Виморожуючий опріснювач

1. Виморожуючий опріснювач, що містить випарник-кристалізатор у вигляді вертикального кожухотрубного теплообмінника, усередині труб якого нанесене гідрофобне покриття, а зовні встановлені щілинні розподільники холодоагенту, колону для росту кристалів льоду і сепараційнопромивну колону, конденсатор-топник, рекупера C2 2 (19) 1 3 90215 4 бного теплообмінника, у середині труб якого нанетивного теплообмінника додатково підвищує тепсене гідрофобне покриття, а зовні встановлені лову ефективність випарника-кристалізатора за щілинні розподільники холодоагенту, колону для рахунок збільшення зони кристалізації льоду по росту кристалів льоду і сепараційно-промивну кодовжині труб. В цілому це дозволяє зменшити долону, конденсатор-плавитель, рекуперативний вжину труб випарника-кристалізатора в 2-3 рази. теплообмінник, насоси, а також холодильну устаРозміщення випарника-кристалізатора в поновку, що складається з випарника, компресору, рожнині колони росту кристалів льоду, що перехоконденсатора і додаткового конденсатора, регенедить у сепараційно-промивну колону, додатково ративного теплообмінника, ресивера і терморегузнижує габарити пристрою. лювальних вентилів. (Патент США №4704877 від На Фіг.1-5 представлена принципова схема 10.11.1987p.). виморожуючого опріснювача. Недоліком відомого пристрою є також висока Пристрій містить випарник-кристалізатор 1, вартість внаслідок значної поверхні теплообміну виконаний у вигляді вертикального кожухотрубновипарника-кристалізатора, що обумовлено невиго теплообмінника, постаченого теплоізоляцією 2. соким значенням тепловіддачі в трубах. Це привоВнутрішня поверхня труб 3 постачена гідрофобдить до необхідності застосування для випарниканим покриттям для запобігання обмерзання при кристалізатора труб значної довжини (близько 6м). кристалізації льоду, а зовні труб установлені щіПри цьому окреме розміщення апаратів спричиняє линні розподільники 4 і 4' холодоагенту у вигляді більші габарити пристрою. соплових насадок навколо труб для формування В основу винаходу поставлене завдання зниплівки холодоагенту на поверхні труб у верхній ження вартості пристрою за рахунок зменшення секції випарнику і нижньої секції відповідно. У труповерхні теплообміну випарника-кристалізатора бах випарника-кристалізатора встановлені обершляхом підвищення ефективності теплообміну в тові шнекові центрифуги 5, постачені підшипникатрубах випарника-кристалізатора установкою шнеми 6 і 7. При цьому на валу шнекових центрифуг кових центрифуг. При цьому трубчасті вали шнерозміщені крильчатки 8, виконані у вигляді турбінкових центрифуг використовуються як охолоджуного колеса, постаченого нерухомим сопловим вач вихідної води, що надходить із апаратом 9. Вхід соплового апарата 9 має зв’язок регенеративного теплообмінника, а випарникз камерою змішення 10, у яку вводяться вихідна кристалізатор вбудований у порожнину колони для вода і розсіл рециркуляції. росту і сепарації кристалів. Варто додати, що шнекові центрифуги і крильПоставлене завдання вирішується тим, що у чатки із сопловими апаратами не несуть значних виморожуючому опріснювачі, що містить випарнавантажень і тому вони можуть бути виготовлені ник-кристалізатор у вигляді вертикального кожухоіз гідрофобної пластмаси методом екструзії. трубного