RU2185234C2 - Method of preparation and cooling of solution and device for said method embodiment - Google Patents
Method of preparation and cooling of solution and device for said method embodiment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2185234C2 RU2185234C2 RU2000101012/12A RU2000101012A RU2185234C2 RU 2185234 C2 RU2185234 C2 RU 2185234C2 RU 2000101012/12 A RU2000101012/12 A RU 2000101012/12A RU 2000101012 A RU2000101012 A RU 2000101012A RU 2185234 C2 RU2185234 C2 RU 2185234C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cooling
- heat
- exchange chamber
- heat exchange
- solution
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники. The field of technology.
Изобретение относится к химической промышленности и предназначено для приготовления и интенсивного охлаждения растворов с высоким удельным тепловыделением, и может быть использовано в лазерной технике, преимущественно в технологическом химическом йодно-кислородном лазере (ИКЛ). The invention relates to the chemical industry and is intended for the preparation and intensive cooling of solutions with high specific heat, and can be used in laser technology, mainly in a technological chemical iodine-oxygen laser (ICL).
Уровень техники. При создании способов для получения синглетного кислорода и устройств для их осуществления, работающих в течение длительного времени, например в технологическом йодно-кислородном лазере, возникает целый ряд проблем. Некоторые из них связаны с приготовлением высоко агрессивной рабочей жидкости - щелочного раствора перекиси водорода. The prior art. When creating methods for producing singlet oxygen and devices for their implementation, working for a long time, for example in a technological iodine-oxygen laser, a number of problems arise. Some of them are associated with the preparation of a highly aggressive working fluid - an alkaline solution of hydrogen peroxide.
Тепло, выделяемое при растворении КОН в воде, составляет величину порядка 52 кДж/моль КОН. Поэтому система приготовления водного раствора КОН для технологического ИКЛ с выходной мощностью около 1 кВт должна поглощать десятки мега- джоулей тепловой энергии при времени непрерывной работы несколько десятков минут. При условии достаточно быстрого приготовления рабочего раствора (около 30 мин) мощность холодильника должна быть па уровне нескольких киловатт. The heat generated when KOH is dissolved in water is about 52 kJ / mol KOH. Therefore, the system for preparing an aqueous KOH solution for technological ICL with an output power of about 1 kW should absorb tens of megajoules of thermal energy with a continuous operation time of several tens of minutes. Provided that the working solution is prepared quickly enough (about 30 minutes), the capacity of the refrigerator should be at the level of several kilowatts.
Концентрированные щелочные растворы перекиси водорода становятся неустойчивыми уже при температурах, выше комнатной. В них происходит самопроизвольный разогрев, связанный с выделением тепла при разложении перекиси водорода. В этом процессе выделяется энергия порядка 95 кДж/моль разложившейся перекиси водорода. При бурном разложении раствор вскипает, стимулируя процесс разложения. Поэтому смесь должна иметь отрицательную температуру при хранении и приготовлении. Concentrated alkaline solutions of hydrogen peroxide become unstable even at temperatures above room temperature. In them, spontaneous heating occurs, associated with the release of heat during the decomposition of hydrogen peroxide. In this process, an energy of about 95 kJ / mol of decomposed hydrogen peroxide is released. During rapid decomposition, the solution boils, stimulating the decomposition process. Therefore, the mixture should have a negative temperature during storage and preparation.
Щелочной раствор перекиси водорода приготавливается в процессе смешения водных растворов КОН и перекиси водорода. An alkaline solution of hydrogen peroxide is prepared by mixing aqueous solutions of KOH and hydrogen peroxide.
H2O2+KOH --> K++O2H-+H2O. (1)
Тепло, выделяемое при таком смешении, составляет величину порядка 50 кД/к/моль КОН. Поэтому для предотвращения разложения перекиси водорода в процессе смешения ее предварительно охлаждают.H 2 O 2 + KOH -> K + + O 2 H - + H 2 O. (1)
The heat released during this mixing is about 50 kD / k / mol KOH. Therefore, to prevent decomposition of hydrogen peroxide during the mixing process, it is pre-cooled.
В непрерывном режиме работы лазерной упаковки для уменьшения разложения перекиси водорода, а также для снижения давления паров воды на выходе генератора синглетного кислорода до уровня 1 Торр, необходимо поддерживать температуру жидкости в диапазоне -(10+20)oС.In continuous operation of the laser packaging to reduce the decomposition of hydrogen peroxide, as well as to reduce the water vapor pressure at the outlet of the singlet oxygen generator to a level of 1 Torr, it is necessary to maintain the temperature of the liquid in the range - (10 + 20) o C.
Охлажденный щелочной раствор перекиси водорода, протекая по конструктивным элементам, отбирает от них тепловую энергию и нагревается. К этой тепловой энергии добавляется энергия, выделяемая в результате экзотермической реакции газообразного хлора со щелочным раствором перекиси водорода:
Cl2+2O2H--->O2(1Δ)+2Cl-. (2)
Энерговыделение в данной реакции весьма значительно и составляет 155 кДж при объемной скорости потока хлора 1 моль/сек. Поэтому происходит разогрев щелочного раствора перекиси водорода и без дополнительного охлаждения его температура может достигать критических значений, при которых происходит спонтанное разложение перекиси водорода с бурным энерговыделением (тепловой взрыв).A cooled alkaline solution of hydrogen peroxide, flowing through the structural elements, takes away heat energy from them and heats up. To this thermal energy is added the energy released as a result of the exothermic reaction of gaseous chlorine with an alkaline solution of hydrogen peroxide:
Cl 2 + 2O 2 H - -> O 2 ( 1 Δ) + 2Cl - . (2)
The energy release in this reaction is very significant and amounts to 155 kJ at a volumetric chlorine flow rate of 1 mol / s. Therefore, the alkaline solution of hydrogen peroxide is heated and, without additional cooling, its temperature can reach critical values at which spontaneous decomposition of hydrogen peroxide with rapid energy release occurs (thermal explosion).
