ОРОСИТЕЛЬНЫЙ ИСПАРИТЕЛЬ

Предлагаемая конструкция относится к оросительным теплообменным аппаратам, в которых жидкий хладагент охлаждает технологическую среду, попутно при этом частично или полностью испаряясь, и может быть использована в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности в качестве оросительного испарителя.
Известен оросительный холодильник, действующий по принципу орошения горизонтального пучка труб струями охлаждающей жидкости, состоящий из нескольких трубных секций, соединенных калачами, при этом жидкий хладагент струями непрерывно стекает по трубам сверху вниз, а охлаждаемая жидкость подается противотоком внутрь труб (Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов, 10-е изд. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004 г. - 753 с.).
Недостатками данного аппарата являются неравномерное струйное орошение поверхности труб, приводящее к уменьшению площади поверхности теплообмена, громоздкость конструкции и, соответственно, большая металлоемкость, приводящие к потерям тепловой энергии и уменьшению интенсивности теплообмена.
Известен аппарат для проведения процессов теплообмена, содержащий полый теплообменный элемент, выполненный в виде чередующихся секций в форме «конфузор-диффузор», установленный соосно с цилиндрической поверхностью и образующий с ней теплообменное устройство типа «труба в трубе», при этом проточная часть теплообменного элемента выполнена в форме овала (патент РФ №90887, МПК F28D 7/00, F28D 11/04, 20.01.2010 г.).
Недостатками данного аппарата являются сложность конструкции, связанная с необходимостью изготовления проточной части теплообменного элемента в форме овала, а также большие энергетические затраты на проведение процессов теплообмена, связанные с наличием в конструкции электродвигателя, приводящего во вращение теплообменный элемент. Кроме того, при большом расходе хладагента увеличивается скорость его течения внутри теплообменного элемента, что приводит к необходимости либо увеличения длины теплообменного элемента, либо к увеличению скорости его вращения. Это необходимо для того, чтобы внутри быстро движущегося потока хладагента успела развиться сложная трехмерная вихревая структура его движения, благоприятно влияющая на выравнивание температурных неоднородностей и усиливающая теплообменные процессы. А это, в свою очередь, ведет либо к увеличению металлоемкости конструкции, либо к увеличению энергетических затрат на проведение процессов теплообмена. Если же при большом расходе хладагента либо не увеличивать длину теплообменного элемента, либо не увеличивать скорость его вращения, то структура движения хладагента будет оставаться линейной по всей длине теплообменного элемента. Это приведет к отсутствию выравнивания температурных неоднородностей внутри потока жидкости, что, в свою очередь, негативно скажется на интенсивности теплообмена.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является оросительный теплообменник, содержащий корпус и размещенные в нем теплообменную поверхность и распылитель для ввода жидкого хладагента, выполненного в виде трубки, имеющей форму спирали, установленной с зазором вокруг теплообменной поверхности на подшипниках с возможностью вращения, при этом на трубке расположены сопла, направленные под углом α=35÷55° к теплообменной поверхности (патент РФ №120205, МПК F28D 11/04, 10.09.2012 г.).
Недостатком данного оросительного теплообменника является ограниченная интенсивность теплообмена, обусловленная его конструктивной невозможностью работы с жидкостями, проявляющие ярко выраженные ассоциативные свойства.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности теплообмена.
Технический результат достигается тем, что оросительный испаритель, содержащий корпус и размещенные в нем теплообменную поверхность и распылитель для ввода жидкого хладагента, выполненного в виде трубки, имеющей форму спирали, установленной с зазором вокруг теплообменной поверхности на подшипниках с возможностью вращения, при этом на трубке расположены сопла, направленные под углом α=35÷55° к теплообменной поверхности, причем корпус снабжен шнековым питателем.
Наличие в предлагаемой конструкции оросительного испарителя шнекового питателя позволяет постоянно вводить в жидкий хладагент (для оросительных аппаратов обычно используют воду) снег и ледяную крошку, в результате чего постоянно поддерживать в составе хладагента на заданном уровне концентрацию твердой фазы - «льдоподобной» структуры - ассоциативных, т.е. надмолекулярных структур, образующихся в воде за счет водородных связей и накапливающихся вблизи поверхности раздела фаз. Это обстоятельство способствует постоянному образованию вблизи этой поверхности множества ассоциатов, имеющих развитую границу раздела, через которую и осуществляется испарение молекул хладагента. Кроме того, это способствует максимально быстрой доставки насыщенного «льдоподобной» структурой жидкого хлад агента в зону его испарения на теплообменной поверхности, что препятствует процессу укрупнения ассоциатов, находящихся вблизи межфазной поверхности и сохраняет наиболее развитой границу их раздела.
Содержание снега и ледяной крошки в жидком хладагенте должно поддерживаться на максимально высоком уровне, при котором, однако, вся твердая фаза, добавленная в него с помощью шнекового питателя, успеет перейти в жидкое агрегатное состояние до того момента, как поступит в распылитель жидкого хладагента, выполненный в виде спиральной трубки. Это необходимо для того, чтобы избежать сопротивления при распыле жидкого хладагента через сопла и их забивки.
