ЛЕКЦИЯ № 14
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
СО СМЕШИВАНИЕМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ.
Смесительными теплообменниками называют аппараты, в которых теплообмен между теплоносителями протекает непосредственно при их соприкосновении (т.е. при перемешивании). По сравнению с поверхностными смешивающие теплообменники обладают следующими достоинствами.
Достоинства:
1. Более простое устройство.
2. Теплообмен при соприкосновении теплоносителей протекает значительно быстрее и с течением времени не замедляется (ввиду отсутствия загрязнений поверхности нагрева, как в поверхностных т/о).
3. При одинаковой тепловой производительности меньше габариты.
Недостатки:
1. Могут применяться только для теплообмена между теплоносителями, допускающими взаимное перемешивание.
2. При обогреве паром, пар конденсируется и конденсат безвозвратно испаряется. В смешивающих т/о аппаратах наряду с теплообменом протекает массообмен теплоносителей, т.е. часть одного теплоносителя или вся его масса переходит в массу другого теплоносителя. Например: при обогреве жидкости паром, пар конденсируется и конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью, увеличивая ее массу.
3. При теплообмене между газом и жидкостью может происходить увлажнение газа или его осушка.
Смешивающие теплообменники
для теплообмена между паром и жидкостью.
Водяной пар, который вводится непосредственно в толщу (внутрь) нагреваемой жидкости называется «острым»
паром. Этот пар, отдавая свою теплоту конденсируется, а конденсат смешивается с жидкостью. Существует несколько типов конструкций аппаратов, обогреваемых острым паром.
Аппарат с барботером.
Барботером
называется труба или несколько труб с небольшими отверстиями на боковой поверхности. Эти трубы погружаются на глубину нагреваемой жидкости. В барботер подается пар, который за счет большого количества отверстий разбивается на множество мелких струек. Таким образом достигается равномерное нагревание жидкости по всему объему.
Схема аппарата барботажного типа.
1. Барботажные трубы.
2. Коллектор, к которому они приварены.
3. Паропровод.
4. Парозапорный вентиль.
5. Корпус аппарата (из листа стали) – бак.
6. Патрубки для отвода и подвода воды.
Достоинства:
1. Простота устройства и эксплуатации.
2. Аппарат может работать в периодическом и непрерывном режиме.
Недостатки:
1. Низкая производительность. При необходимости увеличить производительность аппарата – он становится громоздким.
2. Процесс теплообмена протекает очень медленно, т.к. нагревание жидкости производится в толстом слое.
3. При работе аппарата наблюдается шум и вибрация. Для уменьшения шума и вибрации необходимо уменьшить диаметр отверстий. Однако отверстия малого диаметра могут засориться. Поэтому диаметр отверстий равен 2 – 6 мм.
Данные аппараты промышленностью не выпускаются и изготавливаются собственными силами предприятий в мастерских. Применяются для нагревания небольших количеств жидкости (воды) и как правило работают периодически.
ЛЕКЦИЯ № 15
Теплообменник пленочного типа.
1. Цилиндрический корпус.
2. Концентрические цилиндры.
3. Сито.
4. Розетка.
5. Крестовина, на которой установлены цилиндры.
6. Фланцевое соединение.
Давление воды перед ситом должно быть 0,3 ÷ 0,5 Мпа. Вода выходит из сита с высокой скоростью 5 ÷ 8 м/с, ударяется о розетку, разбрызгивается и тонкой пленкой стекает по обеим сторонам поверхности концентрических цилиндров. Цилиндр выполняется из тонкой листовой стали. Снизу навстречу воде по кольцевым зазорам между цилиндрами поднимается греющий пар. Вступая в контакт с водой, пар конденсируется, отдавая свою теплоту, а конденсат смешивается с водой и смесь отводится из аппарата через патрубок в нижней части аппарата. При нагревании воды из нее выделяются газы (воздух), которые отводятся через верхний патрубок. Нагревание ведется до температуры кипения.
Достоинства:
1. Высокая производительность, теплообмен происходит с большой скоростью, т.к. нагревание воды происходит в тонком слое.
2. Аппарат может работать в качестве деаэратора, т.е. устройства для удаления газов из воды.
Недостатки:
1. Аппарат может работать только в непрерывном режиме.
2. Сложность настройки и регулировки аппарата в процессе работы. Очень сложно обеспечить соответствие разбрызгивания воды равномерное распределение воды тонкой пленкой по поверхности цилиндров.
3. Выделяющиеся из воды газы подвергают корпус и цилиндры коррозии.
4. Аппарат для нормальной работы требует повышенного давления воды. В аппарате используется пар низкого давления (близкого к атмосферному), т.е. обычно используется отработанный пар.
