ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ СМЕШИВАЮЩЕГО ТИПА

В настоящее время широкое применение в промышленности нашли смешиваю­щие теплообменные аппараты, в которых тепло- и массообмен между теплоносителями происходит без разделительной стенки между ними. По принципу работы это в большинстве своем ап­параты непрерывного действия. Названия этих аппаратов опре­деляются их назначением.

Кондиционеры применяются для термовлажностной об­работки воздуха в установках кондиционирования.

Скрубберы применяются для очистки воздуха или газов от пыли, золы, смолы и прочих примесей посредством промывки их водой.

Охлаждение больших количеств циркуляционной воды от конденсаторов паровых турбин электрических станций дости­гается за счет тепло- и массообмена ее с воздухом в градирнях.

Конденсаторы или смешивающие подогрева­тели используются для нагрева жидкости за счет теплоты воздуха, газа или пара.

Применяются следующие типы теплообменников смешения, различающиеся по конструктивным признакам (рис. 2.18).

1. Полые или безнасадочные колонны или камеры (рис. 2.18, а), в которых распыливание жидкости в газовую среду осу­ществляется форсунками. Соприкосновение между жидкостью и газом при этом происходит на поверхности образующихся ка­пель жидкости.

Рис. 2.18. Типы смешивающих теплообменных аппаратов:

а – безнасадочный форсуночный; б – каскадный; в – насадочный; г –струйный; д –пленочный с насадкой из цилиндров;

1 – форсунки; 2 – трубы, распределяющие воду; 3 – каскады; 4–насадка; 5, 6 – сопла первой и второй ступеней струйного смесителя; 7 – насос; 8, 9 – центробежный и осевой вентиляторы; 10 – электродвигатель; 11 –концентрические цилиндры; 12 – иллюминаторы-сепараторы влаги; 13 – подогреватель воздуха

На рис. 2.19 показаны различные виды форсунок для теплообменных аппаратов смешивающего типа.

2. Каскадны аппараты, имеющие внутри горизонтальные либо наклонные полки или перегородки, по которым жидкость стекает сверху вниз под действием гравитационных сил (рис. 2.18, б).

3. Насадочные колонны, в которых соприкосновение газа с жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки (деревянные доски, рейки, куски кокса и про­чие устройства, обеспечивающие пленочное стекание жидкости (рис. 2.18, в)).

Рис. 2.19. Форсунки и разбрызгивающие устройства для теплообменных аппа­ратов смешивающего типа:

а – механическая форсунка; б – пневматическая форсунка; в – центробежная форсунка; г – брызгалка; д – однотарельчатый разбрызгиватель; е – многотарельчатый разбрыз­гиватель

Насадочные колонны более компактны по сравнению с безнасадоч-ными. Их недостатком является большое гидравличе­ское сопротивление для потока газа и как следствие этого боль­шой расход электроэнергии на привод вентилятора.

На рис. 2.20 показаны некоторые типы насадок для теплооб­менных аппаратов смешивающего типа.

Рис. 2.20. Насадки для теплообменных аппаратов смешивающего типа:

а – беспорядочно уложенные кольца; б, в – кольца с перегородками; г – шары; д – пропеллерная насадка; е – седлообразная насадка; ж – хордовая насадка

4. Струйные смесительные аппараты, в которых вода нагре­вается эжектирующим или эжектируемым паром (рис. 2.18, г).

На рис. 2.21 показана принципиальная схема струйного кон­денсатора. Вода подводится к одному или нескольким верти­кальным соплам, расположенным в верхней части корпуса.

Из сопл вода поступает с большой скоростью в систему концентри­ческих распределительных конусов. Пар подводится сбоку и вследствие эжектирующего действия воды подсасывается через кольцевые щели между конусами в центральное пространство конденсатора, где и конденсируется. Охлаждающая вода, конденсат и воздух поступают далее в диффузор, в котором смесь сжимается под действием кинетической энергии струй воды.

Рис. 2.21. Принципиальная схема струйного конденсатора:

1 – контактная камера; 2 –сопла; 3 –вход пара; 4 –вход жидкости; 5 – рас­пределительные конусы; 6 – выход жид­кости; 7 – диффузор

5. Пленочные подогреватели смешивающего типа (рис. 2.18, д). В них происходит нагревание воды водяным паром до температуры, близкой к температуре насыщения пара. Такая конструкция проще, чем у поверхностных подогревателей, ком­пактнее, имеет меньшую массу, при этом коэффициент теплообмена для нее не зависит от загрязнения поверхности маслом, накипью и т. д. Аппараты такого типа обычно работают под некоторым избыточным давлением (0,001–0,005 МПа).

Существенным недостатком пленочных подогревателей явля­ется коррозия трубопроводов и поверхности аппарата вслед­ствие наличия в конденсирующемся паре и в воде значительного количества кислорода.

6. Пенные аппараты, применяемые для улавливания из га­зов плохо смачиваемой (гидрофобной) пыли. Принципиальная схема пенного трехполочного аппарата приведена на рис. 2.22. Скорость потока газа, набегающего на решетку, обычно состав­ляет 2–2,5 м/с. При меньшей скорости уменьшается пенообразование и жидкость сливается через отверстие в решетке, а при большей скорости увеличивается унос воды в виде капель. Нор­мальными условиями работы считаются такие, при которых по­ловина жидкости сливается через сливной порог, а половина – через отверстия в решетке. Степень очистки газов в пенных ап­паратах достигает 90–95 %.

