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 приводят к увеличению энергетических затрат на процесс 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, что, в свою очередь, приводит к увеличению энергетических затрат.
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 и соответственно увеличиваются энергетические затраты на процесс испарения.
k
k
a
а
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является 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 теплоэлектронагреватели, отличающийся тем, что 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 (патент РФ №124174, МПК B01D 1/22, 20.01.2013 г.).
Недостатком данного испарителя является неэффективное использование тепловой энергии по всей площади греющих поверхностей, так как на верхние греющие поверхности попадают наибольшие по объему и массе капли жидкости, на испарение которых нужно подводить большее количество тепловой энергии, а на нижних греющих поверхностях остаются наименьшие по объему и массе капли жидкости, на испарение которых необходимо подводить меньшее количество тепловой энергии. Это обстоятельство приводит к потерям тепловой энергии, что, в свою очередь, приводит к увеличению энергетических затрат.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является уменьшение энергетических затрат на процесс испарения за счет саморегулирования температуры греющих поверхностей.
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 теплоэлектронагреватели, причем 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, а на каждой опоре установлен ползунковый реостат, последовательно соединенный с теплоэлектронагревателем.
Закрепление ТЭНов под греющими поверхностями позволяет обеспечить равномерное их нагревание 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.
a
а
Изготовление греющих поверхностей с рифленым профилем в виде храповидных зубьев с длиной и высотой зуба, подчиняющихся соотношению =(4÷S)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, закрепление между каждой полкой и опорой цилиндрических пружин, а также установка на каждой опоре ползункового реостата, последовательно соединенного с ТЭНом, позволяет обеспечивать процесс саморегулирования температуры греющих поверхностей за счет изменения сопротивления ТЭНов, что позволит снизить энергетические затраты на процесс испарения.
При работе аппарата на верхние греющие поверхности попадают капли, имеющие наибольшие объем и массу, для испарения которых необходима более высокая температура из-за большего теплосъема с греющих поверхностей и, соответственно, больший расход энергии, затрачиваемой на их нагрев. При этом угол наклона греющих поверхностей по отношению к стенке аппарата (по направлению вниз) будет наименьшим, и ползунки сдвинутся вниз по обмоткам ползунковых реостатов, тем самым уменьшая число витков, через которые течет ток, что, в свою очередь, приведет к уменьшению электрического сопротивления ползунковых реостатов и увеличению расхода (мощности) электрической и, соответственно, тепловой энергии через ТЭНы под верхними греющими поверхностями аппарата.
Так как ползунковые реостаты установлены последовательно с ТЭНами, то ток, проходящей по электрическим цепям каждой полки будет постоянным.
Электрическая мощность каждого ТЭНа равна
P
ТЭН
где U - напряжение в электрической цепи, В; I - сила тока в электрической цепи. A; R - переменное сопротивление ползункового реостата. Ом; R - постоянное сопротивление ТЭНа, Ом.
P
Таким образом при уменьшении сопротивления R ползункового реостата электрическая мощность Q каждого ТЭНа возрастет, что, в свою очередь, приведет к возрастанию расхода тепловой энергии через каждый ТЭН. Расход тепловой энергии через каждый ТЭН (тепловая мощность каждого ТЭНа) может быть с достаточной степенью точности для инженерных расчетов определен по формуле для расчета электрической мощности каждого ТЭНа.
При движении капель жидкости по греющим поверхностям на паровой «подушке» они интенсивно испаряются, в результате чего на нижние греющие поверхности попадают капли уже значительно меньших объема и массы, для испарения которых необходима более низкая температура из-за меньшего теплосъема с греющих поверхностей и, соответственно, меньший расход энергии, затрачиваемой на их нагрев. При этом угол наклона греющих поверхностей по отношению к стенке аппарата (по направлению вниз) будет наибольшим, и ползунки сдвинутся вверх по обмоткам ползунковых реостатов, тем самым увеличивая число витков, через которые течет ток, что, в свою очередь, приведет к увеличению электрического сопротивления ползунковых реостатов и уменьшению расхода (мощности) электрической и, соответственно, тепловой энергии через ТЭНы под нижними греющими поверхностями аппарата.
Описанный выше процесс механического саморегулирования температуры греющих поверхностей позволяет значительно экономить электроэнергию на испарение жидкости в испарителе, тем самым снизив общие энергетические затраты при эксплуатации аппарата.
На фиг.1 показана схема испарителя, на фиг.2 греющая поверхность, закрепленная на шарнире в увеличенном масштабе, на фиг.3 схема последовательного подключения ползункового реостата и ТЭНа под каждой полкой.
k
k
a
а
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, а на каждой опоре установлен ползунковый реостат, последовательно соединенный с теплоэлектронагревателем, состоящий из неподвижной обмотки 14 и ползунка 15, жестко закрепленного на нижней стороне каждой полки.
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. При этом 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. При этом за счет того, что общая масса капель жидкости на верхних полках будет наибольшей, равно как и диапазон изменения их угла наклона в процессе колебаний, ползунки 15 смещаются по неподвижным обмоткам 14 реостатов вниз в сторону меньшего сопротивления, что, в свою очередь, обеспечивает наибольший расход (мощность) электрической и, соответственно, тепловой энергии через ТЭНы. На нижних полках из-за того, что часть жидкости испарится, общая масса капель будет наименьшей, равно как и диапазон изменения угла наклона полок в процессе колебаний. При этом ползунки реостатов смещаются по неподвижным обмоткам вверх в сторону большего сопротивления, что, в свою очередь, обеспечивает снижение расхода (мощности) электрической и, соответственно, тепловой энергии через ТЭНы.
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 уменьшить энергетические затраты на процесс испарения за счет саморегулирования температуры греющих поверхностей.