Лекция 3 Трубчатые выпарные аппараты – теплообменное

Лекция 3
Трубчатые выпарные аппараты – теплообменное устройство (греющая
камера или кипятильник) выполнено в виде какого-либо трубчатого
теплообменника. С одной стороны стенок труб находится выпариваемый
раствор, с другой – ТН, подводящий тепло (обычно водяной пар). Отделение
жидкости от пара осуществляется в сепарационной части аппарата –
сепараторе.
Различают выпарные аппараты с естественной и искусственной
циркуляцией раствора, а также пленочные выпарные аппараты.
Смесительные (контактные) ТА
-
передача тепла от одного теплоносителя к другому происходит
при их непосредственном соприкосновении и смешении.
Область применения преимущественно для конденсации паров и
охлаждении газов, для охлаждении воды воздухом, для осушки газов,
пылеулавливания,
химической,
абсорбции,
ректификации
металлургической,
пищевой
и
т.д.
Используются
промышленности,
в
при
производстве строительных материалов, минеральных удобрений.
Достоинства: простота конструкции, высокие коэффициенты
тепломассообмена, развитые поверхности контакта фаз и как следствие –
небольшие габариты, большие объемные расходы обрабатываемого газа,
широкий диапазон регулирования параметров.
Отсутствие в газожидкостных теплообменниках разделительной
стенки обеспечивает смешение теплоносителей. Непосредственный контакт
газа и жидкости обуславливает протекание не только теплообменных, но и
массообменных (испарение, конденсация и т.д.) процессов.
Наиболее распространенная в промышленности пара газ –
жидкость это воздух – вода.
По конструктивному устройству смесительные теплообменные
аппараты разделяют на полочные, насадочные, полые с разбрызгивателями
охлаждающей жидкости и струйные.
Полочные аппараты применяют в качестве конденсаторов смешения.
На (рис. 5.1 а) показан сухой противоточный полочный баррометрический
конденсатор с сегментными полками.
Охлаждающая вода подается сверху на перфорированную полку 2. Пар
движется противотоком к воде. Вода и конденсат выводятся из нижней части
аппарата по баррометрической трубке, а воздух отсасывается из верхней
части. Кроме сегментных полок 2 (на рис.5.1 а) применяют также кольцевые
(рис.5.1 б), конические и другие полки.
Насадочные аппараты применяют для конденсации паров и
охлаждении газов какой-либо жидкостью. На (рис. 5.1 в ) изображен сухой
насадочный
конденсатор.
Охлаждающую
воду
подают
через
распределительное устройство 3 в верхней части аппарата. Далее она
растекается по насадке 2, при этом поверхность воды значительно
увеличивается. Пар движется противотоком к воде. Вода и конденсат
выводятся из нижней части аппарата, а воздух отсасывается из верхней
части.
Полые
аппараты
с
разбрызгивателями
охлаждающей
жидкости
применяют для конденсации паров и охлаждения газов. [Плановский,
Николаев] На рис. 5.1. (г) показан мокрый полый конденсатор с
разбрызгивателем воды 2, выполненным в виде вертикальной трубки с
отверстиями. Охлаждающая вода вытекает из отверстий в виде тонких струй,
образующих в аппарате сплошную водяную завесу. Пар на конденсацию
вводится в верхнюю часть аппарата. Вода, конденсат и воздух откачиваются
совместно
из
нижней
части
аппарата
мокровоздушным
насосом.
Конструктивное оформление разбрызгивателей весьма разнообразно.
в
г
Рис.5.1 Смесительные теплообменные аппараты
1 – корпус; 2 – сегментная полка (а, в) и насадка (в, г); 3 – кольцевая
полка (а, б) и распределительное устройство для воды (в, г).
Среди аппаратов, предназначенных для осуществления процессов
тепло- и массообмена и пылеулавливания, следует отметить скрубберы. Они
разделяются: полые скрубберы, насадочные скрубберы, барботажные и
тарельчатые колонны, скрубберы с подвижным слоем шаровой насадки,
трубы Вентури.
