Теплообменное устройство к аппаратам для выращивания микроорганизмов Советский патент 1984 года по МПК C12M1/02 

t Изобретение относится к микробио логической промышленности и может быть использовано в процессах культивирования микроорганизмов, а такж в пищевой, медицинской, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Известно используемое в биотехно логии теплообменное устройство к аппаратам для выращивания микроорга низмов, которое выполнено в виде секционной рубашки и расположенных внутри аппарата змеевиков Cl. Недостатком такого устройства яв ляется невысокая эффективность теплосъама, так как охлаждение культуральной жидкости происходит за счет конвективного движения хладоагента (воды) внутри змеевиков и секционной рубашки, которое характеризуется низ кими значениями коэффициента теплопередачи. Это устройство выбрано в качестве базового объекта. Известен аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий теплообменное устройство типа тепловая труба с коллектором-конденсатором 2 Однако использование данной конс рукции не обеспечивает достаточной эффективности при передаче тепла. Известно также теплообменное устройство к аппаратам для выращивания микроорганизмов, состоящее из ряда вертикальных тепловых труб и коллектора для подвода хладоагентов; кажда труба представляет собой герметично закрытый с торцов цилиндр, заполненньй жидким теплоносителем, при этом в нижней части цилиндра концентрично установлен цилиндрический стакан, стенка и днище которого имеют отверс тия для циркуляции жидкого теплоносителя, причем над стаканом размещено отбойное кольцо, отделяющее зону испарения от зоны конденсации жидкого теплоносителя, расположенной в верхней части трубы, а верхние участ ки труб размещены внутри коллектора Сзз. Однако данное теплообменное устро ство имеет большой объем заполнения, хладагентом и меньшие значения коэффициента теплоотдачи в испарительной зоне по сравнению с коэффициентами .теплооддачи в устройствах с тупиковыми кольцевыми каналами без боковой подпитки. 7 Наиболее близким техническим решением к предложенному является теплообменное устройство к аппаратам для выращивания микроорганизмов, включающее два коллектора с вертикальными тепловыми трубами и конденсатор. Основная конденсационная камера конденсатора в этом устройстве соединена посредством паропровода с дополнительной конденсационной камерой, содержащей внутри охлаждаюш; й змеевикС Однако теплообменное устройство характеризуется недостаточно высоким коэффициентом теплопередачи, так как не используются высокоинтенсивные процессы теплообмена при кипении в пленке жидкости, что необходимо для создания стрессовых режимов при регулировании процессов биосинпеза, не обеспечивается работоспособность устройства при использовании различных хладоносителей, что необходимо с целью уменьшения их расхода, в зависимости от времени года. Цель изобретения - повьш ение коэффициента теплопередачи, возможности работы с различными хладоносителями и уменьа1ение их расхода. Цель достигается тем, что в теплообменном устройстве к аппаратам для выращивания микроорганизмов, включающем два коллектора с вертикальными тепловыми трубами и конденсатор, внутри тепловь х труб коаксиально с образованием кольцевого зазора установлены дополнительные трубы, заглушенные с верхнего торца и подключенные в нижней часту, расположенной вне тепловых труб, к отдельному коллектору для подвода хладоносителя, при этом в верхней части каждой дополнительной трубы установлена перпендикулярно ее оси трубка для распределения хладоносителя по внутренней поверхности тепловой трубы в виде пленки, снабженная внутри винтовой направляющей, причем участок трубки, расположенный внутри дополнительной трубы, имеет отверстия для дросселирования хладоносителя, а на наружной поверхности дополнительной трубы укреплены винтовые направляющие лопасти . На фиг. 1 схематично изображено предложенное теплообменное устройство к аппаратам для выpaщивaнvIя икроорганизмов; на фиг. 2 - узел 1 на фиг. 1. в унеличенном масштабе; 1 на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1 . Предложенное теплообменное устрой ство содержит два коллектора 1 и 2 с вертикальными тепловыми трубами 3 и конденсатор 4, подклгаченньм к коллекторам 1 и 2 при помощи паропровода 5 и конденсатопровода 6. Внутри тепловых труб 3 коаксиально с образованием кольцевого зазора 7 установлены дополнительные трубы 8 заглушенные с верхнего тор.