Атмосферний випарник

Реферат: Атмосферний випарник, що містить опорний каркас і теплообмінні елементи, внутрішні канали яких сполучені в систему розподілу продукту, випарник виконаний з можливістю обертання відносно нерухомої основи навколо вертикальної осі, що проходить через центр мас випарника, і забезпечений керованим приводом для такого обертання. UA 103321 U (12) UA 103321 U UA 103321 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропоноване нове технічне рішення належить до випарників скраплених газів, що використовують тепло навколишнього атмосферного повітря. Випар низькокиплячих рідин і видача споживачеві газу із заданими параметрами є актуальним завданням сучасної техніки в області виробництва і використання продуктів розділення повітря, а також в системах автономного газопостачання СПГ. Найбільш простим і економічним рішенням для випару рідини і підігрівання газу є використання тепла довкілля (атмосферного повітря), випарники такого типу називають "атмосферними". Відомі панельні атмосферні випарники, створені в НВО "Кріогенмаш" [7]. Кожна панель зібрана прокатно-зварним способом з двох алюмінієвих листів і має канали, сформовані внутрішнім тиском за технологією, вживаною при створенні випарників побутових холодильників, такі панелі розраховані на робочий тиск 1,6 мПа. Окремі панелі збираються у вертикальному положенні в теплообмінні блоки. Недоліком таких панелей є неможливість їх використання при високих тисках, а також низька надійність панелей, часткове руйнування яких може відбуватися вже при транспортуванні теплообмінних блоків до місця монтажу [14]. Іншим загальним і дуже істотним недоліком усіх атмосферних випарників є зниження ефективності в процесі роботи через наростання на холодних поверхнях шару інею, який випадає з навколишнього вологого повітря. Випробування показали, що при товщині шару інею 20-25 мм недорекуперація продукту (недогрівання продукту до температури навколишнього повітря) збільшувалася до 70-75° замість розрахункових 20°, при цьому після видалення інею характеристики випарника поверталися до розрахункових величин [2, 3]. Проблема звільнення від інею атмосферних випарників ставилася метою багатьох винаходів. Відомий випарник кріогенної рідини [9], що містить паралельно включені змійовики, що обдуваються повітрям, в нижній частині яких намотані електричні нагрівачі. При періодичному короткочасному включенні нагрівачів рихлий іній плавиться, перетворюючись на лід після виключення нагрівачів. Лід, теплопровідність якого значно вище ніж у рихлого інею, створює менший термічний опір. Недоліками такого технічного рішення є його складність, необхідність витрачати енергію на плавлення інею і недостатня ефективність у зв'язку з тим, що теплопровідність льоду все ж в десятки разів нижче теплопровідності металів. Відомий спосіб видалення інею з поверхні [10], що полягає в примусовому здуванні інею інтенсивним потоком охолодженого повітря. Недоліками цього способу є складність організації рівномірно інтенсивного обдування усіх поверхонь і додаткові витрати енергії на привід вентиляторів. Відомий газифікатор рідких кріопродуктів [11] з атмосферним випарником з плоских панелей, в якому теплі і холодні панелі чергуються. Передбачається, що при такому розміщенні панелей іній з повітря випадатиме поблизу холодних поверхонь і віддалятиметься з потоком повітря. Недоліком такого пристрою є необхідність інтенсивного примусового продування міжпанельних проміжків, достатнього для винесення інею, що утворюється. Відомий атмосферний кріогенний газифікатор безперервної дії [12] з випарником, плоскі панелі якого з метою їх механічного очищення від інею обладнані щітками з приводом від ротора, що обертається вітром. Недоліками такого технічного рішення є його складність, залежність від