Способ нагрева жидкости и устройство для его осуществления

 

Использование: в теплотехнике, технологическом оборудовании для тепломассообмена между жидким и газообразным теплоносителями. Сущность изобретения: корпус 1 снабжен патрубками подвода и отвода газа. Внутри корпуса 1 между решетками 2 размещена контактная насадка в виде полых металлических шаров 3. Выше насадки размещена форсунка 5 для разбрызгивания жидкости. Последняя распределяется в слое насадки, которая в процессе работы приводится газовым потоком в состояние псевдоожижения. Снаружи корпуса 1, выполненного из диэлектрического материала, размещен электромагнитный индуктор 4, создающий электромагнитное поле, под воздействием которого осуществляется регулируемый нагрев поверхности шаров, от которых тепло передается нагреваемой жидкости. На одном из шаров, который зафиксирован, размещен датчик температуры. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в составе технологического оборудования для тепло- и массообмена между жидким и газообразным теплоносителем в пищевой, химической, медицинской и других отраслях промышленности, в частности для нагрева молока в процессе пастеризации.

Известен способ нагрева молока в рекуперативных теплообменниках, когда греющий и нагреваемый теплоносители разделены поверхностью теплообмена [1] Недостатком известного способа является низкая эффективность теплообмена в диапазоне температур пастеризации (62-76^оС) и, как следствие, необходимость создания достаточно большой поверхности теплообмена при заданной производительности аппарата. Кроме того, при разностях температуры стенка-жидкость, обеспечивающих требуемый теплосъем, на металлической поверхности образуется характерный пригар, снижающий эффективность процесса, что приводит к необходимости остановки для очистки поверхности.

Известен способ нагрева жидкости потоком газа при непосредственном их контакте в случае подачи потоков сред навстречу друг другу через специальную теплообменную насадку, выполненную из керамических или металлических элементов [2] Известный тепломассообменный аппарат, выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит поярусно установленные в корпусе вентилятор, форсунку для разбрызгивания жидкости, многослойную насадку из полых шаров, причем каждый слой насадки имеет индивидуальную сетку, а шары выполнены диаметром, уменьшающимся от верхнего слоя к нижнему [3] Процесс нагрева жидкости, например молока при пастеризации, осуществляют следующим образом. При включении вентилятора внутри корпуса создается направленный вверх поток воздуха, равномерно распределенный по сечению слоями насадки из полых шаров и сетками. Охлаждаемая жидкость через водораспределительное устройство (форсунку) подается на шары насадки и приводит их в состояние псевдоожижения, которое обеспечивает постоянное обновление поверхностей контакта жидкости и газа.

При непрерывной циркуляции шаров в слоях насадки обеспечивается перемешивание жидкости внутри пленки, стекающей по поверхности шаров, и происходит турбулизация газа, смывающего шары и проходящего через сетки. Нагретый поток газа отводится из корпуса посредством вентилятора, а охлаждаемая жидкость сливается в поддон и через отводящий патрубок подается потребителю. Выполнение насадки многослойной при уменьшении диаметра шаров от верхнего слоя к нижнему позволяет интенсифицировать процесс тепломассообмена между охлаждаемой жидкостью и охлаждаемым газом за счет увеличения площади контакта от слоя к слою в соответствии с изменением температурного напора между средами.

Недостатками способа-прототипа являются большой расход газового теплоносителя и необходимость нагрева его до высоких температур для поддержания эффективного теплообмена в диапазоне пастеризационных температур. Например, для нагрева молока до t_м 62^оС (нижний предел пастеризационных температур) поток азота с относительной влажностью ϕ 20% должен иметь температуру t_r 270^оС. В молочной промышленности принят режим t_м 75-76^оС с выдержкой 15-20 с, который обеспечивает гигиеническую надежность, уничтожение патогенных и условно-патогенных микробов, сохранение пищевой и биологической ценности молока, его защитных факторов. Обеспечение этого режима требует еще большего подогрева газового потока, что вызывает известные технические трудности. Кроме того, газовый поток, псевдоожижающий шарики в контактной насадке, в реальных условиях имеет скорость ≈2 м/с, что приводит к уносу мелких капель молока, в результате чего время теплового воздействия на капли разных размеров неодинаково. Таким образом, в способе-прототипе не обеспечивается равномерный прогрев жидкости и постоянство температуры по ее объему, в результате чего подавление жизнедеятельности микроорганизмов недостаточно эффективно. Указанные недостатки способа-прототипа обусловлены нерациональным использованием физических особенностей процесса контактного теплообмена в условиях псевдоожижения.

Поставленная задача осуществить равномерный нагрев жидкости и обеспечить постоянство температуры по ее объему в процессе контакта жидкости с газовым потоком.

