Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Рекуперативные теплообменные аппараты периодического действия

Рекуперативные теплообменные аппараты периодического действия

Страница 14 из 22
Содержание лекции:
Теплообменные аппараты (теплообменники)

Теплообменные аппараты с неустановившимся тепловым режимом или периодического действия широко применяют в различных отраслях промышленности и на транспорте. Их конструкция и режим работы чаще всего определяются условиями нагрева или охлаждения рабочей среды или условиями работы технологического агрегата.

В одном и том же периодически действующем теплообменном аппарате можно попеременно осуществить отдельные стадии тепловой обработки продукта или материала, например нагревание в течение ∆τ1, выдержку при определенной температуре ∆τ2 и охлаждение до заданной температуры ∆τ3. Если обозначить продолжительность процесса нагрева τ1 = ∆τ1 + ∆τ2, продолжительность тепловой обработки τ2 = ∆τ1 + ∆τ2 + ∆τ3, а общую продолжительность периода от подачи теплоносителя для нагрева исходного материала данной партии до начала нагрева исходного материала следующей партии τ, то можно ввести понятие о степени непрерывности процесса: ε1 = τ1/τ < 1; ε2 = τ2/τ < 1. Степень непрерывности процесса играет большую роль при составлении тепловых нагрузок по предприятию и выборе источника теплоснабжения.

Рассмотрим схемы конструкций и методы расчетов некоторых рекуперативных теплообменных аппаратов с неустановившимся тепловым режимом.

Нагреватели-аккумуляторы (рис. 3.1, а) простые по конструкции получили распространение в системе горячего водоснабжения при периодических или существенно неравномерных во времени расходах воды. Вместимость аппарата рассчитывают на полное кратковременное удовлетворение потребителей. Продолжительность нагрева определяется производственными условиями и мощностью источников теплоснабжения. Нагретая в течение нескольких часов вода может быть использована кратковременно за 30–60 минут или периодически повторяющиеся меньшие интервалы для производственных и бытовых нужд. В качестве греющей среды обычно используется насыщенный водяной пар при давлении (5÷6) 105 Па или горячая вода примерно при таком же давлении. Наибольшее распространение получили водонагреватели с трубчатыми рекуперативными теплообменниками. В некоторых случаях еще приходится встречаться с аппаратами, в которых подогрев воды осуществляется путем смешения ее с водяным паром. При таком способе нагрева воды теряется конденсат, который является высококачественной питательной водой для источника теплоснабжения. Конечная температура нагреваемой воды обычно задается.

По сравнению с рекуперативными теплообменниками непрерывного действия в этих аппаратах низкий коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности к нагреваемой среде. Он определяется условиями естественной конвекции. Следовательно, меньше и коэффициент теплопередачи.

В то же время необходимо отметить, что если для нагревания большого количества воды при кратковременном ее использовании применять теплообменные аппараты непрерывного действия, то пиковый расход греющей среды в них будет в 6-10 раз больше, чем среднечасовой расход в водонагревателях-аккумуляторах. В этом случае увеличится поверхность теплообмена аппарата и производительность источников тепла (парогенераторов, устройств отбора пара из турбин ТЭЦ).

Схемы теплообменных аппаратов периодического действия

Рис. 3.1 – Схемы теплообменных аппаратов периодического действия: а – аккумулятор-нагреватель жидкости; б – реактор с огневым обогревом; в – варочный котел с мешалками; г – варочный котел (или смесительный теплообменник) с выносным подогревателем; 1 – корпус аппарата; 2 – трубчатая поверхность теплообмена; 3, 3′ - воздухоподводящий канал; 4 – камерная топка; 5 – обогреваемый газами аппарат; 6 – кольцевой газоход; 7 – дымоотводящий канал; 8 – мешалка; 9 – опорная решетка; 10 – пучок перфорированных труб; 11 – циркуляционный насос с электродвигателями; 12 – выносной подогреватель; 13 – распыливающее сопло; 14 – фильтрующая защитная сетка

Реакционные аппараты с обогревом продуктами сгорания топлива (рис. 3.1, б) используются для нагревания жидких и пастообразных веществ до температуры 150 °С и выше. Конструкция такого аппарата определяется в основном видом топлива и способом его сжигания. Не исключена возможность использования для этих целей отходящих газов от каких-либо топливосжигающих установок. Корпус аппарата обычно стальной или чугунный, после загрузки материала герметически закрывается сферической крышкой.