вітру, а також передчасний зношування панелей в результаті ушкодження алюмінієвих поверхонь кристалами інею і сторонніми включеннями. Недоліки панельних випарників призвели до того, що нині їх випуск обмежений. Розвиток технологічних прийомів обробки алюмінію дозволив замінити плоскі панелі на алюмінієві труби з подовжнім обребренням. Ці труби, що виготовляються методом екструзії, дозволили освоїти випуск атмосферних випарників на тиск 4,0 мПа [2]. Трубчасті атмосферні випарники ефективніші, міцніші, але так само потребують періодичного звільнення від інею, при цьому наявність обребрення робить це завдання ще складнішим, ніж у разі плоских панелей. Усі сучасні виробники трубчастих атмосферних випарників[4, 6, 8] компонують з обребрених труб вертикальний пакет, переріз якого зазвичай наближений до квадрату, а труби встановлені в шаховому або коридорному порядку і механічно скріплені між собою і з елементами каркасу. Найбільш близьким по технічній суті до пристрою, що заявляється, є атмосферний випарник ИС-0190-С, виробництво якого освоєне в ТОВ "НВО Моніторинг" [4]. Цей випарник вибраний як прототип як найбільш представницький, так як він займає середнє положення у своєму уніфікованому модельному ряду і наочно проілюстрований в джерелі. Прототип містить жорстко закріплений на фундаменті опорний каркас зі встановленими на ньому вертикальними 1 UA 103321 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 теплообмінними елементами, внутрішні канали яких утворюють систему розподілу продукту, який надходить у випарник у вигляді рідини, а відводиться у вигляді газу з температурою, що відрізняється від температури навколишнього повітря на величину недорекуперації. Прототип не обладнаний системою примусового звільнення від інею і, отже, не є випарником безперервної дії, тому такі випарники встановлюють на фундаменті та експлуатують парами: один випарник знаходиться в робочому режимі, а інший - в режимі звільнення від інею за рахунок природного танення. Недоліком цього атмосферного випарника, вибраного як прототип, є низька ефективність, обумовлена утворенням на його поверхнях шару інею, товщина якого збільшується у міру експлуатації випарника. Додаткове зниження ефективності прототипу в процесі його роботи обумовлене появою в щільному пакеті теплообмінних елементів і навколо нього зони охолодженого повітря, що розширюється донизу, що призводить до зниження діючого температурного натиску. Наявність вітру зменшує цей негативний ефект, проте, через щільне компонування випарника ефективність теплообміну зростає лише на фронтальній відносно вітру стороні. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення ефективності атмосферного випарника. Вказана задача вирішується тим, що атмосферний випарник, що містить опорний каркас і механічно сполучені з ним і між собою теплообмінні елементи, внутрішні канали яких утворюють систему розподілу продукту, виконаний з можливістю обертання відносно нерухомої основи навколо вертикальної осі, що проходить через центр мас випарника, і забезпечений керованим приводом для такого обертання. Додані рисунки зображують: Фіг. 1 - загальний вигляд (аксонометрія) атмосферного випарника змінного напряму обертання з панельними теплообмінними елементами. Фіг. 2 - загальний вигляд (аксонометрія) атмосферного випарника змінного напряму обертання з трубчастими обребреними теплообмінними елементами. Фіг. 3 - схема орієнтації по сторонах світу атмосферного випарника змінного напряму обертання залежно від напряму діючого вітру. Фіг. 4 - загальний вигляд (аксонометрія) атмосферного випарника постійного обертання з вертикальними трубчастими теплообмінними елементами. Фіг. 5 - розріз атмосферного випарника постійного обертання з похилими трубчастими теплообмінними елементами (схема). Як приклади виконання