Испаритель мгновенного вскипания и ступень испарителя мгновенного вскипания
INSTANT BOILING EVAPORATOR AND INSTANT BOILING EVAPORATOR STAGE

Группа изобретений относится к устройствам для получения пресной и обессоленной воды и может быть применена в теплоэнергетической промышленности.
В качестве прототипа выбран испаритель мгновенного вскипания, который состоит из ступеней, каждая из которых разделена стенкой на камеру расширения и камеру конденсации, при этом в вышеупомянутой стенке установлен сепаратор, соединяющий внутреннее пространство камеры расширения и камеры конденсации, при этом внутреннее пространство камер расширения разных ступеней соединено между собой, в камерах конденсации установлены перегородки, при этом через камеры конденсации и их перегородки проходят цилиндрические металлические теплообменные трубки [RU2303475, дата публикации: 27.07.2007 г. МПК: B01D 3/06, С02F 1/04, B01D 1/16].
Недостатком прототипа является низкая интенсивность теплообмена между теплоносителем трубного пространства и паром в камере конденсации ступени испарителя мгновенного вскипания и высокий риск выхода из строя компонентов испарителя мгновенного вскипания из-за высокой коррозионной активности водяного пара, в том числе ввиду наличия в нем мелкодисперсной взвеси соли, а также из-за образования на наружной поверхности трубок пленки, а на внутренней поверхности трубок твердых отложений. Для снижения риска сквозной коррозии теплообменные трубки выполняются толстостенными, что существенно увеличивает их термическое сопротивление, а также ухудшает массогабаритные характеристики ступени. Безусловно, возможно выполнение теплообменных трубок с меньшей толщиной стенки, однако это приводит к снижению долговечности трубок ввиду их возможной сквозной коррозии. При этом для снижения коррозионного воздействия на трубки и повышения их долговечности искусственно повышается водородный показатель питательной воды за счет добавки аммиака. При этом добавка аммиака является вредной примесью, так как в итоге способствует значительному увеличению электропроводности дистиллята, существенным образом ухудшая его качество. Ввиду указанных недостатков возникает необходимость в разработке технического решения, способствующего решению существующей проблемы и повышению эффективности испарителя мгновенного вскипания с сопутствующим снижением риска выхода из строя его компонентов и устройства в целом.
Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в повышении эффективности испарителя мгновенного вскипания с сопутствующим улучшением массогабаритных характеристик и снижением риска выхода из строя компонентов испарителя мгновенного вскипания и устройства в целом.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении интенсивности теплообмена в камере конденсации ступени испарителя мгновенного вскипания с сопутствующим улучшением качества дистиллята, улучшением массогабаритных характеристик ступени и снижением риска выхода из строя компонентов испарителя мгновенного вскипания.
Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Испаритель мгновенного вскипания состоит из ступеней, каждая из которых разделена стенкой на камеру расширения и камеру конденсации, при этом в вышеупомянутой стенке установлен сепаратор, соединяющий внутреннее пространство камеры расширения и камеры конденсации, при этом внутренние пространства камер расширения разных ступеней соединены между собой входами и выходами солесодержащей жидкости, в камерах конденсации установлены перегородки, при этом через камеры конденсации и их перегородки проходят теплообменные трубки. В отличие от прототипа теплообменные трубки выполнены из коррозионностойкого сплава и имеют кольцевую накатку, за счет чего профиль теплообменной трубки в продольном сечении имеет регулярно повторяющиеся выпуклые и вогнутые участки, при этом толщина стенки теплообменной трубки составляет от 0,5 до 1,2 мм.
Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Ступень испарителя мгновенного вскипания разделена стенкой на камеру расширения и камеру конденсации, при этом в вышеупомянутой стенке установлен сепаратор, соединяющий внутреннее пространство камеры расширения и камеры конденсации, при этом ступень имеет вход и выход солесодержащей жидкости, а в камере конденсации установлена перегородка, при этом через камеру конденсации и перегородку проходят теплообменные трубки. В отличие от прототипа теплообменные трубки выполнены из коррозионностойкого сплава и имеют кольцевую накатку, за счет чего профиль теплообменной трубки в продольном сечении имеет регулярно повторяющиеся выпуклые и вогнутые участки, при этом толщина стенки теплообменной трубки составляет от 0,5 до 1,2 мм.