В аппарате, работающем на газообразном топливе, предусматривается газогорелочное устройство с подводом газа и воздуха под давлением. Продукты сгорания топлива смешиваются в топочной камере (4) с воздухом, поступающим по каналу (3). Соотношение газ–воздух определяется из уравнения смешения по заданной расчетной температуре смеси. Для более гибкого регулирования температуры смеси перед аппаратом (5) по воздухопроводу (3′) можно подавать дополнительное количество воздуха. Следует отметить, что использование воздуха как среды, снижающей температуру газов, экономически нецелесообразно. Наиболее выгодным способом в этом случае будет рециркуляция отходящих газов. Обогреваемый аппарат (5) защищен отражательными сводами от непосредственного лучистого воздействия факела и футеровки топки. Смесь продуктов сгорания с воздухом, огибая своды, поступает в зону расположения аппарата, затем в кольцевой канал (6). По опускному газоходу (7) охлажденные газы отводятся к дымовой трубе. Прямой обогрев аппарата дымовыми газами вызывает локальный перегрев продукта, находящегося в аппарате, затрудняет регулирование температурного режима, а при большом разбавлении газов воздухом способствует интенсивному окислению металла.

В варочных аппаратах, чаще всего герметически закрытых, (рис. 3.1, в), производится тепловая обработка технологических материалов. По заданному графику материал нагревается до определенной температуры, выдерживается по условиям технологии в течение некоторого времени при этой температуре, затем после предварительного охлаждения или без охлаждения выгружается. Тепловая обработка способствует изменению свойств, а иногда и химического состава продукта. В таких аппаратах материал загружается на решетку (9) (или на перекрытие с отверстиями), размер ячеек которой определяется размером кусков обрабатываемого материала. Решетка устанавливается на некотором расстоянии от дна аппарата. Под решеткой размещается змеевик с отверстиями – барботер (10). Из отверстий барботера пар выходит в жидкость, конденсируется, нагревая эту жидкость. Постепенно жидкость заполняет весь или часть рабочего объема варочного аппарата. Теплота жидкости передается материалу. Для интенсификации теплообмена и равномерного нагрева материала предусматривается периодическое или медленное непрерывное перемешивание мешалкой (8). При таком способе нагрева продукта (острым паром) полностью теряется конденсат. Жидкость удаляется из аппарата загрязненной примесями обрабатываемого материала, поэтому перед сбрасыванием в водоемы ее необходимо очищать. При барботажном способе ввода пара в жидкость наблюдается большой шум. Из-за этих недостатков такие аппараты рекомендуется применять в исключительных случаях. В то же время необходимо отметить, что нагрев материала острым паром более интенсивный, чем нагрев через поверхность теплообмена.

Помимо смесительного аппарата (см. рис. 3.1, в), в технике и системах горячего водоснабжения применяются емкие барботажные смесительные водонагреватели. Кроме барботажных змеевиковых труб, работа которых, как уже отмечалось, сопровождается шумом, в этих теплообменниках используются бесшумные пароструйные нагреватели (смешивающие сопла). Однако и в этом случае конденсат не возвращается к источнику теплоснабжения.

С целью сохранения конденсата, увеличения емкости аппарата или в случае необходимости тепловой обработки материала специальными жидкостями применяют реакционные аппараты с выносным подогревателем (рис. 3.1, г). Технологическая жидкость или вода, многократно используемая в аппарате (1), нагревается паром в выносном рекуперативном теплообменнике (12), а затем разбрызгивается в реакторе через группу сопловых аппаратов (13). После обработки материала и фильтрации сквозь слой жидкость собирается в специальные желоба, из которых забирается насосом (11) и подается к теплообменнику (12).

Многократное использование орошающей жидкости позволяет сохранить конденсат, исключить возможность загрязнения водоемов.

Для равномерного нагрева материала применяется реверсирование потока греющей жидкости. Интервал изменения направления движения жидкости определяется технологическими условиями и свойствами материала.

