ИСПАРИТЕЛЬ

Предлагаемая конструкция 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 теплообменниках, испарителях, дистилляторах, сушилках, выпарных и массообменных аппаратах.
Известен перегонный аппарат, в котором диспергированную жидкую среду подают на множество оболочкообразных элементов, выполненных из тонкого материала и расположенных один рядом с другим. При этом элементы работают как теплообменники между испаряющейся жидкостью, текущей пленкой вдоль наружных поверхностей элемента, и конденсирующимся паром, направляемым внутрь элемента (патент РФ №2076762, МПК B01D 1/22, 10.04.1997 г.).
Недостатками данного аппарата являются сложность конструктивного исполнения как самого аппарата, так и оболочкообразных элементов, выполняемых из термопластичной пленки; невозможность формирования четких геометрических размеров проходных сечений рабочих пространств из пластичной пленки и, вследствие этого, наличие различных гидродинамических и тепло-массообменных режимов проведения процесса испарения, что уменьшает эффективность работы аппарата; малая механическая прочность пленки и ее большое термическое сопротивление, которое вместе с термическим сопротивлением образующихся отложений ограничивают производительность по выпариванию и интенсивность процесса испарения.
Известен испаритель, действующий по принципу падающей пленки, содержащий корпус и устройство, состоящее из испарительных трубок, находящееся в корпусе, при этом концентрируемая жидкость подается на наружную поверхность испарительного трубчатого устройства, и пар подается внутрь трубок испарительного трубчатого устройства (патент РФ №2122456, МПК B01D 1/06, 27.11.1998 г.).
Недостатками данного испарителя являются сложность изготовления трубного пучка с коллекторным соединением как самих теплообменных труб, так и выполненных из них испарительных элементов, громоздкость конструкции и, соответственно, большая металлоемкость, приводящая к потерям тепловой энергии и уменьшению интенсивности 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, МПК 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.
k
k
а
а
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является испаритель, содержащий вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости в виде капель по греющим поверхностям, герметически закрепленным на противоположных стенках со смещением и зазором, при этом он снабжен теплоэлектронагревателями (ТЭНами), над которыми расположены греющие поверхности, выполненные в виде горизонтальных полок и имеющие температуру, превышающую в 2,8÷4,8 раза температуру кипения испаряемой жидкости, при этом они имеют рифленый профиль в виде храповидных зубьев с высотой зуба, определяемой соотношением b=d/(8÷40), где d - диаметр подаваемых капель, b - высота зуба, а длина зуба определяется соотношением =(4÷8)b, где  - длина зуба (патент РФ №116063, МПК B01D 1/22, 20.05.2012 г.).
Недостатком данного испарителя является неэффективное использование площади греющих поверхности, когда основной объем подаваемой жидкости испарится на верхних полках (греющих поверхностях), а нижние полки (греющие поверхности) практически могут не участвовать в процессе, хотя и требуют теплоты на нагрев, что ведет к повышенным энергозатратам, увеличенным габаритам и металлоемкости аппарата, что, в свою очередь, приводит к снижению интенсивности испарения.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности процесса испарения за счет саморегулирования скорости движения капель по греющим поверхностям.
k
k
а
а
Технический результат достигается тем, что испаритель, содержащий вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости в виде капель по греющим поверхностям, выполненным в виде полок, имеющих температуру, превышающую в 2,8÷4,8 раза температуру кипения испаряемой жидкости, имеющих рифленый профиль в виде храповидных зубьев с высотой зуба, определяемой соотношением b=d/(8÷40), где d - диаметр подаваемых капель, b - высота зуба, а длина зуба определяется соотношением =(4÷8)b, где  - длина зуба, закрепленных на противоположных стенках со смещением и зазором, под которыми расположены ТЭНы, и каждая полка с теплоэлектронагревателем установлена на шарнире с возможностью свободного углового перемещения в вертикальном направлении, а под каждым шарниром на корпусе жестко закреплена опора, при этом между каждой полкой и опорой установлена цилиндрическая пружина.
Закрепление ТЭНов под греющими позволяет обеспечить равномерное нагревание всех греющих поверхностей до заданной температуры. Установка ТЭНов, обеспечивающих температуру, в 2,8÷4,8 раза превышающую температуру кипения испаряемой жидкости, позволяет создавать под каплями жидкости паровую «подушку», что, в свою очередь, позволяет вести процесс в режиме капельного испарения без коалесценции (слияния) капель. Уменьшение температуры ниже заявленного предела, в 2,8 раза превышающей температуру кипения испаряемой жидкости, не позволяет создавать паровую «подушку» под каплями, что приводит к их коалесценции и снижает интенсивность процесса испарения. Увеличение температуры выше заявленного предела, в 4,8 раза превышающей температуру кипения испаряемой жидкости, приводит к повышенным энергетическим затратам на испарение.
k
k
Изготовление греющих поверхностей с рифленым профилем в виде храповидных зубьев с высотой зуба, определяемой соотношением b=d/(8÷40), где d - диаметр подаваемых капель, b - высота зуба, является необходимым условием движения капель на паровой «подушке» по рифленой греющей поверхности без их коалесценции. Несоблюдение заявленного соотношения не позволяет каплям жидкости двигаться по греющей поверхности без коалесценции их друг с другом.
