ПЛЕНОЧНЫЙ ИСПАРИТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК B01D1/22 

Изобретение относится к пленочным аппаратам, предназначенным для проведения процессов теплообмена в пищевой, химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности.

Известен пленочный испаритель по авт. свид. 1621994, МКИ В 01 D 1/22, 1991 г., содержащий напорную камеру, распределительный диск с отверстиями и полые пленкообразователи с отбортовкой в нижней части с калиброванными отверстиями, втулками, установленными в испарительных трубах, закрепленных в трубных решетках и проходящих через отверстия в распределительном диске.

Недостатком данного изобретения является необходимость поддержания контролируемого давления в напорной камере для обеспечения работоспособности аппарата. Тонкая пленка жидкости при отекании по стенкам трубы разрывается и превращается в струи, что резко сокращает поверхность испарения и уменьшает эффективность работы выпарного аппарата. К недостаткам относится также невозможность наложения ультразвуковых колебаний на пленкообразователи.

Известен пленочный испаритель, авт. свид. 1497819, МКИ В 01 D 1/22, 1994 г. , содержащий вертикальный цилиндрический корпус, верхнюю, нижнюю и промежуточную трубные доски, теплообменные гибкие трубы, проходящие с зазором через отверстия в промежуточной трубной доске, распределители жидкости, установленные в зазоре, штуцера ввода и вывода раствора, греющего, вторичного пара и конденсата, пленкообразователи, выполненные в виде радиальных ребер, на боковой поверхности которых выполнены скосы, сходящиеся на их нижних концах, а ребра выполнены на внутренней поверхности отверстий в промежуточной трубной доске.

Недостатком данного пленочного испарителя является то, что на применяемых гибких полимерных теплообменных трубах нельзя получить равномерное орошение труб по всему сечению аппарата из-за непрямолинейности их по всей длине. Кроме того, отсутствует возможность наложения на теплообменные трубы и пленкообразователи механических ультразвуковых колебаний.

Известен пленочный испаритель, описанный в полезной модели 10107 (МКИ В 01 D 1/22, 1999 г. - выбран за прототип), содержащий вертикальный цилиндрический корпус, торцевые крышки, верхнюю и нижнюю трубные доски, теплообменные трубы, пленкообразователи, установленные с зазором внутри верхних концов теплообменных труб, штуцера ввода и вывода обрабатываемой жидкости, греющего, вторичного пара и конденсата, трубопровод в виде змеевика, размещенный в нижней части корпуса, один конец которого соединен со штуцером ввода обрабатываемой жидкости, а другой, прямолинейный участок, закреплен между трубными досками и ввод обрабатываемой жидкости осуществляется в нижней крышке испарителя.

Недостатком данного пленочного испарителя является отсутствие возможности наложения на теплообменные трубы, пленкообразователи и прямолинейный участок трубопровода змеевика механических ультразвуковых колебаний.

Технический эффект предлагаемого изобретения - расширение технологических возможностей, повышение эффективности и качества обрабатываемых жидкостей с различными вязкостями.

Указанный технический эффект достигается тем, что в пленочном испарителе, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, торцевые крышки, верхнюю и нижнюю трубные доски, теплообменные трубы, пленкообразователи, выполненные в виде трубок, установленные с зазором внутри верхних концов теплообменных труб, штуцера ввода и вывода обрабатываемой жидкости, греющего, вторичного пара и конденсата, трубопровод в виде змеевика, размещенный в нижней части корпуса, один конец которого соединен со штуцером ввода обрабатываемой жидкости, а другой - прямолинейный участок, закреплен между трубными досками, а штуцер ввода обрабатываемой жидкости установлен в нижней торцевой крышке испарителя, согласно изобретению каждая теплообменная труба, расположенная между верхней и нижней трубными досками, в нижней части торцевой крышки жестко установлена в активную излучающую накладку и расположена соосно центральной оси каждого из введенных в устройство ультразвуковых преобразователей, имеющих центральное сквозное отверстие с диаметром, равным внутреннему диаметру теплообменной трубы, длиной L₁, равной nλ, причем нижняя и верхняя доски лежат в минимальных зонах пучности колебаний, где n= (k+1), k = 0, 1, 2, 3,..., λ - длина ультразвуковой волны.

