Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Смесительные теплообменные аппараты

Смесительные теплообменные аппараты

Страница 16 из 22
Содержание лекции:
Теплообменные аппараты (теплообменники)

В технологических процессах и системах теплоснабжения нашли широкое применение теплообменные аппараты со смешением теплоносителей, где чаще всего тепло- и массообменные процессы происходят на границе раздела фаз без использования теплопередающей поверхности. Этот способ передачи теплоты от одной среды к другой возможен при смешении однородных сред, например водяного пара и воды, или сред, которые впоследствии могут быть разделены между собой, – газ и жидкость; а также, если допустимо некоторое загрязнение механическими и другими примесями одной из рабочих сред, – запыленный газовый поток и вода.

Перенос массы в этих аппаратах происходит за счет отклонения системы от равновесия из-за разности концентраций переходящего вещества у границы раздела фаз и в основном потоке газа, пара. Если эта разность положительна, то вещество из пограничного слоя переходит в основной поток, и наоборот, если эта разность отрицательна, то из основного потока в пограничный слой. Например, если плотность или парциальное давление (упругость) пара в пограничном слое больше плотности или парциального давления пара в потоке газа в газожидкостных теплообменниках, то испаряется жидкость и увлажняется газ; если парциальное давление пара в пограничном слое меньше, чем парциальное давление в потоке газа, то происходит конденсация пара на поверхности жидкости и газ осушается, а жидкость нагревается, так как ей передается скрытая теплота пара. В процессе непосредственного контакта газа (пара) и жидкости изменяется термическое сопротивление на границе раздела фаз; оно снижается до весьма малых значений, вследствие чего жидкость нагревается до температуры, близкой к температуре газа (пара), tпtж ≈ 3–10 град, что практически не может быть достигнуто в поверхностных теплообменниках.

Однако следует иметь в виду, что при контакте жидкости с нагретым газом ее конечная температура должна быть меньше температуры кипения при данном давлении. Предельные температуры нагреваемой или охлаждаемой жидкости ограничиваются также условиями технологического процесса, заданными параметрами теплоносителей и конструкцией аппарата. Смесительные теплообменные аппараты используют:

  • как подогреватели воды для систем горячего водоснабжения и технологических потребителей, греющей средой в которых является низкопотенциальный (с малым давлением) отработавший пар;
  • как смесительные конденсаторы в выпарных и других подобного типа установках;
  • как нагреватели воды (жидкости), в которых греющей средой являются продукты сгорания топлива или другие нагретые газы;
  • как аппараты для осушки или увлажнения воздуха и газа;
  • как аппараты для очистки воздуха или газа от пыли, золы, смолы;
  • как охладители циркуляционной воды на тепловых электрических станциях.

По конструктивным признакам смесительные теплообменные аппараты можно разделить на следующие группы.

Пленочные пароводяные подогреватели с насадкой из концентрически расположенных цилиндров (рис. 4.1, а), на поверхности которых образуется нисходящее течение пленки жидкости, а в свободном сечении между пленками – встречное восходящее движение пара. Пленочное течение осуществляется путем разбрызгивания жидкости через сопловой аппарат (3) с направлением струи со скоростью 5–6 м/с на отражательную тарелку (4), которая предназначена для дробления основной струи на более мелкие струи и капли. Характер предполагаемого движения потоков показан стрелками. Воздух и другие газы, выделяющиеся при конденсации пара и нагревании воды, отводятся через верхний патрубок из самой холодной части аппарата. В качестве греющей среды обычно используется отработавший пар с низким давлением.

К основным преимуществам таких теплообменников по сравнению с поверхностными аппаратами относятся:

  • большие коэффициенты теплопередачи [по опытным данным, при избыточном давлении в аппарате, равном нулю: ∆р = 0 k = 4500÷6000 Вт/(м2·К); при ∆р = 3000 Па (~300 мм вод. ст.) k = 12000 Вт/(м2·К); при ∆р = 6900 Па (~700 мм вод. ст.) k = 17500 Вт/(м2·К)];
  • весьма малый недогрев воды по отношению к температуре пара [при ∆р = 0 ∆tн = tнt″в ≈ 6–8 град; при ∆р = 2000÷3000 Па ∆tн = 2,5–3 град; при ∆р = 6900÷7900 Па ∆t = 1 град.