Ступень обеспечивает процесс конденсации пара, полученного из перегретой солесодержащей жидкости. Каждая ступень разделена стенкой на камеру расширения и камеру конденсации. При этом в стенке установлен сепаратор, соединяющий внутреннее пространство камеры расширения и камеры конденсации. Сепаратор обеспечивает возможность отделения капельной влаги от пара за счет осаждения капель на поверхностях.
Камера расширения обеспечивает возможность разделения перегретой солесодержащей жидкости на пар и солесодержащую жидкость. Камера расширения имеет вход и выход солесодержащей жидкости, которые в испарителе обеспечивают возможность соединения внутреннего пространства камеры расширения с внутренними пространствами камер расширения смежных ступеней или с магистралями подвода/отвода сред из испарителя. Вход и выход солесодержащей жидкости могут быть представлены отверстиями, патрубками или переточными устройствами. Они могут быть расположены в противоположных частях камеры расширения. При этом для постоянного и полного обновления объема солесодержащей жидкости внутри камеры расширения выход солесодержащей жидкости может быть расположен на дне камеры расширения, а дно камеры расширения при этом может иметь наклон или может быть выполнено воронкообразным в направлении выхода солесодержащей жидкости. Это позволяет повысить эффективность выведения солесодержащей жидкости из камеры расширения и снижает риск ее накопления в камере расширения.
Камера конденсации обеспечивает возможность фазового перехода пара, полученного из камеры расширения, в дистиллят. Для этого камера конденсации содержит теплообменные трубки. Теплообменные трубки выполнены из коррозионностойкого сплава, что снижает риск их выхода из строя и повышает качество дистиллята. В качестве таких сплавов могут быть представлены хромо- или никеле- или титаносодержащие сплавы и стали, в том числе нержавеющие и дуплексные. Поскольку использование коррозионностойких сплавов, в особенности нержавеющих сталей, позволяет отказаться от «запаса» толщины на коррозию, однако повышает термическое сопротивление теплообменной трубки, то стенка теплообменной трубки в таком случае должна иметь толщину от 0,5 до 1,2 мм. В случае, если стенка теплообменной трубки будет иметь толщину менее 0,5 мм, то повышается риск возникновения дефекта стенки трубки в процессе ее обработки. В случае, если стенка трубки будет иметь толщину более 1,2 мм, то не только повышается ее термическое сопротивление, но и что важнее - затрудняется получение ее регулярно повторяющегося профиля с выпуклыми и вогнутыми участками требуемой формы в продольном сечении посредством накатки, и в таком случае полученный профиль имеет скорее плоско-вогнутую форму без выпуклых участков. В наиболее предпочтительном варианте толщина стенки теплообменной трубки составляет от 0,8 до 1,0 мм, что снижает риск возникновения ее дефекта и при накатке обеспечивает наиболее выраженный регулярно повторяющийся профиль с выпуклыми и вогнутыми участками в продольном сечении трубки.
Регулярно повторяющийся профиль теплообменной трубки с выпуклыми и вогнутыми участками в продольном сечении получен за счет кольцевой накатки и повышает интенсивность теплообмена между теплоносителем трубного пространства и паром в камере конденсации за счет снижения риска образования толстой пленки конденсата на наружной поверхности и твердых отложений на внутренней поверхности. Регулярно повторяющийся профиль теплообменной трубки в продольном сечении, полученный за счет кольцевой накатки, может быть выполнен бочкообразным, что обеспечивает возможность уменьшения габаритных размеров ступени за счет высокой интенсивности теплообмена между теплоносителем трубного пространства и паром в камере конденсации.
