ИСПАРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к технике проведения тепло- и массообменных процессов, а именно испарению жидких сред (жидкостей, растворов, суспензий) в режиме кипения, и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности, в испарителях, дистилляторах, сушилках, выпарных и массообменных аппаратах.
Известна конструкция испарителя, используемого для испарения жидких сред при кипении в большом объеме, ограниченном стенками аппарата. Нагрев жидкости может осуществляться через днище, стенки аппарата, встроенными внутренними нагревательными элементами, либо совмещенными вариантами (Бойко, Е.А. Котельные установки и парогенераторы: учеб. пособ./Е.А.Бойко; Красноярск: Красноярский гос. тех. ун-т., 2005, 294 с.).
Недостатками данной конструкции являются ограниченная конструктивными размерами аппарата поверхность испарения, значительное время испарения, малая удельная производительность, возможность температурного перегрева греющих поверхностей, вследствие чего пузырьковый режим кипения переходит в пленочный режим кипения, при котором резко уменьшаются коэффициент теплоотдачи и интенсивность испарения.
Известен испаритель пленочного типа со стекающей жидкостной пленкой, содержащий обогреваемый вертикальный корпус, размещенную в нем соосно обогреваемую цилиндрическую камеру и устройство для распределения жидкости по греющим поверхностям (патент РФ №2184590, MПК B01D 1/22, 10.07.2002 г.).
Недостатками данного испарителя являются ограниченная площадь греющих поверхностей и, соответственно, ограниченная площадь испарения, которая определяется только конструктивными размерами обогреваемых вертикальных поверхностей корпуса и центральной камеры, по которым стекает жидкостная пленка; неравномерность толщины пленки жидкости по высоте и, соответственно, неравномерность ее прогрева и испарения, необходимость ограничения в аппаратах с пленочным течением жидкости теплового напора для того, чтобы пузырьковый режим кипения не перешел в пленочный режим кипения, при котором резко уменьшается интенсивность испарения. Эти недостатки определяют малую удельную производительность по испаренной жидкости, а для того, чтобы увеличить общую производительность аппарата, необходимо увеличивать его конструктивные размеры, что ведет к увеличению его габаритов и металлоемкости.
Известно устройство для разбрызгивания жидкости и конструкция аппарата для опреснения соленой воды, использующая это устройство, включающая подачу соленой воды в систему для опреснения соленой воды, разбрызгивание соленой воды в испарительную камеру, испарение капель в испарительной камере с выделением соли (патент РФ №2335345, МПК B05D 1/08, C02F 1/12, 10.04.2008 г.).
Недостатками данной конструкции для испарения жидких сред при падении капель в восходящем потоке газообразного теплоносителя являются малый коэффициент теплоотдачи от газообразного теплоносителя к поверхности капли жидкости и малое время контакта капли с теплоносителем, что определяет малую удельную производительность (малое напряжение объема) по упаренной влаге и повышенный расход энергии, связанный с низкой эффективностью использования тепла.
Известен тонкопленочный центробежный выпарной аппарат, в котором испаряемую жидкость подают в виде пленки на наклонные обогреваемые теплообменные поверхности, выполненные в виде конического ротора. Испарение осуществляют с поверхности пленки при ее течении по поверхности ротора (авторское свидетельство СССР №948390, МПК B01D 1/22, 7.08.1982 г.).
Недостатками способа испарения в роторно-пленочных испарителях являются относительно малая производительность, определяемая малой поверхностью испарения, равной площади поверхности пленки и определяемой только размерами ротора, пониженные коэффициенты тепло- и массоотдачи, что связано с необходимостью сохранения целостности пленки и, соответственно, ограничения теплового потока для обеспечения такой температуры греющей поверхности, при котором испарение происходит в режиме, не выходящим за пределы начала или слаборазвитого пузырькового режима кипения.
к
к
кип
кип
Известен способ испарения жидкости в испарителе, в который жидкость через трубчатый коллектор равномерно подается на греющую поверхность в виде капель, причем равномерное распределение жидкости определяется условием l=(2,5÷5)d, где d - диаметр капли, а температура греющей поверхности равна t=(1,2÷2,3)t, где t - температура кипения жидкости при рабочем давлении (патент РФ №2462286, МПК B01D 1/22, 27.09.2012 г.).
Недостатком данного испарителя является нетехнологичность конструкции аппарата из-за его прямоугольной формы. Кроме того, добиться равномерного распределения капель жидкости по греющей поверхности при помощи разветвленного трубчатого коллектора весьма затруднительно.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является испаритель, содержащий вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости по греющей поверхности, имеющей температуру, превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель, причем устройство для распределения жидкости представляет собой коллектор, выполненный в виде крестовины из взаимно перпендикулярных трубок с отверстиями, расположенными с шагом l=(2,5÷5)d, где l - шаг между отверстиями, d - диаметр отверстия, при этом отверстия на одной трубке относительно другой смещены на расстояние, равное половине шага между отверстиями, при этом устройство для распределения жидкости закреплено неподвижно, а греющая поверхность представляет собой диск, установленный на валу с возможностью вращения (патент РФ №124173, МПК B01D 1/22, 20.01.2013 г.).
Недостатком данного испарителя является то, что при орошении греющей поверхности из коллектора помимо капель могут образовываться струи жидкости, которые на диске будут сливаться в сплошную жидкостную пленку. Это обстоятельство приводит к значительному снижению коэффициентов теплоотдачи к жидкости и, соответственно, к снижению интенсивности и эффективности процесса испарения.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является повышение интенсивности и эффективности процесса испарения.
