Кольцевой испаритель: Испаритель с кольцевым катодом

2.3. Распределение пленки по толщине для испарителей

с
малой поверхностью и точечных испарителей

Для
анализа распределения пленки по толщине
используют, как правило, идеальную
модель испарения и конденсации, которая
предусматривает выполнение законов
Ламберта-Кнудсена и формулы Лэнгмюра
(2.1) для скоростей испарения, а также
полную конденсацию паров испаренного
вещества на подложке (коэффициент
конденсации равен 1 независимо от
материала подложки и интенсивности
испаренного вещества). Процесс испарения
происходит с зеркальной поверхности
расплава.

Распределение
испаренного вещества описывается
уравнениями
(2.3) и (2.4), в зависимости от угла падения
и расстояния от испарителя до подложки.
Следовательно, профиль толщины пленки
может быть выведен для любой формы
площади подложки и любого положения
подложки относительно испарителя.
Однако обычно используют плоские
подложки и располагают их параллельно
эффективной плоскости испарения.

Для
того чтобы перейти от массы к толщине
пленки, выделим малое количество вещества
с массой dM_r,
которое занимает объем dA_rd_пл.
толщину пленки запишем в виде

,
(2.5)

где
ρ
– плотность материала подложки.

Для
плоскопараллельной подложки, отстоящей
от испарителя на расстоянии h,
угол падения θ
равен углу испарения φ
и cos
θ = cos
φ = h/r.
Схематически система испаритель –
подложка представлена на рис.2.3. Расстояние
r
от испарителя до элемента подложки dA_r
при данном h
меняется с расстоянием l
от центра подложки до элемента dA_r
по закону r²
= l²
+ h².
если эти соотношения подставить в (2.3)
и 2.4), то будем иметь: для испарителя с
малой площадью

,
(2.6)

для
точечного испарителя

.
(2.7)

Оба
типа испарителя можно охарактеризовать
с помощью величины отношения d/d_o,
где d_o
– толщина в центре подложки при l
= 0
(рис.2.3.).

Тогда
для испарителя с малой площадью

,

(2.8)

для
точечного испарителя

.

(2. 9)

На
практике испарение осуществляют из
испарителей, поверх­ность
кото­рых не является бесконечно малой.
При использовании ис­парителей
конечных размеров распределение пленок
по толщине можно определить суммированием
в данной точке по толщине вещества,
испарен­ного из всех элементов dA_eис­парителя.
При этом предполагается, что испарение
происходит из всех точек испарителя с
одной и той же скоростью.

Рассмотрим
модель испарителя в виде круглого диска
радиуса s
поверх­ность испарения, которого
параллельна плоской поверхности
подложки. Сле­довательно, распределение
испаренного вещества по подложке должно
быть центрально-симметричным и описываться
одной переменной, а именно, рас­стоянием
от центра l.
Схематично изобра­жение системы
испаритель — под­ложка приведено на
рис.2.4. Диффе­ренциальный элемент
поверхности тонкого кольца можно
представить в виде
,
гдеα
—
угол между l
и проекцией s
на плос­кость испарителя, то
.
Подстановка этого соот­ношения, а
также уравнения (2.5) в выражение (2.3) для
испарителя с малой поверхностью приводит
к следующему выражению для распре­деления
по толщине от дискового испарителя

.
(2.10)

Тройной
интеграл возникает вследствие того,
что необходимо рассмотреть полную
испаренную массу М_е
со всех элементов поверх­ности и их
вре­менную зависимость. После замены
расстояния r
на величины, характери­зующие положение
данной точки подложки от­носительно
испарителя,
,
может быть проведено интегрирование
по αдо
2π. После интегрирования имеем

.
(2.11)

Отсюда
легко получить окончательное выражение
для d
в случае беско­нечно тонкого кольца,
поскольку
представляет собой полную массу
испаренного вещества.

Таким
образом, уравнение (2.11) для тонкого
кольцевого испа­рителя при­нимает
вид:

. (2.12)

Однородность
по толщине покрытия, получаемого от
такого
тон­кого коль­цевого испарителя,
легко описать, используя толщину в
центре подложки (при l
= 0):

.
(2.13)

В этом
случае параметром, характеризующим
однородность по толщине, будет отношение
d/d₀.
Помимо относительного расстояния от
центра l/h
уравнения (2.12) и (2.13) содержат также
второй параметр — относительный ра­диус
испарителя s/h.