Технический эффект достигается и в том случае, когда каждый пленкообразователь в верхней части торцевой крышки жестко установлен в активную излучающую накладку соосно с центральной осью каждого из введенных в устройство ультразвуковых преобразователей, имеющих центральное сквозное отверстие с диаметром, равным внутреннему диаметру трубки пленкообразователя и общей длиной L₂, равной kλ, где k = 1, 2, 3,..., λ - длина ультразвуковой волны.

Кроме того, технический эффект достигается и в том случае, когда каждый пленкообразователь совместно с активной излучающей накладкой ультразвукового преобразователя выполнен общей длиной L₃, равной (k+1/4)λ, где k=1,2,3,..., λ - длина ультразвуковой волны.

Технический эффект достигается и в случае, когда на наружной и внутренней поверхностях теплообменных труб и пленкообразователей, а также на внутренней поверхности отверстий ультразвуковых преобразователей выполнены винтовые канавки.

Технический эффект достигается также в случае, когда акустически-геометрические размеры пленкообразователей в два раза меньше упомянутых размеров теплообменных труб, в том числе длины волн находятся в соотношении:

где λ₁ - длина ультразвуковой волны теплообменной трубы;
λ₂ - длина ультразвуковой волны пленкообразователя.

Технический эффект достигается в случае, когда каждая теплообменная труба снабжена втулками, выполненными в виде сепараторов с отверстиями, с закрепленными в них шариками, имеющими возможность вращения, причем сепараторы расположены соосно теплообменным трубам и закреплены на их внутренней поверхности в зонах максимальной пучности колебаний.

Технический эффект достигается также и в том случае, когда на торце каждой теплообменной трубы и прямолинейного участка трубопровода в верхней части торцевой крышки установлена втулка-сепаратор с расположенными в ней отверстиями на торце, в которых закреплены шарики, имеющие возможность вращения.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показан пленочный испаритель, общий вид, на фиг.2 - ультразвуковой преобразователь, на фиг.3 - пленкообразователь, на фиг. 4 - пленкообразователь, сечение А-А, фиг.5 - варианты исполнения пленкообразователя.

Пленочный испаритель состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, верхних и нижних торцевых крышек 2 и 3, верхней 4 и нижней 5 трубных досок, теплообменных труб 6, пленкообразователей 7, выполненных в виде трубок и установленных с зазором 8 внутри верхних концов теплообменных труб 6, из штуцера ввода 9, вывода 10 обрабатываемой жидкости, из штуцера ввода 11 и вывода 12 греющего пара, из штуцера вывода конденсата 13, из штуцера вывода вторичного пара 14, трубопровода в виде змеевика 15, размещенного в нижней части корпуса 1, один конец которого соединен со штуцером ввода обрабатываемой жидкости 9, а другой - прямолинейный участок 16 закреплен между трубными досками 4 и 5. Каждая теплообменная труба 6, расположенная между верхней 4 и нижней 5 трубными досками в нижней части торцевой крышки 3, жестко установлена в активную излучающую накладку 17 и расположена соосно центральной оси ультразвукового преобразователя 18, имеющего центральное сквозное отверстие 19 с диаметром, равным внутреннему диаметру 20 теплообменной трубы 6, выполненной длиной L₁, равной nλ, причем нижняя 5 и верхняя 4 трубные доски лежат в минимальных зонах пучности колебаний, где n=(k+1), k=0, 1, 2, 3,..., λ-длина ультразвуковой волны.

Каждый пленкообразователь, выполненный в виде трубки 7 и расположенный в верхней части торцевой крышки 2, жестко установлен в активную излучающую накладку 21 соосно с центральной осью ультразвукового преобразователя 22, имеющего центральное сквозное отверстие 23, с диаметром, равным внутреннему диаметру 24 трубки пленкообразователя 7 и общей длиной L₂, равной (kλ), где k = 1, 2, 3,..., λ - длина ультразвуковой волны.