Технический результат достигается тем, что испаритель, содержащий вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости по греющей поверхности, имеющей температуру, превышающую в 1,2÷2,3 раза л температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель, при этом устройство для распределения жидкости закреплено неподвижно, а греющая поверхность представляет собой диск, установленный на валу с возможностью вращения, причем устройство для распределения жидкости представляет собой кольцевой коллектор, закрепленный в верхней части корпуса, а между ним и диском дополнительно соосно закреплен нагреватель, имеющий форму обратного усеченного конуса с углом наклона к горизонтали 10÷40°, радиус малого основания конуса определяется соотношением
где φ - коэффициент трения, ω - угловая скорость вращения диска, g - ускорение свободного падения,
а температура поверхности нагревателя превышает в 2,5÷3 раза температуру кипения испаряемой жидкости.
Нагрев греющих поверхностей диска и кольцевого коллектора осуществляют любым известным способом: паром, жидким теплоносителем или электрическими нагревательными элементами.
На фиг. показана схема испарителя с электрическим обогревом греющих поверхностей.
Испаритель состоит из цилиндрического корпуса 1 со штуцерами отвода пара 2 и дренажными штуцерами 3. Вверху корпуса расположено устройство для распределения жидкости в виде закрепленного в верхней части корпуса кольцевого трубчатого коллектора 4 с подсоединенным к нему штуцером 5 подачи испаряемой жидкости. Под ним соосно закреплен дополнительный нагреватель, состоящий из греющей поверхности 6, имеющей форму обратного усеченного конуса с температурой поверхности, превышающей в 2,5÷3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, которая обеспечивается электронагревателем 7. Ниже электронагревателя 7 расположен диск 8 с греющей поверхностью 9, имеющей температуру, превышающей в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, и обогреваемая электронагревателем 10. Диск расположен на валу 11, который приводится во вращение (привод вала условно не показан). Подвод электропитания на электронагреватель 10 осуществляется через клеммы 12.
Испаритель работает следующим образом. Электронагреватель 7 нагревает греющую поверхность 6 конуса до температуры, превышающей в 2,5÷3 раза температуру кипения испаряемой жидкости. Из кольцевого трубчатого коллектора 4 жидкость в виде капель подается на греющую поверхность 6 конуса. При контакте капель с греющей поверхностью 6 жидкость в них практически мгновенно прогревается до температуры кипения. В связи с тем, что температура греющей поверхности 6 превышает температуру кипения в 2,5÷3 раза, что соответствует так называемой температуре Лейденфроста, жидкость перестает контактировать с греющей поверхностью 6 и гарантированно переходит в сфероидальное состояние. При этом между «шариками» жидкости и греющей поверхностью 6 образуется паровая прослойка. Так как греющая поверхность 6 имеет уклон 10÷40°, «шарики» жидкости скатываются с греющей поверхности 6 конуса и попадают на греющую поверхность 9 диска 8, которая электронагревателем 10 нагрета до температуры, превышающей в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости. При такой температуре греющей поверхности 9 попадающие на нее капли жидкости вследствие адгезионного взаимодействия как бы «прилипают» к ней и испаряются в режиме кипения.
При относительно малых скоростях вращения диска 8 капли могут испаряться оставаясь неподвижно на месте попадания на диск. При более высоких угловых скоростях вращения диска 8 капли при испарении несколько смещаются к периферии, не отрываясь от поверхности диска.
При полном испарении жидкой фазы суспензии или выпариваемого раствора остающийся твердый сухой остаток под действием центробежной силы сбрасывается с диска 8, предотвращая образования твердых отложений на греющей поверхности 9. Полученный при испарении пар за счет естественной конвекции движется вверх и удаляется из аппарата через штуцеры 2. Сухой остаток или в случае неполного испарения капель жидкости сконцентрированные суспензия или упаренный раствор удаляются через дренажные штуцеры 3.
Ц
ТР
Скорость вращения диска 8 должна быть такой, чтобы гарантировать сброс образующейся твердой фазы с греющей поверхности 9, что обеспечивается условием саморазгрузки, т.е. центробежная сила Р должна быть больше или равна силе трения F твердых частиц по греющей поверхности 9 диска 8
Ц
ТР
Р≥F
или
2
mωr≥φmg,
где m - масса капли, ω - угловая скорость вращения диска 8, r - минимальный радиус, при котором обеспечивается саморазгрузка, φ - коэффициент трения, g - ускорение свободного падения.
Соответственно, угловая скорость вращения диска 8, обеспечивающая саморазгрузку греющей поверхности 9, должна быть равна
Из этого же условия саморазгрузки определяется и минимальный радиус малого основания обратного усеченного конуса греющей поверхности 6, т.е.
При увеличении радиуса малого основания конуса и, соответственно, радиуса попадания капли на вращающийся диск 8 условия саморазгрузки улучшаются за счет роста центробежной силы.
Таким образом, предлагаемый испаритель за счет организации в нем четкого капельного орошения греющей поверхности 9 диска 8 и, соответственно, исключения возможности образования пленки жидкости, позволяет реализовать непосредственно капельное кипение, что обеспечивает высокую интенсивность и эффективность процесса испарения. При этом предварительный нагрев испаряемой жидкости на греющей поверхности 6, имеющей форму обратного усеченного конуса, с помощью электронагревателя 7 до температуры кипения обеспечивает уменьшение необходимой тепловой нагрузки непосредственно при испарении на диске 8.