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, F17С 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. Также данное устройство не позволяет возвращать нагретые пары криогенной жидкости на повторное охлаждение, что приводит к перерасходу криогенной жидкости.
Известен испаритель криогенной жидкости [патент РФ №2239121, F17С 9/02, F25В 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 разрежению 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 проводить процесс теплообмена в теплообменном узле большого диаметра между испаряемой криогенной жидкостью и поступающими теплыми (отработанными) парами этой жидкости, т.к. в теплообменном узле большого диаметра теплый газ не проходит в центральную часть насадки из-за сопротивления, создаваемого насыпной насадкой, а поднимается вдоль внутренней поверхности цилиндрической оболочки по пути наименьшего сопротивления.
Задачей изобретения является повышение эффективности теплообмена в теплообменном узле большого диаметра между испаряемой криогенной жидкостью и поступающими теплыми (отработанными) парами этой жидкости, за счет равномерного распределения теплых паров газа по всему поперечному сечению теплообменной насадки.
Поставленная задача решается тем, что испаритель криогенной жидкости содержит корпус с узлом подвода криогенной жидкости и узлом выдачи хладагента, теплообменный узел, выполненный в виде трубного пучка, межтрубное пространство которого содержит насыпную насадку, при этом теплообменный узел дополнительно снабжен газораспределительной решеткой, расположенной в нижней части трубного пучка и имеющей форму усеченного конуса, установленного меньшим основанием вверх, а насыпная насадка расположена на газораспределительной решетке.
На фиг.1 показан продольный разрез испарителя; на фиг.2 - поперечное сечение А-А испарителя; на фиг.3 - выносной элемент Б на фиг.1.
Испаритель содержит корпус 1 (см. фиг.1), узел 2 подвода криогенной жидкости, теплообменный узел 3 и узел 4 выдачи газообразного хладагента. Корпус 1 содержит патрубок 5 (см. фиг.2) входа отработанных паров криогенной жидкости и патрубок 6 с вентилем для регулирования расхода отработанного хладагента. Узел 2 подвода криогенной жидкости состоит из камеры 7 криогенной жидкости, сообщенной с кольцевой полостью 8, образованной центральной трубой 9 и коаксиально ей расположенным патрубком 10. Подача криогенной жидкости осуществляется через патрубок 11. В цилиндрической оболочке 12 расположен теплообменный узел 3, который выполнен в виде трубного пучка 13, межтрубное пространство которого заполнено насыпной насадкой 14, например стальными шариками. Насадка 14 расположена на газораспределительной решетке 15, установленной в нижней части трубного пучка 13. Газораспределительная решетка 15 имеет форму усеченного конуса, установленного меньшим основанием вверх. Камера 16 газообразного хладагента через патрубок 17 соединена с соплом 18 (см. фиг.3) эжектора 19. Сопло 18 имеет возможность перемещаться посредством винта 20 (см.фиг.3) вдоль оси испарителя для настройки эжектора 19. От камеры 16 газообразного хладагента отходит патрубок 21 с вентилем для регулирования расхода паров криогенной жидкости. Узел 4 выдачи газообразного хладагента состоит из центральной трубы 9, к верхнему краю которой крепится диффузор 22 эжектора 19, и патрубка 10, соединенного с конфузором 23 эжектора 19. Теплообменный узел 3 имеет теплоизоляцию 24, образующую приемную камеру 25 эжектора 19 и имеющую с внутренней стороной корпуса 1 кольцевой зазор 26. В нижней части испарителя размещена приемная камера 27 отработанного хладагента, в которую через патрубок 5 подается теплый отработанный хладагент и для регулирования расхода его из испарителя установлен вентиль на патрубке 6.
Испаритель работает следующим образом.
Криогенная жидкость (например, жидкий азот) поступает через патрубок 11 через кольцевую полость 8 и камеру 7 криогенной жидкости в трубный пучок 13 теплообменного узла 3, где происходит полное испарение криогенной жидкости. Образующиеся пары через камеру 16 газообразного хладагента и патрубок 17 поступают в сопло 18 эжектора 19. Вентиль на патрубке 21 в начальный момент включения испарителя полностью закрыт. Пары криогенной жидкости из сопла 18 подхватывают газ (в начальный момент времени воздух) из приемной камеры 25 эжектора, перемешиваясь с ним и охлаждая его, транспортируют его по патрубку 10 и далее в охлаждаемый аппарат (не показан). Из охлаждаемого аппарата нагретые (отработанные) пары криогенной жидкости вновь поступают в испаритель через патрубок 5 и приемную камеру 27 отработанного хладагента. В испарителе между камерой 27 отработанного хладагента и камерой 25 эжектора 19 существует перепад давлений благодаря разрежению, создаваемому эжектором 19. Вследствие этого перепада давления пары из камеры 27 отработанного хладагента проходят вдоль трубного пучка 13 через насадку 14 и поступают в приемную камеру 25 эжектора 19. Газораспределительная решетка 15 обеспечивает равномерный проход паров по всему поперечному сечению насыпной насадки 14. При этом отработанные пары охлаждаются, отдавая тепло насыпной насадке 14 и трубному пучку 13. Охлаждение происходит за счет использования теплоты испарения криогенной жидкости, находящейся в кольцевой полости 8, в камере 7 криогенной жидкости и в трубках трубного пучка 13. Высота конусной газораспределительной решетки 15 выбрана таким образом, что сопротивление насыпной насадки 14 вдоль трубы 9 равно сопротивлению этой насадки вдоль внутренней поверхности цилиндрической оболочки 12. Из камеры 25 эжектора 19 охлажденные пары направляются эжектором 19 в патрубок 10, откуда, одновременно смешиваясь и дополнительно охлаждаясь с парами криогенной жидкости из сопла 18 эжектора 19, выходят из испарителя на охлаждение аппарата.
Наличие газораспределительной решетки в нижней части трубного пучка и расположение на ней насыпной насадки позволяет эффективно проводить в теплообменном узле любого диаметра теплообмен между испаряемой криогенной жидкостью и поступающими теплыми (отработанными) парами этой жидкости, за счет равномерного распределения и равномерного прохождения теплых паров газа по всему поперечному сечению теплообменной насадки.
Применение изобретения позволяет наиболее эффективно использовать теплофизические свойства теплообменного узла испарителя криогенной жидкости за счет организации насыпной насадки с сечением, имеющим постоянное сопротивление, и создания условий равномерного распределения и прохождения через насадку потока теплых паров газа.