ца и подключеннще в нижней части, расположенной вне тепловых труб 3, к отдель ному коллектору 9 для подвода хладоносителя в трубы 3. В верхней части каждой дополнительной трубы 8 установлена перпендикулярно ее оси трубка 10 со скошенными в параллельных плоскостях Торцами. Трубка 10 пред назначена для распределения хладоносителя по внутренней поверхности трубы 3 в виде пленки и снабжена внутри БИНТОВОЙ направляющей 11. Участок трубки 10, расположенньй внутри дополнительной трубь: 8 имеет отверстия 12 для. дросселирования хл доносителя, а на наружной поверхнос ти трубы 8 укреплены винтовые направляющие лопасти 13 для обеспечения смачивания внутренней поверхности труб 3 хладоносителем. Конден сатор 4 расположен вне аппарата для выращивания микроорганизмов и находится выше уровня верхнего коллектор 1. К конденсатору А посредством трубопровода с вентилем 14 подключен мерник 15 для дозирования хладоносителя перед запуском в работу теплооб менного устройства и для сбора хладоносителя во время стерилизации. Мерник 15 соединен с конденсатопроводом 6, трубкой 16 и запорным вентилем 17. Для вьфавнивания давления в конденсаторе 4 и мернике 15 предусмотрен трубопровод 18 с запорньм вентилем 19. Паропровод 5 и конденсатопровод 6 снабжены вентилями 2023. К нижнему коллектору 9 подключен трубопровод 24 с запорным вентилем 25 для подвода хладоносителя в трубы В, при этом указанный трубопровод соединен с конденсатопроводом 6 -. через вентиль 26. Коллектор 2 подключен к конденсатопроводу 6 трубопроводом 27 с вентилем 28. Теплообменное устройство работает следующим образом. 7 В жаркий период года (в.есенне-летний), когда использование в качестве хладоносителя воды из.-за незначительного перепада температур между водой и охлаждаемой в ферментаторах культуральной жидкостью (5-10С) не обеспечивает необходимого теплосъема в процессе культивирования микроорганизмов, тогда теплообменное устройство работает в релодме струйно-пленочного натекэ-ния хладоносителя - жидкого фреона-12 в сочетании с его фазовым переходом, что обеспечивает создание стрессовых тепловых релсимов при культивировании микроорганизмов, либо в режиме фазового перехода хладоносителя с кипением его в кольцевом зазоре, что обеспечивает постоянство температуры кипения хладоносителя. а следовательно, поддержание оптимальной температуры различных продуцентов, имеющих различную темгЕературу культивирования, осуществляемую изменением давления внутри труб. В случае работы теплообменного устройства в режиме струйпо-пленочного натекания хладоносителя в сочетании с его фазовым переходом вентили 28, 25 и 23 закрыты и хладоноситель из конденсатора 4 поступает по конденсатопроводу 6 при открытых вентилях 20-22 и 26 в коллектор 9, а из него в трубы В. Затем хладоноситель поступает через отверстие 12 в трубки 10 со скошенными торцами,.где при прохожд,ении через отверстия 12 за счет перепада давлений возникает дросселирующий эффект, и хладоноситель охлалсдается. После прохождения винтовой направляющей 11 хладоноситель в виде турбулизированной пленки попадает на внутреннюю поверхность труб 3. Винтовые направляющиелопасти 13 направляют тонкую пленку жидкости на внутреннюю поверхность труб 3. Жидкий хладоноситель в виде тонкой пленки стекает в нижнюю часть труб 3, отбирая тепло через стенку от культуральной жидкости, вскипая при этом. Образовавшийся пар за счет перепада давлений по паропроводу 5 поступает в конденсатор 4, где конденсируется и конденсат из конденсатора 4 по конденсатопроводу 6 через трубопровод 24 поступает в коллектор 9, после чего цикл повторяется. При этом реализуется процесс кипения в тонкой пленке. Конденсация паров хладоносителя происходит за счет вскипания более низкокипящего хладагента в трубном прос ранстве конденсатора. В случае работы те1глообменного устройства в режиме фазового переход с кипением его в кольцевом зазоре нижняя часть труб 3 заполняется из мерника 15 хладоносителем. Тепло, вы деляемое в, процессе микробиологическ го синтеза, передается к наружной по верхности тепловых труб 3. Хладоноси тель кипит в кольцевом зазоре 7 между трубами 8 и 3 и образовавшийся пар по паропроводу 5 поступает в конденсатор 4, где конденсируется и через вентиль 14 поступает в мерник 15, а и мерника 15 по трубке 16 через вентиль 17 и конденсатопровод , 6 поступает обратно в кольцевой зазор 7 (вентиль 21 закрыт), и цикл повторяется. При этом реализуется эффективный процесс .теплосъема за счет кипения хладоносителя в кольцевом зазоре. Кроме того, осуществляется интенсивный выброс хладоносителя из нижней части труб 3 в верхнюю зону этих труб и стекание его по внутренней поверхности труб 3 в виде пленки. Таким образом, обеспечивается эффективное кипение жидкой пленки хладоносителя по всей высоте тепловых труб 3. В холодный период года (осеннезимний), когда температурный перепад между градиренной водой и культуральной жидкостью составляет 15-25 С, что