Таким образом, в задаче разработки технологического ИКЛ возникает необходимость создания способа и устройства для приготовления и охлаждения растворов с высоким удельным тепловыделением, позволяющих в режиме реального времени поглощать десятки киловатт тепловой энергии (например: для лазерной мощности -10 кВт требуется отводить ~70 кВт тепловой мощности), стабилизируя температуру раствора на заданном уровне. Thus, in the task of developing technological PCL, there is a need to create a method and device for preparing and cooling solutions with high specific heat release, which allow absorbing tens of kilowatts of thermal energy in real time (for example: ~ 70 kW of thermal power must be removed for laser power of -10 kW ), stabilizing the temperature of the solution at a given level.
Известен способ приготовления растворов в условиях интенсивного перемешивания и теплообмена, заключающийся в том, что в резервуар подают компоненты раствора и перемешивают посредством мешалки. Одновременно в теплообменный стакан подают охлаждающую жидкость, благодаря которой на стенках стакана происходит охлаждение приготовляемого раствора [1]. Недостатком способа являются малые объемы получаемого раствора и низкая производительность. A known method of preparing solutions in conditions of intensive mixing and heat transfer, which consists in the fact that the components of the solution are fed into the tank and mixed by means of a mixer. At the same time, coolant is supplied to the heat transfer cup, due to which the prepared solution is cooled on the walls of the cup [1]. The disadvantage of this method is the small volumes of the resulting solution and low productivity.
Указанный способ приготовления растворов реализован с помощью аппарата, включающего вертикальный корпус, распылитель, мешалку, помещенную в турбулизирующей насадке, и теплообменный стакан, установленный по оси аппарата под мешалкой [1]. The specified method for preparing solutions is implemented using an apparatus including a vertical casing, a sprayer, a stirrer placed in a turbulizing nozzle, and a heat transfer cup mounted along the axis of the apparatus under the stirrer [1].
К недостаткам устройства следует отнести наличие узких каналов между теплообменным стаканом и корпусом, что делает невозможным использование устройства для приготовления растворов при температурах, близких к температуре замерзания. The disadvantages of the device include the presence of narrow channels between the heat exchanger cup and the housing, which makes it impossible to use the device for the preparation of solutions at temperatures close to the freezing temperature.
Известен способ приготовления и охлаждения растворов в условиях интенсивного перемешивания и теплообмена, позволяющий приготовить большие количества раствора, включающий подачу компонентов раствора в резервуар, одновременное перемешивание и охлаждение [2]. В этом способе для интенсификации процессов приготавливаемую смесь путем прокачки разделяют на два потока, охлаждают каждый и вновь объединяют. При реализации этого способа возникает необходимость компенсации гидравлических сопротивлений, возникающих при разделении потоков и прокачке жидкости, что влечет за собой увеличение потребляемой мощности. A known method of preparation and cooling of solutions in conditions of intensive mixing and heat transfer, which allows to prepare large quantities of solution, including the supply of solution components to the tank, simultaneous mixing and cooling [2]. In this method, to intensify the processes, the prepared mixture by pumping is divided into two streams, each is cooled and combined again. When implementing this method, it becomes necessary to compensate for the hydraulic resistances arising from the separation of flows and pumping fluid, which entails an increase in power consumption.
Указанный способ приготовления растворов реализован с помощью аппарата [2] , включающего вертикальный корпус с теплообменной рубашкой, циркуляционную трубу, вертикальные полые трубы со встроенными секционными трубчатыми теплообменниками и перемешивающее устройство. В таком теплообменнике увеличение производительности достигается за счет увеличения удельной поверхности теплообмена. Т.к. в этом устройстве жидкость также циркулирует по узким каналам, то ему присущи те же недостатки, что и предыдущему [1]. The specified method for preparing solutions is implemented using the apparatus [2], including a vertical body with a heat exchange jacket, a circulation pipe, vertical hollow pipes with built-in sectional tubular heat exchangers and a mixing device. In such a heat exchanger, an increase in productivity is achieved by increasing the specific heat transfer surface. Because In this device, the liquid also circulates through narrow channels, then it has the same disadvantages as the previous one [1].
Известен способ для проведения экзотермических реакций, заключающийся в том, что осуществляют ввод компонентов раствора в реактор, циркуляцию жидкости по замкнутому контуру с одновременным отводом тепла, выделяющегося в результате химической реакции [3]. A known method for conducting exothermic reactions, which consists in the fact that the components of the solution are introduced into the reactor, the liquid is circulated in a closed circuit with the simultaneous removal of heat generated as a result of a chemical reaction [3].
Устройство для реализации способа [3] содержит мешалку и теплообменник с кольцевой камерой, погруженный в реакционную массу внутри реактора. Кольцевая камера имеет каналы с поперечным сечением в виде круга для вертикального протока массы. При этом поток хладагента проходит через камеру между указанными каналами. Этому решению присущи те же недостатки, что решениям [1], [2] , хотя при реализации способа [3] возможно увеличение эффективности теплоотвода и тем самым производительности устройства. A device for implementing the method [3] contains a stirrer and a heat exchanger with an annular chamber immersed in the reaction mass inside the reactor. The annular chamber has channels with a cross-section in the form of a circle for a vertical mass flow. In this case, the flow of refrigerant passes through the chamber between these channels. This solution has the same disadvantages as solutions [1], [2], although when implementing method [3], it is possible to increase the efficiency of heat removal and thereby the performance of the device.
Известен способ приготовления растворов с большим удельным тепловыделением [4], заключающийся в том, что в резервуар подают компоненты раствора, которые перемешивают в процессе циркуляции по замкнутому контуру с одновременным охлаждением смеси. A known method of preparing solutions with high specific heat [4], which consists in the fact that the components of the solution are fed into the tank, which are mixed during the circulation in a closed loop while cooling the mixture.
