происходит полное испарение криогенной жидкости. Образующиеся пары через верхнюю камеру газообразного хладагента и патрубок поступают в сопло эжектора. Пары криогенной жидкости из сопла подхватывают газ (в начальный момент времени воздух) из приемной камеры эжектора, перемешиваясь с ним и охлаждая его, транспортируют его по центральной трубе и далее в охлаждаемый аппарат. Из охлаждаемого аппарата нагретые (отработанные) пары криогенной жидкости вновь поступают в испаритель. В испарителе благодаря разряжению в приемной камере, создаваемому эжектором пары проходят через отверстия в цилиндрической оболочке, насыпную насадку и поступают в приемную камеру эжектора. При этом пары охлаждаются, отдавая тепло насыпной насадке и теплообменному элементу. Из камеры охлажденные пары направляются эжектором в центральную трубу, откуда, одновременно смешиваясь и дополнительно охлаждаясь с парами криогенной жидкости из сопла эжектора, выходят из испарителя на охлаждение аппарата.
Конструкция испарителя не позволяет эффективно использовать хладагент (особенно в момент запуска испарителя) из-за большой массы, и соответственно большой теплоемкости, насыпной насадки, на захолаживание которой затрачивается большое количество хладагента. Наличие насыпной насадки также отрицательно влияет на эффективность использования хладагента в ходе работы испарителя, делая инерционным процесс регулировки температуры газообразного хладагента, необходимо ждать пока весь объем насадки не примет требуемой температуры. Кроме того насадка создает значительное гидравлическое сопротивление для прохождения газообразного хладагента.
Задачей изобретения является более эффективное использование хладагента за счет уменьшения непроизводительных затрат хладагента, уменьшения инерционности процесса регулирования температуры газообразного хладагента на выходе из испарителя и уменьшения гидравлического сопротивления испарителя.
Поставленная задача решается тем, что испаритель криогенной жидкости содержит корпус с камерами подвода и выдачи хладагента, теплообменные элементы содержащими камеру жидкого хладагента и центральную трубу, снабженную эжектором, причем, камеры подвода и выдачи хладагента разделены перегородкой с отверстием, теплообменные элементы установлены в перегородке и сообщаются с центральной трубой перемычками, центральная труба установлена в отверстие в перегородке с зазором, а эжектор имеет вставку, регулирующую расход газообразного хладагента из камер жидкого хладагента. Кроме того испаритель криогенной жидкости снабжен рекуператором.
На фиг.1 показан продольный разрез предлагаемого испарителя криогенной жидкости; на фиг.2 - выносной элемент А, на фиг.3 - выносной элемент Б.
Испаритель содержит теплоизолированный корпус 1 (см. фиг.1), разделенный перегородкой 2 на камеру 3 подвода отработанного (теплого) хладагента и камеру 4 выдачи хладагента. В перегородке имеется отверстие, в которое вставлена центральная труба 5, наружная поверхность которой образует с перегородкой 2 кольцевой зазор 6 (см. фиг.2). На перегородке установлены теплообменные элементы 7 с камерой 8 для жидкого хладагента, патрубком 9 подачи жидкого хладагента и регулирующим вентилем 10. Количество теплообменных элементов определяется исходя из требуемой производительности испарителя. Камера 8 соединяется с центральной трубой 5 посредством перемычки 11. Камера 3 имеет патрубок 12 для входа отработанного (теплого) хладагента из охлаждаемого аппарата (не показан), камера 4 имеет патрубок 13 для выхода хладагента с заданной температурой в охлаждаемый аппарат. Температура хладагента контролируется датчиком 14. Количество криогенной жидкости в камере 8 контролируется уровнемерами 15. Центральная труба 5 снабжена эжектором 16 (см. фиг.2), в котором регулируется расход эжектирующего потока путем изменения ширины кольцевого зазора 17 посредством конусной вставки 18 и штанги 19 с резьбовым хвостовиком 20 (см. фиг.3). Камера 4 выдачи хладагента соединяется трубой 21 (см. фиг.1) с рекуператором 22. Рекуператор снабжен каким-либо теплообменным элементом 23 (например, змеевик) с патрубком 24 для входа и патрубком 25 для выхода охлаждаемой рабочей среды и патрубком 25 для выхода отработанного хладагента с вентилем 26.