теплообмінника, усередині труб якого Випарник-кристалізатор постачений охолонанесене гідрофобне покриття, а зовні встановледжувачем вихідної води, складеним із трубчастих ні щілинні розподільники холодоагенту, колону для валів 11 шнекових центрифуг 5. Торці цих валів росту кристалів льоду і сепараційно-промивну козаведені в колектор 12 для уведення охолоджувалону, конденсатор-плавитель, рекуперативний ної вихідної води і колектор 13 для її виводу. При теплообмінник, насоси, а також холодильну устацьому випарник-кристалізатор вбудований у колоновку, що складається з випарника, компресору, ну 14 росту кристалів льоду, продовження якої конденсатора і додаткового конденсатора, регеневиконано у вигляді сепараційно-промивної колони ративного теплообмінника, ресивера і терморегу15. лювальних вентилів, у трубах випарникаУ верхній частині колони розміщена дренажна кристалізатора встановлені обертові шнекові сітка 16 для виводу розсолу із пристрою. Плавицентрифуги, постачених приводом, при цьому витель-конденсатор зібраний зі спіральних теплообпарник-кристалізатор вбудований у колону росту і мінників 17, установлених паралельно між кільцепромивання кристалів льоду і містить охолоджувач вими колекторами входу пароподібного вихідної води, складений із трубчастих валів шнехолодоагенту 18 і виходу рідкого холодоагенту 19. кових центрифуг, установлених на підшипниках у Пристрій містить насос 20 для уведення вихіднижньому і верхньому колекторах, що відповіданої води через рекуперативний теплообмінник 21 у ють входу і виходу вихідної води. При цьому в яковипарник-кристалізатор 1, а також насос 22 для сті приводу шнекових центрифуг встановлено крирециркуляції розсолу. льчатки на вході труб випарника-кристалізатору На лінії уведення вихідної води після насоса або для пристроїв меншої продуктивності застосо20 перед теплообмінником 21 установлений вано електродвигун, з'єднаний зі шнековими фільтр 23 грубого очищення, який чистить воду до центрифугами за допомогою шестеренчастих пар розміру завислих часток приблизно 5мкм. На лінії зачеплення. виводу опрісненої води після теплообмінника 21 Установка у трубах випарника-кристалізатора установлений фільтр 24 тонкого очищення, який обертових шнекових центрифуг приводить до обеутримає завислі частки, які були створені при коартання потоку розсолу усередині цих труб, що гуляції малих часток в процесі льодоутворення. Ці зменшує товщину прикордонного шару і підвищує фільтри можуть мати однаковий фільтруючий макоефіцієнт тепловіддачі при охолодженні розсолу теріал. від внутрішньої поверхні труби не менше як в 3 Для настроювання роботи пристрою викорисрази у порівнянні із прототипом. При цьому викотовуються регулюючий вентиль 25 на лінії виводу ристання порожнин валів шнекових центрифуг як розсолу з колони і регулюючий вентиль 26 на лінії охолоджувача вихідного розчину після рекуперавиводу прісної води. 5 90215 6 Холодильна установка містить випарник 1, переміщаючись нагору в плавитель промивається компресор 27, конденсатор, зібраний зі спіральних зустрічним потоком прісної води. По досягненню теплообмінників 17, і додатковий конденсатор 28, порожнини плавителя лід контактує з поверхнею регенеративний теплообмінник 29, фільтри 30 і 31, спіральних теплообмінників 17, що є конденсатотерморегулюючі