Указанный способ приготовления растворов реализован с помощью аппарата [4] , включающего вертикальный корпус с теплообменной рубашкой, диффузор с теплообменной камерой и перемешивающее устройство в виде винтовой мешалки. Недостатком способа для приготовления и охлаждения растворов и устройства, для его осуществления, является низкая эффективность теплообмена, а также невозможность применения данного технического решения для приготовления и охлаждения растворов с температурой, близкой к температуре замерзания, в частности щелочного раствора перекиси водорода, необходимого для получении компонентов рабочей среды йодно-кислородного лазера, т.к. реакция получения синглетного кислорода идет со значительным тепловыделением, которое влечет за собой повышение температуры щелочного раствора перекиси водорода. Для поддержания температуры в рабочем диапазоне теплообменник должен иметь большую поверхность теплообмена, что сильно увеличивает габариты устройства в целом. The specified method for preparing solutions is implemented using the apparatus [4], which includes a vertical body with a heat exchange jacket, a diffuser with a heat exchange chamber and a mixing device in the form of a screw mixer. The disadvantage of the method for the preparation and cooling of solutions and devices, for its implementation, is the low heat transfer efficiency, as well as the impossibility of using this technical solution for the preparation and cooling of solutions with a temperature close to the freezing temperature, in particular, an alkaline solution of hydrogen peroxide required to obtain components working environment of an iodine-oxygen laser, as The reaction of producing singlet oxygen proceeds with significant heat release, which entails an increase in the temperature of an alkaline solution of hydrogen peroxide. To maintain the temperature in the operating range, the heat exchanger must have a large heat exchange surface, which greatly increases the overall dimensions of the device.
Указанные способ для приготовления и охлаждения растворов и устройство для его осуществления как наиболее близкие по своей технической сущности к предлагаемому техническому решению, выбраны в качестве прототипа. The specified method for the preparation and cooling of solutions and a device for its implementation as the closest in their technical essence to the proposed technical solution, are selected as a prototype.
Сущность изобретения. SUMMARY OF THE INVENTION
Техническая задача изобретения состоит в создании способа для непрерывного получения и охлаждения щелочного раствора перекиси водорода и устройства для его осуществления, позволяющего производить охлаждение рабочей жидкости до температуры, близкой к температуре замерзания раствора, в частности щелочного раствора перекиси водорода. An object of the invention is to provide a method for continuously producing and cooling an alkaline solution of hydrogen peroxide and a device for its implementation, which allows cooling the working fluid to a temperature close to the freezing temperature of the solution, in particular an alkaline solution of hydrogen peroxide.
Технический результат в предлагаемых способе для приготовления и охлаждения растворов и устройство для его осуществления состоит в уменьшении расхода хладагента за счет повышения эффективности теплообмена, уменьшении эксплуатационных затрат, обеспечении возможности непрерывного охлаждения рабочей жидкости, необходимой для получения компонентов лазерной среды ИКЛ. The technical result in the proposed method for the preparation and cooling of solutions and a device for its implementation is to reduce the flow of refrigerant by increasing the efficiency of heat transfer, reducing operating costs, providing the possibility of continuous cooling of the working fluid necessary to obtain the components of the laser medium PCL.
Это достигается тем, что в известном способе приготовления и охлаждения раствора, включающем подачу компонентов раствора в резервуар, перемешивание посредством его циркуляции по замкнутому контуру с одновременным охлаждением на стенках теплообменной камеры, охлаждение теплообменной камеры осуществляют путем подачи в ее верхнюю область криогенной жидкости и выводом потока образующегося газа из нее и резервуара, при этом криогенную жидкость подают с объемным перераспределением, обеспечивающим равномерное охлаждение внутренней области теплообменной камеры. This is achieved by the fact that in the known method of preparing and cooling the solution, including feeding the components of the solution into the tank, mixing by circulating it in a closed circuit with simultaneous cooling on the walls of the heat exchange chamber, cooling the heat exchange chamber is carried out by supplying cryogenic liquid to its upper region and outputting the stream the gas formed from it and the reservoir, while the cryogenic liquid is supplied with volumetric redistribution, providing uniform cooling of the inner region te heat transfer chamber.
Во втором варианте способа приготовления и охлаждения растворов в качестве криогенной жидкости используют жидкий азот. In a second embodiment of the method for preparing and cooling solutions, liquid nitrogen is used as a cryogenic liquid.
В третьем варианте способа приготовления и охлаждения растворов подачу жидкости осуществляют равномерно в нескольких точках, а вывод потока образующегося газа также осуществляют в нескольких точках, расположенных между точками ввода жидкости. In the third embodiment of the method for preparing and cooling solutions, the liquid is supplied uniformly at several points, and the output of the gas flow is also carried out at several points located between the liquid inlet points.
В известном устройстве для приготовления и охлаждения растворов, включающем вертикальный теплоизолированный корпус, диффузор с теплообменной камерой и перемешивающее устройство. Отличительным является то, что в полости теплообменной камеры, заполненной пористой теплопроводной средой, установлена система емкостей с равномерным увеличением объема по направлению движения жидкости, позволяющих создавать высокий температурный градиент на стенках теплообменной камеры и обеспечивать высокую удельную интенсивность теплообменных процессов, а перемешивающее устройство выполнено в виде винтовой и турбинной мешалок, установленных на одном валу, позволяющее обеспечивать интенсивный теплоотвод от стенок теплообменной камеры. In the known device for the preparation and cooling of solutions, including a vertical insulated housing, a diffuser with a heat exchange chamber and a mixing device. Distinctive is that in the cavity of the heat exchange chamber filled with a porous heat-conducting medium, a system of tanks with a uniform increase in volume in the direction of fluid movement is installed, which allows creating a high temperature gradient on the walls of the heat exchange chamber and providing a high specific intensity of heat transfer processes, and the mixing device is made in the form screw and turbine mixers mounted on one shaft, allowing for intensive heat removal from the walls by heat exchange th camera.
Во втором варианте выполнения устройства отличительным является то, что емкости выполнены в виде замкнутых желобов. In the second embodiment of the device, it is distinctive that the containers are made in the form of closed gutters.
В третьем варианте выполнения устройства отличительным является то, что внутренняя полость теплообменной камеры заполнена пористой средой, выполненной из высокотеплопроводного материала. In the third embodiment of the device, it is distinctive that the internal cavity of the heat exchange chamber is filled with a porous medium made of highly heat-conducting material.