Аппараты с рубашками (рис. 3.2) широко применяются для периодического нагрева и охлаждения специальных технологических жидкостей, а иногда и пастообразных масс, особенно в тех случаях, когда внутри аппарата нельзя разместить трубчатый змеевиковый теплообменник из-за наличия мешалок, большой вязкости или агрессивности нагреваемых жидкостей. Схема одного из множества подобных аппаратов с мешалкой представлена на (рис. 3.2, а). Конструктивно аппарат выполнен из двух чаш, одна из которых помещается в другую. Чаши центрируют и жестко соединяют сваркой или на фланцах. Между внутренней поверхностью наружной чаши (2) и наружной поверхностью внутренней чаши (1) образуется герметически замкнутое пространство, в которое через штуцера (3) подается пар с давлением до (5÷10) 105 Па, а через штуцер (6) отводится конденсат. При охлаждении охлаждающая жидкость подается через штуцер (6) и выходит через штуцера (3). Высота рубашки должна быть не менее высоты жидкости, находящейся во внутренней чаше аппарата. Поверхность теплообмена в таких аппаратах обычно не более 10 м2. Для загрузки и выгрузки материала служит люк (4). Для перемешивания материала в чаше (1) применяют мешалку (5).

Теплообменники периодического действия с рубашкой

Рис. 3.2 – Теплообменники периодического действия с рубашкой: а – с кольцевой рубашкой и паровым обогревом; б – элемент приварной рубашки к стенке аппарата по кромкам выштампованных отверстий; в – элементы труб, приваренных к стенке аппарата; г – крепление труб на поверхности аппарата сваркой через медные прокладки; д – змеевик из угольников, приваренных к стенке аппарата; е – змеевик из половинок труб, приваренных к стенке аппарата

Для работы при высоких давлениях применяют рубашки специальных конструкций. На (рис. 3.2, б) показан элемент рубашки, выполненный из листов, в которых выштампованы углубления с отверстиями (7). Кромки листов по периметру отверстий наглухо приваривают к наружной стенке внутренней чаши. Такие рубашки допускают применение пара с давлением до 75·105 Па. При использовании в них в качестве греющей среды жидкости повышается скорость потока, увеличивается коэффициент теплоотдачи.

В теплообменных аппаратах, работающих при высоком давлении пара (до 200·105 Па), могут применяться трубы, выполненные в виде наружного змеевика, приваренного сплошным швом к наружной поверхности внутренней чаши (рис. 3.2, в). Для уменьшения термического сопротивления и увеличения контакта трубы с поверхностью корпуса под трубы на очищенную поверхность укладывают медные прокладки (8). На (рис. 3.2, г) показан вариант крепления змеевика, который не может быть непосредственно приварен к корпусу. В этом случае змеевик укладывают на сплошную медную или латунную прокладку с большим коэффициентом теплопроводности с последующей сплошной сваркой труб между собой.

Змеевиковые аппараты типа представленных на (рис. 3.2, в и г) сложны в изготовлении, а при нарушении контакта высокотеплопроводной пластины с корпусом и трубами резко ухудшаются условия теплообмена. Поэтому чаще изготавливают упрощенные конструкции со змеевиками типа, показанного на (рис. 3.2, д, е).

Варианты змеевиков, выполненных из разрезанных по оси труб или из угловой стали, проще в изготовлении, позволяют произвести сварку стенки змеевика с корпусом, обеспечить непосредственный контакт греющей среды с поверхностью корпуса, могут работать при давлении пара (или другой среды) до 60·105 Па.

Во многих аппаратах рубашечного типа по заданному во времени температурному режиму можно последовательно нагревать, а затем охлаждать технологический продукт.

В реакционных и других аппаратах периодического действия наблюдается неравномерный расход греющей среды во времени, и в первую очередь пара. Поэтому при одновременном включении большого числа аппаратов сильно увеличивается расход пара, резко понижается давление в системе паропроводов и парогенераторах. Для предотвращения этого явления на каждом предприятии должен быть разработан график последовательного включения таких аппаратов в работу.

Тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата с неустановившимся режимом

Расчет без изменения фазового состояния теплоносителей. При расчете теплообменника периодического действия задаются объем нагреваемой жидкости или ее масса G2, продолжительность нагрева τ, начальные температуры греющей t1 жидкости, начальная t2 и конечная t2 температуры нагреваемой жидкости. Допускают, что расход греющей жидкости G1 и ее начальная температура во времени не изменяются, а температура на выходе из аппарата t1 возрастает по мере повышения температуры нагреваемой среды. В каждый момент времени температура нагреваемой жидкости осредняется по объему и поверхности теплообмена. Теплофизические параметры теплоносителей ср, λ, v, ρ, входящие в уравнения для расчета коэффициентов теплообмена α1 и α2 и уравнения изменения энергии, относятся к осредненным за время τ температурам теплоносителей.

Такие условия несколько усложняют тепловой расчет, так как приходится учитывать изменения во времени двух температур t1 = f (τ) и t2 = f (τ). Примерный характер этих зависимостей и обозначения представлены на (рис. 3.3).

Изменение во времени температур теплоносителей в водонагревателе-аккумуляторе

Рис. 3.3 – Изменение во времени температур теплоносителей в водонагревателе-аккумуляторе (см. рис. 3.1, а): а – при жидкостном обогреве; б – при паровом обогреве без переохлаждения конденсата

При сравнительно низких температурах нагреваемой среды (t2 ≈ 60 ÷ 65 °С), например в расчетах водонагревателя-аккумулятора, обычно не учитывают потери теплоты в окружающую среду, на нагрев металлических элементов аппарата и поверхности теплообмена, на нагрев внешней изоляции, вводя после расчета соответствующие поправочные коэффициенты φ = 1,05 ÷ 1,15 на расход греющей среды и размер поверхности теплообмена. В тех случаях, когда нельзя пренебречь этими потерями, например в высокотемпературных или металлоемких аккумуляторах, реакторах и т. п., вводят понятие о приведенной массе нагреваемой среды G2пр, кг:

G2пр = G2 + Gмк + Gпт + Gиз, (3.1)

где G2 = Gж, Gмк, Gпт, Gиз – массы соответственно нагреваемой жидкости, металлических конструкций, поверхности теплообмена и изоляции.

Определяют приведенную теплоемкость

190314_f1

Все теплоемкости, входящие в равенство (3.2), в первом приближении можно отнести к средней температуре нагреваемой жидкости 190314_f2. Но определенный таким способом расход теплоты на нагревание всей установки будет несколько завышенным, так как предполагается, что не только нагреваемая среда, но и металлические элементы и изоляция аппарата нагреваются до конечной температуры t2, то есть

190314_f3

При оценке конечной и средней температуры каждого слагаемого, входящего в равенство (3.1), расход теплоты на нагревание всего устройства

190314_f4

При больших перерывах в работе аппарата или при малой степени непрерывности принимают t2t2 мкt2 птt2 из.

Рассматривая конкретную задачу расчета водонагревателя-аккумулятора, напишем уравнение теплопередачи, и изменения энергии теплоносителей для отрезка времени dτ (рис. 3.3, а):

190314_f5

Температурный напор в интервале dτ рассчитывают как средне-логарифмическую величину:

190314_f6

где t1 – температура греющей среды на выходе из аппарата в интервале dτ;

t2 – средняя по объему температура нагреваемой среды в интервале dτ.

Подставляя значение температурного напора из равенства (3.8) в уравнение (3.5) и приравнивая правые части (3.5) и (3.6), получим

190314_f7

На основании принятых допущений отношение удельной тепловой производительности теплообменника kF к общей теплоемкости в единицу времени греющей среды G1c1 для заданных условий считают постоянным: kF/( G1c1) – const.

Обозначим 190314_f8, тогда после преобразования этого равенства

190314_f9

Подставляем значение ∆t из равенства (3.8) в уравнение (3.5) и приравниваем полученное выражение к правой части уравнения (3.7):

190314_f10

Заменяем значение t1 выражением (3.10), тогда

190314_f11

Интегрируя левую часть равенства (3.12) в пределах от t2 до t2, а правую – от τ = 0 до τ и подставляя значение ln A = kF/( G1c1), получим

190314_f12

или после преобразования

190314_f13

Параметр А можно определить из равенства (3.14), если заданы расход греющей среды G1, кг/с, и продолжительность нагрева τ, с. Затем вычисляем

ln A = kF/( G1c1). (3.15)

Параметр А при неизвестном расходе G можно определить из соотношения

190314_f14

если задаваться температурой греющей среды на выходе из аппарата t1 = t1 в конце периода нагрева. Конечная температура нагреваемой среды t2 = t2 обычно известна. Затем из равенства (3.14) при известном τ вычисляем произведение G1c1. В результате таких действий получим равенство (3.15).