вентилі 32 і 33. На лінії опрісненої рами холодоагенту, і плавиться з одержанням пріводи перед рекуперативним теплообмінником сної води. При цьому більша частина прісної води встановлений циклонний сепаратор 34 важководвиводиться через циклонний сепаратор 34 важконого льоду, який виводиться із пристрою потоком водного льоду, рекуперативний теплообмінник 21, розсолу через додатковий конденсатор 28. фільтр 24 тонкого очищення, регулюючий вентиль Для невеликих пристроїв, які мають шість труб 26 і додатковий конденсатор 28 споживачеві, а 3 випарника-кристалізатору 1, можливо застосуменша частина (5%) рухається зворотним потоком вання в якості приводу для шнекових центрифуг через пористий крижаний поршень як промивна електродвигуна, з'єднаного зі шнековими центривода. фугами за допомогою шестеренчастих пар зачепХолодильна установка пристрою використовує лення (Фіг.4, вузол II). в якості холодильного агенту неазеотропну суміш, Пристрій працює таким чином. наприклад R22+R142 з мольною концентрацією Вихідна вода насосом 20 направляється через R22 біля 70%, що дозволяє відмовитися від додатфільтр 23 в рекуперативний теплообмінник 21 для кового компресора і підвищити ефективність циклу попереднього охолодження за рахунок нагрівання холодильної установки. При цьому поверхня тепрозсолу і прісної води, що йдуть із пристрою, і далі лообмінників 17 зменшується за рахунок підвичерез колектор 12 надходить в охолоджувач, щення температурного напору у верхній частині складений із трубчастих валів 11 шнекових теплообмінників в порівнянні з нижньої. центрифуг. Охолоджена вихідна вода з колектора Холодоагент, що випаровується під впливом 13 направляється в камеру змішення 10, у яку натеплоти розсолу, охолоджуваного у трубах 3, і правляється також розсіл з колони 15 за допомокристалізації льоду, відсмоктується у вигляді пари гою насоса 22 для рециркуляції розсолу. компресором 27 через колектор 18 і регенеративЗ камери змішення 10 розсіл надходить у сопний теплообмінник 29 в додатковий конденсатор ловий апарат 9 і далі на крильчатку 8, що оберта28, де більша частина пари R142 конденсується і ється спільно зі шнековою центрифугою 5. виводиться через регенеративний теплообмінник Одночасно рідкий холодоагент уводиться в 29, фільтр 30, терморегулювальний вентиль 32 і порожнину випарника 1 через розподільник 4, що щілинні розподільники 4 у верхню секцію випарниформує на зовнішній поверхні труб плівку рідкого ка 1. При цьому більша частина не сконденсованохолодоагенту, що випаровується під впливом тепго R22 у вигляді пари направляється із додатковолоти розсолу, охолоджуваного у трубах 3, і крисго конденсатора 28 через колектор 18 у талізації льоду. конденсатор-плавитель 17, де конденсується і Під впливом шнекових центрифуг у поперечвиводиться через регенеративний теплообмінник ному перерізі труб утворюється вторинна цирку29, фільтр 31, терморегулювальний вентиль 33 і ляція розсолу, що забезпечує високий коефіцієнт щілинні розподільники 4' у нижню секцію випарнитепловіддачі при охолодженні розсолу від поверхні ка 1. труби. Завдяки наявності на внутрішній поверхні Одночасно прісна вода з кристалами важковотруб гідрофобного покриття, а також підтримки дного льоду, у якого температура плавлення вище невисокого значення температурного напору між ніж