ЛЕКЦИЯ № 16
Смесительные теплообменники струйного типа
.
1) Схема пароструйного инжектора.
2) Схема водоструйного инжектора.
1. Сопло (расширяющееся или сужающееся).
2. Камера смешения.
3. Диффузор (камера сжатия).
Аппараты струйного типа имеют очень широкое применение в технике.
Принцип действия
пароструйного инжектора:
Греющий пар в пароструйном инжекторе в сопло. Перед соплом пар имеет повышенное давление (1 – 2 Мпа). При истечении пара из сопла происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую, скорость пара резко возрастает на выходе из сопла и достигает скорости звука, а расширяющегося – сверхзвуковой скорости. При этом на выходе из сопла давление пара резко падает и становится меньше атмосферного, т.е. в камере смешения создается разрежение, за счет чего подсасывается холодная вода. В камере смешения пар смешивается с водой и отдает свою теплоту воде и конденсируется. Конденсат смешивается с водой и принимает температуру нагретой воды. Смесь горячей воды и конденсата, обладающая высокой скоростью и поступает в диффузор, где кинетическая энергия смеси переходит в потенциальную. При этом за счет увеличения сечений диффузора, скорость смеси падает, а давление возрастает. В некоторых случаях можно добиться такого давления смеси на выходе из диффузора, которое бы превышало давление греющего пара перед соплом. Следовательно инжектор можно использовать в качестве насоса для воды. Холодная вода поступает без давления, а выходит под высоким давлением.
В водоструйном инжекторе
холодная вода с повышенным давлением подается в суживающее сопло. Давление воды перед соплом должно быть 0,3 ÷ 0,5 Мпа. На выходе из сопла скорость воды возрастает до 8 – 10 м/с, а давление падает и становится меньше давления греющего пара, за счет чего греющий пар поступает в камеру смешения. Пар смешивается с водой, конденсируется, нагревая воду и смесь воды с конденсатом подается в диффузор, где скорость смеси уменьшается, а давление возрастает.
Достоинства инжекторов:
1. Высокая производительность.
2. Небольшие поперечные размеры.
3. Могут быть использованы в качестве насосов для перекачки воды. Например: пароструйные инжекторы применяются в качестве питательных насосов в паровых котлах паровозного и локомотивного типа.
Недостатки:
1. Большие размеры (длина).
2. Работают только в непрерывном режиме.
3. Выделяющийся при нагревании воды воздух не отводится из аппарата и поступает вместе с горячей водой в трубопровод. В результате этого происходит коррозия оборудования и трубопроводов.
Пароструйные инжекторы применяются на предприятиях, где применяется пар повышенного давления (1 – 2 Мпа). Водоструйные инжекторы требуют для своей работы повышенного давления воды и пара низкого давления (отработанного «мятого» пара).
Аппараты струйного типа
1) Инжекторы – пароводяные подогреватели.
2) Эжекторы – компрессоры или вакуум-насосы струйного типа.
3) Элеваторы водоводяные теплообменники струйного типа.
Определение расхода пара в смешивающих теплообменниках.
Производится из уравнения теплового баланса аппарата. С целью упрощения расчета потерей теплоты в окружающую среду можно пренебречь. В этом случае уравнение типового баланса имеет вид:
G
·
c
·
t
1
+
Dh
=
G
·
c
·
t
2
+
D
с
к
t
2
где G · c · t1 – теплота холодной воды,
Dh – теплота греющего пара,
G · c · t2 – теплота нагретой жидкости,
Dскt2 – теплота конденсата.
Отсюда расход греющего пара равен:
G
·
c
· (
t
2
-
t
1
)
D = ——————— , кг/с
- для аппаратов непрерывного действия.
h
– с
к
·
t
2
где G, кг/с – расход нагреваемой жидкости,
с, кДж/кгºС – ее теплоемкость,
t1 - температура жидкости на входе в аппарат,
t2 – температура нагреваемой жидкости и конденсата на выходе из аппарата,
D, кг/с – расход греющего пара,
h, кДж/кг – его энтальния,
ск, кДж/кгºС – теплоемкость конденсата.
При нагревании паром воды можно принять с = ск = 4,187 кДж/кгºС.
Расход пара в смешивающих т/о будет меньше, чем в аппаратах поверхностного типа, т.к. в смешивающих т/о используется теплота конденсата, который охлаждается до температуры нагретой жидкости. В поверхностных же т/о используется только скрытая теплота парообразования, а конденсат отводится из аппарата при температуре пара.
Смешивающие т/о, обогреваемые паром применяются в следующих случаях:
1) Для нагревания воды, когда потеря конденсата имеет большое значение.
2) Для нагревания различных растворов и жидкостей, которые допускают разбавление их конденсатом.
