УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА

Полезная модель относится к области теплообменных аппаратов, которые могут применяться для охлаждения газов в различных устройствах, например, в энергетике, в холодильной и криогенной технике.
Из уровня техники известны технические решения, касающиеся конструкции устройств для испарительного охлаждения газов, такие, как например, CN 207975869 U или US 2017108251 А1, в которых для испарительного охлаждения используется пористый элемент, смачиваемый жидкостью, и через который продувается охлаждаемый газ. Недостатком подобных устройств является наличие дополнительных (пористых) элементов для создания теплообменной поверхности, требующих дополнительных затрат холода на понижение температуры и усложняющих конструкцию, а также создающих дополнительное гидравлическое сопротивление для потока газа.
Известно также устройство для испарительного охлаждения газа, принятое за прототип - RU 2341746 С1, в котором не используются пористые элементы для создания теплообменной поверхности, а применяется конструкция, содержащая, в том числе, корпус, в котором сверху подается охлаждающая жидкость, а с нижней стороны во встречном потоке подводится газ, который подлежит охлаждению, причем в ту часть корпуса, где происходят теплообменные процессы за счет испарения жидкости, газ проходит через установленные в корпусе трубопроводы, имеющие со стороны подачи газа форму конического конфузора, а со стороны выхода - форму конического диффузора. Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и ее повышенная металлоемкость за счет наличия нескольких трубопроводов и дополнительных элементов - решетки и сепаратора, что приводит также к дополнительным потерям холода на охлаждение этих элементов конструкции.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является создание достаточно простой конструкции для испарительного охлаждения газа, позволяющей при этом минимизировать потери холода.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является упрощение конструкции устройства для испарительного охлаждения газа, обеспечивающего работу с минимальными потерями холода, а также уменьшение металлоемкости, что позволяет снизить тепловую инерцию, т.е. более быстро менять температуру охлаждаемого газа.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для испарительного охлаждения газа, содержащем вертикально расположенный трубчатый корпус, выполненный с возможностью подачи в него с нижней стороны потока газа, подлежащего охлаждению, а с верхней стороны - выхода из него охлажденного газа, узел для подачи и распыления охлаждающей жидкости, установленный с возможностью подачи жидкости навстречу упомянутому потоку газа, и трубопровод для подачи потока газа, расположенный внутри корпуса и выполненный с коническим конфузором с нижней стороны корпуса и коническим диффузором с верхней стороны корпуса, упомянутый трубопровод установлен соосно корпусу, а узел для подачи и распыления жидкости расположен соосно упомянутому диффузору внутри него на участке его наиболее широкой части, при этом трубопровод выполнен с возможностью испарения жидкости и охлаждения газа непосредственно в диффузоре, верхняя выходная часть которого совмещена с верхней частью корпуса.
При этом узел для подачи и распыления жидкости может быть выполнен в виде сопла или в виде форсунки.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором схематично показан продольный разрез устройства.
Устройство содержит вертикально расположенный трубчатый корпус 1, который с нижней стороны выполнен с возможностью подачи потока 2 газа, подлежащего охлаждению. Внутри корпуса 1 соосно ему установлен трубопровод 3 для подачи потока газа, который выполнен с коническим конфузором 4 с нижней стороны корпуса 1 и коническим диффузором 5 с верхней стороны корпуса 1, причем верхняя выходная часть 9 диффузора 5 совмещена с верхней частью корпуса 1. Внутри диффузора 5 соосно ему на участке его наиболее широкой части расположен узел 6 для подачи и распыления охлаждающей жидкости 10, поступающей к нему по трубке 11, навстречу упомянутому потоку 2 газа. Узел 6 может быть выполнен в виде сопла или в виде форсунки, которые располагаются на центрирующей вставке 7, закрепленной в верхней части корпуса 1 и имеющей соответствующие отверстия для выхода охлажденного газа 8 через верхнюю сторону корпуса 1. Центрирующая вставка 7 используется для точного расположения сопла или форсунки относительно продольной оси диффузора 5.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
С нижней стороны корпуса 1 подается поток 2 газа, подлежащего охлаждению. Это может быть, например, воздух или смесь азота и кислорода. Поток 2 газа сначала поступает в конфузор 4, который используется для снижения потерь газа на трение, затем, ускоряясь в конфузоре 4 поступает в диффузор 5, в который сверху через узел 6 подается охлаждающая жидкость 10 навстречу потоку 2 газа и распыляется в нем. В качестве охлаждающей жидкости 10 может использоваться, например, жидкий азот, жидкий воздух, а также жидкий аргон или их смеси.
Прохождение потока 2 газа через конический диффузор 5 приводит к тому, что по мере движения скорость потока снижается. При этом частички 12 жидкости движутся в противоположную сторону и по мере движения встречаются со все более быстрым потоком газа. Конус диффузора 5 подбирается таким образом, чтобы хотя бы на одном его уровне достигалось полное равновесие сил трения частичек 12 жидкости о текущую газовую среду и сил гравитации, что позволяет максимизировать время контакта жидкости 10 с газом, а также дает возможность улавливания частичек 12 жидкости разного диаметра и движущихся с разной скоростью. Кроме того, коническая конфигурация элементов трубопровода 3 позволяет работать при разных расходах потока 2 газа.
Таким образом, за счет испарения жидкости 10 в потоке 2 газа происходит интенсивное охлаждение подаваемого газа непосредственно в диффузоре 5. Через соответствующие отверстия во вставке 7 и верхнюю сторону корпуса 1 охлажденный газ 8 выходит из устройства и может быть использован по назначению.
Использование полезной модели позволяет упростить конструкцию устройства для испарительного охлаждения газа, в том числе минимизировать его габариты и уменьшить металлоемкость, что позволяет снизить тепловую инерцию, т.е. более быстро менять температуру охлаждаемого газа, а также обеспечить работу устройства с минимальными потерями холода.