обеспечивает теплосъем при охлаждении аппарата для выращивания микроорганизмов, предлагаемое устройство с целью сокращений расхода воды работает в режиме струйно-пленочиого натекания без фазового перехода, при этом в качестве хладоносителя используют воду и рассол.

При работе аппарата в осенне-зимНИИ период года вода через вентили 25 и трубопровод 24 поступает в коллектор 9, при этом вентили 17, 20, 21 и 16 закрыты, затем во внутреннюю полость труб 8, откуда через отверстия 12 поступает в трубки 10. Из трубок 10 зода по винтовым направляющим 11 попадает на внутреннюю поверхность труб 3. При этом вода в виде турбулизированной пленки стекает в нижнюю часть труб, отбирая при этом тепло, вьщеляемое в процессе микробиологического синтеза. Стекающая жидкостная

процесса позволит исключает перегревы культуральной жидкости, что способствует сохранению ак7-ивности культуральной жидкости на 30-35%,

Осуществление различных режимов охлаждения впредлагаемом теплообменном устройстве обеспечивает возможность использования различных хладоносителей (фреона или воды) в зависимости от временных условий проведения производстц нных процессов. Этим достигается значительная экономия энергоресурсов: в холодный период года используется более дешевый хладоноситель-вода, при этом расход воды в режиме струйно-пленочного натекания снижается в 3,1 раза по сравнению с базовым объектом.

Ожидаемый экономический эффект от использования предлагаемого технического решения в cpaвнeниv с базовым объектом составит на единицу продукции 0,35 руб. на 1 кг. препарата. пленка попадает в коллектор 2, а из него выходит через открытые вентили 22, 23 и 28. Предложенная конструкция теплообмеиного устройства позволяет легко осуществить стерилизацию аппарата для вьфащивания микроорганизмов путем перекрытия вентилей 21 и 17. При этом хладоноситель, находящийся внутри труб 3, полностью выходит в конденсатор 4 и оттуда сконденсировавшийся поступает в мерник 15, после чего вентиль 14 закрывают до конца стерилизации . Новые конструктивные признаки предлагаемого устройства позволяют по сравнению с базовым и известным реализовать струйное натекание хладагента на внутреннюю поверхность теплопередающих труб с дальнейшим эффективным пленочным охлаждением, а также сочетать струйно-пленочное охлаждение с фазовым переходом хладоносителя, что значительно повышает интенсивность теплосъема и обеспечивает термостабилизацию процесса. Использование предлагаемой конструкции за счет осуществления различных режимов охлаждения позволяет увеличить коэффициент теплопередачи в 5,5-6,0 раз, который достигает значения 1260-1380 вместо 230 у базового объекта. Такое повышение интенсивности теплосъема и обеспечение термостабилизации

вкод Выход /

ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО К АППАРАТАМ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, включающее два коллектора с вертикальными тепловыми трубами и конденсатор, о тличающеес я тем, что, с целью повышения коэффициента теплопередачи, возможности работы с различными хладоносителями и уменьшения их расхода, внутри тепловых труб коаксиально с образованием кольцевого зазора установлены дополнительные трубы, заглушенные с верхнего торца и подключенные в нижней части, расположенной вне тепловых труб, к отдельному коллектору для подвода хладоносителя, при этом в верхней части каждой дополнительной трубы установлена перпендикулярно ее оси трубка для распр.оделения хладоносителя по внутренней поверхности трубы в виде пленки, снабженная внутри винтовой направляющей,- причем .; W участок трубки, расположенный внутри дополнительной трубки, имеет отверстия для дросселирования хладоно сителя, а на наружной поверхности дополнительной трубы укреп лены винтовые направляющие лопасти. ьо 00 о М

В

Фиг.З

6-6

ФчгЛ