В четвертом варианте выполнения устройства отличительным является то, что на наружной поверхности диффузора выполнены прямые или закрученные по потоку ребра. In the fourth embodiment, the device is distinguished by the fact that on the outer surface of the diffuser there are straight or stream-wound ribs.
В пятом варианте выполнения устройства отличительным является то, что углы установки лопастей мешалок противоположны друг другу. In the fifth embodiment of the device, it is distinctive that the angles of installation of the blades of the agitators are opposite to each other.
Указанные отличия позволяют создать надежные непрерывно работающие способ и устройство для приготовления и охлаждения растворов с высоким удельным тепловыделением со значительно меньшими расходами хладагента и эксплуатационными затратами, чем у известных аналогов за счет повышения эффективности теплообмена. These differences allow you to create a reliable continuously working method and device for the preparation and cooling of solutions with high specific heat with significantly lower refrigerant costs and operating costs than the known analogues due to increased heat transfer efficiency.
В промышленности, науке и технике часто возникают задачи интенсивного охлаждения жидкостных растворов. Так, например, при разработке йодно-кислородного лазера при реакции хлора со щелочным раствором перекиси водорода выделяется тепловая энергия порядка 155 кДж на моль хлора. Для охлаждения рабочего раствора требуются мощные теплообменные аппараты, позволяющие отводить тепло на уровне десятков и сотен киловатт. При этом принципиальное значение имеют массогабаритные характеристики теплообмена. Неустойчивость щелочного раствора перекиси водорода не позволяет создавать теплообменные аппараты с большим паразитным объемом. Из этого и вытекает задача разработки пригодных для этой цели способов и устройств. Использование энергии испарения сконденсированных газов позволит в этом случае не только существенно уменьшить потребление электрической энергии, но и габариты теплообменника. Из них наиболее перспективным аккумулятором холода является жидкий азот в силу своей дешевизны и безопасности работы. При этом энергоемкость 1 кг жидкого азота составляет величину порядка 260 кДж, а 2/3 энергии запасено в теплоте парообразования (около 196 кДж). In industry, science and technology, the tasks of intensive cooling of liquid solutions often arise. So, for example, when developing an iodine-oxygen laser during the reaction of chlorine with an alkaline solution of hydrogen peroxide, thermal energy of about 155 kJ per mole of chlorine is released. To cool the working solution, powerful heat exchangers are required that allow heat to be removed at the level of tens and hundreds of kilowatts. In this case, the mass and size characteristics of heat transfer are of fundamental importance. The instability of the alkaline solution of hydrogen peroxide does not allow the creation of heat exchangers with a large parasitic volume. From this the task of developing suitable methods and devices for this purpose follows. Using the energy of evaporation of condensed gases in this case will not only significantly reduce the consumption of electrical energy, but also the dimensions of the heat exchanger. Of these, liquid nitrogen is the most promising cold accumulator due to its low cost and operational safety. The energy intensity of 1 kg of liquid nitrogen is about 260 kJ, and 2/3 of the energy is stored in the heat of vaporization (about 196 kJ).
Во всех приведенных выше способах для приготовления и охлаждения растворов и устройствах для его осуществления использование жидкого азота является невозможным, т. к. при указанных схемах подачи хладагента, он будет стекать в нижнюю область теплообменника, что приведет к переохлаждению придонной части, а следовательно, к намерзанию льда, разрыву контура циркуляции и резкому ухудшению теплообмена. Использование холодного газообразного азота неэффективно, т. к. в этом случае теряется 2/3 энергии, запасенной в жидком состоянии, вследствие низких коэффициентов теплоотдачи у газов возникнет необходимость увеличения теплопередающих поверхностей в несколько раз. In all of the above methods for the preparation and cooling of solutions and devices for its implementation, the use of liquid nitrogen is impossible, because with the indicated schemes for supplying refrigerant, it will drain into the lower region of the heat exchanger, which will lead to overcooling of the bottom part, and therefore to ice freezing, breaking the circulation circuit and a sharp deterioration in heat transfer. The use of cold gaseous nitrogen is inefficient, since in this
Для решения этих задач в предлагаемом способе жидкий азот подается в верхнюю часть теплообменной камеры и перераспределяется по ее объему. Для более равномерной подачи ввод жидкого азота в теплообменную камеру и вывод газа из нее осуществляется в нескольких точках. To solve these problems in the proposed method, liquid nitrogen is supplied to the upper part of the heat exchange chamber and redistributed over its volume. For a more uniform supply, the introduction of liquid nitrogen into the heat exchange chamber and the gas outlet from it is carried out at several points.
В корпусе устройства размещается диффузор с теплообменной камерой, внутренняя полость которой заполнена пористой теплопроводной средой. Внутри этой среды установлена система замкнутых желобов, позволяющая равномерно перераспределять поступающий сверху жидкий азот по всему объему теплообменной камеры. A diffuser with a heat exchange chamber, the internal cavity of which is filled with a porous heat-conducting medium, is placed in the device case. Inside this environment, a system of closed gutters is installed, which makes it possible to evenly redistribute liquid nitrogen coming from above throughout the volume of the heat exchange chamber.
Жидкий азот, поступая в верхний желоб, растекается по нему и, испаряясь, охлаждает всю прилегающую область до температур, близких к температуре жидкого азота. После этого происходит наполнение верхнего желоба, и часть жидкого азота через края перетекает в нижестоящий желоб, заполняя его. т.е. происходит постепенное и равномерное охлаждение внутреннего объема теплообменной камеры. Liquid nitrogen, entering the upper trench, spreads along it and, evaporating, cools the entire adjacent region to temperatures close to the temperature of liquid nitrogen. After this, the upper trough is filled, and part of the liquid nitrogen flows over the edges into the lower trench, filling it. those. there is a gradual and uniform cooling of the internal volume of the heat exchange chamber.