Рис. 2.22. Принципиальная схема многополочного пенного аппарата:

1 – корпус; 2 – решетки; 3 – приемная коробка; 4 – порог; 5 – сливная коробка;

6 – гидравлический затвор

Тепло- и массообмен в аппаратах смешивающего или кон­тактного типа изучен еще недостаточно. Вместе с тем во всех случаях процессы, происходящие в этих аппаратах, подчиня­ются следующему правилу. Если парциальное давление паров жидкости в газе меньше, чем давление паров над внешней по­верхностью капелек жидкости, то происходит увлажнение газа, если же давление пара находится в обратном соотношении, то газ осушается.

При контактном тепло- и массообмене теплоносителей коэф­фициент теплопередачи k и коэффициент теплоотдачи a имеют одинаковые значения (a = k),поскольку в этом случае отсутст­вует разделительная стенка. Расчетные формулы выражаются как через k, так и через a.

Поскольку определение поверхности теплообмена аппаратов такого типа затруднительно, в некоторых случаях их расчет проводят по объемному коэффициенту теплопередачи. Уравне­ние теплопередачи при этом имеет вид:

Q = k_uVDt, (2.78)

где Q – количество теплоты, передаваемое в аппарате, Вт; k_u– объемный коэффициент теплопередачи, отнесенный к 1 м³ ак­тивного объема аппарата, Вт/(м³×К); V – полезный или актив­ный объем смесительной камеры, м³; Dt – средняя разность температур теплоносителей, К.

По уравнению (2.78) можно рассчитывать только процессы, для которых определяется опытным путем объемный коэффи­циент теплопередачи.

Каждому типу смешивающих теплообменников свойственны некоторые особенности, которые следует учитывать при выборе аппарата. Аппараты с насадкой просты по конструкции, де­шевы, и для их изготовления пригодны недефицитные строи­тельные материалы – бетон, керамика, стекло, фарфор. Для оросителей насадочных аппаратов требуется незначительное из­быточное давление орошающей жидкости. Однако габариты и масса насадочных аппаратов значительны. Они требуют устрой­ства массивных фундаментов и отличаются значительным гид­равлическим сопротивлением по газовому тракту по сравнению с каскадными и безнасадочными аппаратами, особенно при беспорядочно засыпанной насадке. Насадочные аппараты мало подходят для обработки сильно загрязненных жидкостей из-за возможного засорения и залипания насадки. Они также не пригодны для работы с малым расходом жидкости, потому что при этом не удается достичь необходимой для хорошего смачивания насадки плотности орошения.

Безнасадочные аппараты отличаются малым сопротивле­нием по газовому потоку и наиболее экономичны по расходу охлаждающей жидкости, однако для ее диспергирования с помощью как форсунок, так и дисковых распылителей требуется значительный расход энергии. Безнасадочные аппараты отлича­ются большими габаритами.

Полочные (барометрические) конденсаторы (рис. 2.23) про­сты по конструкции и не требуют специального насоса для от­качки охлаждающей жидкости. Однако их монтаж на значи­тельной высоте часто требует специальных строительных сооружений, а подача воды на такую высоту связана с большим рас­ходом энергии.

Рис. 2.23. Полочный каскадный конденса­тор (или газоохлади­тель):

1 – контактная камера; 2 – сегментные полки; 3 – вход пара (или га­за); 4 – вход охлаждаю­щей жидкости; 5 – от­сос неконденсирую­щихся газов; 6 – выход жидкости

Барботажные тарельчатые колонны (рис. 2.24) характери­зуются повышенной интенсивностью тепло- и массообмена на единицу объема аппарата, допускают работу с загрязненными и умеренно вязкими жидкостями, нечувствительны к колеба­ниям расхода теплоносителей. Однако такие аппараты сложны по конструкции, металлоемки, ограниченно пригодны для ра­боты с агрессивными средами и отличаются высоким гидравли­ческим сопротивлением.

Достоинствами струйных (эжекторных) аппаратов являются их компактность, простота изготовления и эксплуатации, без­отказность в работе. Для их работы не обязательны откачиваю­щий воду и воздушный насосы, так как на выходе из диффузора давление смеси несколько выше атмосферного.

Рис. 2.24. Барботажная тарельчатая ко­лонна:

1 – контактная камера; 2 – насадка; 3 – вход газа (пара); 4 –вход жидкости; 5 – отсос не­конденсирующихся га­зов; 6 – выход жидко­сти; 7 – распределитель­ное устройство; 8 – рас­пределительная тарел­ка; 9 –опорная ре­шетка

Вместе с тем струйные смесительные теплообменные аппа­раты обладают существенными недостатками, которые практи­чески сводят на нет отмеченные преимущества, и препятствуют их сколько-нибудь значительному распространению в промыш­ленности. К недостаткам относятся очень низкий энергетический к. п. д. (около 10 %), высокий уровень шума, значительный недогрев охлаждающей воды (в конденсаторах) до температуры насыщенного пара: даже в многосопловых конструкциях недогрев воды составляет 8–11 °С, а в односопловых – 15–20 °С.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие существуют способы компенсации различного температурного удлинения труб и кожуха в кожухотрубчатых теплообменниках?

2. Какова конструкция спиральныхтеплообменников?

3. Какие недостатки присущи пластинчатым теплообменникам?

4. Как работают испарители и паро­преобразователи?

5. В каких случаях применяют ребристые теплообменники?

6. Что такое коэффициент оребрения?

7. От каких величин зависит коэффициент теплопередачи k для плоской стенки?

8. С какой целью проводится поверочный расчет теплообменных аппаратов?

9. Для чего применяются скрубберы?

10. Какими достоинствами обладают струйные (эжекторные) аппараты?

3. ТЕПЛООБМЕННЫЕ УСТАНОВКИ

ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