СПОСОБ ИСПАРЕНИЯ ГЛУБОКО ОХЛАЖДЕННОЙ ЖИДКОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ, В ЧАСТНОСТИ ЖИДКОГО ВОДОРОДА, И ИСПАРИТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F25B39/02 F02C3/22 

Изобретение относится к способу и испарителю глубоко охлажденной жидкой рабочей среды. Такие испарители, как правило, выполняются в виде пластинчатых или трубчатых теплообменников и применяются в тех случаях, когда рабочая среда хранится при низких температурах в жидком состоянии в баках, однако используется в газообразном агрегатном состоянии. Примером такого случая может быть применение криогенных жидкостей, таких как жидкий водород или природный газ в качестве носителя энергии для двигателей самолета, в частности турбодвигателей.

Особенность таких испарителей заключается в очень низкой входной температуре подлежащего испарению газа порядка 20 K (= -253^oC). Так как в качестве источника тепла для испарения (и при необходимости перегрева) криогенной жидкости к испарителю подводится либо окружающий воздух, либо, например, отработанный газ двигателей, либо другая нагретая среда, то при контакте этой среды с экстремально холодными поверхностями существует опасность, что эта среда будет охлаждена ниже соответствующей температуры росы, соответственно, температуры замерзания и частично конденсируется или образует лед на поверхности испарителя.

Обычно эту опасность предотвращают ухудшением теплопередачи, за счет чего достигаются более высокие температуры поверхности на стороне входа тепла в испаритель. Это приводит, однако, к громоздкой и тяжелой конструкции такого испарителя, что особенно нежелательно при применении их в авиации и космонавтике.

Поэтому в основе изобретения лежит задача создать такой способ и испаритель для реализации способа, чтобы надежно исключить конденсацию, соответственно, образование льда несущей тепло среды (например, воздуха или обработанного газа) и при этом обеспечить легкую компактную конструкцию испарителя.

Эта задача решается тем, что водород сначала испаряется в подающем отрезке и в определенной степени перегревается, а после прохода этого отрезка возвращается обратно вдоль поверхности и служит промежуточным слоем для теплопередачи.

Предпочтительные варианты выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение поясняется ниже с помощью чертежей, на которых показано:
Фиг.1 - испаритель в продольном разрезе.

Фиг.2 - вариант выполнения испарителя по фиг.2.

Фиг.3 - вариант выполнения с трубчатой спиралью.

Фиг.4 - вариант выполнения с дополнительной перегородкой.

Фиг.1 показывает возможное выполнение испарителя 1 согласно изобретению, например, для испарения водорода для турбины самолетного двигателя. При этом испаритель 1 состоит в принципе из трех вставленных друг в друга труб 2, 3 и 4, причем во внешних поверхностях обеих внутренних труб 3 и 4 созданы проходящие винтообразно по периметру каналы 5, соответственно, 6, а стенки каналов соединены с внутренними поверхностями расположенных над ними труб. Внешняя труба 2 и внутренняя труба 4 на их концах герметично соединены друг с другом торцевой стенкой 7, соответственно, 8, при этом средняя труба 3 также соединена герметично с торцевой стенкой 7. Между правым на изображении концом трубы 3 и торцевой стенкой 7 существует зазор s. Для ввода подлежащей испарению рабочей среды в направлении стрелки 9 предусмотрен вход 10, соединенный с каналом 5. Для отбора газообразной рабочей среды служит соединенный с каналом 6 выход 11, через который полученный газ выходит в направлении стрелки 12. Очень холодные во время работы внешние поверхности снабжены изоляцией 13 для предотвращения конденсации, соответственно, образования льда. Во время работы через внутреннюю трубу 3 в направлении стрелки 14 протекает отдающая тепло среда. Если теперь подлежащую испарению рабочую среду подать через вход 10 в канал 5, то она проходит на чертеже слева направо и через зазор s попадает в канал 6, по которому она проходит в противоположном направлении до выхода 11. Таким образом, подлежащая испарению рабочая среда проходит сначала через подающий отрезок, образованный каналом 5, а затем возвратный отрезок, образованный каналом 6. В принципе возможно одинаково направленное и противоположно направленное выполнение винтообразных каналов 5 и 6.

Фиг.2 показывает вариант выполнения испарителя по фиг.1. При этом стенки каналов 5 и 6 в радиальном направлении расположены друг над другом. Благодаря этому достигается повышенная прочность испарителя. В этом варианте выполнения возможно использование только одинаково направленных спиралей каналов.