Рассмотрим
теперь случай круглого
дискового испа­рителя. Уравнение
(2.11) следует проинтегрировать по ве­личине
радиуса диска s.
После интегрирования по частям имеем

.
(2.14)

В этом
случае полная масса испаренного вещества
может быть представ­лена в виде
.
Выражение для толщины в случае круглого
диска может быть записано в следующем
виде:

(2.15)

и

.
(2.16)

Следует
отметить, что распределение по толщине,
полученное от диско­вого или кольцевого
испарителя, диаметр или ширина кото­рых,
конечны, но малы по сравнению с расстоянием
испаритель — под­ложка, адекватно
описыва­ются формулами для источника
с одним эле­ментом поверхности и
тонкого кольца.

Преимущества
испарителей с большой поверхностью
заключается в пер­вую очередь в том,
что они при необходимых для испарения
температурах имеют большую скорость
испарения в соответствии с низким
давлением паров. Следовательно, в таких
испарителях веро­ятность химического
взаимодействия между испаряемым
веществом и материалом испарителя
уменьшается.

патент на изобретение — Научно-исследовательский портал Уральского федерального университета

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для передачи тепловой энергии по вертикальным протяженным каналам в системах теплоэнергетики. Изобретение заключается в том, что в кольцевом регулируемом термосифоне, содержащем испаритель, конденсатор, трубу для транспорта пара, трубу для сконденсированной жидкости, кольцевую камеру с кольцевым соплом в испарителе, подключенную к трубе с конденсатом, причем в испаритель ниже кольцевого сопла введен кольцевой мелкоячеистый наполнитель из металла, а конденсатор соединен с трубой для жидкости через управляемые вентили, между трубой для пара и конденсатором включен сифон, а выход сифона присоединен к донной поверхности конденсатора, содержащего сконденсированную жидкость. В крышке конденсатора установлен клапан для некондексирующихся газов по типу игольчатого крана Маевского. Для препровождения паров из испарителя в транспортную зону трубы для пара, в испаритель на уровне кольцевой камеры введена соосная вставка с открытыми торцами. Технический результат – повышение термодинамической эффективности термосифона.

Переведенное название	ANNULAR CONTROLLED THERMAL SIPHON: patent of invention
Язык оригинала	Русский
Номер патента	2608794
IPC	F28D 15/00
Дата подачи заявки	11/06/2015
Состояние	Опубликовано — 24 янв. 2017

• 44.31.00 Теплоэнергетика. Теплотехника

• APA
• Author
• BIBTEX
• Harvard
• Standard
• RIS
• Vancouver

@misc{f5671ec4bede440db2df0c30d15ee5af,

title = «КОЛЬЦЕВОЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ТЕРМОСИФОН: патент на изобретение»,

abstract = «Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для передачи тепловой энергии по вертикальным протяженным каналам в системах теплоэнергетики. Изобретение заключается в том, что в кольцевом регулируемом термосифоне, содержащем испаритель, конденсатор, трубу для транспорта пара, трубу для сконденсированной жидкости, кольцевую камеру с кольцевым соплом в испарителе, подключенную к трубе с конденсатом, причем в испаритель ниже кольцевого сопла введен кольцевой мелкоячеистый наполнитель из металла, а конденсатор соединен с трубой для жидкости через управляемые вентили, между трубой для пара и конденсатором включен сифон, а выход сифона присоединен к донной поверхности конденсатора, содержащего сконденсированную жидкость. В крышке конденсатора установлен клапан для некондексирующихся газов по типу игольчатого крана Маевского. Для препровождения паров из испарителя в транспортную зону трубы для пара, в испаритель на уровне кольцевой камеры введена соосная вставка с открытыми торцами. Технический результат – повышение термодинамической эффективности термосифона.»,

author = «Щеклеин, {Сергей Евгеньевич} and Попов, {Александр Ильич}»,

year = «2017»,

month = jan,

day = «24»,

language = «Русский»,

publisher = «Федеральный институт промышленной собственности»,

address = «Российская Федерация»,

type = «Patent»,

note = «2608794; F28D 15/00»,

}

TY — PAT

T1 — КОЛЬЦЕВОЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ТЕРМОСИФОН

T2 — патент на изобретение

AU — Щеклеин, Сергей Евгеньевич

AU — Попов, Александр Ильич

PY — 2017/1/24

Y1 — 2017/1/24

N2 — Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для передачи тепловой энергии по вертикальным протяженным каналам в системах теплоэнергетики. Изобретение заключается в том, что в кольцевом регулируемом термосифоне, содержащем испаритель, конденсатор, трубу для транспорта пара, трубу для сконденсированной жидкости, кольцевую камеру с кольцевым соплом в испарителе, подключенную к трубе с конденсатом, причем в испаритель ниже кольцевого сопла введен кольцевой мелкоячеистый наполнитель из металла, а конденсатор соединен с трубой для жидкости через управляемые вентили, между трубой для пара и конденсатором включен сифон, а выход сифона присоединен к донной поверхности конденсатора, содержащего сконденсированную жидкость. В крышке конденсатора установлен клапан для некондексирующихся газов по типу игольчатого крана Маевского. Для препровождения паров из испарителя в транспортную зону трубы для пара, в испаритель на уровне кольцевой камеры введена соосная вставка с открытыми торцами. Технический результат – повышение термодинамической эффективности термосифона.