Коэффициент теплопередачи k, входящий в равенство (3.15), в соответствии с геометрической формой поверхности теплообмена рассчитываем по одной из формул (2.25–2.40 смотрите предыдущие лекции).

При выборе формул для расчета коэффициентов теплоотдачи α1 и α2 следует иметь в виду, что жидкая греющая среда течет внутри труб теплообменника при турбулентном или ламинарном режиме, а нагреваемая жидкость в объеме аккумулятора находится под воздействием естественной конвекции (если в аппарате не предусмотрены специальные перемешивающие или возбуждающие устройства).

После определения ln А и k в равенстве (3.15) остается неизвестной только поверхность теплообмена F. Элементы поверхности теплообмена целесообразно размещать в нижней части аккумулятора по всей площади его поперечного сечения. Расчетное уравнение для определения поверхности теплообмена можно привести и к общепринятому виду, преобразуя равенство (3.13) и умножая левую и правую части на (t2t2):

190314_f15

Осредненный температурный напор для всего процесса нагревания

190314_f16

Однако и в этом случае, прежде чем определить поверхность теплообмена, необходимо вычислить коэффициенты А и k.

Зная температурный напор , можно вычислить среднюю за весь период нагрева температуру греющей жидкости на выходе из теплообменника:

190314_f17

Для определения теплофизических параметров и коэффициента теплоотдачи α2 необходимо знать или проверить ранее принятую среднюю температуру нагреваемой жидкости

190314_f18

Вывод расчетных соотношений при охлаждении жидкости, находящейся в аккумуляторе, с учетом нагрева охлаждающей среды (обратная задача) будет аналогичным.

В этом случае

190314_f19

средний температурный напор за время охлаждения τох

190314_f20

где G2ох – масса охлаждаемой жидкости, кг; t2ох – температура охлаждаемой жидкости в любой момент, °С; t1, t′′1 – начальная и конечная температуры охлаждающей жидкости, °С.

Расчет при изменении фазового состояния греющей среды. Изменение во времени температур греющей и нагреваемой среды приведено на рис. 3.3, б. Пар как греющая среда конденсируется в трубах теплообменника при постоянном давлении р1 и постоянной температуре tн. Температура нагреваемой воды или другой какой-либо жидкости t2 увеличивается, приближаясь к температуре пара tн. Масса нагреваемой воды G2 в течение всего периода нагрева т остается постоянной. Температурный напор в любой момент времени ∆t = tн - t2, количество тепла, передаваемого от пара к воде, Q и расход пара D уменьшаются. При этих условиях уравнение теплопередачи и теплового баланса для отрезка времени dτ , в течение которого температура воды повышается на dt, запишется так:

190314_f21 (3.22)

Температура воды в течение всего периода нагрева τ возрастает от t2 до t2, тогда из равенства (3.22)

190314_f22

или после интегрирования

190314_f23

Откуда при заданном τ

190314_f24

Коэффициент теплопередачи следует рассчитывать по формулам (2.34) или (2.35), в которых α1 – коэффициент теплоотдачи при конденсации пара в трубах; α2 – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки труб к нагреваемой жидкости при естественной конвекции. Для расчета α2 необходимо знать среднюю температуру нагреваемой воды за время τ.

Имея в виду, что в этом случае А = 1,

190314_f25

Вычислив значение k и задаваясь продолжительностью нагрева из равенства (3.24), определяют поверхность теплообмена F.

В поверочных расчетах обычно известна поверхность теплообмена и ее конструктивные особенности. Требуется определить конечную температуру нагреваемой воды t2 при заданном времени нагрева τ.

Из равенства (3.24) следует

190314_f26

Расход пара по времени можно представить в виде зависимости

190314_f27


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика