устройство для измерения температуры насыщения в перегретом паре

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры насыщения в перегретом паре, содержащее корпус с патрубками для подвода перегретого пара и отвода конденсата, устройство протока конденсата с трубкой для слива конденсата и датчиком температуры, находящимся в слое конденсата, один конец трубки для слива конденсата размещен выше чувствительного элемента датчика температуры, и холодильник, отличающееся тем, что устройство протока конденсата состоит из колпачковой тарелки для конденсата и корытообразного кольцевого подогревателя-распределителя конденсата, закрепленного над тарелкой соосно с ней и с зазором относительно корпуса, и размещено выше патрубка для подвода перегретого пара, другой конец трубки для слива конденсата опущен в сборник конденсата, расположенный в корпусе ниже патрубка для подвода перегретого пара, холодильник выполнен обратным и установлен соосно с корпусом над корытообразным кольцевым подогревателем-распределителем конденсата, а корпус выполнен термостатированным.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в химической, цветной, пищевой и других отраслях промышленности для измерения температуры насыщения в перегретом паре в выпарных или других подобного типа промышленных аппаратах с целью определения температурной депрессии раствора - разности температур кипения раствора и чистого растворителя, находящихся при одном и том же давлении, что может служить источником непрерывной экспресс-информации о концентрации выпариваемого раствора.

Известно устройство для измерения температуры насыщенного пара согласно заявке ФРГ №1253483, МПК G 01 К 1/16, опубликованной патентным бюллетенем ФРГ 1967 г, №44, которое состоит из корпуса, патрубка для подвода пара и одновременного отвода пароконденсатной смеси, сборника конденсата и сливной трубки, в которой размещен датчик температуры. Указанное устройство обладает низкой точностью измерения вследствие того, что температура конденсата в динамике может существенно отличаться от температуры насыщения из-за того, что подогрев конденсата до температуры кипения осуществляется глухим паром через стенки сливной трубки и сборника конденсата.

Известно устройство для измерения температуры насыщения, описанное в книге Т.А.Колач, Д.В.Радун «Выпарные станции», М., ГНТИМЛ, 1963 г., стр.342. Оно содержит корпус с патрубками для подвода пара и отвода пароконденсатной смеси, датчик температуры, расположенный в паровом пространстве корпуса, и холодильник. Известное устройство не обеспечивает необходимой точности измерения температуры насыщения в перегретом паре, так как датчик измеряет температуру специально подаваемого в устройство водяного пара. Температура насыщения подаваемого пара никак не связана с давлением в выпарном аппарате, т.е. этот пар является перегретым по отношению к давлению в выпарном аппарате. Кроме того, для проведения измерений необходимо обеспечивать непрерывную подачу в устройство строго определенного расхода водяного пара, что при колебаниях давления в выпарном аппарате достаточно трудно обеспечить.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения температуры насыщения в перегретом паре по а.с. СССР №838406, МПК G 01 K 1/16, опубликованное 15.06.81, бюллетень №22.

Известное устройство содержит корпус с патрубками для подвода перегретого пара и отвода конденсата, в котором установлено устройство протока конденсата, выполненное в виде стакана, в котором размещен датчик температуры, а нижняя часть стакана снабжена трубкой для слива конденсата. Полость стакана сообщена с подводящим пар патрубком, на котором размещен холодильник.

Недостатком описанного устройства является низкая точность измерения в переходных режимах из-за несоответствия температуры конденсата температуре насыщения перегретого пара при данном давлении его в технологическом аппарате, так как требуется достаточно большое время для доведения конденсата в стакане до температуры кипения. Подогрев образующегося конденсата до температуры кипения осуществляется за счет конденсации на наружной поверхности стакана и зеркале жидкости исследуемого пара. Скорость восприятия датчиком температуры изменяющейся температуры конденсата в стакане лимитируется теплопроводностью стенки стакана и коэффициентом теплообмена между находящейся в спокойном состоянии жидкостью и стенками датчика температуры и стакана. Кроме того, образующийся на поверхности холодильника конденсат может быть переохлажден относительно температуры кипения. А переохлаждение конденсата требует дополнительного времени на его подогрев и доведение до температуры кипения. Это вызывает запаздывание в измерении истинного значения температуры насыщения пара, когда температура кипения раствора в выпарном аппарате уже приняла другое значение, и в динамике приводит к большим погрешностям в измерении температурной депрессии.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности измерений в переходных режимах для возможности автоматизации выпарных и других подобных аппаратов за счет выравнивания постоянных времени этих аппаратов и предлагаемого устройства, т.е. динамических характеристик обоих объектов, путем интенсификации теплообмена между кипящим чистым растворителем (конденсатом) и датчиком температуры, находящимся в слое жидкости конденсата, и исключения переохлаждения конденсата.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения температуры насыщения в перегретом паре, содержащем корпус с патрубками для подвода перегретого пара и отвода конденсата, устройство протока конденсата с трубкой для слива конденсата и датчиком температуры, один конец трубки для слива конденсата размещен выше чувствительного элемента датчика температуры, и холодильник, согласно изобретению устройство протока конденсата состоит из колпачковой тарелки и корытообразного кольцевого подогревателя-распределителя конденсата, закрепленного над тарелкой соосно с ней и с зазором относительно корпуса, и размещено выше патрубка для подвода перегретого пара, другой конец трубки для слива конденсата опущен в сборник конденсата, расположенный в корпусе ниже патрубка для подвода перегретого пара, холодильник выполнен обратным и установлен соосно корпусу над корытообразным подогревателем-распределителем конденсата, а корпус выполнен термостатированным.

Указанные особенности изобретения представляют его отличия от прототипа и обуславливают новизну предложения, эти отличия являются существенными, поскольку именно они обеспечивают достижение технического результата, отраженного в технической задаче, и отсутствуют в известных технических решениях.

Существо изобретения станет более понятным из следующего конкретного примера его выполнения и прилагаемого чертежа.

На чертеже изображен продольный разрез устройства для измерения температуры насыщения в перегретом паре.

Устройство состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с патрубками 2, 3 подвода перегретого пара и отвода конденсата, устройства протока конденсата 4, с трубкой 5 для слива конденсата и датчиком температуры 6, обратного холодильника 7, сборника конденсата 8. Устройство протока конденсата 4 расположено выше патрубка для подвода перегретого пара и состоит из колпачковой тарелки 9 с паровыми патрубками 10 и колпачками 11 с прорезями и корытообразного кольцевого подогревателя-распределителя конденсата 12, закрепленного на планках 13 над тарелкой соосно с ней и с зазором относительно корпуса.

Подогреватель-распределитель конденсата служит для равномерного распределения конденсата, стекающего со стенок холодильника. Так как между подогревателем-распределителем и корпусом находится пар, он не только исключает охлаждение конденсата за счет теплоотдачи к наружной среде, но и нагревает конденсат, находящийся в подогревателе-распределителе и стекающий со стенок холодильника и зубчатых стенок самого подогревателя до температуры кипения. Этим исключается переохлаждение конденсата, стекающего со стенок холодильника, потому что холодильник может быть как с воздушным охлаждением, так и с подводом специального охлаждающего агента в зависимости от температуры кипения конденсата.

Для уменьшения теплопотерь со стороны жидкости, находящейся на тарелке, через стенку корпуса в окружающую среду, полотно колпачковой тарелки 9 выполнено блюдообразным, т.е. устанавливается с зазором относительно стенок корпуса. Таким образом, жидкость на тарелке со всех сторон окружена паром, тем самым уменьшается охлаждение жидкости на тарелке.

Холодильник 7 установлен соосно корпусу над корытообразным подогревателем-распределителем конденсата и выполнен обратным.

В самой верхней точке холодильника размещен штуцер 14 для периодического удаления из устройства накапливающихся в период его продолжительной непрерывной работы неконденсирующихся газовых примесей.

Сборник конденсата 8 расположен в корпусе ниже патрубка для подвода перегретого пара. Один конец трубки 5 для слива конденсата размещен выше чувствительного элемента датчика температуры 6, но ниже высоты парового патрубка колпачковой тарелки, а другой ее конец опущен в сборник конденсата 8. Длина трубки слива конденсата в 3-5 раз превышает длину парового патрубка 10 колпачковой тарелки 9, а глубина ее погружения в сборник конденсата не менее чем в 2 раза меньше длины парового патрубка колпачковой тарелки.

Геометрическая емкость сборника конденсата 8 превышает геометрическую емкость трубки для слива конденсата. Корпус выполнен термостатированным за счет изоляции 15. Размещение одного конца трубки 5 для слива конденсата ниже высоты парового патрубка колпачковой тарелки нужно для беспрепятственного слива непрерывно образующегося во время работы конденсата в сборник конденсата 8 и далее по патрубку 3 в выпарной аппарат. Геометрическая емкость сборника конденсата и длина сливной трубки выбраны с таким расчетом, чтобы исключить заброс холодного конденсата из сборника конденсата на тарелку при колебаниях давления в выпарном аппарате.