Кольцевые выступы на внутренней поверхности трубок обеспечивают возможность повышения степени турбулизации потока теплоносителя трубного пространства в пристеночном слое. Это происходит за счет циклического изменения давления во всем потоке, движущегося через зоны трубки с местными сужениями поперечного сечения напротив кольцевых выступов и через зоны трубки с расширениями поперечного сечения между кольцевыми выступами, благодаря чему повышается интенсивность теплообмена и снижается риск образования солеотложений. Высота кольцевых выступов может составлять от 0,01 до 0,08 наружного диаметра трубки, что обеспечивает снижение риска образования застойных зон во впадинах между кольцевыми выступами. Выступы высотой менее 0,01 наружного диаметра трубки не оказывают существенного влияния на поток теплоносителя, вследствие чего процесс его течения не отличается от процесса течения в гладкой трубе. Выступы высотой более 0,08 наружного диаметра трубки приводят к чрезмерному росту гидравлического сопротивления, что неоправданно увеличивает потребную мощность насосного оборудования.
Шаг кольцевых выступов может составлять от 0,1 до 10 наружных диаметров трубки, за счет чего в широком диапазоне режимов работы может быть обеспечено оптимальное соотношение высоты выступов к шагу, что положительно сказывается на степени турбулизации потока теплоносителя, позволяя дополнительно повысить интенсивность теплообмена и снизить риск образования отложений внутри теплообменной трубки. В случае, если шаг кольцевых выступов будет составлять менее 0,1 или более 10 наружных диаметров трубки, то, ввиду либо слишком малого, либо слишком большого расстояния между кольцевыми выступами по отношению к их высоте, степень турбулизации потока в пристеночном слое будет недостаточной, а характер движения потока будет ламинарным, вследствие чего повышается риск образования отложений внутри трубки  с последующим возникновением ее дефекта. В частности, дефект проявляется в виде полного или частичного закупоривания теплообменной трубки отложениями, вследствие чего увеличивается температура стенки трубки и соответственно растет ее длина. Увеличение длины при этом приводит к разрушению соединения трубки и трубной доски или деформации трубки, а деформация трубки в свою очередь приводит к нарушению процессов обтекания ее потоком теплоносителя или к образованию трещин в стенке трубки.
Перегородки обеспечивают возможность фиксации пространственного положения теплообменных трубок в камерах конденсации и определяют скорость движения потока пара, влияющую на теплообмен. Также по краям теплообменные трубки зафиксированы трубными досками.
Дополнительно, для обеспечения температурной компенсации и снижения риска возникновения дефекта теплообменных трубок или трубных досок перегородка/перегородки могут быть смещены и зафиксированы в таком положении, что продольный профиль всех теплообменных трубок может быть предварительно изогнут в одном направлении. Предварительный изгиб за счет смещения перегородок исключает зазоры между трубками и перегородками и задает направление для последующего прогиба всего пучка при разогреве испарителя. Это снижает риск дефекта теплообменных трубок или трубных досок по причине вибрационного воздействия и продольного усилия в системе трубки - трубные доски, повышающегося в процессе фазового перехода, осуществляемого в камере конденсации. При этом такая конструкция ступени делает испаритель неремонтопригодным, поскольку демонтаж дефектной теплообменной трубки и установка новой, при наличии смещенной перегородки, становится невозможным. Для обеспечения ремонтопригодности перегородка/перегородки могут быть выполнены подвижными в поперечной плоскости теплообменных трубок, что обеспечивает возможность перемещения трубок трубного пучка в исходное положение.
Подвижная перегородка/перегородки могут быть установлены в центральной части камеры конденсации, что обеспечивает дополнительное снижение риска выхода теплообменной трубки из строя. Для регулирования пространственного положения подвижной перегородки ступень может содержать приводной механизм, обеспечивающий линейное перемещение перегородки. При этом для ограничения одной из двух степеней свободы перегородки и снижения риска выхода из строя приводного механизма ступень может содержать направляющую, в которой может быть закреплена перегородка. При этом направляющие могут быть закреплены с противоположных сторон перегородки, что дополнительно снижает риск выхода из строя приводного механизма. Приводной механизм может быть закреплен снаружи или внутри ступени.
Приводной механизм может иметь механический, гидравлический, пневматический, электромеханический или смешанный привод. В наиболее предпочтительном варианте приводной механизм представлен парой винт - гайка, где винт присоединен к перегородке, а гайка неподвижно закреплена на поверхности ступени. Такая конструкция приводного механизма перегородки имеет высокую надежность и обеспечивает наименьший риск выхода его из строя. Дополнительно, для упрощения конструкции испарителя мгновенного вскипания за счет использования единого приводного механизма и снижения таким образом риска выхода из строя компонентов испарителя мгновенного вскипания, подвижные перегородки разных ступеней могут быть жестко соединены между собой.
Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:
- теплообменные трубки выполнены из коррозионностойкого сплава, за счет чего снижается риск возникновения их сквозной коррозии под влиянием агрессивной среды в камере конденсации, что позволяет снизить риск выхода из строя теплообменной трубки без добавки в питательную воду аммиака, способствуя повышению качества дистиллята;
- толщина стенки теплообменной трубки, выполненной из коррозионностойкого сплава, составляет от 0,5 до 1,2 мм, за счет чего снижается ее термическое сопротивление и сохраняется ее структурная прочность в процессе ее обработки и получения профиля с регулярно повторяющимися выпуклыми и вогнутыми участками продольном сечении посредством накатки.
- теплообменные трубки имеют кольцевую накатку, за счет чего в продольном сечении они имеют регулярно повторяющийся бочкообразный профиль, что снижает риск возникновения твердых отложений на внутренней поверхности трубки и риск образования толстой пленки конденсата на наружной поверхности трубки, позволяя снизить термическое сопротивление стенки трубки и повысить интенсивность теплообмена, а также снизить риск закупоривания трубки твердыми отложениями при сопутствующей возможности уменьшения ее длины.
Совокупность существенных признаков группы изобретений позволяет повысить коррозионную стойкость теплообменной трубки, снизить термическое сопротивление и повысить интенсивность теплообмена, а также снизить риск закупоривания трубки твердыми отложениями и риск выхода теплообменной трубки из строя, позволяя уменьшить при этом ее длину и повысить качество получаемого дистиллята.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсивности теплообмена между теплоносителем трубного пространства и паром в камере конденсации ступени испарителя мгновенного вскипания с сопутствующим улучшением качества дистиллята, улучшением массогабаритных характеристик ступени и снижением риска выхода из строя компонентов испарителя мгновенного вскипания, тем самым повышается эффективность испарителя мгновенного вскипания с сопутствующим улучшением массогабаритных характеристик и снижением риска выхода из строя компонентов испарителя мгновенного вскипания и устройства в целом.
Группа изобретений обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники не известен синергетический эффект от совокупного применения признаков, который заключается в повышении интенсивности теплообмена между теплоносителем трубного пространства и паром в камере конденсации ступени испарителя мгновенного вскипания и снижении риска выхода из строя компонентов испарителя мгновенного вскипания. Он достигается за счет того, что регулярно повторяющийся профиль с выпуклыми и вогнутыми участками снижает риск возникновения твердых отложений на внутренней поверхности трубки и риск образования толстой пленки конденсата на наружной поверхности теплообменной трубки, однако получение такого профиля возможно только на тонкостенных (0,5 - 1,2 мм) теплообменных трубках, толщина которых при прочих условиях позволяет минимизировать рост термического сопротивления теплообменных трубок, возникающий ввиду их выполнения из коррозионностойкого сплава и получить накаткой регулярно повторяющийся профиль с выпуклыми и вогнутыми участкам. При этом также, за счет применения теплообменных трубок из коррозионностойкого сплава исключается необходимость повышения водородного показателя питательной воды испарителя путем добавки аммиака, снижающего коррозионное воздействие питательной воды на трубки, но ухудшающего отгонку углекислоты от дистиллята и ухудшающего качество полученного продукта за счет увеличения его электропроводности. Использование теплообменных трубок из сплава, препятствующего коррозионному воздействию на них питательной воды, позволяет отказаться от добавки аммиака, снизить электропроводность дистиллята и существенным образом повысить его качество за счет исключения вредной примеси из полученного продукта. Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретения из группы изобретений связаны между собой и образуют единый изобретательский замысел, который заключается в том, что ступень является частью испарителя мгновенного вскипания, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «единство изобретения».
Группа изобретений поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 - Испаритель мгновенного вскипания с подвижной перегородкой, расположенной в камере конденсации ступени, зафиксированной в направляющих посредством винтового привода, для наглядности стенка камеры конденсации удалена, изометрия.
