ИСПАРИТЕЛЬ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 2009 года по МПК F17C9/02 F25B39/02 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к испарителям криогенной жидкости, и может быть использовано в газификационных установках.

Известен испаритель криогенной жидкости [а.с. СССР №1275182, F17С 9/02. Опубл. 07.12.86, бюл. №45], содержащий корпус с входным и выходным распределительными устройствами, размещенный внутри корпуса основной теплообменный элемент в виде регулярной насадки с каналами для протока криогенной жидкости и дополнительный теплообменный элемент с насыпной насадкой, установленный за основным теплообменным элементом по ходу потока криогенной жидкости.

Криогенная жидкость поступает через входное распределительное устройство в корпус испарителя, где в основном теплообменном элементе происходит полное испарение криогенной жидкости в режиме пленочного кипения. Дополнительный теплообменный элемент предназначен для испарения капель, сохранившихся в потоке, их возвращения в зону испарения и поддержания заданного перепада давления между зоной испарения и выходом испарителя.

Недостатком данного испарителя является то, что испарение криогенной жидкости происходит за счет тепла, запасенного от предварительного нагрева горячим газом, что приводит к дополнительным энергозатратам. Также данное устройство не позволяет возвращать нагретые пары криогенной жидкости на повторное охлаждение, что приводит к перерасходу криогенной жидкости.

Известен испаритель криогенной жидкости [патент РФ №2239121, F17С 9/02, F25В 39/02. Опуб. 27.10.2004, бюл. №30], принятый за прототип. Испаритель криогенной жидкости содержит корпус с узлами подвода и выдачи хладагента и теплообменный узел. Узел подвода хладагента содержит патрубок, образующий с внешней стенкой центральной трубы кольцевую полость, сообщенную с камерой жидкого хладагента. Теплообменный узел выполнен в виде трубного пучка, межтрубное пространство которого содержит насыпную насадку. Узел выдачи хладагента выполнен в виде центральной трубы, снабженной эжектором, приемная камера которого сообщена с межтрубным пространством, а сопло - с камерой газообразного хладагента.

Криогенная жидкость (например, жидкий азот) поступает через входной патрубок, кольцевую полость и нижнюю камеру жидкого хладагента в трубки теплообменного элемента, где происходит полное испарение криогенной жидкости. Образующиеся пары через верхнюю камеру газообразного хладагента и патрубок поступают в сопло эжектора. Пары криогенной жидкости из сопла подхватывают газ (в начальный момент времени воздух) из приемной камеры эжектора, перемешиваясь с ним и охлаждая его, транспортируют его по центральной трубе и далее в охлаждаемый аппарат. Из охлаждаемого аппарата нагретые (отработанные) пары криогенной жидкости вновь поступают в испаритель. В испарителе благодаря разрежению в приемной камере, создаваемому эжектором, пары проходят через отверстия в цилиндрической оболочке, насыпную насадку и поступают в приемную камеру эжектора. При этом пары охлаждаются, отдавая тепло насыпной насадке и теплообменному элементу. Из камеры охлажденные пары направляются эжектором в центральную трубу, откуда, одновременно смешиваясь и дополнительно охлаждаясь с парами криогенной жидкости из сопла эжектора, выходят из испарителя на охлаждение аппарата.

Конструкция испарителя не позволяет эффективно проводить процесс теплообмена в теплообменном узле большого диаметра между испаряемой криогенной жидкостью и поступающими теплыми (отработанными) парами этой жидкости, т.к. в теплообменном узле большого диаметра теплый газ не проходит в центральную часть насадки из-за сопротивления, создаваемого насыпной насадкой, а поднимается вдоль внутренней поверхности цилиндрической оболочки по пути наименьшего сопротивления.

Задачей изобретения является повышение эффективности теплообмена в теплообменном узле большого диаметра между испаряемой криогенной жидкостью и поступающими теплыми (отработанными) парами этой жидкости, за счет равномерного распределения теплых паров газа по всему поперечному сечению теплообменной насадки.

Поставленная задача решается тем, что испаритель криогенной жидкости содержит корпус с узлом подвода криогенной жидкости и узлом выдачи хладагента, теплообменный узел, выполненный в виде трубного пучка, межтрубное пространство которого содержит насыпную насадку, при этом теплообменный узел дополнительно снабжен газораспределительной решеткой, расположенной в нижней части трубного пучка и имеющей форму усеченного конуса, установленного меньшим основанием вверх, а насыпная насадка расположена на газораспределительной решетке.

На фиг.1 показан продольный разрез испарителя; на фиг.2 - поперечное сечение А-А испарителя; на фиг.3 - выносной элемент Б на фиг.1.