Наибольшее
распространение
среди
смесительных
теплообменников, работающих с полным или значительным (более двух
третей) испарением орошающей жидкости, получили полые скрубберы,
представляющие собой колонны круглого или прямоугольного сечения.
Рис.5.2
Полый скруббер:
1 – корпус; 2 - форсунки
Орошающая жидкость, подаваемая сверху, дробится на капли
механическими форсунками грубого распыла, работающими под давлением
0,3 – 0,4 МПа. При этом факелы распыла должны перекрывать все
поперечное сечение скруббера. Поток газа со скоростью 0,7 – 1,5 м/с, как
правило, направляется противоточно по отношению к каплям, снизу вверх. В
скрубберах с установленными для уменьшения уноса
жидкой фазы
каплеуловителями скорость газа в пересчете на полное поперечное сечение
аппарата может достигать значений 5 – 8 м/с.
Применение полых скрубберов объясняется простотой их конструкции,
высокими – до 6 – 8 103 Вт/(м3 К) – значениями объемного коэффициента
теплопередачи,
широким
диапазоном
регулирования
параметров,
возможностью работать с загрязненной орошающей водой, большими
расходами обрабатываемого газа и т.д.
Насадочные скрубберы представляют собой колонны, заполненные
телами различной формы. Насадка из твердого материала предназначена для
распределения жидкости по развитой поверхности и тем самым обеспечивает
большую поверхность контакта между газом и жидкостью. Газ поступает в
нижнюю часть колонны, что позволяет осуществить противоток двух фаз. В
качестве насадок широко используют кольца Рашига, “седла” различной
конфигурации, деревянные рейки и т.д.
На рис. 5.3
изображено несколько типов насадок. Они могут
выполняться из керамики, пластмасс, металла и т.д.
Важнейшими требованиями к насадке являются обеспечение большой
поверхности контакта фаз, низкий перепад давления в слое, а также
равномерное распределение потоков газа и жидкости по сечению аппарата.
Их преимущества по сравнению с безнасадочными – большая компактность,
однако они обладают и большим гидравлическим сопротивлением. Насадка
склонна к забиванию пылью при обработке запыленных газов.
Рис.5.3. Скрубберные насадки:
а – кольца Рашига; б – седла Берля; в – кольца с перегородками; г шары; д – пропеллерная насадка; е – кольца Палля; ж – хордовая насадка; з спирали; и – керамические блоки
Регенеративные ТА
-
нашли
технологических
применение,
установках,
в
основном
ГТУ,
в
высокотемпературных
низкотемпературных
установках
разделения газов и газовых холодильных машинах [Бакластов].
Регенеративным ТА называют устройство, в котором передача теплоты
от одного ТН к другому происходит с помощью теплоаккумулирующей
массы, называемой насадкой.
Насадка может быть подвижной и неподвижной. При подвижной
насадке процесс теплообмена происходит в одном аппарате (рис.5.4 б). При
неподвижной – в двух аппаратах (рис.5.4 в).
Для осуществления непрерывного процесса теплопередачи от 1 го
тн к другому используется два регенератора: в одном происходит
охлаждение, в другом нагревается холодильный тн. Затем аппараты
переключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи
протекает в обратном направлении. Переключение производится обычно
автоматически через определенные промежутки времени (от нескольких
минут до нескольких часов) [Бакластов].
Рис. 5.4 Регенеративные ТА
1 - холодный ТН, 2 - горячий ТН, 3 - насадки
Главным элементом регенераторов, определяющим в основном
эффективность их работы, является насадка. Различного рода насадки
представлены на рис.
Конструкция регенеративного ТА и тип его насадки зависит от области
применения и температурного уровня ТН. Выделяют аппараты, работающие
в областях высоких, средних и очень низких температурах.
