Испаритель криогенной жидкости

Испаритель криогенной жидкости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в криогенной технике для испарения газообразных сред, находящихся в жидком состоянии, в ракетно-космической технике и в народном хозяйстве, например, для газификации сжиженных газов и их смесей.

Для решения перспективных технических задач возникает необходимость в испарителе-газификаторе с развитой поверхностью нагрева, компактного, простого по конструкции, малой массы, для относительно больших расходов, составляющих 10 кг/с, и более испаряемого теплоносителя и работоспособного при высоких давлениях более 10 МПа.

Известен испаритель криогенной жидкости (далее испаритель), содержащий корпус с расположенными в нем концентрично перегородками, змеевик с криогенным продуктом, выполненный из двух частей, одна из которых расположена между корпусом и перегородкой, а другая - между перегородками, электронагреватели, расположенные в центральной части корпуса. Пространство между корпусом и наружной перегородкой заполнено водой, образующей ледяной экран (Авторское свидетельство СССР №932094, МПК: F17C 9/02, 1982).

Основными недостатками данного испарителя являются:

- использование воды в устройстве усложняет конструкцию, ограничивает выбор максимальных величин температуры и давления теплоносителя, что в свою очередь приводит к ограничению максимальной тепловой мощности, увеличению общей массы конструкции и увеличению времени выхода устройства на режим и, кроме того, накладывает дополнительные требования по соблюдению герметичности корпуса, а также к чистоте применяемой воды, кроме этого электронагреватели имеют ограниченный срок службы и их наличие приводит к необходимости иметь источник электропитания к ним с аппаратурой управления.

Известен испаритель криогенной жидкости, содержащий корпус, в котором расположены теплообменные элементы, нагреватель, при этом корпус выполнен в виде двухслойных цилиндрических оболочек, образующих кольцевую полость для прохода греющего теплоносителя, каждая из оболочек состоит из двух жестко соединенных между собой цилиндров, между которыми образованы каналы, объединенные в коллекторы для подвода и отвода криогенного продукта, при этом на входе в кольцевую полость закреплена крышка, в которой установлены смесительные элементы и воспламеняющее устройство, а на выходе закреплен газовод (патент РФ №2347972, МПК: F17C 9/02, 10.07.2007 - прототип).

Испаритель работает следующим образом.

Испаряемая среда, например криогенная жидкость, подается двумя потоками по подводящим трубам в коллекторы и по каналам внутренней оболочки и наружной оболочки поступает, постепенно испаряясь, к коллекторам, из которых отводится по отводящим трубопроводам в сторону потребителя.

Течение испаряемой среды может осуществляться как «по потоку», так и «противотоком» по отношению к движению греющей среды.

Греющая среда - теплоноситель - продукты сгорания какого-либо горючего, например керосина, спирта, природного газа и т.д., температура которых может достигать от 900 К до 2200 К (регулируется соотношением расходов компонентов топлива) и лимитируется только свойствами применяемых материалов, движется от огневой стенки крышки в сторону газовода, по пути отдавая тепло испаряемой среде, протекающей по каналам оболочек.

Подготовка компонентов топлива к процессу горения: перемешивание, распыл - осуществляется смесительными элементами, а для воспламенения смеси служит воспламеняющее устройство.

Недостатками данного испарителя является значительная сложность конструкции и сборки, а также значительные габариты и вес, обусловленные принятой компоновкой элементов конструкции испарителя.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, улучшение технических характеристик и расширение функциональных возможностей испарителя.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в предложенном испарителе криогенной жидкости, содержащем корпус, в котором расположены теплообменные элементы, нагреватель, при этом корпус выполнен в виде, как минимум, двух двухслойных оболочек, образующих кольцевую полость для прохода греющего теплоносителя, причем каждая из оболочек состоит из двух жестко соединенных между собой обечаек, между которыми образованы каналы, объединенные в коллекторы для подвода и отвода криогенного продукта, при этом на входе в кольцевую полость закреплена крышка, в которой установлены смесительные элементы и воспламеняющее устройство, а на выходе установлен газовод, согласно изобретению оболочки корпуса выполнены профилированными и содержат, как минимум, цилиндрическую часть и сужающуюся часть в виде конфузора, предпочтительно коническую, с образованием кольцевой полости во внутренней полости для прохода криогенного компонента между указанными частями, при этом внутри конической части, предпочтительно в ее центральной зоне, установлен патрубок, соединенный с полостью внутренней оболочки.