атмосферного випарника, виконаного з можливістю обертання навколо вертикальної осі, запропоновані два приклади: випарник змінного напряму обертання в обмеженому кутовому секторі; випарник постійного обертання. Приклади конкретного виконання пропонованого атмосферного випарника містять наступні основні позиції: 1 - теплообмінний елемент; 2 - опорний каркас; 3 - нижній патрубок; 4 - підвідний колектор; 5 - верхній патрубок; 6 - відвідний колектор; 7 - поворотний стіл; 8 - основа; 9 - фундамент; 10 гнучкий підвідний шланг; 11 - гнучкий відвідний шланг; 12 - нижній кільцевий колектор; 13 верхній кільцевий колектор; 14 - нижній радіальний канал; 15 - нижня камера, що обертається; 16 - центральна колона; 17 - нижня нерухома камера; 18 - ущільнювач; 19 - приймальний патрубок; 20 - верхній радіальний канал; 21 - верхня камера, що обертається; 22 - верхня нерухома камера; 23 - відвідний патрубок; 24 - підшипник; 25 - основа; 26 - опора; 27 - колесо зубчасте; 28 - шестірня; 29 - двигун. Атмосферний випарник змінного напряму обертання в обмеженому кутовому секторі влаштований і працює таким чином (фіг. 1 і фіг. 2). Теплообмінні елементи 1 (на фіг. 1 - панельні, на фіг. 2 - трубчасті) сполучені з опорним каркасом 2 (на фіг. 1 каркас показаний частково, на фіг. 2 - не показаний) і утворюють витягнутий в плані пакет з поперечними проходами для повітря. Кожен теплообмінний елемент 1 обладнаний нижнім патрубком 3, приєднаним до підвідного колектора 4, і верхнім патрубком 5, приєднаним до відвідного колектора 6. Каркас 2 з теплообмінними елементами 1 жорстко закріплений на поворотному столі 7, встановленому на нерухомій основі 8, що спирається на фундамент 9. До колектора 4 приєднаний гнучкий підвідний шланг 10, а до колектора 6 - гнучкий відвідний шланг 11. При роботі випарника продукт (скраплений газ) подається через гнучкий шланг 10 в підвідний колектор 4, і через нижні патрубки 3 надходить в теплообмінні елементи 1, де 2 UA 103321 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сприймає тепло навколишнього повітря. Газ, що при цьому утворюється, через верхні патрубки 5 надходить у відвідний колектор 6, а з нього, через гнучкий шланг 11 - до споживача. При вступі скрапленого газу в теплообмінні елементи 1 на їх поверхні утворюється іній, а між ними скупчується холодне повітря, що викликає прогресуюче зниження ефективності випарника особливо при неспівпадінні напряму проходів між теплообмінними елементами 1 з напрямом діючого вітру. Для підвищення ефективності атмосферного випарника його орієнтацію в плані необхідно погоджувати з напрямом діючого вітру. Для зміни положення випарника служить поворотний стіл 7, що забезпечує обертання випарника відносно основи 8, встановленої на фундаменті 9. При кожній зміні напряму вітру випарник поворотом столу 7 встановлюється так, щоб вітер вільно проходив між теплообмінними елементами, не утворюючи застійних зон, при цьому пухкий іній і охолоджене повітря більш інтенсивно видаляються із зони теплообміну. На схемах, наведених на фіг. 3, показано, що при усіх можливих напрямах вітру для забезпечення оптимальної орієнтації випарника досить здійснювати його поворот на кут  в межах від нуля до 180°, такий обмежений робочий сектор дозволяє застосовувати як приєднувальні комунікації гнучкі шланги 10 і 11. Поворот випарника, завдяки малому тертю в підшипниках поворотного столу 7 і збалансованості пристрою в цілому, може виконуватися вручну. Можливе використання і механічного приводу з автоматичним управлінням на основі сигналів датчика напряму вітру. Атмосферний випарник постійного обертання влаштований і працює таким чином. На фіг. спрощено показаний загальний вигляд атмосферного випарника постійного обертання з вертикальними трубчастими теплообмінними елементами, а на фіг. 5 наведений