Таким образом, предлагаемый оросительный испаритель, в отличии от прототипа, имеет конструктивную возможность работы с жидкостями, проявляющими ярко выраженные ассоциативные свойства. Кроме того, за счет распыла жидкого хладагента через сопла в виде капель и струй при попадании на теплообменную поверхность он имеет высоко развитую межфазную поверхность, что еще больше позволяет проявиться ассоциативным свойствам жидкости. Все эти обстоятельства в совокупности способствуют увеличению интенсивности теплообмена в целом.
На схеме показан оросительный испаритель, который состоит из корпуса 1, который снабжен шнековым питателем 2 для ввода в жидкий хладагент снега и ледяной крошки, установленным перпендикулярно стенки корпуса 1. В корпусе 1 размещены теплообменная поверхность 3, распылитель жидкого хладагента в виде трубки 4, имеющей форму спирали с расположенными на ней соплами 5, направленными под углом α=35÷55° к теплообменной поверхности 3, полая муфта 6, установленная на подшипниках, штуцер 7 подачи хладагента и штуцеры для ввода 8 и вывода 9 охлаждаемой среды. Под оросительным испарителем установлен поддон 10 для сбора отработанного хладагента.
Оросительный испаритель работает следующим образом. Охлаждаемая среда через штуцер 8 подается внутрь корпуса 1 аппарата, проходит по длине теплообменника, контактируя с теплообменной поверхностью 3, и выводится через штуцер 9. В жидкий хладагент, подаваемый в аппарат через штуцер 7, с помощью шнекового питателя 2 вводится снег и ледяная крошка, после чего он поступает в полую муфту 6, а затем в распылитель 4, откуда через сопла 5, расположенные под углом α=35÷55° к теплообменной поверхности 3, в виде струй и капель тангенциально подается на теплообменную поверхность 3. При этом введенная в жидкий хладагент твердая фаза по мере его движения через аппарат переходит в жидкое состояние и не создает сопротивление при распыле жидкого хладагента через сопла 5. Капли и струи (которые после выхода из сопел также распадаются на отдельные капли) жидкого хладагента, проходя через расположенные под углом α=35÷55° к теплообменной поверхности 3 сопла 5, за счет динамической силы потока жидкости создают вращающий момент, который сообщается распылителю 4 жидкого хладагента, приводя его во вращательное движение относительно продольной оси аппарата. Это позволяет постоянно обеспечивать приток «свежего» хладагента ко всей теплообменной поверхности 3.
Добавление в жидкий хладагент снега и ледяной крошки позволяет насытить его «льдоподобной» структурой, а наличие в конструкции шнекового питателя 2, расположенного на корпусе 1 аппарата, - максимально быстро доставить его в зону испарения на теплообменной поверхности 3. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что шнековый питатель 2 расположен вблизи полой муфты 6, сообщающейся с трубкой 4 для распыла хладагента на теплообменную поверхность 3 через сопла 5, в связи с чем время пребывания хладагента в аппарате, пока он движется от шнекового питателя 2 через полую муфту 6, трубку 4 и сопла 5 является минимально возможным. Высокое содержание «льдоподобной» структуры способствует появлению вблизи межфазной поверхности (на границе жидкость-газ) множества ассоциативных структур, имеющих развитую границу раздела фаз, через которую осуществляется процесс испарения капель жидкости. Так как межфазная поверхность (на границе жидкость-газ) постоянной обновляется за счет непрерывной подачи через вращающийся распылитель 4 и сопла 5 свежего хладагента насыщенного «льдоподобной» структурой, и время его контакта с теплообменной поверхностью 3, равное времени испарения капель жидкости мало, образовавшиеся ассоциаты вблизи этой межфазной поверхности не успевают укрупняться за счет термического воздействия на жидкость со стороны теплообменной поверхности 3. В связи с этим, между ассоциатами всегда остается развитая граница раздела, что способствует увеличению интенсивности теплообмена за счет проявления ярко выраженных ассоциативных свойств жидкости. Отработанный хладагент поступает в поддон 10.
Температуру теплообменной поверхности 3 рекомендуется поддерживать в диапазоне 1,1÷1,6 температуры кипения жидкого хладагента для того, чтобы процесс испарения жидкого хладагента осуществлялся в режиме капельного кипения, при котором интенсивность теплоотдачи резко возрастает (патент РФ №2462286, МПК B01D 1/22, 27.09.2012 г.). Верхний предел рекомендуемого диапазона рабочих температур теплообменной поверхности 3 обуславливается негативным воздействием высокой температуры на структурные свойства жидкого хладагента, при котором ассоциаты вблизи межфазной поверхности (на границе жидкость-газ) начинают укрупняться с уменьшением суммарной длины границы их раздела, что, в свою очередь, приводит к снижению интенсивности теплообмена за счет недостаточного проявления ассоциативных свойств жидкого хладагента. При несоблюдении рекомендуемого температурного режима аппарат все равно будет работать как обычный теплообменник, в котором жидкий хладагент, представляющий из себя «рассол», т.е. смесь из жидкой и твердой фазы, просто не будет проявлять ярко выраженных ассоциативных свойств. Именно рекомендуемый диапазон работы аппарата обуславливает его название.
Таким образом, предлагаемый оросительный испаритель, корпус которого снабжен шнековым питателем, позволяющим осуществлять подачу снега и ледяной крошки, за счет повышения ассоциативных свойств хладагента, обеспечивает увеличение интенсивности теплообмена.