Каждый пленкообразователь 7 вместе с активной излучающей накладкой ультразвукового преобразователя 22 выполнен длиной L₃, равной (k+1/4)λ, где k = 1, 2, 3,..., λ - длина ультразвуковой волны. Одновременно на наружной поверхности 25 и внутренней поверхности 26 теплообменных труб 6, как и на наружной поверхности 27 и внутренней поверхности 28 пленкообразователей 7 и на внутренней поверхности отверстий ультразвукового преобразователя 18 выполнены винтовые канавки соответственно 29, 30, 31 и 32. Теплообменные трубы 6 жестко соединены с активной излучающей накладкой 17 резьбовым соединением 33. Пленкообразователи, выполненные в виде трубки 7, жестко соединены с активной излучающей накладкой 21 резьбовым соединением 34.

Акустически-геометрические размеры, например, пленкообразователей 7 и ультразвуковых преобразователей 22 выполнены в два раза меньше упомянутых размеров теплообменных труб 6 и ультразвуковых преобразователей 18, а длины волн находятся в соотношении:

где λ₁ - длина ультразвуковой волны теплообменных труб;
λ₂ - длина ультразвуковой волны пленкообразователей.

Прямолинейный участок трубопровода 16 жестко соединен трубными решетками 35, имеющими отверстия 36 с теплообменными трубами, расположенными между верхними и нижними трубными досками 4 и 5 соответственно в зонах максимальной пучности колебаний.

Каждая теплообменная труба 6, снабжена втулками, выполненными в виде сепараторов с отверстиями 37 с закрепленными в них шариками 38 с развальцовкой по наружной поверхности сепаратора вокруг отверстий, имеющими возможность вращения, причем сепараторы расположены концентрично внутренней поверхности 26 и жестко закреплены на ней в зонах с максимальной пучностью колебаний. На внутренней поверхности 26 теплообменной трубы 6 жестко закреплено кольцо 39 в зоне с минимальной пучностью колебаний.

На пленкообразователе 7 в зоне с минимальной пучностью колебаний на наружной поверхности 27 жестко закреплены радиальные ребра 40, которые опираются на кольцо 39.

Кроме того, на торце каждой теплообменной трубы 6, как и на торце прямолинейного участка трубопровода 16 в верхней части торцевой крышки 2, жестко установлена втулка-сепаратор 41 с расположенными в ней отверстиями на торце 42 с закрепленными в них шариками 43, имеющими возможность вращения.

Ультразвуковой преобразователь 22 состоит из активной накладки 21, пассивной накладки 44, пьезокерамических элементов 45, токоподводящих шайб 46 и 47, токоизолирующих втулок 48 и 49 и стягивающей активную 21 и пассивную 44 накладки втулки 50 с помощью резьбового соединения 51.

Ультразвуковой преобразователь 18 состоит из активной накладки 17, пассивной накладки 52, пьезокерамических элементов 53, токоподводящих шайб 54 и 55, токоизолирующих втулок 56 и 57 и стягивающей активную 17 и пассивную 52 накладки втулки 58 с помощью резьбового соединения 59.

Токоподводящие шайбы 46 и 47, 54 и 55 подсоединены к ультразвуковому генератору (на чертеже не показан).

Пленочный испаритель работает следующим образом.

Через штуцер 11 в корпус 1 подается греющий пар, который частично конденсируется на наружных поверхностях теплообменных труб 6 и прямолинейном участке трубопровода 16, отдавая им тепло, а конденсат отводится через штуцер 13. Отвод отработанного пара производится через штуцер 12. Обрабатываемая жидкость подается в испаритель через штуцер 9 и далее по трубопроводу 15, погруженному в обработанную жидкость и подогреваемому ею, поступает по прямолинейному участку 16 в камеру, образованную крышкой 2 и трубной доской 4, образуя на этой доске слой определенной глубины, гидравлическое давление которого обеспечивает равномерное поступление жидкости по каждой теплообменной трубе 6. Проходя через кольцевой зазор 8, образованный пленкообразователями 7 с радиальными ребрами 40, где пленкообразователь 7 жестко установлен в активную излучающую накладку 21 соосно с центральной осью преобразователя 22, имеющего центральное сквозное отверстие 23 с диаметром, равным внутреннему диаметру 24, и теплообменными трубами 6, кольцом 39, в торцевую поверхность которого упираются ребра 40, обрабатываемая жидкость образует на внутренней поверхности 26 сплошную стекающую вниз пленку.

