Лекция 3 Трубчатые выпарные аппараты – теплообменное устройство (греющая камера или кипятильник) выполнено в виде какого-либо трубчатого теплообменника. С одной стороны стенок труб находится выпариваемый раствор, с другой – ТН, подводящий тепло (обычно водяной пар). Отделение жидкости от пара осуществляется в сепарационной части аппарата – сепараторе. Различают выпарные аппараты с естественной и искусственной циркуляцией раствора, а также пленочные выпарные аппараты. Смесительные (контактные) ТА - передача тепла от одного теплоносителя к другому происходит при их непосредственном соприкосновении и смешении. Область применения преимущественно для конденсации паров и охлаждении газов, для охлаждении воды воздухом, для осушки газов, пылеулавливания, химической, абсорбции, ректификации металлургической, пищевой и т.д. Используются промышленности, в при производстве строительных материалов, минеральных удобрений. Достоинства: простота конструкции, высокие коэффициенты тепломассообмена, развитые поверхности контакта фаз и как следствие – небольшие габариты, большие объемные расходы обрабатываемого газа, широкий диапазон регулирования параметров. Отсутствие в газожидкостных теплообменниках разделительной стенки обеспечивает смешение теплоносителей. Непосредственный контакт газа и жидкости обуславливает протекание не только теплообменных, но и массообменных (испарение, конденсация и т.д.) процессов. Наиболее распространенная в промышленности пара газ – жидкость это воздух – вода. По конструктивному устройству смесительные теплообменные аппараты разделяют на полочные, насадочные, полые с разбрызгивателями охлаждающей жидкости и струйные. Полочные аппараты применяют в качестве конденсаторов смешения. На (рис. 5.1 а) показан сухой противоточный полочный баррометрический конденсатор с сегментными полками. Охлаждающая вода подается сверху на перфорированную полку 2. Пар движется противотоком к воде. Вода и конденсат выводятся из нижней части аппарата по баррометрической трубке, а воздух отсасывается из верхней части. Кроме сегментных полок 2 (на рис.5.1 а) применяют также кольцевые (рис.5.1 б), конические и другие полки. Насадочные аппараты применяют для конденсации паров и охлаждении газов какой-либо жидкостью. На (рис. 5.1 в ) изображен сухой насадочный конденсатор. Охлаждающую воду подают через распределительное устройство 3 в верхней части аппарата. Далее она растекается по насадке 2, при этом поверхность воды значительно увеличивается. Пар движется противотоком к воде. Вода и конденсат выводятся из нижней части аппарата, а воздух отсасывается из верхней части. Полые аппараты с разбрызгивателями охлаждающей жидкости применяют для конденсации паров и охлаждения газов. [Плановский, Николаев] На рис. 5.1. (г) показан мокрый полый конденсатор с разбрызгивателем воды 2, выполненным в виде вертикальной трубки с отверстиями. Охлаждающая вода вытекает из отверстий в виде тонких струй, образующих в аппарате сплошную водяную завесу. Пар на конденсацию вводится в верхнюю часть аппарата. Вода, конденсат и воздух откачиваются совместно из нижней части аппарата мокровоздушным насосом. Конструктивное оформление разбрызгивателей весьма разнообразно. в г Рис.5.1 Смесительные теплообменные аппараты 1 – корпус; 2 – сегментная полка (а, в) и насадка (в, г); 3 – кольцевая полка (а, б) и распределительное устройство для воды (в, г). Среди аппаратов, предназначенных для осуществления процессов тепло- и массообмена и пылеулавливания, следует отметить скрубберы. Они разделяются: полые скрубберы, насадочные скрубберы, барботажные и тарельчатые колонны, скрубберы с подвижным слоем шаровой насадки, трубы Вентури. Наибольшее распространение среди смесительных теплообменников, работающих с полным или значительным (более двух третей) испарением орошающей жидкости, получили полые скрубберы, представляющие собой колонны круглого или прямоугольного сечения. Рис.5.2 Полый скруббер: 1 – корпус; 2 - форсунки Орошающая жидкость, подаваемая сверху, дробится на капли механическими форсунками грубого распыла, работающими под давлением 0,3 – 0,4 МПа. При этом факелы распыла должны перекрывать все поперечное сечение скруббера. Поток газа со скоростью 0,7 – 1,5 м/с, как правило, направляется противоточно по отношению к каплям, снизу вверх. В скрубберах с установленными для уменьшения уноса жидкой фазы каплеуловителями скорость газа в пересчете на полное поперечное сечение аппарата может достигать значений 5 – 8 м/с. Применение полых скрубберов объясняется простотой их конструкции, высокими – до 6 – 8 103 Вт/(м3 К) – значениями объемного коэффициента теплопередачи, широким диапазоном регулирования параметров, возможностью работать с загрязненной орошающей водой, большими расходами обрабатываемого газа и т.д. Насадочные скрубберы представляют собой колонны, заполненные телами различной формы. Насадка из твердого материала предназначена для распределения жидкости по развитой поверхности и тем самым обеспечивает большую поверхность контакта между газом и жидкостью. Газ поступает в нижнюю часть колонны, что позволяет осуществить противоток двух фаз. В качестве насадок широко используют кольца Рашига, “седла” различной конфигурации, деревянные рейки и т.д. На рис. 5.3 изображено несколько типов насадок. Они могут выполняться из керамики, пластмасс, металла и т.