AB — Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для передачи тепловой энергии по вертикальным протяженным каналам в системах теплоэнергетики. Изобретение заключается в том, что в кольцевом регулируемом термосифоне, содержащем испаритель, конденсатор, трубу для транспорта пара, трубу для сконденсированной жидкости, кольцевую камеру с кольцевым соплом в испарителе, подключенную к трубе с конденсатом, причем в испаритель ниже кольцевого сопла введен кольцевой мелкоячеистый наполнитель из металла, а конденсатор соединен с трубой для жидкости через управляемые вентили, между трубой для пара и конденсатором включен сифон, а выход сифона присоединен к донной поверхности конденсатора, содержащего сконденсированную жидкость. В крышке конденсатора установлен клапан для некондексирующихся газов по типу игольчатого крана Маевского. Для препровождения паров из испарителя в транспортную зону трубы для пара, в испаритель на уровне кольцевой камеры введена соосная вставка с открытыми торцами. Технический результат – повышение термодинамической эффективности термосифона.

UR — https://elibrary.ru/item.asp?id=38277111

M3 — Патент

M1 — 2608794

Y2 — 2015/06/11

PB — Федеральный институт промышленной собственности

ER —

Графитовые испарители и ребойлеры — GAB Neumann

Процесс испарения широко используется в химической промышленности для различных целей. К ним относятся концентрирование растворов, повторное испарение сжиженных газов, применение в холодильной технике и производство чистых и смешанных паров для технологических применений. Термин испарители обычно используется для первого из этих применений, а именно для выпаривания растворителя из раствора с целью концентрирования раствора. Испарители можно разделить на испарители с падающей пленкой (в которых испарение происходит от поверхности раздела пленки без пузырькового кипения на стенке), испарители с естественной или принудительной циркуляцией или ребойлеры (в которых пузырьковое кипение при стенке происходит на части или всей поверхности теплопередачи ), испарители мгновенного действия и испарители прямого контакта.

Испарители с падающей пленкой

В испарителях с падающей пленкой жидкий продукт поступает в верхнюю часть испарителя. В головке продукт равномерно распределяется по нагревательным отверстиям. Жидкость образует на стенках тонкую пленку, при температуре кипения стекает вниз и частично испаряется. В большинстве случаев для нагрева испарителя используется пар. Также можно использовать термальное масло. Отделение концентрированного продукта от его паров происходит в нижней части теплообменника в парожидкостном сепараторе.

Испарители с падающей пленкой по сравнению с испарителями с затоплением

Испарители с падающей пленкой имеют ряд преимуществ по сравнению с испарителями с затоплением. Для них требуется меньшее количество жидкости, так как всю рабочую сторону не нужно заполнять жидкостью, поскольку для покрытия поверхности используется тонкая пленка. Испарители с падающей пленкой также демонстрируют улучшенные характеристики теплопередачи по сравнению с их аналогами с затоплением, особенно в случаях с низким тепловым потоком. Время пребывания в испарителях с падающей пленкой чрезвычайно короткое, что обеспечивает мягкое испарение, особенно в условиях вакуума, и впоследствии сохраняет качество продукта. Управление процессом и автоматизация также проще в испарителях с падающей пленкой. Благодаря меньшему количеству жидкости испарители с падающей пленкой быстрее реагируют на изменения в подаче энергии, вакууме, количестве подачи или концентрации.

Однако распределение жидкости для испарителей с падающей пленкой может быть затруднено. На производительность может повлиять неравномерное распределение жидкости по поверхности. Кроме того, из-за тесного контакта жидкости с поверхностью нагрева испарители с падающей пленкой чувствительны к загрязнению осаждающимися твердыми частицами. Скорость жидкости, обычно низкая на входе, обычно недостаточна для эффективной самоочистки. Поэтому испарители с падающей пленкой предпочтительно используются для выпаривания чистых, не выпадающих в осадок жидкостей.

