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 использована 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, с. 16-17).
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, МПК В01D 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.
Известна распылительная сушка для испарения жидких сред посредством распыления. Жидкий или пастообразный материал диспергируется механическими или пневматическими форсунками или центробежными дисками, и образовавшиеся капли падая испаряются и сушатся в восходящем потоке газообразного теплоносителя (Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов. Изд. 2-е. Ч. 2. Массообменные процессы и аппараты / Ю.И. Дытнерский; М.: Химия, 1995, с. 266-268).
Недостатками 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 испаритель, в котором жидкость подают на нагретую поверхность в виде капель, при этом регулирование подачи подводимой жидкости осуществляют так, что период подачи капель больше времени их испарения, а температура нагретой поверхности поддерживается в диапазоне, превышающем температуру кипения жидкости в 1,2÷2,3 раза при соответствующем рабочем давлении. Конструкция испарителя представляет собой аппарат коробчатого прямоугольного сечения с разветвленным гребенчатым коллектором для подвода и равномерного распределения по нагретой поверхности испаряемой жидкости в виде капель (патент РФ №2462286, МПК В01D 1/22, 14.03.2011 г.).
Недостатком данной конструкции является технологическая сложность изготовления разветвленного коллектора, который должен обеспечить равномерную подачу капель. Это связано с тем, что гидравлическое сопротивление по длине трубок коллектора изменяется, соответственно должны меняться диаметры отверстий, отверстия могут засоряться и т.п.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является испаритель, содержащий обогреваемый вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости по греющим поверхностям, отличающийся тем, что греющие поверхности представляют собой наклонные плоскости с углом наклона 10÷40° к горизонтали, выполненные в виде зигзагов, герметично закрепленных на противоположных стенках со смещением и зазором, при этом греющие поверхности имеют температуру превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель (патент РФ №107960, МПК В01D 1/00, 10.09.2011 г.).
Недостатками данного испарителя является сложность конструкции, заключающаяся в наличии во внутреннем пространстве аппарата греющих поверхностей, представляющих собой наклонные плоскости, выполненные в виде зигзагов, а также неэффективность использования площади греющей поверхности, вызванная тем, что в связи с малым временем испарения капель, основной объем подаваемой жидкости испарится на верхней секции зигзагообразной греющей поверхности, а другая секция практически может не участвовать в процессе, хотя и требует теплоты на нагрев, что ведет к повышенным энергозатратам, увеличенным габаритам и металлоемкости аппарата.
Также к недостаткам следует отнести и то обстоятельство, что подаваемая в виде капель жидкость и полученный пар движутся относительно друг друга противотоком, при этом пар может захватывать при своем движении мелкие капли неиспарившейся жидкости, что может приводить к получению на выходе из испарителя некондиционного «мокрого» пара.
Задачей является разработка испарителя упрощенной конструкции с низкой металлоемкостью и максимально эффективным использованием рабочих поверхностей.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение эффективности работы испарителя.
Технический результат достигается тем, что в испарителе, содержащем обогреваемый 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, при этом греющая поверхность выполнена в виде трубы, диаметр которой определяется соотношением
где D - внутренний диаметр трубы, м,
ф
d - диаметр факела распыла капель жидкости, м,
а длина - из соотношения
где L - длина трубы, м,
- длина факела распыла капель жидкости, м, причем устройство для распределения жидкости выполнено в виде форсунки, а на выходе из трубы установлено дроссельное устройство.
Нагрев греющих поверхностей может осуществляться любым известным способом: топочными газами, паром, жидким теплоносителем или электрическими нагревательными элементами.
На фиг. 1 показан предлагаемый испаритель, вид спереди, а на фиг. 2 - вид сверху предлагаемой конструкции испарителя.
Испаритель состоит из обогреваемого корпуса 1, электрического нагревательного элемента 2, греющей поверхности, выполненной в виде трубы 3, устройства для распределения жидкости по греющей поверхности 3, выполненного в виде форсунки 4, и установленного на выходе из трубы дроссельного устройства 5 и парового коллектора 6.