В этот момент на пьезоэлементы 45 и 33 через токоподводящие шайбы 46, 47 и 54, 55 от ультразвукового генератора подается переменное напряжение. Ультразвуковые преобразователи 18 и 22 возбуждаются, и в них создается стоячая волна. Ультразвуковые преобразователи 18 и 22 могут работать как полуволновые колебательные системы на частоте f=22 и 44 кГц с амплитудой колебаний А до 20 мкм. Объединение пассивной накладки 44 и пьезоэлементов 45, а также пассивной накладки 52 и пьезоэлементов 53 в полуволновую систему позволяет вывести источник колебаний из зоны максимальных внутренних напряжений, облегчает условия работы, снижает нагрев и повышает его эффективность. Наличие узловых плоскостей, расположенных в накладках 21 и 44, 17 и 52, позволяет удобно крепить преобразователи 18 в трубных досках 4 и 5, например, с помощью резьбовых соединений 60, а преобразователи 22 с помощью радиальных ребер 40. Как в верхней камере, так и по мере движения пленки обрабатываемой жидкости вниз по внутренней поверхности труб 6 происходит активное воздействие продольных и продольно-крутильных ультразвуковых колебаний на обрабатываемую жидкость в результате выполнения на наружной поверхности 25 и внутренней поверхности 26 теплообменных труб 6, как и на наружной поверхности 27 и внутренней поверхности 28 пленкообразователей 7 и на внутренней поверхности отверстий ультразвукового преобразователя 18, винтовых канавок 29, 30, 31 и 32.

Когда прямолинейный участок трубопровода 16 жестко соединен трубными решетками 35, имеющими отверстия 36, с теплообменными трубами 6, между верхними и нижними трубными досками 4 и 5 в зонах максимальной пучности колебаний, причем теплообменные трубы 6 жестко установлены в активные излучающие накладки 17 ультразвуковых преобразователей 18, в прямолинейном участке возникают ультразвуковые автоколебания с той же частотой и амплитудой, которые воздействуют на подаваемую по прямолинейному участку трубопровода обрабатываемую жидкость и способствуют ее быстрому продвижению в верхнюю часть корпуса 1 за счет уменьшения трения о стенки прямолинейного участка и участка в виде змеевика общей длиной (n+3/4)λ, где n=(k+1), k = 0, 1, 2, 3,..., λ - длина ультразвуковой волны. Происходит активное выпаривание жидкости.

Когда обрабатываемая жидкость, стекающая по внутренней поверхности теплообменных труб 6, снабженных втулками, выполненными в виде сепараторов с отверстиями 37 с закрепленными в них шариками 38, имеющими возможность вращения, где сепараторы расположены концентрично внутренней поверхности 26, попадает на шарики 38 и на внутреннюю поверхность сепаратора, площадь поверхности контакта жидкостной пленки с окружающей средой за счет сферической поверхности увеличивается. Колебательная энергия от стенок теплообменной трубы 6 и через обрабатываемую жидкость передается шарикам, которые, вращаясь и колеблясь, создают вокруг себя дополнительные зоны, в которых происходит интенсивное воздействие на обрабатываемую жидкость акустическими течениями и кавитационными пузырьками, возникающими в ней, которые оказывают активное воздействие на ход технологического процесса, который применяется в предлагаемом испарителе, в том числе и при обработке жидкостей с различными вязкостями (имеются в виду загущенные жидкости).