Испаритель содержит корпус 1 (см. фиг.1), узел 2 подвода криогенной жидкости, теплообменный узел 3 и узел 4 выдачи газообразного хладагента. Корпус 1 содержит патрубок 5 (см. фиг.2) входа отработанных паров криогенной жидкости и патрубок 6 с вентилем для регулирования расхода отработанного хладагента. Узел 2 подвода криогенной жидкости состоит из камеры 7 криогенной жидкости, сообщенной с кольцевой полостью 8, образованной центральной трубой 9 и коаксиально ей расположенным патрубком 10. Подача криогенной жидкости осуществляется через патрубок 11. В цилиндрической оболочке 12 расположен теплообменный узел 3, который выполнен в виде трубного пучка 13, межтрубное пространство которого заполнено насыпной насадкой 14, например стальными шариками. Насадка 14 расположена на газораспределительной решетке 15, установленной в нижней части трубного пучка 13. Газораспределительная решетка 15 имеет форму усеченного конуса, установленного меньшим основанием вверх. Камера 16 газообразного хладагента через патрубок 17 соединена с соплом 18 (см. фиг.3) эжектора 19. Сопло 18 имеет возможность перемещаться посредством винта 20 (см.фиг.3) вдоль оси испарителя для настройки эжектора 19. От камеры 16 газообразного хладагента отходит патрубок 21 с вентилем для регулирования расхода паров криогенной жидкости. Узел 4 выдачи газообразного хладагента состоит из центральной трубы 9, к верхнему краю которой крепится диффузор 22 эжектора 19, и патрубка 10, соединенного с конфузором 23 эжектора 19. Теплообменный узел 3 имеет теплоизоляцию 24, образующую приемную камеру 25 эжектора 19 и имеющую с внутренней стороной корпуса 1 кольцевой зазор 26. В нижней части испарителя размещена приемная камера 27 отработанного хладагента, в которую через патрубок 5 подается теплый отработанный хладагент и для регулирования расхода его из испарителя установлен вентиль на патрубке 6.

Испаритель работает следующим образом.

Криогенная жидкость (например, жидкий азот) поступает через патрубок 11 через кольцевую полость 8 и камеру 7 криогенной жидкости в трубный пучок 13 теплообменного узла 3, где происходит полное испарение криогенной жидкости. Образующиеся пары через камеру 16 газообразного хладагента и патрубок 17 поступают в сопло 18 эжектора 19. Вентиль на патрубке 21 в начальный момент включения испарителя полностью закрыт. Пары криогенной жидкости из сопла 18 подхватывают газ (в начальный момент времени воздух) из приемной камеры 25 эжектора, перемешиваясь с ним и охлаждая его, транспортируют его по патрубку 10 и далее в охлаждаемый аппарат (не показан). Из охлаждаемого аппарата нагретые (отработанные) пары криогенной жидкости вновь поступают в испаритель через патрубок 5 и приемную камеру 27 отработанного хладагента. В испарителе между камерой 27 отработанного хладагента и камерой 25 эжектора 19 существует перепад давлений благодаря разрежению, создаваемому эжектором 19. Вследствие этого перепада давления пары из камеры 27 отработанного хладагента проходят вдоль трубного пучка 13 через насадку 14 и поступают в приемную камеру 25 эжектора 19. Газораспределительная решетка 15 обеспечивает равномерный проход паров по всему поперечному сечению насыпной насадки 14. При этом отработанные пары охлаждаются, отдавая тепло насыпной насадке 14 и трубному пучку 13. Охлаждение происходит за счет использования теплоты испарения криогенной жидкости, находящейся в кольцевой полости 8, в камере 7 криогенной жидкости и в трубках трубного пучка 13. Высота конусной газораспределительной решетки 15 выбрана таким образом, что сопротивление насыпной насадки 14 вдоль трубы 9 равно сопротивлению этой насадки вдоль внутренней поверхности цилиндрической оболочки 12. Из камеры 25 эжектора 19 охлажденные пары направляются эжектором 19 в патрубок 10, откуда, одновременно смешиваясь и дополнительно охлаждаясь с парами криогенной жидкости из сопла 18 эжектора 19, выходят из испарителя на охлаждение аппарата.

Наличие газораспределительной решетки в нижней части трубного пучка и расположение на ней насыпной насадки позволяет эффективно проводить в теплообменном узле любого диаметра теплообмен между испаряемой криогенной жидкостью и поступающими теплыми (отработанными) парами этой жидкости, за счет равномерного распределения и равномерного прохождения теплых паров газа по всему поперечному сечению теплообменной насадки.

Применение изобретения позволяет наиболее эффективно использовать теплофизические свойства теплообменного узла испарителя криогенной жидкости за счет организации насыпной насадки с сечением, имеющим постоянное сопротивление, и создания условий равномерного распределения и прохождения через насадку потока теплых паров газа.

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к испарителям криогенной жидкости, и может быть использовано в газификационных установках. Испаритель криогенной жидкости содержит корпус с узлом подвода криогенной жидкости и узлом выдачи хладагента и теплообменный узел, выполненный в виде трубного пучка, межтрубное пространство которого содержит насыпную насадку. Теплообменный узел дополнительно снабжен газораспределительной решеткой, расположенной в нижней части трубного пучка и имеющей форму усеченного конуса, установленного меньшим основанием вверх. Насыпная насадка расположена на газораспределительной решетке. Применение изобретения позволит наиболее эффективно использовать теплофизические свойства теплообменного узла испарителя криогенной жидкости за счет организации насыпной насадки с сечением, имеющим постоянное сопротивление, и создания условий равномерного распределения и прохождения через насадку потока теплых паров газа. 3 ил.

Испаритель криогенной жидкости, содержащий корпус с узлом подвода криогенной жидкости и узлом выдачи хладагента, теплообменный узел, выполненный в виде трубного пучка, межтрубное пространство которого содержит насыпную насадку, отличающийся тем, что теплообменный узел дополнительно снабжен газораспределительной решеткой, расположенной в нижней части трубного пучка и имеющей форму усеченного конуса, установленного меньшим основанием вверх, а насыпная насадка расположена на газораспределительной решетке.