Регенеративные аппараты. Процесс теплообмена. Основы теплового расчета.
Регенераторный теплообменник – устройство в котором подача теплоты от 1 теплоносителя к другому происходит с помощью теплоаккумулирующей массы называемой насадкой.
Насадка периодически омывается потоками горячего и холодного теплоносителей. В течение первого периода (нагрева)через аппарат пропускают горячий теплоноситель и при этом отдаваемая им теплота нагревание насадки. В течение 2 периода (охлаждения) через аппарат пропускают холодный теплоноситель который нагревается за счет теплоты насадки.
Периоды нагрева и охлаждения продолжаются от нескольких минут до нескольких часов. Для осуществления непрерывного процесса теплопередачи от одного теплоносителя к другому необходимо иметь 2 регенератора.
В качестве насадки Применяют огнеупорный кирпич, металлические листы, пластины, шары, фольгу и т.п
В металлургических и стеклоплавильных печах большое распространение получили регенераторы с неподвижной насадкой из огнеупорных кирпичей. Для создания в рабочем пространстве таких печей; высоких температур (до 2500°С) требуется предварительный высокий подогрев воздуха и горючего газа (до 800— 1000"С), который трудно осуществить и металлических рекуператорах, из-за их недостаточной жаростойкости.
Теплообмен в регенераторах. В регенераторе поверхность насадки попеременно воспринимает и отдает тепло. В течение периода нагревания или охлаждения изменяются температуры насадки как по толщине, так и по пути следования, причем после реверсирования регенератора или соответствующего перемещения подвижной насадки направление теплового потока в насадке изменяет знак.
Точное математическое описание и решение задачи нестационарных процессов теплообмена в регенераторе пока не существует, поэтому расчет производят упрощенно.
В действительных условиях полные теплоемкости теплоносителей могут быть различными, что вызывает криволинейность графика изменения температур теплоносителей по длине насадки. Кроме того в действительных условиях температура в любой точке поверхности насадки за период нагревания изменяется по выпуклой кривой, а за период охлаждения— по вогнутой, вследствие чего средняя температура насадки за период нагревания выше, чем за период охлаждения ее.
tн – t поверхности насадки,
tг – t горячего теплоносителя
tх – t холодного теплоносителя,
tсп – изменение t среднего слоя насадки,
При нагревание насадки прогревается каждый ее элемент , причем она аккумулирует теплоту (+Q). При охлаждении насадки аккумулированная теплота передается воздуху(-Q). Для ускорения этих процессов элементы нагревают и охлаждают симметрично с обеих поверхностей. Изменение температуры движущихся через насадку газовых сред согласуется с изменением температуры поверхности кирпича. Различие между этими элементами обусловлено условиями внешнего по отношение к элементам теплообмена.
Температура средней плоскости кирпича tсп отстает от температуры поверхности tв. Это явление наступает не сразу после начала периода нагревания или охлаждения и определяется прежде всего теплофизическими свойствами материала элемента и его размерами.
К началу периода охлаждения насадки температура поверхности элемента выше, чем в середине его. Проходящий воздух быстро снижает температуру поверхностных слоев элемента, и температура кирпича на некоторой глубине его оказывается более высокой, чем в середине и на поверхности, т, е. отдача тепла в этот момент в разных сечениях элемента идет в разных направлениях. Через некоторое время температура в середине элемента оказывается более высокой, чем в других сечениях, и тепловой поток направляется от середины кирпича наружу.
Тепловой расчет регенераторов. Задачей теплового расчета регенератора является определение поверхности нагрева и веса насадки,
Тепло, воспринимаемое поверхностью насадки регенератора за период нагрева, равняется: Q=α1cp((t1cp —tнн)Fτ1„ кДж/период,
где α1 —коэффициент теплоотдачи от греющих газов (конвекцией и лучеиспусканием) к насадке, кДж/м2ч0С; t1cp и tнн —средние температуры греющего газа и поверхности насадки за период нагревания, °С; τ1 -период нагрева, ч.
