Погружной теплообменник с жидкостным нагревом разъемной конструкции Российский патент 2024 года по МПК F28D1/02 F28D7/12 F28F9/07 F28F13/18 

Область техники

Область применения изобретения относится к биореакторным системам, а именно к контактным теплообменникам для лабораторных биореакторов малого объема.

Уровень техники

Культивирование микроорганизмов является сложным биотехнологическим процессом, который следует осуществлять с использованием специализированного биореакторного оборудования. Одним из важнейших параметров в таких процессах, требующим непрерывного контроля, является температура питательной среды. Поскольку условия работы биореактора предполагают повышенную влажность, использование электрического нагревателя для термостатирования повышает риски возникновения ситуаций, приводящих к повреждению оборудования, а также опасных для жизни и здоровья человека. Поэтому, для поддержания постоянной температуры лабораторные биореакторы, как правило, оснащены водяными рубашками. Данный тип теплообменников являются внешним, и нагрев емкости осуществляется через внутреннюю стенку рубашки, площадь которой является максимальной площадью теплопередачи. Недостатком данной конструкции являются значительные тепловые потери из-за рассеивания части тепла в атмосферу рабочего помещения через внешнюю стенку рубашки. Кроме того, изготовление таких теплообменников является технологически сложным процессом и требует значительных экономических затрат. В таких случаях, технически и конструктивно оправданным решением может быть использование погружных теплообменников, расположенных предпочтительно в нижней части реакционной емкости, которые контактируют с жидкой средой напрямую. Следует отметить, что площадь поверхности данных теплообменников должна быть оптимальной для обеспечения максимальной теплоотдачи в выбранной емкости. В свою очередь, их контактная часть не должна содержать труднодоступных мест во избежание образования биопленки из-за неэффективного перемешивания. Поэтому, создание погружных теплообменников для биореакторов, конструкция которых отвечает вышеуказанным требованиям, является актуальной задачей.

Известен технологический элемент в форме стержня для охлаждения или нагрева жидкостей в технологическом резервуаре (US 11112188 В1). Данный стержень схематически представлен на фиг. 1 и состоит из полого внешнего кожуха 1, закрытого с одного конца полусферической крышкой 2, а с другого - ступицей 3, внутреннего отклонителя потока 4, впускного штуцера 5 и выпускного штуцера 6. Ступица 3 имеет цилиндрическую форму и плотно прилегает снаружи к открытому концу кожуха 1. Штуцеры 5 и 6 могут быть как частью ступицы 3, так и иметь резьбу для монтажа. Отклонитель потока 4 контактируют с внутренней стенкой кожуха 1 и имеет центральное сквозное отверстие, а также одну или несколько наружных винтовых канавок. Соединение технологического стержня и реакционной емкости осуществляется с помощью герметизирующей втулки, сварки или резьбового соединения.

Через впускной штуцер 5 поступает теплоноситель 7, проходящий последовательно по сквозному отверстию отклонителя потока 4, соосному штуцеру 5, до полусферической крышки 2, где направляется по спиральным каналам, образованным контактом между кожухом 1 и канавками отклонителя потока 4, к выпускному штуцеру 6.

Основными характеристиками материалов для изготовления технологического стержня авторы указывают инертность, высокий коэффициент теплопередачи, доступность и возможность переработки для повторного использования. В качестве предпочтительного материала рекомендуется пластик.

Основным недостатком данной конструкции является технология его изготовления, подразумевающая неразъемное соединение деталей с помощью клея или сварки. Следует также отметить, что добавление в конструкцию массивного отклонителя потока 4 может создавать дополнительное термическое сопротивление, гидродинамическое сопротивление за счет уменьшения площади поперечного сечения канала, а также тепловую инерцию. Кроме того наблюдается значительное сокращение площади контакта теплоносителя 7 с внутренней поверхностью кожуха 1.

Конструкция погружного теплообменника, предлагаемая в данной заявке, лишена указанных недостатков и при этом обладает схожими функциональными характеристиками.

Сущность изобретения

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности теплообменного процесса в реакционной емкости лабораторного биореактора малого объема. Технический результат, достигаемый за счет использования предложенного изобретения, заключается в увеличении эффективной площади теплообмена, предотвращении образования очагов коррозии и биопленки на поверхности теплообменника при проведении биотехнологического процесса в биореакторе.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - упрощенная конструкция технологического элемента в форме стержня для охлаждения или нагрева жидкостей в технологическом резервуаре (US 11112188 В1);

Фиг. 2 - сечение и схема работы погружного теплообменника для лабораторных биореакторов малого объема;

Фиг. 3 - изометрическая проекция погруженного теплообменника для лабораторных биореакторов малого объема;

Фиг. 4 - сечение резьбового монтажного соединения погружного теплообменника и реакционной емкости;

Фиг. 5 - сечение удлиненного погружного теплообменника для лабораторных биореакторов малого объема;

Фиг. 6 - изометрическая проекция удлиненного погружного теплообменника для лабораторных биореакторов малого объема.