В мощных ультразвуковых полях, создаваемых в жидкостях, генерация высокой плотности энергии осуществляется не за счет первичного звукового поля, а вследствие вторичных эффектов, возникающих в жидкости при распространении волны конечной амплитуды. Главными из этих эффектов являются кавитация и акустические течения. Явление кавитации заключается в образовании разрывов жидкости там, где происходит местное понижение давления. Разрывы происходят в результате понижения давления в струе движущейся жидкости и причиной их являются переменные давления, создаваемые в объеме жидкости источником ультразвуковых колебаний - ультразвуковыми преобразователями 18 и 22. Поскольку время жизни пузырьков, образованных под действием космической радиации ограничено, их формирование в объеме жидкости подчиняется статистическим законам распределения, а расположение ядер непрерывно изменяется во времени и в пространстве, то наблюдать процесс образования ядер практически затруднено. Хотя теория образования кавитационных полостей из зародыша в значительной степени совершенствуется и подтверждается экспериментально, она позволяет не только качественно, но в ряде случаев и количественно оценить влияние различных свойств жидкости и параметров акустического поля на пульсации кавитационных полостей, а также правильно предугадать, как эти пульсации воздействуют на вещество при том или ином технологическом процессе обрабатываемой жидкости.

Аналогичный процесс воздействия акустических течений и микрокавитационного процесса на обрабатываемую жидкость происходит и в случае, когда на торце каждой теплообменной трубы 6, как и на торце прямолинейного участка трубопровода 16 в верхней части торцевой крышки 2, жестко установлены втулки-сепараторы 41 с расположенными в ней отверстиями на торце 42 и с закрепленными в них шариками 43 с возможностью вращения.

Вторичный пар из корпуса 1 испарителя удаляется через штуцер 14, а упаренная жидкость стекает с нижних концов отверстий 19 ультразвуковых преобразователей 18 и поступает в камеру, образованную нижней крышкой 3 и трубной доской 5, откуда выводится через штуцер 10.

Преимущество изобретения заключается в том, что в отличие от известных технических решений жидкость, подлежащая обработке, подвергается воздействию продольных и продольно-крутильных ультразвуковых колебаний во всех доступных к ее воздействию местах предлагаемого испарителя, в том числе и при возникновении автоколебаний в прямолинейном участке трубопровода 16, как и на торцевой поверхности втулки-сепаратора 41 с установленными в ее отверстия шариками 43, имеющими возможность вращения, что в целом позволяет расширить технологические возможности, повысить эффективность и качество обрабатываемой жидкости, в том числе и с различными вязкостями.