В варианте исполнения для генерации греющего теплоносителя в диапазоне температур от 900 К до 2200 К в крышке установлены смесительные элементы, например форсунки для сжигания топлива и воспламеняющее горючую смесь устройство.

В варианте исполнения для повышения величины коэффициента теплоотдачи от греющего теплоносителя к испаряемой среде один из цилиндров каждой из оболочек со стороны греющего теплоносителя выполнен из материала с повышенной теплопроводностью.

В варианте исполнения для уменьшения потерь тепла в окружающее пространство на корпус и газовод нанесена теплоизоляция.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез испарителя, а на фиг.2 - вариант исполнения смесительной головки.

Испаритель криогенной жидкости содержит корпус 1, который выполнен в виде двух двухслойных оболочек 2 и 3, образующих кольцевую полость 4 для прохода греющего теплоносителя. Каждая из оболочек 2 и 3 состоит из двух жестко соединенных между собой обечаек 5, 6 и 7, 8 соответственно.

Обечайки 5, 6 и 7, 8 корпуса 1 выполнены профилированными и содержат цилиндрические части 9, 10 и 11, 12 и сужающиеся части 13, 14 и 15, 16 соответственно.

В каждой оболочке 2 и 3 выполнены каналы 17 и 18 соответственно. Каналы 17 внутренней оболочки 2 соединяются с коллекторами подвода 19 и отвода 20. Каналы 18 наружной оболочки 3 соединяются с коллекторами подвода 21 и отвода 22. На входе в кольцевую полость 4 закреплена крышка 23, в которой установлены смесительные элементы 24 и воспламеняющее устройство 25. На выходе из кольцевой полости 4 установлен газовод 26.

Внутри газовода 26 установлена опора 27 с возможностью скольжения по внутренней цилиндрической части газовода при нагреве или охлаждении различных составных частей конструкции.

На внешние поверхности газовода 26 нанесена теплоизоляция 28. На внутренней поверхности корпуса 1 установлен коллектор 29 для подвода одного из компонентов топлива к смесительным элементам 24.

Испаритель работает следующим образом.

Испаряемая среда, например криогенная жидкость, подается двумя потоками по подводящим трубам в коллекторы 19, 21 и по каналам 17 внутренней оболочки 2 и каналам 18 наружной оболочки 3 поступает, постепенно испаряясь, к коллекторам 20, 21, из которых отводится по отводящим трубопроводам в сторону потребителя.

Течение испаряемой среды может осуществляться как «по потоку», так и «противотоком» по отношению к движению греющей среды.

Греющая среда - теплоноситель - продукты сгорания какого-либо топлива, например керосина, спирта, природного газа и т.д., температура которых может достигать от 900 К до 2200 К, движется от огневой стенки крышки 23 в сторону газовода 26, по пути отдавая тепло испаряемой среде, протекающей по каналам 17 и 18 оболочек 2 и 3 соответственно.

Перемешивание и распыл осуществляется смесительными элементами 24, а для воспламенения смеси служит устройство 25.

В варианте исполнения коллектор 29 для подвода одного из компонентов топлива к смесительным элементам 24 установлен на внутренней поверхности корпуса 1.

Использование предлагаемого изобретения позволит улучшить массогабаритные характеристики испарителя, упростить его конструкцию и сборку.

1. Испаритель криогенной жидкости, содержащий корпус, в котором расположены теплообменные элементы, нагреватель, при этом корпус выполнен в виде, как минимум, двух двухслойных оболочек, образующих кольцевую полость для прохода греющего теплоносителя, причем каждая из оболочек состоит из двух жестко соединенных между собой обечаек, между которыми образованы каналы, объединенные в коллекторы для подвода и отвода криогенного продукта, при этом на входе в кольцевую полость закреплена крышка, в которой установлены смесительные элементы и воспламеняющее устройство, а на выходе установлен газовод, отличающийся тем, что оболочки корпуса выполнены профилированными и содержат, как минимум, цилиндрическую часть и сужающуюся часть в виде конфузора, предпочтительно коническую, с образованием кольцевой полости во внутренней оболочке для прохода криогенного компонента между указанными частями, при этом внутри конической части, предпочтительно в ее центральной зоне, установлен патрубок, соединенный с полостью внутренней оболочки, а коллектор подвода одного из компонентов топлива к смесительным элементам размещен внутри корпуса испарителя.

2. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что смесительные элементы выполнены в виде форсунок.

3. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что внутренние цилиндры выполнены из материала с повышенной теплопроводностью.

4. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что в патрубок газовода установлена подвижная опора.

5. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что на корпус и газовод нанесена теплоизоляция.