В областях высоких температур (800 ÷1000 °С) в металлургической и
стеклоплавильной
промышленности
применяют
регенераторы
с
неподвижной насадкой из огнеупорного кирпича, который выкладывается
таким образом, чтобы образовались сплошные каналы для прохода газа.
Пример: воздухонагреватели доменных печей, воздухонагреватель
сталеплавильной печи.
Достоинства: простота конструкции и возможность достижения
высоких температур подогрева воздуха.
Недостатки:
громоздкость,
усложнение
эксплуатации
из-за
необходимости периодических переключений регенераторов, колебание
температуры в рабочем пространстве печи.
Рис. 5.5. Некоторые типы насадок регенеративных ТА
а – диски из алюминиевой гофрированной ленты; б – сетчатая насадка;
в – насадка из пластин с сужающе-расширяющимися каналами; г –шаровая
насадка; д – кирпичная насадка; е – кольца Рашига; ж – гранула; з – пакет
пластин; и – кирпичная насадка с выступами; 1 –диск; 2 – лента; 3 – гофры; 4
–металлическая проволока; 5 – металлическая пластина; 6 – усеченная
пирамида; 7 – металлические шары; 8 – поры заполненные инертным газом; 9
– выступы; 10 – металлическое покрытие; 11 – ядро; 12 – пакет пластин; 13 –
двусторонние выпуклости.
Для
высокотемпературного
подогрева
воздуха
может
быть
использованы вращающиеся аппараты роторы которых заполнены чугунной
дробью или другой термостойкой насадкой [Бажан].
В области средних температур (250 ÷400 °С) для подогрева воздуха,
используется вращающиеся регенеративные ТА, роторы которых имеют
металлическую насадку, (рис.5.4 в) или аппараты с «падающим слоем».
Регенеративные вращающиеся подогреватели (РВП) применяют на
электростанциях в качестве воздухонагревателей для использования теплоты
дымовых газов, выходящих из котлов. [Бакластов]. В качестве насадки них
используют
плоские
или
гофрированные
металлические
листы,
прикрепленные к валу.
Достоинства
РВП:
непрерывный
режим
работы,
практически
постоянная средняя температура нагреваемого воздуха, компактность.
Недостатки:
дополнительный
расход
электроэнергии,
сложность
конструкции и невозможность герметичность отделения полости нагрева от
полости охлаждения, так как через них проходит одна и та же вращающаяся
насадка.
РВП с падающим слоем твердого теплоносителя применяют для
глубокого охлаждения дымовых газов в котлах. Принцип действия такого
РВП в том, что нагреваемый ТН ссыпается в камеру охлаждения, отдает
теплоту воздуху и через подъемник снова попадает в бункер. В качестве
насадки может быть использована чугунная дробь, оксиды магния и другие.
Примеры регенеративных ТА для средних температур подогрева:
регенеративные ТА с «кипящим слоем»
Достоинства:
высокая
интенсивность
теплообмена;
возможность
высокотемпературного нагрева воздуха (до 1000°С) и относительная
простота устройства. Недостатки: возможность применения свойств частиц
насадки; абразивное изнашивание внутренних поверхностей аппарата,
запыленность воздуха и газа, повышенное гидравлическое и сопротивление.
К области низких температур следует отнести регенеративные ТА
воздухонагревательных установок (ВРУ) и газовые холодильные машины
(ГХМ), где регенеративные ТА компонуют в блоке с холодной машиной.
В ВРУ наряду с охлаждением прямого потока воздуха происходит его
влаги и двуокиси углерода путем вымораживания на насадке. Установка
состоит из двух аппаратов. Теплоемкости воздух-азот. В качестве насадки
применяют насыпную насадку в виде гранул и диски алюминиевой,
гофрированной ленты, а также насыпную каменную насадку из базальта или
кварца в виде гранул.
В ГХМ регенеративные ТА компонуют в блоке с холодильной
машиной, таким образом ТА должен быть очень компактным. Насадка из
тонкой проволоки ватообразной структуры или мелкой сетки из меди,
латуни, бронзы или другого материала высокой теплопроводности.