а
а
Изготовление греющих поверхностей с рифленым профилем в виде храповидных зубьев с длиной и высотой зуба, подчиняющихся соотношению =(4÷8)b, где  - длина зуба, обеспечивает максимальную скорость движения капель на паровой «подушке» по рифленой греющей поверхности, что определяет наибольшую интенсивность процесса испарения.
Установка ТЭНов с греющими поверхностями на шарнирах с возможностью их свободного углового перемещения в вертикальном направлении, а также закрепление между каждой полкой и опорой цилиндрических пружин обеспечивает такой угол наклона греющих поверхностей к горизонту и, соответственно, такую скорость движения капель жидкости по ним, при которой все греющие поверхности будут равномерно заполнены каплями жидкости, и вся жидкость полностью успеет испариться. Из-за неравномерности подачи жидкости на греющие поверхности, количество капель попадающих на полки меняется с течением времени, что приводит к изменению общей массы жидкости. Закрепление между каждой полкой и опорой цилиндрической пружины также обеспечивает саморегулирование угла наклона греющих поверхностей к горизонту, что, соответственно, изменяет скорость движения капель на паровой «подушке» по ним, т.е. обеспечивает механическое саморегулирование скорости движения капель по греющим поверхностям.
Кроме того, постоянные колебания греющих поверхностей при прохождении по ним капель на паровой «подушке», возникающие за счет сил упругой деформации цилиндрических пружин, обеспечивают еще большую интенсификацию процесса испарения за счет передачи этих колебаний жидкости, а также дополнительно препятствуют коалесценции капель.
На фиг.1 показана схема испарителя, на фиг.2 греющая поверхность, закрепленная на шарнире в увеличенном масштабе.
k
k
a
a
Испаритель состоит из корпуса 1; верхней крышки 2 с штуцером 3 подачи исходной жидкости и штуцером 4 отвода пара; нижней крышки 5 с штуцером 6 вывода упаренной жидкости; устройства 7 для распределения жидкости по греющим поверхностям (полкам) 8, имеющим рифленый профиль в виде храповидных зубьев с высотой зуба, определяемой соотношением b=d/(8÷40), где d - диаметр подаваемых капель, b -высота зуба, а длина зуба определяется соотношением =(4÷8)b, где  - длина зуба, закрепленных на противоположных стенках со смещением и зазором, в виде капель 9, под которыми установлены ТЭНы 10, обеспечивающие температуру греющих поверхностей, превышающую в 2,8÷4,8 раза температуру кипения испаряемой жидкости. Каждая полка с ТЭНом установлена на шарнире 11 с возможностью свободного углового перемещения в вертикальном направлении, а под каждым шарниром на корпусе жестко закреплена опора 12, при этом между каждой полкой и опорой установлена цилиндрическая пружина 13.
Испаритель работает следующим образом. Испаряемая жидкость через штуцер 3 поступает в устройство для распределения жидкости 7. Из устройства для распределения жидкость в виде капель 9 попадает на рифленые греющие поверхности (полки) 8, нагрев которых до заданной температуры осуществляется при помощи ТЭНов 10. За счет высокой температуры греющих поверхностей капли, интенсивно испаряясь, приподнимаются над греющими поверхностями на паровой «подушке». При этом время испарения капель увеличивается из-за того, что паровая «подушка» выступает в роли теплоизолирующего слоя, а склонность капель к коалесценции уменьшается, так как за счет интенсивного отвода пара из-под капель они будут отталкиваться друг от друга, равномерно заполняя собой греющие поверхности каждой из полок. Кроме того, под действием массы падающих на греющие поверхности капель жидкости, они начинают опускаться в вертикальном направлении благодаря шарнирам 11. Однако, установленные между греющими поверхностями и опорами 12 цилиндрические пружины 13 выталкивают греющие поверхности вверх, сообщая им колебательные движения. Колебания происходят до тех пор, пока на греющие поверхности поступают капли жидкости. Полученный пар, за счет естественной конвекции, движется вверх и удаляется через штуцер 4. Если в испарителе осуществляют неполное испарение, то упаренный концентрированный раствор собирается в нижней крышке 5 и удаляется через штуцер 6.
Таким образом, предлагаемый испаритель позволяет увеличить интенсивность процесса испарения за счет саморегулирования скорости движения капель по греющей поверхности.