G
1
·
c
·
t
1
+
Dhτ
=
G
·
c
·
t
2
+
D
с
к
t
2
τ
- уравнение теплового баланса для аппаратов
периодического действия.
G
·
c
· (
t
2
-
t
1
)
D = ——————— , кг/с
τ (
h
– с
к
·
t
2
)
ЛЕКЦИЯ № 17
Смешивающие теплообменники для теплообмена
между жидкостью и газом.
Теплообменные аппараты, в которых т/о между жидкостью (водой) и газами протекает непосредственно при их соприкосновении называются скрубберами.
В скрубберах наряду с теплообменниками протекает массообмен. Процессы подчиняются следующим правилам:
1. Если парциальное давление водяных паров у поверхности воды больше, чем парциальное давление водяных паров в окружающем газе, то происходит испарение воды, т.е. увлажнение газа.
2. Если парциальное давление водяных паров у поверхности воды меньше парциального давления водяных паров в окружающую среду. То водяные пары, находящиеся в газе конденсируются, что приводит к усушке газа и увеличению массы воды.
В технике применяют два вида скруббера:
1) Безнасадочные скрубберы.
2) Скрубберы с насадкой.
Схема безнасадочного скруббера.
1. Корпус.
2. Распределитель потока газов для равномерного распределения газов по всему объему камеры (для выравнивания скорости газа).
3. Форсунки – распылители воды.
4. Поддон для сбора нагретой воды.
5. Каплеуловитель.
6. Насос.
Безнасадочный скруббер представляет с тобой горизонтальную или вертикальную камеру, внутри которой расположена система труб. В трубе подается под большим давлением вода, которая выходя из форсунок распыляется. Распылением воды добиваются большой поверхности соприкосновения капелек воды и газов. В связи с этим массо и теплообмен протекает очень быстро. На входе в аппарат устанавливается распределитель потоков газов, который выравнивает скорости газов по сечению аппарата. На выходе имеется устройство для улавливания из газов капелек воды – каплеуловитель инерционного типа. В аппаратах газы могут охлаждаться или нагреваться, увлажняться или осушаться. Кроме этого, происходит очистка газов от пыли, которая захватывается капельками воды и удаляется из аппарата вместе с водой. В зависимости от назначения аппарата также может нагреваться или охлаждаться. Безнасадочные скрубберы применяются в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, а также для охлаждения и очистки искусственных горючих газов.
Достоинства:
1. Простота устройства.
2. Небольшие гидравлические сопротивления со стороны газов.
Недостатки:
1. Большие размеры (громоздкость).
2. Для создания большого давления воды перед форсунками необходим насос, который потребляет электроэнергию.
3. Низкая степень очистки газов от пыли.
Скрубберы с насадкой.
1. Цилиндрический корпус.
2. Решетка.
3. Насадка.
4. Труба с отверстием на боковой поверхности для подачи воды.
5. Каплеуловитель.
На решетке уложена насадка, которая может быть выполнена из деревянных реек, металлических стружек, каменноугольного кокса и других материалов, имеющих большую поверхность. Наибольшее распространение получила насадка, выполненная из колец Рашига, у которых высота равна диаметру. Кольца Рашига выполняются из металла, стекла, керамики, пластмассы. Размеры колец d = h = 15 ÷ 100 мм. Кольца укладываются в определенном порядке или засыпаются беспорядочно. В случае беспорядочного засыпания колец их убирается значительно меньше. Любая насадка характеризуется удельной поверхностью, т.е. поверхностью заключенной в 1 м³ насадки. Например: насадка из колец Рашига d = 15 мм имеет удельную поверхность Fуд = 330 м²/м³.
Назначение насадки:
1. Создать большую поверхность контакта между водой и газами, что ускоряет теплообмен.
2. Создать извилистые каналы для прохода газов с целью удлинения пути и увеличения времени контакта.
3. Насадка выполняет роль фильтра для улавливания из газов пыли.
Холодная вода подается в аппарат под небольшим давлением, орошает насадку и тонкой пленкой стекает по поверхности насадки. Тепло и массообмен происходит в тонком слое воды, т.е. достаточно быстро.
Достоинства:
1. Компактность, т.е. небольшие размеры при высокой производительности.
2. Не требует большого напора воды (не нужен насос).
3. Лучшая очистка газов от пыли, чем в безнасадочных скрубберах.
Недостатки:
1. Большое гидравлическое сопротивление со стороны газов (создает насадка).
2. Наличие насадки усложняет аппарат, увеличивает время ремонтных работ, в связи с загрузкой и выгрузкой насадки.
Применяются скрубберы с насадкой в системах газоснабжения, для осушки (очистки) природных газов, в химической промышленности, а также используется в качестве контактных экономайзеров в котлоагрегатах для подогрева питательной воды.