схематичний розріз такого випарника з похилими теплообмінними елементами. У обох випадках трубчасті теплообмінні елементи 1 за допомогою нижніх патрубків 3 і верхніх патрубків 5 включені між нижнім кільцевим колектором 12 і верхнім кільцевим колектором 13, відмінність полягає лише в тому, що на фіг. 4 діаметри колекторів 12 і 13 однакові, а на фіг. 5 діаметр верхнього колектора 13 значно перевершує діаметр нижнього колектора 12. Порожнина нижнього кільцевого колектора 12 сполучена радіальними каналами 14 з камерою 15, виконаної в основі центральної колони 16, що обертається, і повідомленою з нижньою нерухомою камерою 17, обладнаною ущільнювачами 18 і патрубком 19 для прийому скрапленого продукту. Порожнина верхнього кільцевого колектора 13 сполучена радіальними каналами 20 з камерою 21, встановленою у верхній частині колони 16, що обертається, і повідомленою з верхньою нерухомою камерою 22, обладнаною ущільнювачами 18 і патрубком 23 для відбору газифікованого продукту. Центральна колона 16 встановлена з можливістю обертання в підшипниках 24 на нерухомій основі 25, забезпеченому опорами 26. З колоною 16 жорстко сполучено зубчасте колесо 27, що знаходиться в зачепленні з шестірнею 28, насадженою на вал двигуна 29. При роботі випарника, що обертається, скраплений газ подається через приймальний патрубок 19 в нерухому камеру 17, а потім в камеру 15 (на фіг. 4 не показана), що обертається разом з колоною 16, і через сполучені з цією камерою радіальні канали 14 надходить в нижній кільцевий колектор 12, а звідти, через нижні патрубки 3, в теплообмінні елементи 1, де сприймає тепло довкілля і випаровується. Газ, що утворився, надходить через верхні патрубки 5 у верхній кільцевий колектор 13, а потім, через радіальні канали 20, в камеру 21, що обертається разом з колоною 16 і сполучену з верхньою нерухомою камерою 22, звідки через патрубок 23 надходить до споживача. Герметичність з'єднання камери 15, що обертається, з нерухомою камерою 17, а також з'єднання камери 21, що обертається, з нерухомою камерою 22 забезпечується ущільненнями 18. Обертання двигуна 29 через шестірню 28 і зубчасте колесо 27 передається на центральну колону 16, яка обертається в підшипниках 24 основи 25 спільно з приєднаними до неї теплообмінними елементами 1. Додаткові силові елементи для розвантаження вузлів випарника, що обертається, на обох фігурах опущені. Для обертання випарника може бути використаний будь-який відомий привід (на фіг. 4 привід не показаний). При газифікації скраплених вуглеводнів доцільно використати гідропривід, менш небезпечний в пожежному відношенні, ніж електромеханічний. При обертанні атмосферного випарника іній, що утворився на поверхні теплообмінних елементів 1, видаляється під впливом відцентрової сили, пропорційній кутовій швидкості і відстані теплообмінного елемента від осі обертання [5]. Ефективніше видалення інею забезпечить нанесення на теплообмінні поверхні покриття на основі панафобних SLIPSматеріалів, розроблених для роботи при низьких температурах [13]. Під впливом відцентрової сили із зони теплообміну також більш інтенсивно видаляється важке холодне повітря (принцип газової центрифуги), заміщаючись на навколишнє повітря, що забезпечує наявність максимального температурного натиску в зоні теплообміну. 