Фиг.2 - Испаритель мгновенного вскипания по фиг.1, для наглядности теплообменные трубки удалены, изометрия.
Фиг.3 - Ступени испарителя мгновенного вскипания, расположенные друг над другом по фиг.1, изометрия.
Фиг.4 - Ступень испарителя мгновенного вскипания по фиг.1
Фиг.5 - Теплообменная трубка, имеющая регулярно повторяющийся (бочкообразный) профиль с выпуклыми и вогнутыми участками, продольный разрез.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Испаритель мгновенного вскипания состоит из водораспределительной камеры 1, поворотных камер 2 и последовательно соединенных ступеней, каждая из которых разделена стенкой 3 на камеру 4 расширения и камеру 5 конденсации. В стенке 3 установлен сепаратор 6, соединяющий внутреннее пространство камеры 4 расширения и камеры 5 конденсации. Внутреннее пространство камер 4 расширения разных ступеней соединено между собой переточными устройствами 7 со входами и выходами, при этом переточное устройство 7 первой ступени соединяет внутренние пространства камеры 4 расширения и водораспределительной камеры 1. В каждой камере 5 конденсации установлена статичная перегородка 8 и подвижная перегородка 9, снабженная винтовым приводом 10 и установленная в направляющей 11. Через перегородки 8 и 9 проходят теплообменные трубки 12, внутреннее пространство которых соединено с внутренним пространством поворотных камер 2. При этом трубки 12 выполнены из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,8 мм. При этом трубки имеют поперечную кольцевую накатку и в продольном сечении имеют регулярно повторяющийся бочкообразный профиль, а за счет подвижной перегородки 9, положение которой отрегулировано винтовым приводом 10 продольный профиль всех трубок изогнут в одном направлении.
Группа изобретений работает следующим образом.
Перегретая вода через водораспределительную камеру 1 и переточные устройства 7 поступает в камеру 4 расширения, где происходит ее вскипание в падающей струе, при котором часть воды преобразуется в пар, а часть - разбрызгивается паром. Далее поток пара поступает в сепаратор 6, где часть капель осаждается и выводится на дно камеры 4 расширения и движется к следующей ступени. Пар, очищенный в сепараторе 6 от капель воды, поступает в камеру 5 конденсации, где в процессе прохождения межтрубного пространства, конденсируется на теплообменных трубках 12, в которые через поворотные камеры 2 подается теплоноситель трубного пространства. После этого дистиллят стекает на дно камеры 5 конденсации и через патрубок (не показан на фигурах потребителю или поступает на следующую ступень испарителя мгновенного вскипания). При этом за счет того, что теплообменные трубки 12 выполнены из нержавеющей стали, повышается их коррозионная стойкость, и исключается необходимость добавки в питательную воду аммиака, при этом за счет того, что толщина стенки трубки 12 составляет 0,8 мм компенсируется снижение интенсивности теплообмена между теплоносителем трубного пространства и паром в камере 5 конденсации. При этом накатка, выполненная на трубках 12 обеспечивает профиль с выпуклыми и вогнутыми участками (бочкообразную форму), что не только дополнительно повышает интенсивность теплообмена за счет снижения риска образования толстой пленки на поверхности трубок и турбулизации потока теплоносителя трубного пространства, но снижает риск образования отложений на внутренней поверхности. При этом перегородкой 9 всему пучку теплообменных трубок 12 задан изогнутый профиль, который при этом жестко зафиксирован в центральной части камеры 5, винтовым приводом 10 снижается риск дефекта трубок 12, вызванного изменением их длины ввиду их термического расширения.
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в повышении интенсивности теплообмена между теплоносителем трубного пространства и паром в камере конденсации ступени испарителя мгновенного вскипания с сопутствующим улучшением качества дистиллята, улучшением массогабаритных характеристик ступени и снижением риска выхода из строя компонентов испарителя мгновенного вскипания, тем самым повышается эффективность испарителя мгновенного вскипания с сопутствующим улучшением массогабаритных характеристик и снижением риска выхода из строя компонентов испарителя мгновенного вскипания и устройства в целом.