Это количество тепла Q воспринимается насадкой и повышает температуру ее поверхности на величину Δtн т, е- Q =F(δ/2)ρcηa Δtн , кДж/период,
где δ —толщина стенки кирпича (вследствие обогрева насадки с двух сторон в данной форме учитывается половина толщины стенки, обозначаемая через R), м;ρ—плотность насадки, кг/м3; с—теплоемкость насадки, кДж/(кг-°С); Δtн - изменение температуры поверхности насадки за период нагрева, "С; ηa —коэффициент аккумуляции тепла, определяемый (по табл.)
Для определения изменения температуры поверхности насадки пользуются следующей эмпирической зависимостью: Δtн =φ(tнн - tн0)
гдеtн0—средняя температура поверхности насадки за период ее охлаждения (рис.); φ —коэффициент, равный 2,2—3,5 принимается в зависимости от материала насадки и режима работы аппарата..
В период охлаждения тепло, аккумулированное насадкой, передается нагреваемому воздуху: Q=α2((tн0 —t2cp)Fτ2„ кДж/период,
где α2- коэффициент теплоотдачи от поверхности насадки к нагреваемому .воздуху, кДж/м2ч0С ; t2cp —средняя температура воздуха за период охлаждения, °С; τ2— период охлаждения, ч.
Таким образом, получается следующих трех уравнение: Q ц = кц F (t1cp - t2cp ) кДж/цикл,
Где кц —коэффициент теплопередачи регенератора:
кц = 1/((1/ α1 τ1 +1/Rρcηaφ + 1/ α2 τ2 ))
3.Тепловой расчет МВУ(располагаемая и полезная разности температур.)
Целью теплового расчета является определение площади поверхности нагрева отдельных ступеней при заданных условиях теплового режима ( температуре греющего пара, охлаждающей воды, раствора, начальной и конечной концентрациях раствора) или выявление оптимального режима работы установки при заданных площадях поверхности нагрева.
В результате расчетов определяется:
1). расход греющего пара;2). параметры пара и раствора по отдельным ступеням установки; 3). площади поверхностей нагрева отдельных ступеней; 4). количество отбираемого экстропара для предварительного подогрева раствора начальной концентрации.
Расчет обычно проводят методом последовательных приближений.
Общая располагаемая разность температур – это разность между температурой греющего пара t1 , поступающего в первую ступень установки и температурой вторичного пара из последней ступени при входе в конденсатор: Δtобщ = t1 – tк
Полезная разность температур – это разность между общей располагаемой разностью и тепловыми потерями
Рассмотрим изменение температуры в одноступенчатой выпарной установке:
1. Греющий пар: Греющий пар подается в установку с параметрами (.) а с температурой t1 .
ав – процесс конденсации пара , проходит при t1 = const.
В случае использования перегретого пара его температура соответсвует (.)а', а линия а' а" – соответствует охлаждению перегретого пара. Процесс конденсации греющего пара при t1 = const по линии а-в'. Линия в-в' соответсвует охлаждению конденсата на выходе их выпарного аппарата.
В тепловых расчетах обычно перегрев пара и охлаждение конденсата не учитывают.
2. Изменение температуры раствора:Раствор в греющих трубках кипит при разных температурах:
tр' – температура кипения раствора в нижней части трубок; tр" – температура кипения раствора в верхней части трубок. tр' > tр"
Изменение температуры кипения раствора происходит за счет неодинакового гидростатического давления раствора по высоте трубок. На поверхности кипящего раствора давление равно давлению пара над раствором. Давление в нижней части труб превышает давление пара на величину ΔР2 = Н*ρ*g , где Н- высота столба раствора от нижней трубной решетки до поверхности испарения; ρ – плотность раствора.
Средняя величина гидростатического давления, которая принимается в расчетах, определяется: Δp= (hизб + hтр/2)ρ g, где
hизб – высота слоя жидкости над греющими трубками.
т.С – точка, характеризующая среднюю температуру кипения раствора в данной ступени многоступенчатой выпарной установки.
Разность температур кипения раствора на нижнем и верхнем уровне греющих трубок является потерей общей разности температур в выпарной установке вследствие изменения гидростатического давления и называется гидростатической температурной депрессией – Δ2.