Испаритель работает следующим образом. Электронагреватель 2 обеспечивает необходимую температуру греющей поверхности - внутренней поверхности обогреваемой трубы 3, которая лежит в диапазоне 1,2÷2,3 от температуры кипения испаряемой жидкости. Этот диапазон определяется тем, что непосредственно кипение капли может происходить только в определенном интервале температур греющей поверхности, ограниченным с одной стороны температурой, большей температуры кипения испаряемой жидкости, т. е. примерно 1,2 от температуры кипения, а с другой стороны температурой, меньшей температуры перехода капли в сфероидальное состояние, определяемой в общем случае температурой Лейденфроста, т.е. около 0,9 от этой температуры, что соответствует примерно 2,3 от температуры кипения. Через форсунку 4 на греющую поверхность (внутреннюю поверхность обогреваемой трубы) 3 в виде капель периодически подается испаряемая жидкость, которые интенсивно испаряются в режиме кипения. Полученный при этом пар через дроссельное устройство 5 выводится в паровой коллектор 6.
Периодичность подачи капель испаряемой жидкости должна соответствовать 1,1÷1,3 от времени их испарения в режиме кипения на греющей поверхности. Это обстоятельство определяется необходимостью обеспечения полного испарения этих капель для освобождения греющей поверхности при подаче следующей порции жидкости.
Размер диаметра факела распыла капель подаваемой через форсунку 4 испаряемой жидкости, соответствующий соотношению (1), определяется необходимостью распределения жидкости по всему сечению обогреваемой трубы 3.
В случае, если факел распыла будет слишком узким, т.е.
ф
D<0,7⋅d,
то капли испаряемой жидкости, распределяясь не по всему сечению трубы, будут в основном сосредоточены в центральной ее части. При этом самые мелкие из них будут захватываться потоком образующегося пара и уноситься из трубы вместе с ним, что приведет к получению на выходе из испарителя некондиционного «мокрого» пара и, соответственно, снизит эффективность его работы.
В случае, если факел распыла будет слишком широким, т.е.
ф
D>1,0⋅d,
то входной участок трубы, со стороны которого расположена форсунка, будет слишком интенсивно орошаться каплями испаряемой жидкости, что приведет к их взаимному слиянию друг с другом в более крупные капли и, как следствие, в сплошную пленку жидкости на греющей поверхности (внутренней поверхности обогреваемой трубы). Так как интенсивность испарения пленки жидкости значительно ниже по сравнению с испарением отдельных ее капель, она не успеет полностью испариться до подачи следующей порции испаряемой жидкости, что с течением времени приведет к полному заполнению обогреваемой трубы, т.е. к аварийной ситуации, исключающей дальнейшую работу испарителя.
Длина обогреваемой трубы 3, соответствующая соотношению (2), определяется величиной необходимой площади теплообменной поверхности для обеспечения заданной производительности испарителя по получаемому пару.
Нижний предел соотношения (2) определяется необходимостью наличия сепарационного пространства, предназначенного для исключения уноса мелких капель испаряемой жидкости потоком образующегося пара и получения на выходе из испарителя некондиционного «мокрого» пара за счет испарения этих капель в потоке образующегося пара внутри обогреваемой трубы.
Верхний предел соотношения (2) ограничивает длину обогреваемой трубы величиной, при которой сила тяжести, действующая на капли, полученные с помощью распыла испаряемой жидкости, примерно сравнивается с динамической силой их движения внутри трубы. Это обстоятельство не позволяет нарушить равномерность орошения всей греющей поверхности (внутренней поверхности обогреваемой трубы) и привести к образованию сплошной пленки жидкости на одной ее стороне (например, при строго горизонтальном или вертикальном расположении трубы).
Также требуемая производительность испарителя по получаемому пару обеспечивается необходимым количеством обогреваемых труб 3, соединенных общим паровым коллектором 6.
Наличие в конструкции испарителя дроссельного устройства 5 позволяет дросселировать образующийся пар и получать на выходе из испарителя не только насыщенный, но и перегретый пар высокого давления, что, в свою очередь, полностью исключает возможность образования некондиционного «мокрого» пара.
Таким образом, использование в испарителе с обогреваемым корпусом в качестве греющей поверхности трубы с заявленными параметрами, в качестве устройства для распределения жидкости по греющей поверхности форсунки, а также установленного на выходе из трубы дроссельного устройства, обеспечивает увеличение эффективности работы испарителя.