Наличие пористой теплопроводной среды позволяет аккумулировать холод во всем объеме теплообменной камеры и интенсифицировать теплообменные процессы за счет большого температурного напора, турбулизации газового потока при фильтрации его в пористой среде, приводящей к росту коэффициента теплоотдачи и выравниванию поля температур, реализации различных режимов кипения жидкого азота в пористой среде. The presence of a porous heat-conducting medium allows one to accumulate cold in the entire volume of the heat-exchange chamber and to intensify heat-exchange processes due to the large temperature head, turbulence of the gas stream when it is filtered in a porous medium, which leads to an increase in the heat transfer coefficient and equalization of the temperature field, the implementation of various boiling modes of liquid nitrogen in the porous environment.
При этом пористая среда выполняется из высокотеплопроводных материалов (медь, латунь), что обеспечивает быстрое выравнивание поля температур в вертикальном и горизонтальном направлениях. At the same time, the porous medium is made of highly heat-conducting materials (copper, brass), which ensures rapid alignment of the temperature field in the vertical and horizontal directions.
Для обеспечения интенсивного теплообмена охлаждаемого раствора с поверхностью диффузора с теплообменной камерой необходимо повышать скорость циркуляции жидкости, что обеспечивается перемешивающим устройством, выполненным в виде системы из винтовой и турбинной мешалок, установленных на одном валу. Винтовая мешалка установлена по оси диффузора и фактически служит насосом, турбинная мешалка установлена в кольцевом канале, образованном между корпусом аппарата и диффузора с теплообменной камерой и служит для увеличения общей скорости потока. Для компенсации гидравлических потерь, возникающих при движении охлаждаемого раствора, углы установки мешалок противоположны друг другу. При этом реализуется движение жидкости по замкнутому контуру в турбулентном режиме, что интенсифицирует процессы теплообмена и устраняет возможность появления застойных зон. Для увеличения теплопередающих поверхностей на наружной поверхности диффузора выполнены прямые или закрученные по потоку ребра. To ensure intensive heat transfer of the cooled solution with the surface of the diffuser with a heat exchange chamber, it is necessary to increase the fluid circulation rate, which is ensured by a mixing device made in the form of a system of screw and turbine mixers mounted on one shaft. A screw mixer is installed along the axis of the diffuser and actually serves as a pump, a turbine mixer is installed in the annular channel formed between the casing of the device and the diffuser with a heat exchange chamber and serves to increase the total flow rate. To compensate for hydraulic losses arising from the movement of the cooled solution, the angles of the mixers are opposite to each other. At the same time, fluid movement along a closed circuit in a turbulent mode is realized, which intensifies heat transfer processes and eliminates the possibility of stagnant zones. To increase the heat transfer surfaces on the outer surface of the diffuser, straight or stream-wound ribs are made.
На фиг.1 схематично представлено устройство для приготовления и охлаждения растворов. Цифрами обозначены следующие элементы: 1 - вертикальный цилиндрический корпус; 2 - тепловая изоляция; 3 - диффузор с теплообменной камерой; 4,5 - перемешивающее устройство (4 - винтовая мешалка; 5 - турбинная мешалка); 6 - электропривод; 7 - температурные датчики; 8 - патрубок подвода охлаждаемого раствора; 9 - патрубок отвода охлаждаемого раствора; 10 - патрубки подвода жидкого азота; 11 - патрубки отвода газообразного азота; 12 - система распределительных желобов; 13 - кольцевой канал; 14 - центральный канал; 15 - ребра; 16 - пористая среда; 17 -разделитель потока. Figure 1 schematically shows a device for the preparation and cooling of solutions. The numbers denote the following elements: 1 - vertical cylindrical body; 2 - thermal insulation; 3 - diffuser with heat exchange chamber; 4,5 - mixing device (4 - screw mixer; 5 - turbine mixer); 6 - electric drive; 7 - temperature sensors; 8 - pipe for supplying a cooled solution; 9 - pipe outlet of the cooled solution; 10 - nozzles for supplying liquid nitrogen; 11 - pipes for the removal of gaseous nitrogen; 12 - system of distribution channels; 13 - annular channel; 14 - the central channel; 15 - ribs; 16 - porous medium; 17 is a stream separator.
Фиг. 2. поясняет устройство макета экспериментальной установки с электрическим обогревом образца. 1 - теплообменная камера, 2 - пористая среда, 3 - система распределения жидкого азота, 4 - патрубок для подачи жидкого азота, 5 - патрубок для вывода газообразного азота. FIG. 2. explains the layout of the experimental setup with electric heating of the sample. 1 - heat exchange chamber, 2 - porous medium, 3 - liquid nitrogen distribution system, 4 - pipe for supplying liquid nitrogen, 5 - pipe for removing nitrogen gas.
Фиг. 3. поясняет устройство макета экспериментальной установки с циркуляцией жидкости вокруг теплопередающей поверхности. 1 - теплообменная камера, 2 - охлаждаемый раствор, 3 - перемешивающее устройство, 4 - теплоизолированный бак. FIG. 3. explains the layout of the experimental setup with the circulation of fluid around the heat transfer surface. 1 - heat exchange chamber, 2 - cooled solution, 3 - mixing device, 4 - insulated tank.
На фиг.4 представлена экспериментальная зависимость температуры выходящего из теплообменной камеры газообразного азота от времени (Макет с электрическим обогревом, расход; азота 6 г/с, время охлаждения 26 минут). Figure 4 shows the experimental dependence of the temperature of the nitrogen gas leaving the heat exchange chamber on time (Model with electric heating, flow rate; nitrogen 6 g / s, cooling time 26 minutes).
На фиг.5 представлено распределение температуры пористой среды в нескольких сечениях по высоте теплообменной камеры:
На фиг.6 представлена экспериментальная зависимость температуры выходящего из теплообменной камеры газообразного азота от времени (Макет с циркуляцией жидкости, расход азота 7.6 г/с, время охлаждения 31 минута). Figure 6 shows the experimental dependence of the temperature of the gaseous nitrogen leaving the heat exchange chamber on time (Layout with liquid circulation, nitrogen flow rate of 7.6 g / s, cooling time 31 minutes).
