Контактные теплообменники

В контактном теплообменнике продукты сгорания топлива непосредственно соприкасаются с холодной водой. Контактные теплообменники устанавливаются только при сжигании природного газа. Контактный теплообменник может входить в состав контактного водоподогревателя, может использоваться как средство утилизации тепла продуктов сгорания. Продукты сгорания можно охладить до температуры в 35-45 ⁰С.

Контактные теплообменники бывают двух типов – с пассивной насадкой (контактные экономайзеры) и с активной насадкой (КТАНы).

В контактном экономайзере насадка обычно выполняется из керамических колец Рашига. У этих колец диаметр равен высоте. Размеры колец 25х25, 35х35, 50х50 мм. Кроме колец Рашига насадка может выполняться из витых пластин, металлических сеток, стержней, проволоки, стружки. Для защиты газохода и дымовой трубы от коррозии установлен каплеуловитель. После него газоход имеет вертикальный участок, в котором осуществляется подсушивание дымовых газов. Вода и дымовые газы движутся в режиме противотока. Разность температур воды на входе и газов на выходе может быть до 3 ⁰С.

Контактный теплообменник с активной насадкой имеет два контура воды. Чистая вода циркулирует в трубах. Снаружи эти трубы омываются водой после их контакта с дымовыми газами. Насадка выполнена в виде трубного пучка и участвует в теплообмене. Насадка может быть одно-, двух- и трехслойной. Соответственно, можно нагревать один, два или три потока воды. Максимальная температура воды в КТАНе составляет 50-55 ⁰С. Разность температур воды и газов в любом сечении не должна быть меньше 8-10 ⁰С.

При работе контактных теплообменников отходящие газы охлаждаются ниже температуры точки росы. Это позволяет использовать теплоту конденсации водяного пара продук

тов сгорания. В результате эксплуатационный КПД доходит до 95-96 %, считая по высшей теплоте сгорания топлива. Величину скрытой теплоты конденсации определяют по формуле

,

где r – скрытая теплота конденсации водяных паров в продуктах сгорания 1м³ природного газа; - влагосодержание отходящих газов в расчете на 1 кг сухих продуктов сгорания, кг/кг; - плотность сухих отходящих газов, кг/м3; - объем сухих отходящих газов при полном сгорании 1м³ природного газа, м³/ м³. При =1 =4010 кДж/м³. С увеличением коэффициента избытка воздуха меняется незначительно. Воду в контактном экономайзере можно нагреть до температуры 55-65 ⁰С.

Вода в контактной камере может быть нагрета до определенного предела – температуры мокрого термометра - tм. Вода в контактной камере стекает сверху вниз в виде тонких пленок.

Нагретые дымовые газы движутся вверх и при этом нагревают воду. Предположим, что в сечении ВС вода достигает максимальной температуры tм и затем до сечения АD не меняют температуру. В зоне АВСD газы находятся в ненасыщенном состоянии. Рассмотрим случай, когда отсутствует термодинамическое равновесие между водой и газами (рис.10.1,а). Пленка воды имеет малую толщину, т.о. можно пренебречь изменением температуры по ее толщине. Пленка воды и газы могут находиться как в состоянии термодинамического равновесия, так и в неравновесном состоянии. В зоне ABCD будет наибольшая разность температур и наибольшая разность парциальных давлений водяных паров над пленкой воды и в толще газов . Так как в зоне ABCD температура воды не меняется, то все тепло от газов идет на испарение воды. Т.е., в этой области ABCD устанавливается динамическое равновесие

, (10.1)

a – коэффициент теплоотдачи между водой и газами; b – коэффициент массоотдачи; dм и dг – влагосодержание смеси и газов; r – теплота парообразования. Процесс испарения, при котором все тепло идет на испарение и вместе с парогазовой смесью возвращается в поток газов называется адиабатическим испарением, а tм – температура адиабатического испарения – не что иное, как температура мокрого термометра. Из (10.1) видно, что tм зависит от начальной температуры газов, влагосодержаний смеси газов и пара над пленкой и продуктов сгорания вдали от пленки.

