РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Рекуперативные аппараты периодического действия достаточно широко используются в промышленности. К аппаратам данного типа относятся варочные котлы, водонагреватели-аккумуляторы и реакционные аппараты (рис. 2.13).

В варочных и реакционных аппаратах обрабатываемые материалы нагреваются до заданной температуры и выдерживаются некоторое время при этой температуре. За определенный период времени в материале происходят необходимые изменения (большей частью химические), затем аппарат опорожняется. Время обработки материала в аппарате зависит от требований технологии производства.

Рис. 2.13. Типы рекуперативных аппаратов периодического действия:

а, б – водонагреватели-аккумуляторы; в – автоклав с паровой рубашкой; г – варочный котел с мешалками; д – варочный котел с выносным подогревателем;

1 – выносной по­догреватель; 2 –змеевик обогрева; 3 – циркуляционный насос;

4 –фильтрующая защитная сетка; 5 – мешалка; 6 – паровая рубашка

Простейшим варочным аппаратом является открытый чан, где материал обрабатывается жидкостью при атмосферном давлении.

Материал загружается на перфорированную решетку («ложное дно»), размер отверстий в которой меньше размера кусков обрабатываемого материала. Решетка монтируется на некотором расстоянии от дна аппарата. Под решеткой располагается паровой змеевик с отверстиями, называемый барботерной трубкой. Из отверстий змеевика выходит пар и, проходя сквозь жидкость, нагревает ее. Такой способ нагрева жидкости называют обогревом «острым» паром. Жидкость в свою очередь нагревает расположенный в ней материал.

Недостатком таких змеевиков-барботеров является сильный шум, производимый ими во время работы. Пароводяные струй­ные инжекторы, применяемые для этих целей, лишены такого недостатка.

Открытые варочные чаны употребляют в тех случаях, когда термическая обработка материала протекает при температурах ниже 100 °С и из материала не выделяется токсических паров или газов. При выделении вредных веществ варочный аппарат закрывают герметичной крышкой с вытяжкой в соответствии с санитарными нормами.

Термическая обработка материалов при высоких давлениях и температурах производится в герметизированных аппаратах-автоклавах, в которых нагрев обрабатываемого материала производится или «глухим» паром при помощи паровых рубашек и змеевиков, или «острым» паром через барботерные трубы.

Водонагреватели–аккуму­ляторы представляют собой сосуды большой емкости с во­дяным или паровым обогревом и применяются в систе­мах горячего водоснабжения, периодически расходующих значительные количества воды (рис. 2.13, а и б). Вода в них нагревается за 4–5 ч, а рас­ходуется в течение 20–30 мин (например, в душевых поме­щениях цехов после очередной смены).

При обогреве «глухим» па­ром теплообмен происходит только за счет естественной конвекции жидкости. При этом ко­эффициент теплопередачи мал и, следовательно, такой процесс обогрева малоэффективен. При обогреве «острым» паром теплообменные процессы происходят более интенсивно, но источ­ник питания агрегата паром (ТЭЦ или котельная) расходует много дорогостоящего конденсата (рис. 2.13, в).

В целях интенсификации процесса теплообмена часто внутри аппаратов устанавливают мешалки для перемешивания жидко­сти и обрабатываемого материала (рис. 2.13, г). Мешалки имеют разнообразное конструктивное оформление. Применение меша­лок ускоряет процесс нагревания, однако требует дополнительной затраты энергии на привод мешалки.

Для экономии конденсата или при необходимости замены греющего пара горячей водой применяют аппараты с вынос­ными подогревателями (рис. 2.13, д). Жидкость в таком аппа­рате прогоняется через выносной подогреватель циркуляцион­ным насосом.

В аппаратах периодического действия нагрев происходит при переменном тепловом режиме, поэтому ранее рассмотрен­ные зависимости, относящиеся к аппаратам непрерывного действия с установившимся тепловым режимом, не могут быть использованы для их расчета. Рассмотрим работу водонагрева­теля-аккумулятора с водяным обогревом. На рис. 2.14 изобра­жены схемы аппарата и соответствующий ей график изменения температур греющей и нагреваемой воды в зависимости от вре­мени.

Рис. 2.14. График изменения темпера­тур в водонагревателе–аккумуляторе с водяным обогревом

Особенность режима работы такого аппарата состоит в том, что температура греющей воды на выходе из аппарата t₁" возрастает во времени при постоянных расходе G и началь­ной температуре. Это объясняется тем, что вода в аккумуляторе нагревается и для ее последующего нагрева требуется все мень­ший и меньший перепад температуры. Расчет при этом услож­няется, так как приходится использовать две переменные во вре­мени t₁и t₂. Дифференциальные уравнения теплопередачи и теплового баланса имеют следующий вид:

(2.72)

где G₁с₁и G₂с₂ – теплоемкости массовых расходов теплоносите­лей; dt – элемент времени, в течение которого температура воды повышается на dt, с; k – коэффициент теплопередачи, Вт/ (м²×К); F – поверхность нагрева, м²; Dt – средняя логарифмическая разность температур, которая определяется как

где t₁¢, t₁и t₂– температуры греющей и нагреваемой воды в рассматриваемый промежуток времени dt.

Подставив в уравнение (2.72) выражение для Dt, получим:

Определим температуру t₁:

откуда

Введем обозначение A = kF/ G₁с₁.Температура греющей воды на выходе из аппарата

(2.73)

Подставив в уравнение (2.72) значение переменной t₁из урав­нения (2.73) и сделав преобразования, получим:

Левую часть уравнения интегрируем в пределах от 0 до t, а правую – в пределах от начальной температуры t₂'до конеч­ной t₂":

(2.74)

Из уравнения (2.74) определяется удельная производитель­ность аппарата:

(2.75)

где kF и коэффициент теплопередачи k определяются по фор­муле для плоской стенки (2.31). По известным kF и k одно­значно определяется площадь поверхности нагрева аппарата F = kF/k.

Средняя температура воды определяется приближенно по формуле

(2.76)

По значению температуры t_2ср можно определить коэффи­циент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде.

Среднее значение температуры греющей воды находится по формуле

(2.77)

где t₁'_(нач) и t₁"_(кон) – температуры греющей воды на выходе аппарата в начальный момент и в конце процесса.

Если поверхность аппарата задана, то конечная температура нагреваемой воды t₂" в зависимости от времени нагрева опре­деляется из уравнения (2.74):

где