Испаритель работает следующим образом.
Криогенная жидкость (например, жидкий азот) поступает через патрубок 9 в камеру 8 жидкого хладагента. Азот начинает испаряться, его пары через перемычку 11 поступают в центральную трубу 5 и эжектируются через кольцевой зазор 17 в камеру 4. Образующаяся струя потока начинает эжектировать газ, из камеры 3 через зазор 6. В камеру 3 газ (отработанный, теплый хладагент) поступает через патрубок 12 из охлаждаемого аппарата (не показан). Благодаря эжектированию теплый хладагент перемешивается с холодным газообразным хладагентом. Регулируя расходы теплого и холодного газов устанавливают необходимую температуру хладагента, и затем направляют его из камеры 4 через патрубок 13 в охлаждаемый аппарат (не показан). Кроме того, эжектор создает перепад давлений между камерами 3 и 4, что является движущей силой для перемещения газообразного хладагента находящегося в охлаждаемом аппарате. Теплый газ, поступающий в испаритель из охлаждаемого аппарата, является источником тепла для испарения жидкого азота в теплообменном элементе 7. Эжектированный газообразный хладагент циркулирует по камере 4 вдоль наружных стенок теплообменных элементов 7 и количество передаваемого тепла от потока газообразного хладагента в камере 4 к жидкому хладагенту в камере 8 зависит от высоты столба жидкости Н (см. фиг.1). При уменьшении этой высоты уменьшается площадь кипения жидкого хладагента, соответственно уменьшается количество паров испаряемой жидкости и, следовательно, повышается температура газообразного хладагента на выходе из испарителя. При увеличении высоты столба жидкости Н происходит обратный процесс, в результате чего температура газообразного хладагента снижается. Уровень жидкого хладагента в камере 8 контролируется уровнемером 15 и регулируется вентилем 10. Интенсивность циркуляции газа в камере 4 регулируется шириной зазора 17, который изменяется с помощью конусной вставки 18 со штангой 19 путем перемещения вверх-вниз, вращая резьбовой хвостовик 20.
В процессе перемешивания теплого и холодного потоков образуется избыток хладагента. Этот избыток газа из камеры 4 газообразного хладагента поступает через трубу 21 в рекуператор 22. В рекуператоре хладагент контактирует с теплообменным элементом 23 и охлаждает в теплообменнике 23 рабочую среду. Эта рабочая среда получает в рекуператоре предварительное охлаждение, после чего она охлаждается окончательно в аппарате (не показан), где используется хладагент, поступающий из патрубка 13 испарителя.
Таким образом, при использовании предлагаемого испарителя криогенной жидкости организуется двухступенчатое охлаждение рабочей среды с последовательным охлаждением на первой (предварительной) ступени в рекуператоре и окончательном охлаждении в аппарате (не показан). При этом одна часть отработанного хладагента после смешивания с холодным хладагентом возвращается через патрубок 13 в аппарат (не показан) на окончательное охлаждение рабочей среды, а другая часть перед сбросом из испарителя идет в рекуператор на первую ступень охлаждения рабочей среды. Кроме того, тепло для испарения жидкого хладагента в теплообменных элементах 7 берется от отработанного хладагента, а не от дополнительного источника тепла. Количество хладагента сбрасываемого из испарителя и, следовательно, интенсивность работы рекуператора регулируется вентилем 26.
Применение изобретения позволяет увеличить эффективность использования хладагента за счет повторного использования хладагента и организации двухступенчатого охлаждения рабочего вещества. Отсутствие какого-либо дополнительного источника тепла для испарения жидкого хладагента и отсутствие в конструкции массивных теплообменных насадок дополнительно увеличивает эффективность работы предлагаемого испарителя и уменьшает гидравлическое сопротивление испарителя.