Рассмотрим случай, когда между пленкой воды и газами существует термодинамическое равновесие. В сечении ВС вода достигает максимальной температуры tм и далее не нагревается. Продукты сгорания в сечении AD находятся в ненасыщенной состоянии. Двигаясь вверх они насыщаются парами воды и к сечению ВС достигнут температуры адиабатического насыщения. Будем считать, что стенки камеры адиабатные – потерь тепла в окружающую среду нет. Баланс тепла процесса охлаждения газов

- начальная энтальпия продуктов сгорания с температурой tн на входе;

- тепло влаги, испаренной из массы воды с температурой tм в поток продуктов сгорания в зоне ABCD;

- конечная энтальпия газов с температурой tм.

Таким образом,

+ = . (10.2)

Характер процесса охлаждения продуктов сгорания зависит от значения температуры воды в момент соприкосновения с газами. Анализ процесса охлаждения газов удобно провести в i-d диаграмме продуктов сгорания.

а) б)

Рис.10.4. i –d диаграмма

а) Построение i –d диаграммы; б) Режимы охлаждения продуктов сгорания в камере

Точка А на диаграмме соответствует состоянию продуктов сгорания на входе в камеру. При соприкосновении с водой нагретые газы охлаждаются и при этом нагревают воду. Характер процесса охлаждения зависит от температуры воды на выходе из камеры.

Предположим, что температура воды ниже температуры точки росы продуктов сгорания. Процесс охлаждения в данном случае показан кривой 1. Так как парциальное давление водяных паров в массе газов выше парциального давления водяных паров над пленкой воды, то в процессе охлаждения влагосодержание газов будет уменьшаться. Т.е. водяной пар в продуктах сгорания будет конденсироваться. При этом с самого начала процесса охлаждения выделяется скрытая теплота парообразования.

Пусть теперь температура воды на выходе из камеры выше температуры точки росы, но ниже температуры мокрого термометра. Процесс охлаждения показан кривой 2. Парциальное давление водяных паров в газах ниже парциального давления паров на пленкой воды. Поэтому влагосодержание газов увеличивается (отрезок А-К на кривой 2). В точке К температура продуктов сгорания равна температуре точки росы (т.К находится на пересечении линии d=const и f=100 %). На отрезке К-М происходит конденсация водяного пара из продуктов сгорания, причем в воду переходит вся вода, которая испарилась в продукты сгорания на отрезке А-К. Тепло, которое при этом выделяется равно теплу, затраченному на их испарение, поэтому оно не влияет на КПД аппарата и называется оборотным теплом.

Рассмотрим процесс охлаждения в случае, когда температура воды на выходе из камеры равна температуре мокрого термометра. Процесс охлаждения показан кривой 3. На отрезке А-F процесс идет по линии мокрого термометра. Газы охлаждаются и одновременно увлажняются. Двигаясь вверх по камере продукты сгорания охлаждаются и с т.F температура воды становится меньше температуры мокрого термометра, но выше температуры точки росы. На отрезке F-N процесс идет так же, как и на отрезке A-K кривой 2. Т.N соответствует температуре вторичной точки росы.

Лучшим вариантом проведения процесса охлаждения является кривая 1. В этом случае не возникает оборотного тепла. Тепло конденсации сразу идет на нагрев воды. Но так получается, если вода в контактной камере не нагревается выше 57-59 ⁰С. Иначе процесс охлаждение будет протекать по кривой 2 или 3.