Испарители с естественной циркуляцией

Испарение с естественной циркуляцией основано на естественной конвекции. Циркуляция посредством конвекции достигается за счет образования пузырьков. Пузырьки имеют меньшую плотность и поэтому поднимаются сквозь жидкость, способствуя подъему вверх в испарительном сосуде. Термосифонные ребойлеры не требуют закачки жидкости из нижней части колонны в ребойлер. Естественная циркуляция достигается за счет разности плотностей жидкости на входе в ребойлер и смеси жидкости и пара на выходе из ребойлера для обеспечения достаточного напора жидкости для подачи жидкости в ребойлер.

Физически испарители с естественной циркуляцией обычно довольно короткие. Удаление циркуляционного насоса снижает эксплуатационные расходы, однако из-за характеристик системы испарители с естественной циркуляцией имеют длительное время пребывания и низкий расход, что делает их использование более ограниченным, чем испарители с принудительной циркуляцией. Чаще всего испарители с естественной циркуляцией используются в качестве ребойлеров для дистилляционных колонн.

Испарители с принудительной циркуляцией

В испарителях с естественной циркуляцией жидкость поступает с низкой скоростью и, как правило, коэффициенты теплопередачи довольно низкие. Особенно это касается вязких жидкостей. Таким образом, всякий раз, когда мы имеем дело с концентрацией высоковязких и образующих накипь растворов, нет другой альтернативы, кроме как использовать испарители с принудительной циркуляцией. При увеличении скорости потока жидкости через испаритель коэффициенты теплоотдачи значительно возрастают. высокая скорость жидкости, создаваемая насосами, предотвращает образование накипи на нагревательных поверхностях.

Ребойлеры

Ребойлеры — это теплообменники, обычно используемые для нагрева нижней части дистилляционных колонн. Они кипятят жидкость со дна дистилляционной колонны с образованием паров, которые возвращаются в колонну для проведения дистилляционного разделения. Тепло, подаваемое в колонну ребойлером в нижней части колонны, отводится конденсатором в верхней части колонны.

Правильная работа ребойлера жизненно важна для эффективной дистилляции. В типичной классической дистилляционной колонне весь пар, обеспечивающий разделение, поступает из ребойлера. Ребойлер получает поток жидкости из нижней части колонны и может частично или полностью испарять этот поток. Пар обычно обеспечивает тепло, необходимое для парообразования.

Ребойлеры с принудительной циркуляцией

Ребойлеры с принудительной циркуляцией используют насос для циркуляции жидкости через ребойлер. Это особенно полезно, если ребойлер должен быть расположен далеко от расширительного бака или если жидкость является вязкой или чувствительной к температуре (подверженной кристаллизации, полимеризации или разложению) из-за контакта с высокотемпературными стенками теплопередачи. Высокая скорость рециркуляции жидкости используется для увеличения коэффициента теплопередачи со стороны процесса, снижения температуры стенок, тем самым уменьшая полимеризацию на стенках и связанное с ними загрязнение.

Испарители мгновенного испарения

При мгновенном испарении жидкость предварительно нагревается под давлением, а затем выбрасывается через дроссель в сосуд с более низким давлением, где пар образуется в процессе восстановления температуры жидкости до ее температуры насыщения.

Испарители прямого контакта

В испарителях этого типа горячий газ впрыскивается в резервуар с жидкостью и заставляет ее испаряться, при этом пар уносится отходящим газом. Такие испарители относительно дешевы и пригодны для концентрирования коррозионно-активных жидкостей, вязких жидкостей и суспензий, с которыми может быть трудно работать в более традиционном теплообменнике. Отпарные колонны представляют собой испарители прямого контакта.

Характеристики испарителя с сепаратором паров липидов

NASA/ADS

Характеристики испарителя с сепаратором паров липидов

• Икегучи, Масаки

;

• Танака, Наоки

;

• Юмикура, Цунео

Аннотация

Схема течения хладагента в трубке теплообменника изменяется в зависимости от качества пара, диаметра трубы, расхода хладагента и свойств хладагента. Высокая скорость потока вызывает поток тумана, где качество составляет от 0,8 до 1,0. В этой схеме течения пленка жидкости отрывается от стенки трубы, так что вмешивается тепловой поток.

Коэффициент теплопередачи обычно увеличивается с увеличением расхода. Но одновременно увеличивается перепад давления потока хладагента и увеличивается область течения тумана. Чтобы уменьшить перепад давления и подавить поток тумана, мы разработали небольшой сепаратор жидкости и пара, который удаляет пары из испаряющегося потока хладагента. Этот сепаратор установлен в середине испарителя с кольцевой схемой потока. Были проведены эксперименты по оценке действия этого сепаратора и получены следующие выводы.

(1) Средний коэффициент теплопередачи увеличивается на 30-60 %.

(2) Падение давления снижается на 20-30 %.

(3) Холодопроизводительность увеличивается на 2–9 %.