Теплообменное устройство к аппаратам для выращивания микроорганизмов

 

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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„SU 1102807 А

3(50 С

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАН ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3562084/28-13 (22) 10. 03 . 83 (46) 15.07.84. Бюл. ¹ 26 (72) А.Д. Корнеев, В.Е. Матвеев, Ф.Ф. Неверов, Б.В ° Прилепский, Ф.Н. Чегодаев и П.Т. Якимов (71) Бердский ордена Трудового Красного Знамени химический завод (53) 663.13(088.8) (56) 1. Гапонов К.П. Процессы и аппараты микробиологических произв одс тв . М., 1981, . 15.

2. Авторское свидетельство СССР № 825630, кл. С 12 M 1/02, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР

N - 74593 1, кл . С 12 М 1/02, 1978.

Авторское свидетельство СССР

N 933701, кл. С 12 М 1/00, 1980 (прототип). (54)(57) TEIIJIOOBMEHHOE УСТРОЙСТВО I(АППАРАТАМ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, включающее два коллектора с вертикальными тепловыми трубами и конденсатор, о т л и ч а ю щ е е с 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 установленыдополнительные 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 распрдделения хладоносителя по внутренней поверхности

С2 трубы в виде пленки, снабженная внут- 9 ри винтовой направляющей, причем участок трубки, расположенный внутри дополнительной трубки, имеет от- ( верстия для дросселирования хладоно; сителя, а на наружной поверхности дополнительной трубы укреплены винтовые направляющие лопасти.

02807 2

Наиболее близким техническим рера СЗЗ. подпитки.

1 11

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано в процессах культивирования микроорганизмов, а также в пищевой, медицинской, химической и нефтеперерабатывающей промышленности

Известно используемое в биотехнологии теплообменное устройство к аппаратам для выращивания микроорганизмов, которое выполнено в виде секционной рубашки и расположенных внутри аппарата змеевиков $ 13.

Недостатком такого устройства является невысокая эффективность теплосъвма, так как охлаждение культуральной жидкости происходит за счет конвективного движения хладоагента (воды) внутри змеевиков и секционной рубашки, которое характеризуется низкими 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 конструкции 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; каждая труба представляет собой герметично закрытый с торцов цилиндр, заполненный жидким теплоносителем, при этом в нижней части цилиндра концентрично установлен цилиндрический стакан, стенка и днище которого имеют отверстия 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 участки труб размещены внутри коллектоОднако данное теплообменное устройство 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

50 шением 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 охлаждающий змеевик 43

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 биосинтеза, не обеспечивается работоспособность устройства при использовании различных хладоносителей, что необходимо с целью уменьшения их расхода, в зависимости от времени года.

Цель изобретения — повышение коэффициента теплопередачи, возможности работы с различными хладоносителями и уменьшение их расхода.

Цель достигается тем, что в теплообменном устройстве к аппаратам для выращивания микроорганизмов, вклю— чающем два коллектора с вертикальными тепловыми трубами и конденсатор, внутри тепловых труб коаксиально с образованием кольцевого зазора установлены дополнительные трубы, заглушенные с верхнего торца и подключенные в нижней частg, 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, à «а наружной поверхности дополнительной трубы укреплены винтовые направляющие лопасти.

На фиг. 1 схематично изображено предложенное теплообменное устройство к аппаратам для выращивания микроорганизмов; на фиг. 2 — узел на фиг. 1. в увеличенном масштабе;

11028 на фиг. 3 — разрез A-À на фиг. 2; на фиг. 4 — разрез Б-Б на фиг. 1.

Предложенное теплообменное устройство содержит дна коллектора 1 и 2 с вертикальными тепловыми трубами 3 и конденсатор 4, подключенный к коллекторам 1 и 2 при помощи паропровода 5 и конденсатопровода 6.

Внутри тепловых труб 3 коаксиально

10 с образованием кольцевого зазора 7 установлены дополнительные трубы 8 заглушенные с верхнего торца и подключенные н нижней части, расположенной нне тепловых труб 3, к отдель15 ному коллектору 9 для подвода хладоносителя в трубы 3. В верхней части каждой дополнительной трубы 8 устанонлена перпендикулярно ее аси трубка 10 со скошенными н параллельных плоскостях торцами. Трубка 10 пред20 назначена для распределения хладоносителя па внутренней поверхности трубы 3 в виде пленки и снабжена внутри винтовой направляющей 11, 25

Участок трубки 10, расположенный внутри дополнительной трубы 8,имеет отверстия l2 для, дросселиранания хладоносителя, а на наружной поверхности трубы 8 укреплены винтовые направляющие лопасти 13 для обеспечения смачинания внутренней поверхности труб 3 хладоносителем. Конденсатор 4 расположен нне аппарата для выращивания микроорганизмов и находится выше уровня верхнего коллектора35

1. К конденсатору 4 посредством трубопровода с вентилем 14 подключен мерник 15 для дозирования хладоносителя перед запуском в работу теплообменного устройства и для сбора хла- 40 доносителя во время стерилизации.