Изобретение относится к пленочным аппаратам, предназначенным для проведения процессов теплообмена в пищевой, химической, в нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности. Задача, решаемая изобретением, - расширение технологических возможностей, повышение эффективности и качества обрабатываемых жидкостей с различными вязкостями. Пленочный испаритель содержит цилиндрический корпус, верхнюю и нижнюю торцевые крышки, верхнюю и нижнюю трубные доски, теплообменные трубы, пленкообразователи, штуцера ввода и вывода греющего пара, конденсата, вторичного пара и обрабатываемой жидкости, установленные в нижней крышке вместе с трубопроводом, выполненным в виде змеевика, соединенным со штуцером ввода обрабатываемой жидкости, а прямолинейный участок закреплен между трубными досками, причем каждая теплообменная труба жестко установлена в активную излучающую накладку и расположена соосно центральной оси каждого из введенных в устройство ультразвуковых преобразователей, имеющих центральное сквозное отверстие с диаметром, равным внутреннему диаметру теплообменной трубы, длиной, равной nλ, причем нижняя и верхняя трубные доски лежат в минимальных зонах пучности, где n=(k+1), k = 0, 1, 2, 3,..., λ - длина ультразвуковой волны. Кроме того, в пленочном испарителе каждый пленкообразователь, выполненный в виде трубки и расположенный в верхней части торцевой крышки, жестко установлен в активную излучающую накладку соосно с центральной осью каждого из введенных в устройство ультразвуковых преобразователей, имеющих центральное сквозное отверстие с диаметром, равным внутреннему диаметру трубки пленкообразователя, и общей длиной, равной kλ, где k = 0, 1, 2, 3,..., λ - длина ультразвуковой волны. Пленокообразователь совместно с активной излучающей накладкой может быть выполнен длиной, равной (k+1/4)λ, где k = 1, 2, 3,..., λ - длина ультразвуковой волны. На наружной и внутренней поверхностях теплообменных труб и пленкообразователей могут быть выполнены винтовые канавки, а акустически-геометрические размеры, например пленкообразователей, в два раза меньше упомянутых размеров теплообменных труб, а длина волны находится в соотношении где λ₁ - длина ультразвуковой волны теплообменной трубы, λ₂ - длина ультразвуковой волны пленкообразователя. Каждая теплообменная труба испарителя может быть снабжена втулкой, выполненной в виде сепаратора с отверстиями с закрепленными в них шариками, имеющими возможность вращения, причем сепараторы расположены соосно с теплообменными трубами и жестко закреплены на них в зонах максимальной пучности колебаний. Кроме того, на торце каждой теплообменной трубы и прямолинейного участка трубопровода в верхней части торцевой крышки жестко установлена втулка-сепаратор с расположенными в ней отверстиями на торце с закрепленными в них шариками, имеющими возможность вращения. 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Пленочный испаритель, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, торцевые крышки, верхнюю и нижнюю трубные доски, теплообменные трубы, пленкообразователи, выполненные в виде трубок, установленные с зазором внутри верхних концов теплообменных труб, штуцера ввода и вывода обрабатываемой жидкости, греющего вторичного пара и конденсата, трубопровод в виде змеевика, размещенный в нижней части корпуса, один конец которого соединен со штуцером ввода обрабатываемой жидкости, а другой, прямолинейный участок, закреплен между трубными досками, а штуцер ввода обрабатываемой жидкости установлен в нижней торцевой крышке испарителя, отличающийся тем, что каждая теплообменная труба, расположенная между верхней и нижней трубными досками, в нижней части торцевой крышки жестко установлена в активную излучающую накладку и расположена соосно центральной оси каждого из введенных в устройство ультразвуковых преобразователей, имеющих центральное сквозное отверстие с диаметром, равным внутреннему диаметру теплообменной трубы, длиной, равной nλ, причем нижняя и верхняя трубные доски лежат в минимальных зонах пучности колебаний, где n=(k+1); k=0,1,2,3,...; λ - длина ультразвуковой волны.2. Пленочный испаритель по п.1, отличающийся тем, что каждый пленкообразователь, в верхней части торцевой крышки жестко установлен в активную излучающую накладку соосно с центральной осью каждого из введенных в устройство ультразвуковых преобразователей, имеющих центральное сквозное отверстие, с диаметром, равным внутреннему диаметру трубки пленкообразователя и общей длиной, равной (kλ), где k=1,2,3,...; λ - длина ультразвуковой волны.3. Пленочный испаритель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что каждый пленкообразователь, совместно с активной излучающей накладкой ультразвукового преобразователя, выполнен общей длиной, равной, (k+1/4)λ, где k=1,2,3,...; λ - длина ультразвуковой волны.4. Пленочный испаритель по пп.1-3, отличающийся тем, что на наружной и внутренней поверхностях теплообменных труб и пленкообразователей, а также на внутренней поверхности отверстий ультразвуковых преобразователей выполнены винтовые канавки.5. Пленочный испаритель по пп.1-4, отличающийся тем, что акустически-геометрические размеры, например, пленкообразователей в два раза меньше упомянутых размеров теплообменных труб, в том числе длины волн находятся в соотношении λ₂=λ₁/2, где λ₁ - длина ультразвуковой волны теплообменной трубы; λ₂ - длина ультразвуковой волны пленкообразователя.6. Пленочный испаритель по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что каждая теплообменная труба снабжена втулками, выполненными в виде сепараторов с отверстиями, с закрепленными в них шариками, имеющими возможность вращения, причем сепараторы расположены соосно с теплообменными трубами и закреплены на их внутренней поверхности в зонах максимальной пучности колебаний.7. Пленочный испаритель по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что на торце каждой теплообменной трубы и прямолинейного участка трубопровода в верхней части торцевой крышки жестко установлена втулка-сепаратор с расположенными в ней отверстиями на торце, в которых закреплены шарики, имеющие возможность вращения.