ИСПАРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к технике проведения тепло- и массообменных процессов, а именно испарению жидких сред (жидкостей, растворов) в режиме кипения, и может быть использована в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности в испарителях, дистилляторах, выпарных и массообменных аппаратах.
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 разветвлённым гребенчатым коллектором для подвода и равномерного распределения по нагретой поверхности испаряемой жидкости в виде капель (патент РФ № 2462286, МПК B01D 1/22, 14.03.2011 г.).
Недостатком данной конструкции является технологическая сложность изготовления разветвлённого коллектора, который должен обеспечить равномерную подачу капель для эффективной работы испарителя. Это связано с тем, что гидравлическое сопротивление по длине трубок коллектора изменяется, соответственно должны меняться диаметры отверстий, отверстия могут засоряться и т. п.
Известен 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 закреплённых на противоположных стенках со смещением и зазором, при этом греющие поверхности имеют температурупревышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель (патент РФ № 107960, МПК B01D 1/00, опубл. 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 объём 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 ведёт к повышенным энергозатратам, увеличенным габаритам и металлоёмкости аппарата, т. е. к снижению эффективности его работы. 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 своём движении мелкие капли неиспарившейся жидкости, что может приводить к получению на выходе из испарителя некондиционного «мокрого» пара.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является испаритель, содержащий 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, причём греющая поверхность выполнена в виде трубы, диаметр которой определяется соотношением
D
d
ф
=(0,7÷1,0)⋅,
D
где  – внутренний диаметр трубы, м,
d
ф
– диаметр факела распыла капель жидкости, м,
а длина – из соотношения
L
l
ф
=(2÷5)⋅,
L
где  – длина трубы, м,
l
ф
– длина факела распыла капель жидкости, м,
причём устройство для распределения жидкости выполнено в виде форсунки, а на выходе из трубы установлено дроссельное устройство (патент РФ № 186246, МПК B01D 1/22, опубл. 14.01.2019 г.).
Недостатком данной конструкции является зависимость длины обогреваемой трубы испарителя от длины факела распыла капель. При большом расходе жидкости через форсунку требуется и большая греющая поверхность, т. е. длина трубы, что не позволяет обеспечить её равномерное капельное орошение. Это обстоятельство приведёт к образованию сплошной плёнки жидкости в зоне распыла и снижению эффективности работы испарителя. Кроме того, неорошаемая часть обогреваемой трубы не будет участвовать в процессе испарения жидкости, что приведёт к повышенным энергозатратам, увеличенным габаритам и металлоёмкости аппарата, т. е. к дополнительному снижению эффективности его работы. При этом вариант компенсации указанного недостатка большим количество обогреваемых труб в конструкции испарителя также приведёт к нерациональному увеличению металлоёмкости.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение эффективности работы испарителя.
Технический результат достигается в испарителе, содержащем обогреваемый корпус, греющую поверхность, выполненную в виде трубы и имеющую температуру в 1,2÷2,3 раза превышающую температуру кипения испаряемой жидкости, узел для распределения жидкости на входе в трубу, снабженную на выходе дросселем и паровой коллектор, при этом узел для распределения жидкости выполнен в виде равномерно перфорированной глухой трубки, диаметр которой определяется соотношением:
d
D
=(0,5÷0,8)⋅,                                                 (1)
D
где  – внутренний диаметр греющей поверхности, м,
а длина – из соотношения
l
L
=(0,5÷0,8)⋅,                                                  (2)
L
где  – длина греющей поверхности, м.
Использование в качестве узла для распределения жидкости равномерно перфорированной глухой трубки позволяет обеспечить равномерное капельное орошение греющей поверхности при любом расходе жидкости, что, в свою очередь, обеспечивает высокую эффективность работы испарителя.
d
D
d
D
Диаметр равномерно перфорированной глухой трубки, соответствующий соотношению (1), обусловлен необходимостью равномерного распределения капель испаряемой жидкости по греющей поверхности. Если диаметр равномерно перфорированной глухой трубки будет меньше <0,5⋅, то капли будут распределяться на греющей поверхности слишком разрозненно друг от друга, в результате чего значительная её часть не будет участвовать в процессе испарения жидкости, что приведёт к снижению эффективности работы испарителя. Если же диаметр равномерно перфорированной глухой трубки будет больше >0,8⋅, то капли будут распределяться на греющей поверхности слишком близко друг к другу, в результате чего они сольются в сплошную плёнку жидкости, что также приведёт к снижению эффективности работы испарителя.
Длина равномерно перфорированной глухой трубки, соответствующая соотношению (2), определяется величиной необходимой площади греющей поверхности для обеспечения заданной производительности испарителя по получаемому пару. Пределы соотношения (2) определяются 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 счёт испарения этих капель в потоке образующегося пара внутри обогреваемой трубы: нижний предел – при большом расходе жидкости, верхний предел – при малом расходе жидкости.
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.
На фиг. 2 – вид сверху предлагаемой конструкции испарителя.
Испаритель состоит из обогреваемого корпуса 1, нагревательного элемента 2, греющей поверхности 3, выполненной в виде трубы, узела для распределения жидкости 4, выполненного в виде равномерно перфорированной глухой трубки (диаметр перфорации не должен превышать диаметр узла для распределения жидкости 4), установленного на выходе из трубы дросселя 5 и парового коллектора 6.
Испаритель работает следующим образом. Работа нагревательного элемента 2 обеспечивает необходимую температуру греющей поверхности 3 – внутренней поверхности обогреваемой трубы, 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 определённом интервале температур греющей поверхности 3, 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 узел для распределения жидкости 4, выполненный в виде равномерно перфорированной глухой трубки, на греющую поверхность 3, а именно на её внутреннюю поверхность, в виде капель периодически подаётся испаряемая жидкость. Капли интенсивно испаряются в режиме кипения, образуя пар, который 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.
Также требуемая производительность испарителя по получаемому пару обеспечивается необходимым количеством греющих поверхностей 3, соединённых общим паровым коллектором 6.
Наличие в конструкции испарителя дросселя 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 испарителя, содержащего обогреваемый корпус, греющую поверхность, выполненную в виде трубы и имеющую температуру в 1,2÷2,3 раза превышающую температуру кипения испаряемой жидкости, узел для распределения жидкости, выполненный в виде равномерно перфорированной глухой трубки, дроссель и паровой коллектор, обеспечивает увеличение эффективности работы испарителя.