Такие подогреватели компактны, значение коэффициента теплопередачи в них не зависит от состояния поверхности цилиндрической насадки. В то же время они подвержены интенсивной коррозии из-за наличия в воде и паре значительного количества кислорода. Для защиты от коррозии в рабочей зоне аппарата рекомендуется поддерживать давление не менее (1,04÷1,06) 105 Па, нагревать воду до 100–100,5 °С, цилиндрическую насадку и корпус изготавливать из коррозионно-стойких материалов.

Поверхности контакта фаз или поверхности насадки рассчитывают по обычным уравнениям теплового баланса и теплопередачи, принимая при этом значение k для данного теплообменника по опытным данным и определяя температурный напор как среднелогарифмическую величину. Однако следует иметь в виду, что поверхность фазового контакта меньше поверхности насадки.

Пароводяные смесительные теплообменники

Рис. 4.1 – Пароводяные смесительные теплообменники: а – пленочный; б – струйный; в – конденсатор; 1 – цилиндрический корпус; 2 – концентрически расположенные цилиндры; 3 – сопловой аппарат; 4 – отражательная тарелка; 5 – диффузор; 6 – сепаратор; 7 – к вакуумному насосу; 8 – перфорированные тарелки; 9 – барометрическая труба; 10 – емкость для смеси

конденсата с водой

Струйный аппарат (рис. 4.1, б), в котором происходит нагревание воды эжектируемым или эжектирующим паром, как правило, совмещается со струйным компрессором. Высокая интенсивность процесса тепло- и массообмена, особенно в многосопловом аппарате и при щелевом подводе пара способствует существенному уменьшению размеров аппарата, позволяет создать конструктивно простой смесительный теплообменник.

Процессы, протекающие в многосопловых аппаратах и в аппаратах с щелевым подводом пара, пока недостаточно изучены.

Эффективность работы струйного подогревателя зависит от скорости истечения воды из соплового аппарата wв, расстояния сопла до камеры смешения l, отношения сечения камеры смешения fсм к сечению сопла fс и многих других факторов.

Скорость истечения воды из сопла может быть в пределах от 5 до 30 м/с. При увеличении скорости истечения улучшается работа струйного аппарата как эжектора, но ухудшается как подогревателя. При увеличении отношения сечений fсм / fс улучшается работа аппарата как подогревателя, но ухудшается как эжектора. Большое значение для организации эффективной работы струйного теплообменника имеет расстояние между выходным сечением рабочего сопла и входным сечением цилиндрической камеры смешения. По опытным данным, рекомендуется принимать l = 2d, см.

Характерными показателями работы струйного аппарата являются: повышение давления в диффузоре по отношению к давлению пара в приемной камере ∆р = рдрн и недогрев воды по отношению к температуре насыщенного пара в приемной камере ∆tн = tнtд. Например, в односопловом аппарате с увеличением скорости истечения воды от 5 до 25 м/с при отношении fсм/fс ≈ 1,5 степень восстановления давления возрастает в 2 раза, недогрев воды при этом увеличивается от 15 до 70 град. При увеличении отношения fсм/fс недогрев воды уменьшается. В пределах fсм/fс ≈ 3÷5,5 недогрев воды при wист = 5 м/с будет ∆tн ≈ 6÷3 град, при wист ≈ 25 м/с ∆tн ≈ 65÷50 град.

Струйные смесительные конденсаторы устанавливают в тех случаях, когда допускается смешение пара с водой, когда конденсат загрязнен, но нетоксичными примесями или он не может быть использован как питательная вода для парогенераторов. По способу действия эти конденсаторы могут быть сухие и мокрые, по движению теплоносителей – противо- и прямоточные.

В сухих, или барометрических конденсаторах (рис. 4.1, в), вода и конденсат стекают в приемный резервуар по одной трубе, воздух же и газы из верхней части конденсатора откачиваются вакуумным насосом. В мокрых прямоточных конденсаторах смесь охлаждающей воды с конденсатом и воздух откачиваются совместно одним мокровоздушным насосом. Для увеличения поверхности фазового контакта вода, поступающая в конденсатор, либо распыливается через сопла, перфорированные трубы, решетки, либо стекает через борта и отверстия горизонтальных полок. При противотоке разность температур между конденсирующимся паром и уходящей водой равна 1–3 град, а при прямотоке – 5–6 град, следовательно, расход воды в прямоточных, конденсаторах будет больше.

Смесительные конденсаторы просты в изготовлении, коррозионно устойчивы, относительно дешевы. К недостаткам барометрических конденсаторов следует отнести большую высоту (~ 12 м), так как размещают их в отапливаемых помещениях.

Насадочные аппараты (колонны) (рис. 4.2, а) нашли широкое применение как газо- и парожидкостные тепло- и массообменники. Насадка предназначена для организации движения и обеспечения турбулизации потоков жидкости и газа. В насадочном аппарате, так же как и при течении жидкости в канале, в зависимости от скорости жидкости и газа возможны ламинарный, промежуточный и турбулентный режимы движения. При малых числах Рейнольдса молекулярные силы преобладают над инерционными, вследствие чего в этом режиме будет преобладать молекулярный массообмен. С повышением турбулизации инерционные силы становятся сравнимы с молекулярными, в этом случае масса и энергия переносятся как молекулярным обменом, так и конвективными токами. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к разрыву граничной поверхности между непрерывно движущимися потоками газа и жидкости, возникновению газовых вихрей, проникающих в поток жидкости, возникает «эмульгирование» жидкости газовым потоком, резко возрастает массо- и теплообмен с одновременным увеличением гидравлического сопротивления. При режиме эмульгирования жидкость занимает весь свободный объем насадки. В таких условиях жидкость является сплошной фазой, а газ – дисперсной фазой, распределенной в жидкой фазе, то есть происходит инверсия фаз. Точка перехода к режиму эмульгирования (к началу заполнения свободного сечения насадки жидкостью) называется точкой инверсии, или точкой «затопления насадки».

Газожидкостные аппараты

Рис. 4.2 – Газожидкостные аппараты: а – теплообменник с насадкой; б – скруббер без насадки; в – центробежный промыватель системы СИОТ; г – циклонный скруббер с центральным распыливанием воды; 1 – корпус аппарата; 2 – насадка; 3 – разбрызгивающие устройства; 4 – каплеотделитель; 5 – регулятор уровня воды; 6 – сброс воды; 7 – приемник воды; 8 – распределительная система воды; 9 – камера с тангенциальным отводом потока; 10 – устройство для удаления воды и пыли; 11 – регулирующий клапан; 12 – шайба распределительной трубы

Однако смесительные газожидкостные теплообменные аппараты или аппараты для очистки, осушки и увлажнения газов обычно работают в режиме сплошного пленочного течения жидкости по поверхности насадки и сплошного газового потока. В этих условиях контакт фаз в основном зависит от поверхности насадки. Чем больше поверхность насадки в единице объема, тем эффективнее ее работа как тепло- и массообменного аппарата.

Для создания поверхности межфазового контакта используют насадки разной геометрической формы (рис. 4.3). Насадку насыпают или укладывают на опорную решетку, живое сечение которой должно быть больше живого сечения в самой насадке. В зависимости от необходимой поверхности фазового контакта она может быть размещена в несколько ярусов высотою от 1 до 2 метров с разрывом между ярусами в 0,5– 1,0 м для организации повторного распределения жидкости по сечению теплообменника и насадки. В качестве распределительных устройств для жидкости применяют желоба, перфорированные трубы, тарельчатые вращающиеся разбрызгиватели, форсунки различного типа с направлением струй вверх и вниз.

Типы насадки для контактных теплообменников

Рис. 4.3 – Некоторые типы насадки для контактных теплообменников: а – кольца Рашига; б – седлообразная; в – кольца с перегородками; г – шары; д – пропеллерная; е – кольца с щелевыми отверстиями; ж – хордовая из деревянных досок; з – керамические блоки

Смесительные аппараты с насадкой сравнительно просты по конструкции, для их изготовления пригодны недефицитные строительные материалы – бетон, керамика, стекло, фарфор. Почти не требуется избыточное давление для орошаемой жидкости. В то же время они имеют значительную массу, большое гидравлическое сопротивление по газовому тракту, мало пригодны для обработки (очистки) сильно запыленных газов и совершенно непригодны для работы с малым расходом жидкости, потому что не удается достичь необходимой смачиваемости насадки (плотности орошения).

При применении подобного теплообменного аппарата в стационарной теплоэнергетике железнодорожного транспорта для подогрева воды в системах технологического и горячего водоснабжения отмечается высокий коэффициент использования физического тепла отходящих газов за парогенераторами и промышленными печами, достигающий 92–97%. Подобные установки просты по конструкции, взрывобезопасны, срок окупаемости меньше 1 года. В то же время необходимо отметить, что в нагретой воде содержание углекислоты и кислорода может достигать 40 мг/л, следовательно, перед подачей ее к потребителю требуется тщательная деаэрация, а также очистка от возможного загрязнения сажей. Если система очистки не обеспечивает санитарно-технические требования бытового потребления, тогда вода, нагретая в таких теплообменниках, может быть использована только для технологических нужд.

Безнасадочные теплообменники (рис. 4.2, б) применяют при очистке, осушке и увлажнении газов, воздуха, нагревании воды, конденсации пара при противоточном или прямоточном движении теплоносителей. Корпус такого аппарата обычно выполняют в виде вертикально расположенного цилиндра (кроме оросительных камер в системах кондиционирования воздуха) из стали или кислотоупорных материалов (железобетона и пластмасса). В качестве распылителей жидкости используют механические, пневматические, паровые, центробежные, эвольвентные форсунки и различные разбрызгиватели (рис. 4.4). Для более равномерного распределения капель жидкости по сечению камеры аппарата группы форсунок устанавливают на разных уровнях с таким расчетом, чтобы активная площадь орошения отдельных форсунок взаимно перекрывалась. Число зон орошения скруббера определяется общим расходом воды и производительностью форсунок. Размещают форсунки, как правило, с учетом направления потока жидкости вверх.

Разбрызгивающие устройства смесительных теплообменников

Рис. 4.4 – Разбрызгивающие устройства смесительных теплообменников: а – механическая форсунка; б – пневматическая форсунка; в – форсунка центробежного распыливания; г – перфорированная насадка; д – эвольвентная форсунка; е – многотарельчатый разбрызгиватель

Поверхность фазового контакта в безнасадочных теплообменниках зависит от размера капель и плотности орошения или расхода жидкости в единицу времени через единицу площади сечения скруббера. Чем меньше диаметр капли d, тем больше поверхность фазового контакта, полученная при распыливании 1 м3 жидкости. Например, при d=0,05 мм F=12·104 м23; при d=0,2 F=3·104; при d=0,5 F=1,2·104; при d=0,8 F=0,75·104, что существенно превышает поверхность насадки, а следовательно, и движущейся пленки в 1 м3 насадки насадочного аппарата.

Безнасадочные теплообменники отличаются малым сопротивлением по газовому тракту, пригодны для очистки сильно загрязненных газов, экономичны по расходу охлаждающей жидкости. В то же время для распыливания жидкости требуется большой расход энергии, они громоздки.

В аппаратах типа, изображенного на (рис. 4.2, в), турбулентная промывка газа выражена более четко. Газ или воздух вводится в нижнюю часть аппарата. В верхней части предусматривают камеру с тангенциальным отводом потока. Вода подается в верхнюю коническую часть скруббера через перфорированную кольцевую трубу. Сток воды происходит через сливной патрубок таким образом, чтобы в конусе промывателя скапливалось некоторое количество воды. Эта вода, подхваченная газовым потоком, закручивается и под влиянием центробежных сил настилается на стенки корпуса аппарата. Наблюдается промывка газа водой, распыливаемой потоком. Скорость воздуха 15–20 м/с. Циклоны-промыватели при небольших размерах, примерно в 2,5–3,0 раза меньших, чем центробежных скрубберов, имеют практически одинаковую с ними эффективность. Они более надежны в эксплуатации, исключается опасность засорения нижней части промывателя.

В циклонном скруббере (рис. 4.2, г) газ поступает тангенциально, движется по спирали и выходит через верхний патрубок, в котором расположены радиально направляющие лопатки для выравнивания газового потока. На входе потока газа устанавливают регулирующую направляющую лопатку, с помощью которой поток отжимается к смоченной поверхности и тем самым увеличивается скорость потока, сокращается путь сепарации частиц и повышается эффективность пылеулавливания.

По оси скруббера установлена труба с несколькими рядами сопел, через которые мелкими струями в объем аппарата поступает вода [рв = (5÷10) 105 Н/м2]. Капли воды увлекаются газовым потоком, прижимаются к стенкам скруббера, захватывают содержащиеся в газе пылинки и стекают вниз. Производительность до 200·103 м3/ч. Сопротивление ∆р = (0,25÷1,0) 103 Н/м2.

В аппаратах, представленных на (рис. 4.2), так же как и в других газожидкостных теплообменниках, с одновременной очисткой газа от пыли в зависимости от состояния параметров газожидкостной смеси будут происходить массообменные процессы с осушкой или увлажнением газа. При охлаждении и осушке газа (воздуха) расход воды обычно определяется из уравнения теплового баланса. При обеспыливании расход воды берут из опытных данных для того или иного типа аппарата в зависимости от производительности по газу, степени запыленности потока и совершенства распыливающих воду устройств.


© 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