не важководного льоду, надходить у двокамеповерхнею труби і охолоджуваним розсолом (до рний циклонний сепаратор 34. З нижньої камери 3,5°С) лід кристалізується в обсязі потоку розсолу. прісна вода виводиться через рекуперативний У міру просування обертового потоку льодотеплообмінник 21, фільтр 26, регулюючий вентиль водяноі суспензії по довжині труб випарника26 і додатковий конденсатор 28 споживачеві, а кристалізатора кількість і розмір кристалів льоду важководний лід виводиться у верхню камеру, де збільшується. На виході з випарниказмішується з розсолом для транспортування через кристалізатора льодоводяна суспензія попадає в додатковий конденсатор 28 із пристрою. колону 14 росту кристалів льоду і далі під дією Зниження вартості пристрою досягається змеперепаду тиску рухається нагору в сепараційноншенням площі теплообміну випарникапромивну колону 15, звідки розсіл виходить через кристалізатора за рахунок зменшення довжини дренажну сітку 16 у бічну кишеню колони. Із бічної труб в 2-3 рази завдяки інтенсифікації теплообміну кишені колони більша частина розсолу направляв трубах за допомогою обертових шнекових ється насосом 22 на рециркуляцію у випарникцентрифуг. кристалізатор 1, а менша частина виводиться чеЦе дозволяє також знизити витрату рециркурез рекуперативний теплообмінник 21, фільтр 24, ляційного розсолу приблизно у 2 рази, що зменрегулюючий вентиль 25 і додатковий конденсатор шує енерговитрати на привод насоса рециркуляції. 28 із пристрою. Завдяки розміщенню випарника-кристалізатора в В колоні росту кристалів льоду 14, постаченою колоні росту кристалів льоду, продовження якої теплоізоляцією 2, кристали льоду ростуть внаслівиконано у вигляді сепараційно-промивної колони, док застосування холоду льодоводяної суспензії, габарити пристрою зменшуються в 2-3 рази. Це яка була переохолоджена у трубах випарникапідвищує компактність пристрою і додатково зникристалізатора. жує його вартість. Вище дренажної сітки льодоводяна суспензія Як приклад, визначимо поверхню теплообміну формується в пористий крижаний поршень, що і довжину труб випарника-кристалізатора для про 7 90215 8 понованого виморожуючого опріснювача продукw =wo/tg =wo/tg15°=0,17/0,268=0,634м/с, тивністю по прісній воді · Gпp=12т/добу=12000/(24 3600)=0,14кг/с. де - кут тангенціальної швидкості льодовоПриймемо: дяної суспензії на виході із соплового апарата, масовий вміст солі NaCl у вихідної води град. Свих=0,02долі; 7. Число Рейнольдса у криволінійному міжвитмасовий вміст солі NaCl у розсолу, який вихоковому каналі шнекової центрифуги дить з пристрою Сроз=0,06долі; масовий вміст льоду в льодоводяної суспензії Re=w ·d/ =0.634·0,006/(1,8·10-6)=2114, на виході з випарника-кристалізатора Хл=0,05долі; втрати прісної води на промивання льоду де d=(Dв-dз)/2=(0,055-0,045)/2=0,005м - еквіва=0,05Gпp, лентний діаметр міжвиткового каналу шнекової недорекуперація вихідної води у рекуперативцентрифуги; ному теплообміннику tucx=5°С. - кінематичний коефіцієнт в'язкості льодовоНа підставі попередніх розрахунків приймемо дяної суспензії, м2/с. кількість труб у випарнику-кристалізаторі 8. Критичне число Рейнольдса в криволінійних nmр=37шт., а довжину труб Lmp=2,5м; каналах, при якому починає проявлятися відцентдіаметри теплообмінних труб зовнішній і внутровий ефект для ламінарного режиму [1]: рішній: Dз=0,04м і Dв=0,037м; діаметри вала шнекових центрифуг зовнішній і Reкp=16,4(d/Rк)0,5=16,4(0,005/0,022)0,5=8, внутрішній: dз=0,025м і dв=0,022м. Виконаємо необхідні розрахунки: де Rк=dз/2=0,045/2=0,022м - радіус кривизни 1. Витрата вихідної води криволінійного каналу. 9. Число Нуссельта (при Re>Reкр для визнаGвих=Gпp/(1–Gроз/Gвих=0,14/(1-1/3)=0,212кг/с, чення коефіцієнта тепловіддачі в криволінійних каналах використовується формула для турбуленде Gроз/Gвих=Свих/Сроз=0,02/0,06=1/3 - віднотного режиму [1]): шення витрати розсолу, який виводиться з пристрою, к витрати вихідної води. Nu=0.021·Re0,8·Prж0,43(Prж/Prc)0,25· 1=0,021·211470,8·1 2. Витрата льоду на виході з випарника60,43·(16/20)0,25·1,03=31, кристалізатора де (Prж/Prc)0,25 - ураховує вплив напрямку тепGл=(1+ )Gпp=(1+0,05)0,14=0,147кг/с. лового потоку; 1 - коефіцієнт для обліку зміни тепловіддачі 3. Витрата льодоводяної суспензії через випапо довжині труби. рник-кристалізатор 10. Коефіцієнт тепловіддачі з боку внутрішньої поверхні теплообмінної труби при охолодженні Gc=Gл/xл=0,147/0,05=2,94кг/с. льодоводяної суспензії. 4. Витрата холоду холодильної установки Qо=(Gл·qл+Gтсх· tисх·Cp) =(0,147·334+0,212·5·4,2)1,0 5=56кВт, де qл - теплота кристалізації або плавлення льоду, кДж/кг. Ср - теплоємність вихідної води, кДж/(кг·К); - коефіцієнт втрат холоду пристроєм. 5. Осьова швидкість льодоводяної суспензії в сопловому апараті wo=Vc/Fo=0,00294/0,017=0,17м/с, тут Vc=Gс/ c=2,94/1000=0,00294м3/c - об'ємна витрата льодоводяної суспензії; Fo=nmр·3,14·(dc2-dз2)/4=37·3,14·(0,03520,0252)/4=0,017м2 - площа поперечного переріза для проходу льодоводяної суспензії, де dc, dз - діаметри соплового апарата і вала шнекової центрифуги, м (товщина втулки соплового апарата прийнята вm=1мм, dc=Dв-2 вт=0,0372·0,001=0,035м). 6. Тангенціальна швидкість льодоводяної суспензії на виході із соплового апарата в=Nu· /d=31·0,56/0,006=2893Вт/(м2·К), де =0,56Вт/(м·с) - коефіцієнт теплопровідності води. 11. Коефіцієнт тепловіддачі з боку зовнішньої поверхні труби при кипінні холодоагенту R-22 (оціночний розрахунок виконано по R-22, як основному компоненту неазеотропної суміші) у стікаючій плівці [2] 0,63 ·(P·10-5)0,73=5·48200,63·(4·105·10=2875Вт/(м2·К), з=С·qF· 5 0,73 ) де С=5 [2] - коефіцієнт, що залежить від використовуваного холодоагенту і температури кипіння; P=4·105Па - тиск кипіння холодоагенту R-22; qF=Qo/(3,14·Dз·Lmр·nmр)=56/(3,14·0,04·2,5·37)=4, 82кВт/м2=4820Вт/м2 - щільність теплового потоку; Dз - зовнішній діаметр труб. 12. Коефіцієнт теплопередачі, віднесений до внутрішньої поверхні труб випарникакристалізатора 9 Kв 90215 10 Tст=to+ tз=-11,2+2,5=-8,7°С. 1 Dв Dз з 0,037 0,04 2875 Вт 1333 2 K м Dв D ср 1 ст в ст в в 1 0,037 0,0015 0,0005 0,0385 45 1 Вт 1,333 м2 K 1 2893 17. По даним [4] ентальпія холодоагенту R22 при температурі кипіння tо=-11,2°С дорівнює iо=599,5кДж/кг, а при температурі конденсації tк=15°С (по діаграмі і-р при S=const) ентальпія холодоагенту R22 дорівнює ік=623кДж/кг. Відповідно цьому робота стиску холодоагенту R22 у компресорі складає lк=(iк-іо)/ к=(623-599,5)/0,7=33,6кДж/кг, де сm, в - товщина стінки труб випарникакристалізатора і товщина відкладень відповідно, м; dcp - середній діаметр труб випарникакристалізатора, м; ст, в - коефіцієнт теплопровідності нержавіючої сталі і відкладень відповідно, Вт/(м·с). 