Описание изобретения

Как показано на сопроводительных чертежах, представленных для иллюстрации настоящего изобретения и на которых аналогичными ссылочными номерами указаны элементы конструкции, в частности на фиг. 2 и фиг. 3, где показаны сечение, с указанием на нем схемы работы, и изометрическая проекция, соответственно, погружной теплообменник для лабораторных биореакторов малого объема представляет собой сборочный узел с разъемным соединением и возможностью промывки деталей отдельно, состоящий из стакана 8, являющимся контактным теплообменным элементом конструкции, и крышки 9, содержащей удлинитель потока 10. В крышке 9 выполнены резьбовые отверстия для присоединения впускного и выпускного штуцеров 11 и 12, соответственно, предназначенных для прокачивания теплоносителя. Крышка 9 содержит удлинитель потока 10, обеспечивающий равномерное распределение теплоносителя в стакане 8, что в свою очередь способствует максимизации площади контакта внутренней стенки стакана 8 и теплоносителя. Эффективная площадь поверхности теплообмена составляет 35±0.5 см². Предпочтительным вариантом монтажа погружного теплообменника является резьбовое соединение с днищем биореакторной емкости, как показано на фиг. 4, что обеспечивает наибольшую площадь контакта теплообменной поверхности стакана 8 и жидкой фазы в реакционной зоне. Для выгрузки жидкой фазы из реакционной емкости в крышке 9 выполнено сливное отверстие 13 и резьбовое отверстие для присоединения сливного штуцера 14.

Главной особенностью изобретения является возможность увеличения эффективной площади теплообмена за счет добавления в конструкцию вставок. На фиг. 5 и фиг. 6 показаны сечение и изометрическая проекция удлиненного погружного теплообменника, где удлиняющая вставка 15 устанавливается между стаканом 8 и крышкой 9 с помощью резьбового соединения, увеличивая эффективную площадь поверхности теплообмена на 28±0.5 см². Для равномерного распределения теплоносителя во внутреннем пространстве удлиненного погружного теплообменника длина удлинителя потока 10 может быть увеличена за счет вставки 16, присоединяемой с помощью резьбового соединения. Герметичность всех резьбовых соединений в конструкции настоящего изобретения обеспечивается за счет уплотнительных колец.

Все элементы погружного теплообменника изготавливаются из нержавеющей стали круглого сечения методами механической обработки, что снижает риск возникновения очагов коррозии. Для снижения рисков образования биопленки, выполняется полировка всех контактных поверхностей погружного теплообменника (стакан 8, удлиняющая вставка 15).

Поставленная задача изобретения решается путем максимизации эффективной площади теплообмена, обеспечиваемой равномерным распределением теплоносителя во внутреннем пространстве контактного теплообменного элемента в виде стакана за счет удлинителя потока, способом монтажа изобретения, гарантирующим максимальную площадь контакта теплообменной поверхности и жидкой фазы в реакционной емкости, а также настраиваемой величиной площади теплообмена благодаря возможности добавления удлиняющих вставок в конструкцию изобретения.

Несмотря на то, что был показан и описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, допускается внесение в него модификаций в рамках объема настоящего изобретения. Соответственно не предполагается, что настоящее изобретение ограничено чем-либо за исключением прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в контактных теплообменниках для лабораторных биореакторов малого объема. В погружном теплообменнике для лабораторных биореакторов малого объема, содержащем контактный теплообменный элемент, выполненный в виде стакана, крышку, впускные и выпускные штуцеры, стакан и крышка выполнены разъемными с возможностью соединения их резьбовым соединением и возможностью установки между ними с помощью резьбового соединения удлиняющей вставки, крышка выполнена с удлинителем потока с возможностью увеличения его длины за счет вставки, присоединяющейся к удлинителю с помощью резьбового соединения, причем контактные поверхности стакана и удлиняющей вставки выполнены с полированной гладкой поверхностью, не имеющей труднодоступных мест. Технический результат – обеспечение требуемой температуры жидкой среды в биотехнологическом процессе. 6 ил.

Погружной теплообменник для лабораторных биореакторов малого объема, содержащий контактный теплообменный элемент, выполненный в виде стакана, крышку, впускные и выпускные штуцеры, отличающийся тем, что стакан и крышка выполнены разъемными с возможностью соединения их резьбовым соединением и возможностью установки между ними с помощью резьбового соединения удлиняющей вставки, крышка выполнена с удлинителем потока с возможностью увеличения его длины за счет вставки, присоединяющейся к удлинителю с помощью резьбового соединения, причем контактные поверхности стакана и удлиняющей вставки выполнены с полированной гладкой поверхностью, не имеющей труднодоступных мест.