Устройство для приготовления и охлаждения растворов содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с тепловой изоляцией 2, диффузор с теплообменной камерой 3, перемешивающее устройство 4,5 с электроприводом 6. Диффузор с теплообменной камерой 3 установлен соосно в корпусе 1, имеет прямые или закрученные по потоку ребра 15 и образует замкнутый контур циркуляции жидкости по центральному каналу 14 и кольцевому каналу 13. Внутренняя полость теплообменной камеры заполнена пористым теплопроводящим материалом 16 (например, медь, латунь). Внутри теплопроводящего материала находится система распределительных желобов 12, выполняющая роль накопителя и распределителя жидкого азота. Система подачи жидкого азота позволяет получать равномерное распределение поля температур в полости теплообменной камеры 3. В теплообменной камере 3 устанавливаются температурные датчики 7, позволяющие осуществлять контроль и регулировку подачи жидкого азота. Перемешивающее устройство представляет собой систему из винтовой 4 и турбинной 5 мешалок, установленных на одном валу. Винтовая мешалка 4 устанавливается в нижней части диффузора и обеспечивает подсос жидкости и ее следующее перемещение в осевом направлении по каналу 14, турбинная мешалка 5 устанавливается под диффузором и позволяет увеличить скорость общего потока в кольцевом канале 13. Углы установки лопастей винтовой мешалки 4 противоположны углам установки турбинной мешалки 5. Устройство для приготовления и охлаждения растворов снабжено патрубками подвода 8 и отвода 9 охлаждаемого раствора и патрубками подвода жидкого азота 10 и патрубками отвода газообразного азота 11. Для отделения части потока перед патрубком отвода охлаждаемого раствора 9 устанавливается разделитель потока 17. A device for preparing and cooling solutions contains a vertical
Заявленные способ и устройство работают следующим образом. Через патрубок 8 в цилиндрический корпус 1 с теплоизоляцией 2 поступает охлаждаемый раствор и под действием насосного эффекта, создаваемого перемешивающим устройством 4,5, которое приводится в движение от электропривода 6, он начинает циркулировать в турбулентном режиме по замкнутому контуру (каналы 13, 14), нагревая оребренную 15 поверхность диффузора с теплообменной камерой 3. Через патрубки 10 внутрь теплообменной камеры подается жидкий азот, который сначала поступает на верхний желоб 12. При его испарении обеспечивается непосредственное охлаждение прилегающей области до низких температур. По мере охлаждения данной области в первом желобе начинает накапливаться жидкий азот, который потом перетекает на второй желоб. Таким образом, процесс продолжается до самого нижнего желоба 12, обеспечивая охлаждение теплообменной камеры 3 и пористого материала 16. Пары азота поднимаются вверх и выводятся из теплообменной камеры через патрубки 11. Работа аппарата контролируется и регулируется подачей жидкого азота, используя показания температурных датчиков 7. Часть охлажденного раствора отсекается разделителем потока 17 и выводится через патрубок 9. The claimed method and device work as follows. A cooled solution enters through a pipe 8 into a
Проведены оценочные расчеты и макетные эксперименты. Estimated calculations and mock experiments were carried out.
Оценочные расчеты проводились на персональном компьютере с использованием упрощенных моделей гидродинамики [5] и теплообмена[6,7]. Evaluation calculations were carried out on a personal computer using simplified models of hydrodynamics [5] and heat transfer [6,7].
В расчетах получены следующие результаты. In the calculations, the following results were obtained.
1. Предложенный способ охлаждения щелочного раствора перекиси водорода позволяет отводить большие удельные тепловые мощности при использовании в качестве хладагента жидкого азота. 1. The proposed method for cooling an alkaline solution of hydrogen peroxide allows you to remove large specific heat capacity when using liquid nitrogen as a refrigerant.
2. Внутри диффузора с теплообменной камерой реализуется равномерное поле температур. 2. Inside the diffuser with a heat exchange chamber, a uniform temperature field is realized.
3. Благодаря устройству теплообменной камеры в теплообменнике реализуется высокий тепловой напор, величина которого зависит от расхода жидкого азота. 3. Thanks to the arrangement of the heat exchanger chamber, a high heat head is realized in the heat exchanger, the magnitude of which depends on the flow of liquid nitrogen.
4. Использование высокотеплопроводного материала (медь, латунь) внутри теплообменной камеры позволяет быстро достигать стационарных условий и отводить требуемое количество тепла от охлаждаемой жидкости. 4. The use of highly heat-conducting material (copper, brass) inside the heat exchange chamber allows you to quickly achieve stationary conditions and remove the required amount of heat from the cooled liquid.
5. В стационарных условиях температура выходящего газообразного азота зависит от теплового баланса. 5. Under stationary conditions, the temperature of the outgoing gaseous nitrogen depends on the heat balance.
6. Гидродинамические и тепловые расчеты показывают возможность обеспечения высокой мощности теплообмена на теплопередающей поверхности. 6. Hydrodynamic and thermal calculations show the possibility of providing high heat transfer power on a heat transfer surface.
Для проверки проведенных расчетов был разработан макет теплообменной камеры и устройства для охлаждения и приготовления раствора. Устройство было рассчитано на тепловую мощность 1.5-2 кВт, которая соответствует лазеру с выходной мощностью порядка 0,1 кВт. Для отвода данного количества теплоты с помощью жидкого азота необходимо обеспечить его расход около 6 г/с. To verify the calculations, a model of a heat exchange chamber and a device for cooling and preparing a solution was developed. The device was designed for a thermal power of 1.5-2 kW, which corresponds to a laser with an output power of about 0.1 kW. To remove this amount of heat using liquid nitrogen, it is necessary to ensure its consumption of about 6 g / s.
Нагрев теплообменной камеры осуществлялся двумя способами:
а) с помощью электрического нагревателя;
б) с помощью циркуляции жидкости.The heat exchange chamber was heated in two ways:
a) using an electric heater;
b) using fluid circulation.
В обоих случаях теплообменная камера была теплоизолирована от окружающей среды,
В ходе эксперимента проводились измерения температур пористой среды в нескольких сечениях теплообменной камеры, температуры стенок, выходящего газа, температуры охлаждаемого раствора. В качестве теплопроводящей пористой среды использовалась дробленая латунная стружка с характерным размером 1-3 мм.In both cases, the heat exchange chamber was insulated from the environment,
During the experiment, we measured the temperature of the porous medium in several sections of the heat exchange chamber, the temperature of the walls, the outlet gas, and the temperature of the cooled solution. As a heat-conducting porous medium, crushed brass chips with a characteristic size of 1-3 mm were used.