13. Температурний напір =Qo/(Kв·Fв· вк)=56/(1,333·10,75·0,69)=5,7 С, де Fв= ·Dв·Lmp·nmp=3,14·0,037·2,5·37=10,75м2 площа теплопередачі, яка віднесена до внутрішньої поверхні труб випарника-кристалізатора; =1-ехр(-Kв·Fв/(Gc·Сp)=1-ехр[1,333·10,75/(2,94·4,2)]=0,69 - ККД випарникакристалізатора. 14. Швидкість обертання шнекової центрифуги оцінимо як n=60·u/( ·dc)=60·0,634/( ·0,035)=346об/хв., де приймаємо u=w =0,634м/с. 15. Згідно із [3] температура кристалізації льоду у суспензії з масовим змістом солі NaCI Сроз=0,06, з якою суспензія надходить у випарниккристалізатор дорівнює tcl=-4°С. При переохолодженні льодоводяної суспензії на tc=3°С температура льодоводяної суспензії на виході з випарника-кристалізатора дорівнює tc2=tc1+ tc=-4-3=-7°С. 16. Температура холодоагенту, який кипить у випарнику to=(tc2+tc1)/2- =(-4-7)/2-5,7=-11,2°С. 17. Термічній опір на стороні холодоагенту дорівнює Rз=0,000322м2·К/Вт, а на стороні льодоводяної суспензії Rв=0,00035+0,00005=0,0004м2·К/Вт відповідно розрахунку по п.12. При цьому температурний напір на стороні холодоагенту дорівнює tc= ·Rз/(Rз+Rв)=5,7·0,000322/(0,000322+0,0004)=2, 5°С, а на стороні льодоводяної суспензії дорівнює відповідно tc= - tз=5,7-2,5=3,2°С. При цьому температура теплообмінної поверхні із труб дорівнює де к - ККД компресору. 18. Витрата холодоагенту складає GR22=Qo/r=56/213=0,263кг/с, де r=213кДж/кг - теплота кипіння холодоагенту R22 у випарнику при to=-11,2°С [4]. 19. Потужність компресору Nк=Ік·GR22=33,6·0,263=9кВт. 20. Потужність насосу рециркуляції розсолу Nн= p·Vp/ н=5·105·0,00282/0,6=2300Вт=2,3кВт, де p=5·105Па - напір насосу; Vp=Vc–Vвих=0,00294-0,000212=0,00282м3/с об'ємна витрата розсолу на рециркуляцію; н - ККД насосу. 21. Об'єм колони росту кристалів Vк=Vc· =0,00294·10·60=1,8м3, де =10хв. - термін перебування суспензії у колоні росту кристалів, який дозволяє придбати кристалі розміром до 0,15мм, що достатнє для промивці їх від розсолу. 22. Діаметр колони росту кристалів Dк=(4Fк/ +Dв2)0,5=(4·0,75/3,14+0,362)0,5=1м, де Fк=Vк/Lmp=1,8/2,4=0,75м2 - площа перерізу колони росту кристалів; Dв=m·S=7·1,3·0,052=0,36м - діаметр випарника-кристалізатору; S=1,3·Dз=1,3·0,04=0,052м - шаг між трубами. Вага виморожуючого опріснювача продуктивністю 12т/добу визначається у першу чергу вагою випарника-кристалізатора (250кг) та вагою плавителю-конденсатора з колоною росту і сепарації кристалів (150кг), при цьому загальна вага такого пристрою з урахуванням холодильної установки становить близько 1000кг. Література: 1. Теплообменные аппараты холодильных установок / Г.Н. Данилова, С.Н. Богданов, О.П. Иванов и др. - Л.: Машиностроение, 1986. - 303с. 2. Теплофизические основы получения искусственного холода / Н.А. Бучко, А.А. Гоголин, Г.Н. Данилова и др. - М: Пищевая промышленность, 1980. - 231с. 11 90215 12 3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Приме4. Теплофизические основы получения искусстры и задачи по курсу процессов и аппаратов хивенного холода / Н.А. Бучко, А.А. Гоголин, Г.Н. мической технологии. - Л.: Химия, 1981. - 560с. Данилова и др. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 231с. Комп’ютерна верстка О. Гапоненко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601