Фиг.3 показывает другой вариант выполнения изобретения в виде испарителя 15, состоящего из внешнего кожуха 16, внутреннего кожуха 17, двух торцевых стенок 18 и 19, входа 20 и выхода 21 и изоляции 22. При этом внешний кожух 16 и внутренний кожух 17, а также торцевые стенки 18 и 19 герметично закрывают полое пространство 23. В этом испарителе 15 путь, который проходит подлежащая испарению рабочая среда, снова состоит из подлежащего и возвратного отрезков. Для этого в полом пространстве 23 так размещена трубчатая спираль 24, что образующая спираль трубка одинаково соприкасается с внешним кожухом 16 и с внутренним кожухом 17. Левый на изображении конец трубчатой спирали 24 соединен только с входом 20, а правый конец трубчатой спирали открыт и выходит в полое пространство 23. Если подлежащая испарению среда подается на вход 20, то она проходит трубчатую спираль 24 на изображении слева направо и на конце трубчатой спирали 23 попадает в полое пространство 23. Отсюда рабочая среда по расположенным между спиралью и внешним кожухом 16, соответственно, внутренним кожухом 17 каналам с клинообразным поперечным сечением протекает обратно и попадает к выходу 21. Вследствие отдачи тепла протекающей в направлении стрелки 25 среды испаренная рабочая среда выходит через выход 21 в газообразном состоянии.

Фиг. 4 показывает вариант выполнения испарителя с трубчатой спиралью по фиг. 3. Кроме трубчатой спирали 24 здесь вокруг внутреннего кожуха намотана винтообразная перегородка 26 и сварена с ним. При высоких внутренних давлениях в испарителе это способствует укреплению внутреннего кожуха. Благодаря этому предотвращается вдавливание внутреннего кожуха.

Таким образом способ для испарения рабочей среды состоит в том, что рабочая среда, например водород, сначала испаряется в подающем отрезке и в определенной степени перегревается, а после прохода этого отрезка возвращаются обратно вдоль поверхности и служит промежуточным слоем для теплопередачи. Эта возвращенная и перегретая рабочая среда может вследствие своей низкой температуры в 20 K конденсироваться только тогда, когда она снова будет охлаждена до этой температуры, что может быть легко предотвращено за счет соответствующего исполнения испарителя.

Раскрытый способ испарения в обратном потоке, или возвратного испарения имеет преимущества тогда, когда обрабатываются среды с экстремально различными температурами, и когда необходимо одновременно обеспечить крайне низкий вес.

В практической работе внутренняя труба 4 или внутренний кожух 17 являются составляющей частью трубопровода для горячего газа. Настоящий способ может однако успешно применяться также тогда, когда отдающим тепло элементом является, например, камера сгорания как в патентной заявке 19547515, в которой уже раскрыта камера сгорания с интегрированным испарителем.

Способ испарения глубоко охлажденной жидкой рабочей среды с помощью действующего как теплообменник испарителя состоит в том, что водород сначала испаряется в подающем отрезке и в определенной степени перегревается, а после прохода этого отрезка возвращается обратно вдоль поверхности и служит промежуточным слоем для теплопередачи. Подающий канал для подлежащей испарению среды испарителя связан через щель с возвратным каналом, служащим в качестве промежуточного слоя, и связанным с выходом. Описанный способ позволяет реализовать испарители с чрезвычайно низким весом, с помощью которых можно обрабатывать среды с экстремально различными температурами. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ испарения жидкого водорода посредством действующего как теплообменник испарителя, отличающийся тем, что водород сначала испаряется в подающем отрезке и в определенной степени перегревается, а после прохода этого отрезка возвращается обратно вдоль поверхности и служит промежуточным слоем для теплопередачи. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что водород как в подающем, так и в возвратном отрезке проходит по винтовой линии. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что водород по меньшей мере в одном отрезке проходит по винтовой линии. 4. Испаритель, содержащий канал для среды, отдающей тепло, и канал для среды, подлежащей испарению, отличающийся тем, что подающий канал (5) для подлежащей испарению среды связан со входом (10), газообразная среда из служащего в качестве промежуточного слоя возвратного канала (6) удаляется через выход (11), а между каналами (5) и (6) существует связь (щель S). 5. Испаритель по п.4, отличающийся тем, что конструкция каналов (5, 6) выполнена винтообразно. 6. Испаритель по п. 5, отличающийся тем, что направление закручивания винтообразных отрезков одинаково. 7. Испаритель по п. 5, отличающийся тем, что направление закручивания винтообразных отрезков различно. 8. Испаритель по одному из пп.4 - 7, отличающийся тем, что в полости (23), образованной между внешней и внутренней оболочками (16, 17) установлена трубчатая спираль (24). 9. Испаритель по одному из пп.4 - 8, отличающийся тем, что канал для отдающей тепло среды представляет собой камеру сгорания.

Установлен конвенционный приоритет от 03.05.96 согласно первой заявке N 19617916.5, поданной в патентное ведомство Германии.