3. Температура вторичного пара: соответствует (.) е - температура чистого растворителя при давлении в надрастворном пространстве.Температура вторичного пара всегда ниже температуры раствора на величину Δ1 , которая называется физикохимической температурной деп рессией.
Вторичный пар из выпарного аппарата проходит через брызгоотделитель, запорную арматуру и тд при этом теряется давление пара на преодоление гидравлического сопротивления и понижается его температура. Температура вторичного пара при входе в конденсатор из-за этих потерь будет ниже его температуры над зеркалом испарения. Эта разность температур составляет 1-1,5 градуса и называется Δ3 – гидравлическая температурная депрессия.
Полная температурная депрессия: Δ= Δ1 +Δ2 +Δ3
Полезная разность температур в 1 ступенчатой выпарной установке:
Δtпол = Δtобщ –( Δ 1 +Δ 2 +Δ 3)
Полезная разность температур в многоступенчатой выпарной установке:
Δtпол = Δtобщ –( ∑Δ 1 +∑Δ 2 +∑Δ 3)
Тепловой расчёт МВУ (распределение полезной разности температур по ступеням установки)
1.F поверхности нагрева всех ступеней установки д.б. одинаковой F1=F2=…=Fn
Суммарная полезная разность t для любой ступени многоступенчатой выпарной установки пропорциональна отношением тепл нагрузок коэф-ом теплопередачи данной ступени
Δ tпол = Δ t1+ Δ t2+ …+ Δ tn или Q1/ k1 Δt1= Q2/ k2 Δt2= …= Qn/ kn Δtn
СледовательноΔ t2 = Δ t1 (Q2/ Q1)(k1/k2) ; Δ t3 = Δ t1 (Q3/ Q1)(k1/k3)
Проссумировав левые и правые части данных равенств получаем, что для любой ступени МВУ полезная разность температур равна: Δ tп = Δ tпол(Qпkп/Σ Qiki)
Т е суммарная полезная разность температур распределяется по ступеням при равенстве их площадей поверхностей нагрева пропорционально соотношению теповых нагрузок к коэффициентам теплопередачи.
При равенстве тепловых нагрузок: Δ tп = Δ tпол(kп/Σ ki)
2. Суммарная F пов-ти нагрева всех ступеней уст-ки д.б. минимальной Fобщ= F1+F2+…+Fn =Fмин
Полезная разн-ть t для любой ступени многоступенчатой выпарной уст-ки пропорц-на квадратному корню из отношения тепл нагрузок коэф-ом теплопередачи данной ступени Δ tп = Δ tпол√√(Qnk1/Σ Q1kn)
При рав-ве тепл нагрузок Δ tп = Δ tпол√ (kп/Σ ki)
3. Суммарная F пов-ти нагрева д.б. минимальной и равна (наиболее желаемый вариант) F1=F2=…=Fn и F1+F2+…+Fn =Fмин
Данное условие м.б. выполнено только в случае равенства Δ tпол во всех ступенях МВУ.
Этого м. достичь только при определённых отборах экстра-пара из каждой ступени уст-ки.
4.Материальный баланс конвективной сушилки непрерывного действия с однократным использованием сушильного агента.
Конвективные сушилки:Теплота к материалу в данных сушилках передаётся конвективно от СА, и эти сушилки получили распространение.
В качестве сушильного агента (СА) могут использоваться: горячий воздух, топочные газы, инертные к высушиваемому материалу газы (гелий, азот, СО2), перегретый пар.
При выборе СА необходимо руководствоваться следующим:
1. Воздух применяют в случаях, когда высушиваемый материал не ухудшает свои свойства в присутствии О2 и не подвержен разложению при высокой температуре.
2. Топочные газы целесообразно использовать при сушке термостойких материалов, не изменяющих своих свойств при соприкосновении с продуктами сгорания. При использовании топочных газов сушилки достаточно компактны.
3. Азот - используется редко, только в тех случаях когда нежелателен контакт высушиваемого материала, либо удалённого растворителя с О2. Данные сушилки обычно работают по замкнутому циклу. Оправданный начальный уровень СА 400 0С.
4. Перегретый пар, или пар удалённого растворителя, применяют при температурах от 150-180 0С.
Дата добавления: 2015-12-29; просмотров: 2490;