Если парциальные давления водяных паров в газах и над пленкой воды равны, то массообмена нет. Количество тепла, которое получает вода равно

(10.3)

- количество тепла, передаваемое от газов к воде за счет конвекции (сухой теплообмен). Если парциальные давления водяных паров над пленкой воды и в газах различны, то могут идти процессы испарения или конденсации. Массообмен можно представить в виде

(10.4)

b – коэффициент массоотдачи. Количество тепла в результате массообмена есть

. (10.5)

Результирующее количество тепла, которое передается от продуктов сгорания к воде есть

. (10.6)

В зависимости от конечной температуры нагрева воды контактную камеру можно разбить на одну, две или три зоны.

1. Конечная температура воды меньше температуры точки росы продуктов сгорания. В контактной камере будет одна зона конденсации. С самого начала контакта воды с газами будет происходить конденсация водяных паров из продуктов сгорания и полностью будет использоваться теплота конденсации. На любом участке конденсационной зоны общее количество тепла, переданного от газов к воде равно

.

Характер сухого и мокрого теплообмена показан на рис.10.5.

2. Конечная температура воды . В этом случаев контактной камере будет создаваться зона испарения и зона конденсации. Зона испарения всегда создается на нижнем участке камеры, где вода имеет максимальную температуру. При контакте с нагретой водой газы будут охлаждаться и при этом одновременно будут насыщаться парами воды. В зоне испарения контактный нагрев воды идет за счет сухого теплообмена. Мокрый теплообмен является отрицательной величиной. Общее количество тепла, переданное в зоне испарения равно

.

а) б)

Рис.10.5. Изменение температуры, парциального давления (а) и сухой и мокрой теплоты воды и газов (б)

По мере продвижения вверх по контактной камере температура газов будет снижаться, влагосодержание увеличиваться до тех пор, пока парциальные давления водяных паров в газах и над пленкой воды не сравняется. Этот момент для газов соответствует вторичной точке росы. В этом месте заканчивается зона испарения и начинается зона конденсации. При дальнейшем продвижении по контактной камере температура и влагосодержание газов уменьшается. Процесс в двухзонной камере изображен на рис.10.6.

Рис.10.6. Изменение температуры и парциального давления паров (а), сухой и мокрой теплоты газов и воды (б) в двухзонной контактной камере

В зоне испарения количество тепла, отданное сухим теплообменом от газов к воде измеряется площадью OBCD. Часть этого тепла (CDE) идет на испарение воды. Теплосодержание образовавшихся водяных паров в виде оборотного тепла представлено площадью ABO. Результирующее количество тепла , воспринятое водой от газов в зоне испарения (OBCE) равно .

- -

В зоне конденсации общее количество тепла, которое воспринимается водой от газов

.

- величина сухого теплообмена – площадь ВМС; - оборотное тепло в виде мокрого теплообмена, возникающего за счет конденсации водяных паров в зоне испарения; - величина мокрого теплообмена, возникающего при конденсации водяных паров в продуктах сгорания – площадь МКF. Общее результирующее количество тепла в зоне конденсации – площадь БМЖС.

3. Если температура воды равна температуре мокрого термометра, то контактную камеру по высоте можно разделить на три зоны – первую и вторую зоны испарения и зону конденсации.

В первой зоне вода нагрета до t_м. При контакте ее с газами идет интенсивное испарение воды в поток газов и их охлаждение. В первой зоне идет интенсивный "сухой" теплообмен между газами и водой.

- площадь ABCD на рис.10.7. Величина сухого теплообмена - - площадь OCMN на рис.10.7. Величина мокрого теплообмена rDG – площадь OCEF.

= rDG.

Рис.10.7. Изменение температуры и парциального давления (а) и теплообмена (б) по высоте контактной камеры.

Во второй зоне происходит нагрев и испарение воды. Температура воды меньше температуры мокрого термометра. Результирующее количество тепла во второй зоне

.

В зоне конденсации вода нагревается за счет

1.Сухого тепла газов - - площадь KBLЗ.

2. Оборотного тепла от конденсации водяного пара, испарившегося в поток газов в первой и второй зонах испарения

- площадь KDИ.

3. Мокрого тепла от конденсации паров воды из продуктов сгорания

- площадь LЖИ.