Эксперименты с электрическим обогревом ((п. а), см. фиг.2). Experiments with electric heating ((p. A), see figure 2).
На данном экспериментальном участке была проведена серия экспериментов с разными расходами хладагента и временем обогрева. In this experimental section, a series of experiments was conducted with different refrigerant flow rates and heating times.
Например, в одном из экспериментов производился нагрев экспериментального макета электрическим током (Рэл=2,9 кВт) с одновременным охлаждением его жидким азотом (расход G=6 г/с) в течение 26 минут, при этом потери тепла в окружающую среду составляли 24% от подводимой мощности. Подводимая мощность с учетом потерь составляла величину около 2,2 кВт.For example, in one of the experiments, the experimental model was heated by electric current (P el = 2.9 kW) with simultaneous cooling with liquid nitrogen (flow rate G = 6 g / s) for 26 minutes, while the heat loss to the environment was 24 % of input power. The input power, taking into account losses, was about 2.2 kW.
Количество теплоты, поглощаемое азотом в единицу времени
QN2=(Ср•(Т2-Т1)+r)•G≈2 кВт,
где T1= -196oС; Т2=-70oС (определяется по экспериментальным данным, см. фиг.4);
Ср=1061 Дж/(кг•К); г=1,976•105Дж/кг - теплота парообразования.The amount of heat absorbed by nitrogen per unit time
Q N2 = (C p • (T 2 -T 1 ) + r) • G≈2 kW,
where T 1 = -196 o C; T 2 = -70 o C (determined by experimental data, see figure 4);
With p = 1061 J / (kg • K); g = 1,976 • 10 5 J / kg is the heat of vaporization.
По экспериментальным данным охлаждение внутренней полости макета происходит за 3-5 минуты, на стационарный режим установка выходит через 10 минут после начала эксперимента. Полученные экспериментальные данные показали, что установка обладает инерционными характеристиками и для вывода на рабочий режим требуется время порядка 4 минут. Эксперименты с циркуляцией жидкости ((п. б), см. фиг.3). According to experimental data, the cooling of the internal cavity of the layout takes 3-5 minutes, the installation goes into
В качестве охлаждаемой жидкости в макете использовалась вода или раствор этиленгликоля в воде (с соотношением весовых концентраций 57/43). В начальных экспериментах в качестве охлаждаемой жидкости использовалась вода, которая быстро охлаждалась до температуры ее замерзания, и на стенках цилиндра начиналось образование льда, что ограничивало время проведения эксперимента. Поэтому воду заменили водным раствором этиленгликоля. Water or a solution of ethylene glycol in water (with a ratio of weight concentrations of 57/43) was used as a cooled liquid in the model. In the initial experiments, water was used as a cooled liquid, which was rapidly cooled to its freezing temperature, and ice formation began on the cylinder walls, which limited the time of the experiment. Therefore, water was replaced with an aqueous solution of ethylene glycol.
Приведем экспериментальные результаты одного из опытов, в котором расход азота составлял GN2=7.64 г/с, а время охлаждения 31 мин.We present the experimental results of one of the experiments in which the nitrogen flow rate was G N2 = 7.64 g / s and the cooling time was 31 min.
Из экспериментальных данных (фиг.5) видно, что внутри теплообменной камеры быстро устанавливается равномерное поле температур и изменение температуры выходящего газообразного азота (фиг.6) показывает, что время выхода установки на стационарный режим 8-10 минут. From the experimental data (Fig. 5), it is seen that a uniform temperature field is quickly established inside the heat exchange chamber and a change in the temperature of the outgoing gaseous nitrogen (Fig. 6) shows that the time for the unit to reach the stationary mode is 8-10 minutes.
Тепловой баланс в данном эксперименте выполняется с точностью до 5%, что лежит в пределах погрешности измерительных приборов. The heat balance in this experiment is carried out with an accuracy of 5%, which lies within the error of measuring instruments.
Мощность данного макета можно увеличить за счет увеличения скорости движения жидкости и оребрения теплообменной камеры. The power of this layout can be increased by increasing the speed of the fluid and the fins of the heat exchange chamber.
Таким образом, проведенные оценки и экспериментальные данные показывают несомненную осуществимость предлагаемого технического решения. Thus, the assessments and experimental data show the undoubted feasibility of the proposed technical solution.
Использование изобретения позволит повысить эффективность охлаждения, уменьшить расход хладагента, стабилизировать температуру рабочей жидкости при непревывном режиме работы ИКЛ. Using the invention will improve the cooling efficiency, reduce the flow of refrigerant, stabilize the temperature of the working fluid during continuous operation of the ICL.
Предлагаемый способ для приготовления и охлаждения растворов и устройство для его осуществления благодаря низкому расходу хладагента, высокой эффективности и надежности найдут широкое применение в промышленности, в частности в технологических йодно-кислородных лазерах. The proposed method for the preparation and cooling of solutions and a device for its implementation due to the low consumption of refrigerant, high efficiency and reliability will find wide application in industry, in particular in technological iodine-oxygen lasers.
Источники информации
1. А.С. СССР 240671, опубл. 27.05.66 г. по кл. B 01 F "Реактор для осуществления химических процессов в условиях интенсивного перемешивания и теплообмена" Г.Д. Гандлевский, М.И. Кафыров, Е.Я. Яровенко, А.В. Легалин, К.Н. Бабинков, В.И. Голяков, М.Н, Клименко и М.Я. Марголин.Sources of information
1. A.S. USSR 240671, publ. 05/27/66, according to class B 01 F "Reactor for carrying out chemical processes in conditions of intensive mixing and heat transfer" Gandlevsky, M.I. Kafyrov, E.Ya. Yarovenko, A.V. Legalin, K.N. Babinkov, V.I. Golyakov, M.N., Klimenko and M.Ya. Margolin.