Для решения этой задачи в способе нагрева жидкости газом при непосредственном их контакте в слое инертных рабочих тел нагрев жидкости осуществляется в процессе контакта с теплоносителем при наложении внешнего электромагнитного поля, причем поток жидкости подают со скоростью, превышающей скорость подачи газа. В устройстве для нагрева жидкости, содержащем корпус с патрубками для подвода и отвода газа и размещенную внутри корпуса между решетками контактную насадку в виде пакета полых шаров, выше которой размещена форсунка для разбрызгивания жидкости, вне корпуса, выполненного из диэлектрического материала, расположен индуктор электромагнитного поля, а рабочие тела, выполненные в форме полых шаров из металла, нагреваются в электромагнитном поле индуктора, при этом по меньшей мере один шар, на котором расположен один датчик температуры, зафиксирован. Размер полых металлических шаров из нержавеющей стали выбирается из условия равенства эффективной плотности шара плотности нагреваемой жидкости (молока). В этом случае псевдоожижение наступает при низких скоростях газового потока, меньших, чем скорость витания капель. В результате гарантируется отсутствие уноса капель в псевдоожиженном слое.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники установлено, что заявляемое техническое решение явным образом не следует из уровня техники и соответствует критерию "изобретательский уровень".

Технический результат при осуществлении предлагаемого способа достигается за счет того, что нагрев полых металлических шарообразных тел ведется в электромагнитном поле внешнего индуктора при контроле температуры, вследствие интенсивного перемешивания шаров в состоянии псевдоожижения потоком газа капли разбрызгиваемой жидкости равномерно прогреваются в процессе контакта с теплоносителем, при этом отсутствует унос капель потоком газа и обеспечивается постоянство температуры жидкости в рабочем объеме.

На чертеже схематично изображена установка для реализации предлагаемого способа.

В корпусе 1 с патрубками для входа и выхода газа на технологических решетках 2 находится пакет полых шарообразных тел 3. Снаружи корпуса 1, выполненного из диэлектрического материала, расположен индуктор 4 электромагнитного поля. В верхней части корпуса расположена форсунка 5 для разбрызгивания нагреваемой жидкости внутри пакета рабочих тел, которые в процессе работы приводятся газовым потоком в состояние псевдоожижения.

Проверку, подтверждающую возможность осуществления изобретения, проводили на специально изготовленной лабораторной установке. На первом этапе проводили псевдоожижение фторопластовых шаров диаметром 9 мм потоком нагретого воздуха (t_r ≈ 120^oC). Получено, что псевдоожижение наступает при скорости воздуха w_r 2,2 м/с. Устойчивый процесс устанавливается при w_r 3,8 м/с. В это время с помощью струйной форсунки подают воду. Найдено, что часть подаваемой жидкости в виде мелких капель, присутствующих в факеле распыла, уносится газовым потоком. Проведенные оценки показывают, что уносу подвергаются капли размером 0,8 мм и меньше, т.е. уносятся капли, преобладающие в спектре распыла. Измерение температуры нагреваемой жидкости показали, что при температуре потока воздуха t_r 120^оС жидкость нагревается только до 56^оС, т.е. до температуры мокрого термометра.

Вторую серию опытов проводили с использованием рабочих тел в виде полых шаров из нержавеющей стали диаметром 9 мм с толщиной стенки δ= 0,1 мм. Псевдоожижение пакета таких рабочих тел наступает при w_r= 1 м/с, а устойчивое интенсивное перемешивание в слое имеет место при w_r= 1,8 м/с. Наложение внешнего электромагнитного поля с помощью индуктора позволяет осуществить регулируемый нагрев поверхности шаров вплоть до температуры кипения жидкости, т.е. до 100^оС. Контроль температуры осуществляют с помощью термопары, зачеканенной в стенку неподвижно закрепленного в пакете шара. Температура жидкости после пребывания в псевдоожиженном слое достигает уровня пастеризационных температур (65-75^оС). При скорости потока воздуха w_r 1,8 м/с унос капель из факела распыла использованной форсунки практически не имеет места, так как по оценкам капли диаметром d_к<0,4 мм, составляют малую долю (≈5%) в спектре образующихся капель.

Таким образом, изобретение промышленно применимо и позволяет значительно интенсифицировать процесс нагрева жидкости газовым потоком и обеспечить постоянство температуры по объему нагреваемой жидкости на требуемом уровне в результате контакта с газовым потоком и интенсивного перемешивания рабочими телами, нагревающимися в электромагнитном поле внешнего индуктора. За базу сравнения можно принять прототип.

Формула изобретения

1. Способ нагрева жидкости газом при непосредственном их контакте в слое инертных рабочих тел, причем потоки упомянутых сред подают навстречу друг другу, отличающийся тем, что нагрев жидкости осуществляют под воздействием внешнего электромагнитного поля, причем поток жидкости подают со скоростью, превышающей скорость подачи газа.

2. Устройство для нагрева жидкости, содержащее корпус с патрубками для подвода и отвода газа и размещенную внутри корпуса между решетками контактную насадку в виде пакета полых шаров, выше которой размещена форсунка для разбрызгивания жидкости, отличающееся тем, что оно снабжено индуктором электромагнитного поля, размещенным вне корпуса, и по меньшей мере одним датчиком температуры, расположенным на одном из шаров, причем корпус выполнен из диэлектрического материала, а шары - из металла.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что шар с датчиком температуры зафиксирован.

РИСУНКИ

Рисунок 1