Устройство работает следующим образом. Перегретый пар из выпарного аппарата поступает по патрубку 2 в полость А корпуса и через паровой патрубок 10 и зазор между паровым патрубком и колпачком в полость Б корпуса. Давление в полостях Б и А и выпарном аппарате равны между собой. Перегретый пар конденсируется в холодильнике 7, и образующийся конденсат начинает стекать по стенкам холодильника в корытообразный кольцевой подогреватель 12 устройства протока конденсата 4 и по мере накопления сливается через зубчатые края подогревателя-распределителя вниз на колпачковую тарелку 9. По мере подъема уровня конденсата на тарелке выше верхнего среза отверстий в колпачке полости Б и А оказываются разобщенными слоем жидкости на тарелке, но пар в полость Б продолжает поступать по трубке 5 для слива конденсата, и конденсация пара продолжается до тех пор, пока слой жидкости (конденсата) на тарелке не достигнет верхнего среза трубки для слива конденсата 5 и она не начнет сливаться по трубке 5 в сборник конденсата. Давление в выпарном аппарате и полостях А и Б еще равны между собой до тех пор, пока слой жидкости в сборнике конденсата 8 не достигнет нижнего среза трубки для слива конденсата. В этот момент полости А и Б оказываются разобщенными по паровой фазе, и давление в полости Б вследствие конденсации пара в холодильнике начнет понижаться до тех пор, пока давление пара в полости А не выдавит жидкость из-под колпачка и пар не начнет пробулькивать через слой жидкости на тарелке в полость Б. Собственно с этого момента начинается процесс измерения температуры насыщения в перегретом паре, при этом давление в полости Б меньше давления в полости А на величину столба жидкости на тарелке и величину динамических потерь давления в лабиринтах системы колпачок-патрубок. Но так как чувствительный элемент датчика температуры погружен в слой конденсата на какую-то глубину, то в точке измерения температуры кипения, где расположен чувствительный элемент, действует сумма давления пара в полости Б и давления столба конденсата, равная глубине погружения чувствительного элемента. Таким образом, давление в точке измерения температуры кипения конденсата отличается от давления в полости А на величину динамических потерь давления пара в лабиринте системы колпачок-патрубок.

Вследствие малых расходов пара, определяемых конденсационными возможностями холодильника, динамическими потерями на трение пара в лабиринте колпачок-патрубок можно пренебречь. С достаточной для инженерной практики точностью можно считать, что давление в точке измерения температуры кипения равно давлению в полости А и, в конечном итоге, давлению в выпарном аппарате.

Следовательно, измеряя температуру кипения конденсата на тарелке, мы определяем его температуру кипения, практически при том же давлении, что и в выпарном аппарате.

При повышении давления в выпарном аппарате (в полости А) или понижении давления в полости Б, вследствие конденсации пара в холодильнике 7, перегретый пар из выпарного аппарата пробулькивает через слой конденсата на тарелке, отдавая свое тепло конденсату и заставляя его кипеть до восстановления равновесия по давлению. Так как конденсация паров над тарелкой идет непрерывно, холодильник над тарелкой работает, как насос, непрерывно прокачивая пар через конденсат на тарелке. Конденсат на тарелке (чистый растворитель) непрерывно кипит, в области над тарелкой присутствуют пары уже не перегретого, а насыщенного пара. Стекающие со стенок холодильника капли конденсата подогреваются окружающим паром, попадают на корытообразный кольцевой подогреватель-распределитель 12, где задерживаются на некоторое время и дополнительно прогреваются паром, и, в конце концов, стекают через зубчатые стенки подогревателя вниз на тарелку. Таким образом, исключается переохлаждение стекающего на тарелку конденсата, и он попадает на тарелку практически при температуре кипения. Корытообразный кольцевой подогреватель-распределитель конденсата выполняет еще и роль равномерного распределения конденсата по тарелке для исключения возникновения градиентов температуры в слое конденсата на тарелке. Излишки образующегося конденсата сливаются по трубке для слива конденсата 5 в сборник конденсата 8 и через патрубок отвода конденсата 3 возвращаются в выпарной аппарат.

При понижении давления в выпарном аппарате (в полости А) излишек пара из полости Б пробулькивает через слой конденсата в сборнике конденсата 8, и в то же время на понижение давления в полости Б работает холодильник, конденсируя пары жидкости. При уменьшении давления в полости Б конденсат на тарелке оказывается перегретым относительно меньшего давления паров над конденсатом, вследствие этого происходит резкое вскипание всего объема конденсата на тарелке, конденсат самоиспаряется и происходит понижение температуры его кипения. В полости Б происходит круговорот самоиспарение жидкости - переход ее части в пар - конденсация - возврат конденсата на тарелку. При отставании падения давления в полости Б от давления в полости А в работу включается гидрозатвор, образованный трубкой для слива конденсата и сборником конденсата, сбрасывая давление по трубке для слива конденсата в полость А. Понижение давления в выпарном аппарате может продолжиться и после того, как конденсат на тарелке не самоиспарится до того, что слой конденсата на тарелке не станет ниже прорезей в колпачках. И тогда пар из выпарного аппарата опять попадет в полость Б через паровые патрубки тарелки, и процесс повторится сначала при колебании уровня конденсата на тарелке вблизи верхнего среза прорезей колпачка.

Таким образом, прогревая конденсат на тарелке острым паром или охлаждая его за счет самоиспарения, мы интенсифицируем процесс теплообмена на тарелке, исключаем переохлаждение конденсата, стекающего со стенок холодильника, путем подогрева его в подогревателе-распределителе, приближаем эти процессы к процессам, протекающим в выпарном аппарате, выравнивая тем самым постоянные времени датчика температуры, находящегося в слое конденсата на тарелке, и датчика температуры, находящегося в растворе в выпарном аппарате, измеряющих температуру кипения чистого растворителя и раствора соответственно практически при одном и том же давлении. За счет этого повышается достоверность измерения при нестационарных процессах, протекающих в выпарных аппаратах на практике.