3 UA 103321 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Втрати енергії при обертанні збалансованого випарника складаються з втрат в підшипниках 24 з коефіцієнтами тертя від 0,002 (радіальний підшипник) до 0,003 (упорний підшипник) [1], втрат в ущільненнях низького тертя 18 [15] і втрат на подолання опору навколишнього повітря. Переміщення теплообмінних елементів 1 в повітряному середовищі забезпечує їх рівномірну по усій довжині взаємодію з навколишнім повітрям на відміну від значно менш рівномірного і набагато більш витратного обдування нерухомих теплообмінних поверхонь повітряними вентиляторами [10]. Встановлення трубчастих теплообмінних елементів під кутом до осі обертання випарника, що перетворює випарник з циліндра (фіг. 4) в перевернутий зрізаний конус (фіг. 5), забезпечує додаткове підвищення ефективності випарника постійного обертання за рахунок збільшення відцентрових сил у верхній частині і, як наслідок, інтенсивнішого заміщення охолодженого повітря у верхній зоні випарника, що знижує недорекуперацію продукту на виході. Форма випарника у вигляді переверненого конуса забезпечує більш рівномірне надходження навколишнього повітря до теплообмінних елементів 1, а також зменшує впливи інею, що скидається при обертанні випарника, на розташовані нижче ділянки теплообмінних поверхонь (фіг. 5). Випарник постійного обертання не вимагає зовнішнього обдування і ефективно працює в спокійному повітрі через наявність відцентрових сил, під дією яких охолоджене повітря більш інтенсивно заміщається на те, що оточує, а рихлий іній, що утворюється на холодних поверхнях, зривається і видаляється. За наявності істотного вітру обертання випарника може бути уповільнено, при цьому метою обертання залишиться тільки послідовне переміщення усіх теплообмінних елементів через ефективнішу навітряну зону. Джерела інформації: 1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя / В.И. Анурьев, под ред. Жестковой И.Н. - 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001. 2. Ельчинов В.П. Отечественные атмосферные испарители криогенных жидкостей / В.П. Ельчинов // Холодильный бизнес. - 2012. - № 7. - С. 14-22. 3. Ельчинов В.П. Экспериментальное и расчётное исследование испарителей атмосферного криогенного газификатора. Тезисы докладов Международной научнопрактической конференции "Криогенная техника - науке и производству", ЦИНТИ Химнефтемаш / В.П. Ельчинов и др. - М., 1991. 4. Иванов К.А. Современные атмосферные испарители криогенных жидкостей / К.А. Иванов, Н.В. Павлов // Технические газы. - 2010. - № 3. 5. Кошкин Н.И. Справочник по элементарной физике / Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1972. - 256 с. 6. КриоВап. Производство атмосферных испарителей. Рекламный проспект, 2010 г. 7. Криогенное оборудование. Каталог. НПО "Криогенмаш", ЦИНТИХимнефтемаш, 1988. 8. Криогенное оборудование. Каталог ООО "Торговый Дом "Сибкриомаркет", 2011 г. 9. Пат. 1000666 Российская Федерация, МПК F17C 9/02. Испаритель криогенной жидкости / Бова В.И. и др. 10. Пат. 1536091 Российская Федерация, МПК F25D 21/06. Способ удаления инея с поверхности воздухоохладителя / Азаркин А.А. и др. 11. Пат. 1615498 Российская Федерация, МПК F25C 21/06. Атмосферный газификатор жидких криопродуктов / Маринюк Б.Т. и др. 12. Пат. 1638496 Российская Федерация, МПК F25J 1/00. Атмосферный криогенный газификатор непрерывного действия / Маринюк Б.Т. и ДР. 13. Раскина Мария. Подобные непентису / Мария Раскина (МГУ им. М.В. Ломоносова) // Наука и жизнь. - 2013. - № 1. - С. 117-120. 14. Сухов В.Н. Установка для газификации криогенных жидкостей. Серия ХМ-6, ЦИНТИХимнефтемаш / В.Н. Сухов и др. - М., 1975. - С. 37-38. 15. Торцовые уплотнения для вращающихся валов. Каталог. М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1979 г. - С. 25. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Атмосферний випарник, що містить опорний каркас і теплообмінні елементи, внутрішні канали яких сполучені в систему розподілу продукту, який відрізняється тим, що виконаний з можливістю обертання відносно нерухомої основи навколо вертикальної осі, що проходить через центр мас випарника, і забезпечений керованим приводом для такого обертання. 4 UA 103321 U 5 UA 103321 U 6 UA 103321 U 7 UA 103321 U 8 UA 103321 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9