2. SU 1627241 А1, опубл. 15.02.91 г. по кл. B 01 J 19/18 "Реактор" В.И. Лосик, А.Г. Иванов, Г.С. Шестова, А.Э. Рауш и В.П. Фильченков. 2. SU 1627241 A1, publ. 02/15/91, according to class B 01 J 19/18 "Reactor" V.I. Losik, A.G. Ivanov, G.S. Shestova, A.E. Rausch and V.P. Filchenkov.
3. WO 9611052 A1, опубл. 18.04.96 г., по кл. B 01 J 8/22, "Способ и реактор для проведения реакций в суспензии" Witt Harro, Zarnack Uwe Jens, Beckhaus Heiko. 3. WO 9611052 A1, publ. 04/18/96, according to class B 01 J 8/22, "Method and reactor for carrying out reactions in suspension" Witt Harro, Zarnack Uwe Jens, Beckhaus Heiko.
4. Дытнерский Ю.И. "Процессы и аппараты химической технологии", "Химия", М., 1992, т.1, с. 160-161 - прототип. 4. Dytnersky Yu.I. "Processes and Apparatuses of Chemical Technology", "Chemistry", M., 1992, v.1, p. 160-161 - prototype.
5. Ф. Стренк "Перемешивание и аппараты с мешалками" "Химия", Л., 1975. 5. F. Strenk "Stirring and apparatus with stirrers" "Chemistry", L., 1975.
6. Г. Н. Данилова, С.Н. Богданов, О.И. Иванов и др. "Теплообменные аппараты холодильных установок", "Машиностроение", Л., 1973. 6. G. N. Danilova, S. N. Bogdanov, O.I. Ivanov et al. "Heat exchangers of refrigeration units", "Mechanical Engineering", L., 1973.
7. Харитонов В. В. , Плаксеев А.А., Федосеев В.Н., Воскобойников В.В. "Влияние перемешивания жидкости в канале с пористыми вставками", "Теплофизика высоких температур", т.25, 5, 1987. 7. Kharitonov V.V., Plakseev A.A., Fedoseev V.N., Voskoboinikov V.V. "The effect of fluid mixing in a channel with porous inserts", "Thermophysics of high temperatures", v.25, 5, 1987.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000101012/12A RU2185234C2 (en) | 2000-01-17 | 2000-01-17 | Method of preparation and cooling of solution and device for said method embodiment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000101012/12A RU2185234C2 (en) | 2000-01-17 | 2000-01-17 | Method of preparation and cooling of solution and device for said method embodiment |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2000101012A RU2000101012A (en) | 2001-11-20 |
| RU2185234C2 true RU2185234C2 (en) | 2002-07-20 |
Family
ID=20229382
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000101012/12A RU2185234C2 (en) | 2000-01-17 | 2000-01-17 | Method of preparation and cooling of solution and device for said method embodiment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2185234C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108688877A (en) * | 2017-03-30 | 2018-10-23 | 希基六投资责任有限公司 | Multifunctional modular movement mixing and packaging facilities and method and computer program |
| CN111944608A (en) * | 2020-09-01 | 2020-11-17 | 湖南日灿农业生态科技发展有限公司 | Tea oil refining device and using method thereof |
-
2000
- 2000-01-17 RU RU2000101012/12A patent/RU2185234C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ДЫТНЕРСКИЙ Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1992, т.1, с.160-161. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108688877A (en) * | 2017-03-30 | 2018-10-23 | 希基六投资责任有限公司 | Multifunctional modular movement mixing and packaging facilities and method and computer program |
| CN111944608A (en) * | 2020-09-01 | 2020-11-17 | 湖南日灿农业生态科技发展有限公司 | Tea oil refining device and using method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4821794A (en) | Clathrate thermal storage system | |
| CA2524909C (en) | Dew point humidifier and related gas temperature control | |
| BR112013032863B1 (en) | MULTIPLE PHASE DISTRIBUTION SYSTEM, SUBMARINE HEAT EXCHANGER AND A TEMPERATURE CONTROL METHOD FOR HYDROCARBONS | |
| KR890013453A (en) | Heat storage and recovery method and device | |
| RU2185234C2 (en) | Method of preparation and cooling of solution and device for said method embodiment | |
| Nomura et al. | Improvement on heat release performance of direct-contact heat exchanger using phase change material for recovery of low temperature exhaust heat | |
| JP4798892B2 (en) | Hydrate manufacturing apparatus and manufacturing method | |
| US20100247405A1 (en) | Gas hydrate production apparatus | |
| JP4798887B2 (en) | Gas-liquid counter-flow type gas hydrate manufacturing apparatus and manufacturing method | |
| CN213778365U (en) | Cooling system of direct cooling type spiral precooler | |
| HU207670B (en) | Method and apparatus for controlling the temperature of chemical reactions | |
| JP5523935B2 (en) | Vaporization method, vaporization apparatus used therefor, and vaporization system provided with the same | |
| JP2007098227A (en) | Apparatus and method of generating bubble or droplet in liquid | |
| JP5461331B2 (en) | Thermal storage material and thermal storage device | |
| US5422044A (en) | Method and apparatus for mixing a cold gas with a hot liquid | |
| Matsuda et al. | Hydrate formation using water spraying onto a cooled solid surface in a guest gas | |
| US6158236A (en) | Refrigeration capacity accumulator | |
| US5802858A (en) | Cryogenic cooling tower | |
| WO2011101635A1 (en) | Apparatus and method for providing low temperature reaction conditions | |
| SU852341A1 (en) | Reactor | |
| JP2011156524A (en) | Simple cooling microwave chemical reactor | |
| RU166697U1 (en) | DEVICE FOR PRODUCTION OF HIGH-OCTANE COMPONENTS OF MOTOR FUELS IN THE PRESENCE OF HYDROGEN HYDROGEN, POSSIBLE OPERATION WITH A HIGH REAGENT FLOW RATE | |
| JP2004182885A (en) | Method for producing gas-hydrate and apparatus therefor | |
| CN217989250U (en) | Hydrogenation reaction device and hydrogenation system | |
| JP2020081964A (en) | Hydrate production device and method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050118 |