УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ Российский патент 1995 года по МПК F25J5/00 

Изобретение относится к криогенной технике, предназначено для разделения смеси газов на компоненты путем их конденсации на охлажденную внутреннюю поверхность устройства с последующим покомпонентным испарением газов при регулируемом повышении температуры всей его внутренней поверхности и преимущественно используется для разделения небольших объемов смеси газов и получения проб для масс-спектрометрических исследований.

Известны теплообменники, состоящие из емкости и помещенного внутрь нее змеевика, омываемого хладагентом (Бажан П.И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам. М. Машиностроение, 1989, с.59).

При поступлении газов в охлажденный змеевик происходит их конденсация. Однако дальнейшее разделение смеси газов на компоненты испарением возможно только в неуправляемом режиме при удалении змеевика из хладагента и происходящем при этом естественном нагреве змеевика. Неуправляемое повышение темпеpатуpы и невозможность ее стабилизации на определенном уровне значительно сказываются на эффективности разделения.

Известно устройство для разделения газов, содержащее емкость для жидкого хладагента, источник питания регулируемого напряжения, конденсатор-испаритель с охлаждаемой внутренней поверхностью и с патрубками ввода и вывода газов [1]
Конденсационные элементы устройства покрыты токопроводящей пленкой. Пропускание тока через эту пленку позволяет регулировать температуру поверхности конденсационных элементов.

Однако эффективного разделения смеси газов на компоненты в этом устройстве достичь невозможно по той причине, что внутренние стенки конденсатора-испарителя имеют различную температуру, которая в полной мере регулируется только на боковых стенках конденсационных элементов. Например, в случае пропускания тока через пленку нижние основания конденсационных элементов имеют более низкую температуру, чем их боковые стенки, а температура внутренней поверхности конденсатора-испарителя, не входящей в поверхность конденсационных элементов, не регулируется.

Указанное устройство наиболее близко по технической сущности к предлагаемому и принято за прототип.

Изобретение позволяет повысить эффективность разделения смеси газов за счет регулирования температуры на всей внутренней поверхности конденсатора-испарителя и поддержания ее стабильной в течение необходимого времени.

Поставленная задача решается тем, что устройство для разделения газов, содержащее емкость для жидкого хладагента, конденсатор-испаритель с патрубками ввода и вывода газов и источник питания регулируемого напряжения, согласно изобретению снабжено камерой, установленной в емкости с возможностью полного погружения в жидкий хладагент и имеющей в нижней и верхней стенках сквозные отверстия для прохода хладагента и его паров, конденсатор-испаритель выполнен в виде изогнутой токопроводящей трубки с постоянным сечением и постоянной кривизной изгиба и размещен в камере, а источник питания подключен к патрубкам конденсатора-испарителя.

Кроме того, наружная поверхность изогнутой токопроводящей трубки покрыта пористой теплоизоляцией, а сквозное отверстие верхней стенки камеры снабжено клапаном.

Такое выполнение устройства для разделения газов позволяет регулировать температуру всей внутренней поверхности конденсатора-испарителя, в котором находится смесь газов. Предельно низкие температуры, близкие к температуре хладагента, можно получить при открытом клапане на сквозном отверстии верхней стенки камеры. В этом случае хладагент через сквозное отверстие нижней стенки камеры проникает внутрь нее, а затем, проникая через пористую теплоизоляцию, равномерно охлаждает конденсатор-испаритель.

Если же закрыть клапан на отверстии верхней стенки камеры и включить источник питания регулируемого напряжения, то в результате нагрева изогнутой трубки образовавшиеся пары хладагента вытесняют хладагент из камеры. Непосредственный контакт жидкого хладагента и конденсатора-испарителя прекращается.

В дальнейшем подбором величины напряжения можно регулировать температуру до необходимого уровня для испарения газовых компонентов. Постоянные кривизна изгиба и поперечного сечения изогнутой трубки по всей ее длине обеспечивают одинаковое сопротивление на всем протяжении трубки. Это обуславливает равномерный нагрев изогнутой трубки при пропускании через нее тока.

Обеспечивая регулировкой тока создание необходимой температуры и поддержание ее стабильной во всем объеме конденсатора-испарителя необходимое время, добиваются повышения эффективности разделения газов из смеси за счет создания для каждого компонента смеси своей необходимой температуры испарения.

Сущность изобретения поясняется чеpтежом, где показан продольный разрез устройства.

Устройство для разделения газов содержит емкость 1 для жидкого хладагента, в которой установлена и полностью погружена в жидкий хладагент камера 2, имеющая в нижней и верхней стенках сквозные отверстия 3 для прохода хладагента и его паров. Сквозное отверстие 3 верхней стенки камеры 2 снабжено клапаном 4 и патрубком 5 для прохода паров хладагента.