Керник 15 соединен с конденсатопронодом 6, трубкой 16 и запорным вентилем 17. Для выравнивания давления в конденсаторе 4 и мернике 15 преду- 45 смотрен трубопровод 18 с запорным вентилем 19. Паропровод 5 и конденсатопровод б снабжены вентилями 2023. К нижнему коллектору 9 подключен трубопровод 24 с запорным вентилем 50

25 для подвода хладоносителя в трубы

8, при этом указанный трубопровод

Ф соединен с конденсатопроводом 6 через вентиль 26. Коллектор 2 подключен к конденсатопроводу 6 труба- 55 проводом 27 с вентилем 28. г

Теплообменное устройство работает следующим образом.

07

В жаркий период года (несенне-летний), когда использование в качестне хладоносителя воды из,-за незначительного перепада температур между водой и охлаждаемай в ферментатарах культуральнай жидкостью (5-10 С} не обеспечивает необходимого тепласьема в процессе культивирования микроорганизмов, тогда теплаабменное устройство работает в режиме струйна-пленочного натекания хладанасителя — жидкого фреона-12 н сочетании с его фазавым переходом, что обеспечивает создание стрессовых тепловых режимов при культивировании микроорганизмов, либо в режиме фазового перехода хладоносителя с кипением ега в кольцевом зазоре, что обеспечивает постоянство температуры кипения хладапасптеля. а следовательно, поддержание оптимальной температуры различных продуцентав, имеющих разли«пую темпс-.ратуру культивирования, осуществляемую изменением давления внутри труб.

В случае работы теплообменного устройства в режиме струйно-пленочного натекания хладоносителя н сочетании с его фазовым переходом вентили

28, 25 и 23 закрыты и хладопаситель из конденсатора 4 поступает по конденсатапроваду 6 при открытых вентилях 20-22 и 26 в коллектор 9, а иэ него в трубы 8. Затем хладаноситель поступает через отверстие 12 в трубки

10 са скошенными торцами,.где при прохождении через отверстия 12 за счет перепада давлений возникает дросселирующий эффект, и хладонаситель охлаждается. После прохождения винтовой направляющей 11 хладанаситель н виде турбулизираванной пленки попадает на внутреннюю поверхность труб 3. Винтовые направляющие лопасти 13 направляют топкую пленку жидкости на внутреннюю гаверхность труб 3. Жидкий хладаноситель в виде тонкой пленки стекает в нижнюю часть труб 3, отбирая тепло через стенку от культуральнай жидкости, вскипая при этом. Образовавшийся пар за счет перепада давлений по паропроноду 5 поступает н конденсатор 4, где конденсируется и конденсат из конденсатора 4 по канденсатопроводу 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 низ1102807 кокипящего хладагента в трубном пространстве конденсатора.

В случае работы теплообменного устройства в режиме фазового перехода с кипением его в кольцевом зазоре нижняя часть труб 3 заполняется из меринка 15 хладоносителем. Тепло, выделяемое в, процессе микробиологического синтеза, передается к наружной поверхности тепловых труб 3. Хладоноси10 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 из 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 культуральо ной жидкостью составляет 15-25 С, что gg обеспечивает теплосъем при охлаждении аппарата для выращивания микроорганизмов, предлагаемое устройство с целью сокращения расхода воды работает в режиме струйно-пленочного натекания 40 без фазового перехода, при этом в качестве хладоносителя используют воду и рассол.

При работе аппарата в осенне-зим- 4s ний 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 отверс- 50 тия 12 поступает в трубки 10. Из трубок 10 вода 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, выделяемое в процессе микробиологического синтеза. Стекающая жидкостная пленка попадает в коллектор 2, а из него выходит через открытые вентили

2?, ?3 и 28.

Предложенная конструкция теплообменного устройства позволяет легко осуществить стерилизацию аппарата для выращивания 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 Вт/м град вместо

230 Вт/м град у базового объекта. Такое повышение интенсивности теплосъема и обеспечение термостабилизацин процесса позволит исключает перегревы культуральной жидкости, что способствует сохранению активности культуральной жидкости на 30-357..

Осуществление различных режимов охлаждения в предлагаемом теплообменном устройстве обеспечивает возможность использования различных хладоносителей (фреона или воды) в зависимости от временных условий проведения производственных 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 сравнении с базовым объектом составит на единицу продукции 0,35 руб. на 1 кг. препарата.

1102807

1102807

Составитель Г.Лошкарева

Редактор И.Недолуженко Техред Т. Дубинчак корректор A. Ильин

Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðoä ул.Проектная, 4

Заказ 4905/16 Тираж 522

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж"35, Раушская наб., д.475