Внутри камеры 2 размещен конденсатор-испаритель, выполненный в виде изогнутой токопроводящей трубки 6, наружная поверхность которой покрыта пористой теплоизоляцией 7. При этом трубка 6 имеет по всей длине постоянную кривизну изгиба и постоянное поперечное сечение. К патрубкам ввода 8 и вывода 9 газов трубки 6 подводится регулируемое напряжение от источника питания 10. Патрубки ввода 8 и вывода 9 газов выведены из камеры 2 через герметичные токоизоляционные уплотнения 11. Кроме того, электропроводность единицы длины патрубков ввода 8 и вывода 9 газов превышает электропроводность единицы длины трубки 6, например, в три раза и более. В этом случае количество теплоты, выделяемое в единице длины патрубков ввода 8 и вывода 9 газов, в три раза меньше, чем в трубке 6, а температура нагрева патрубков 8 и 9 при условии, что они выполнены из того же материала, что и изогнутая трубка 6, почти в девять раз ниже температуры трубки. Выбор величины превышения электропроводностей позволяет исключить влияние внутренней поверхности патрубков 8 и 9 на технологический процесс.

Устройство работает следующим образом.

В емкость 1, заполненную жидким хладагентом, помещают камеру 2, полностью погружая ее в хладагент. Через сквозное отверстие 3 в нижней стенке камеры 2 хладагент полностью заполняет ее внутренний объем и, проникая через пористую теплоизоляцию 7, охлаждает изогнутую трубку 6 до температур, близких к температуре хладагента. Поступающая через патрубок ввода 8 смесь газов под воздействием низких температур конденсируется на внутренней поверхности изогнутой трубки 6.

Для дальнейшего эффективного разделения газов обеспечивают необходимые температуры испарения для каждого газового компонента. Закрывают клапан 4 на отверстии 3 верхней стенки камеры 2, от источника питания 10 регулируемого напряжения по патрубкам 8 и 9 подают электрический ток на изогнутую трубку 6. В результате нагрева трубки 6 происходит интенсивное испарение хладагента, что приводит к его быстрому вытеснению из камеры 2 и исключению контакта с нагретой трубкой 6.

Поскольку электрическое сопротивление изогнутой трубки 6 зависит от ее поперечного сечения и кривизны изгиба, то она выполнена из однородной по толщине трубки и во всех точках имеет постоянную кривизну изгиба. Этим достигается эквитемпературность внутренней поверхности трубки 6. Подача определенной электрической мощности на трубку 6 обеспечивает ее нагрев с заданной скоростью до определенных температур.

Компоненты сконденсировавшихся газов последовательно один за другим начинают испаряться и отсасываются через патрубок вывода 9 газа. Стабилизация температуры на определенном уровне достигается регулировкой величины пропускаемого тока. Пористая теплоизоляция 7 позволяет проводить более точную регулировку температуры. Так как камера 2 по-прежнему полностью погружена в хладагент, уменьшение тока приводит к снижению температуры изогнутой трубки 6. Это и позволяет стабилизировать температуру на необходимом уровне и произвести отбор необходимого количества газа. Наличие камеры 2 исключает непосредственный контакт хладагента с покрытой теплоизоляцией 7 нагретой трубкой 6, что позволяет плавно регулировать температуру и экономно использовать хладагент и электроэнергию.

Предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность разделения газов.

Использование: в криогенной технике, в частности в устройствах для разделения смеси газов на компоненты путем их конденсации на охлажденную поверхность. Сущность изобретения: устройство содержит камеру 2, установленную в емкости 1 с возможностью полного погружения в жидкий хладагент и имеющую в верхней и нижней стенках сквозные отверстия 3 для прохода хладагента и его паров. Конденсатор-испаритель выполнен в виде изогнутой токопроводящей трубки 6 с постоянным сечением и постоянной кривизной изгиба и размещен в камере 2, а источник питания 10 подключен к патрубкам 8 и 9 конденсатора-испарителя. Сквозное отверстие 3 верхней стенки камеры снабжено клапаном 4, а наружная поверхность изогнутой токопроводящей трубки 6 покрыта пористой теплоизоляцией 7. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ, содержащее емкость для жидкого хладагента, конденсатор-испаритель с патрубками ввода и вывода газов и источник питания регулируемого напряжения, отличающееся тем, что устройство снабжено камерой, установленной в емкости с возможностью полного погружения в жидкий хладагент и имеющей в нижней и верхней стенках сквозные отверстия для прохода хладагента и его паров, конденсатор-испаритель выполнен в виде изогнутой токопроводящей трубки с постоянным сечением и постоянной кривизной изгиба и размещен в камере, а источник питания подключен к патрубкам конденсатора-испарителя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружная поверхность изогнутой токопроводящей трубки покрыта пористой теплоизоляцией. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что сквозное отверстие верхней стенки камеры снабжено клапаном.