д. Важнейшими требованиями к насадке являются обеспечение большой поверхности контакта фаз, низкий перепад давления в слое, а также равномерное распределение потоков газа и жидкости по сечению аппарата. Их преимущества по сравнению с безнасадочными – большая компактность, однако они обладают и большим гидравлическим сопротивлением. Насадка склонна к забиванию пылью при обработке запыленных газов. Рис.5.3. Скрубберные насадки: а – кольца Рашига; б – седла Берля; в – кольца с перегородками; г шары; д – пропеллерная насадка; е – кольца Палля; ж – хордовая насадка; з спирали; и – керамические блоки Регенеративные ТА - нашли технологических применение, установках, в основном ГТУ, в высокотемпературных низкотемпературных установках разделения газов и газовых холодильных машинах [Бакластов]. Регенеративным ТА называют устройство, в котором передача теплоты от одного ТН к другому происходит с помощью теплоаккумулирующей массы, называемой насадкой. Насадка может быть подвижной и неподвижной. При подвижной насадке процесс теплообмена происходит в одном аппарате (рис.5.4 б). При неподвижной – в двух аппаратах (рис.5.4 в). Для осуществления непрерывного процесса теплопередачи от 1 го тн к другому используется два регенератора: в одном происходит охлаждение, в другом нагревается холодильный тн. Затем аппараты переключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении. Переключение производится обычно автоматически через определенные промежутки времени (от нескольких минут до нескольких часов) [Бакластов]. Рис. 5.4 Регенеративные ТА 1 - холодный ТН, 2 - горячий ТН, 3 - насадки Главным элементом регенераторов, определяющим в основном эффективность их работы, является насадка. Различного рода насадки представлены на рис. Конструкция регенеративного ТА и тип его насадки зависит от области применения и температурного уровня ТН. Выделяют аппараты, работающие в областях высоких, средних и очень низких температурах. В областях высоких температур (800 ÷1000 °С) в металлургической и стеклоплавильной промышленности применяют регенераторы с неподвижной насадкой из огнеупорного кирпича, который выкладывается таким образом, чтобы образовались сплошные каналы для прохода газа. Пример: воздухонагреватели доменных печей, воздухонагреватель сталеплавильной печи. Достоинства: простота конструкции и возможность достижения высоких температур подогрева воздуха. Недостатки: громоздкость, усложнение эксплуатации из-за необходимости периодических переключений регенераторов, колебание температуры в рабочем пространстве печи. Рис. 5.5. Некоторые типы насадок регенеративных ТА а – диски из алюминиевой гофрированной ленты; б – сетчатая насадка; в – насадка из пластин с сужающе-расширяющимися каналами; г –шаровая насадка; д – кирпичная насадка; е – кольца Рашига; ж – гранула; з – пакет пластин; и – кирпичная насадка с выступами; 1 –диск; 2 – лента; 3 – гофры; 4 –металлическая проволока; 5 – металлическая пластина; 6 – усеченная пирамида; 7 – металлические шары; 8 – поры заполненные инертным газом; 9 – выступы; 10 – металлическое покрытие; 11 – ядро; 12 – пакет пластин; 13 – двусторонние выпуклости. Для высокотемпературного подогрева воздуха может быть использованы вращающиеся аппараты роторы которых заполнены чугунной дробью или другой термостойкой насадкой [Бажан]. В области средних температур (250 ÷400 °С) для подогрева воздуха, используется вращающиеся регенеративные ТА, роторы которых имеют металлическую насадку, (рис.5.4 в) или аппараты с «падающим слоем». Регенеративные вращающиеся подогреватели (РВП) применяют на электростанциях в качестве воздухонагревателей для использования теплоты дымовых газов, выходящих из котлов. [Бакластов]. В качестве насадки них используют плоские или гофрированные металлические листы, прикрепленные к валу. Достоинства РВП: непрерывный режим работы, практически постоянная средняя температура нагреваемого воздуха, компактность. Недостатки: дополнительный расход электроэнергии, сложность конструкции и невозможность герметичность отделения полости нагрева от полости охлаждения, так как через них проходит одна и та же вращающаяся насадка. РВП с падающим слоем твердого теплоносителя применяют для глубокого охлаждения дымовых газов в котлах. Принцип действия такого РВП в том, что нагреваемый ТН ссыпается в камеру охлаждения, отдает теплоту воздуху и через подъемник снова попадает в бункер. В качестве насадки может быть использована чугунная дробь, оксиды магния и другие. Примеры регенеративных ТА для средних температур подогрева: регенеративные ТА с «кипящим слоем» Достоинства: высокая интенсивность теплообмена; возможность высокотемпературного нагрева воздуха (до 1000°С) и относительная простота устройства. Недостатки: возможность применения свойств частиц насадки; абразивное изнашивание внутренних поверхностей аппарата, запыленность воздуха и газа, повышенное гидравлическое и сопротивление. К области низких температур следует отнести регенеративные ТА воздухонагревательных установок (ВРУ) и газовые холодильные машины (ГХМ), где регенеративные ТА компонуют в блоке с холодной машиной. В ВРУ наряду с охлаждением прямого потока воздуха происходит его влаги и двуокиси углерода путем вымораживания на насадке. Установка состоит из двух аппаратов. Теплоемкости воздух-азот. В качестве насадки применяют насыпную насадку в виде гранул и диски алюминиевой, гофрированной ленты, а также насыпную каменную насадку из базальта или кварца в виде гранул. В ГХМ регенеративные ТА компонуют в блоке с холодильной машиной, таким образом ТА должен быть очень компактным. Насадка из тонкой проволоки ватообразной структуры или мелкой сетки из меди, латуни, бронзы или другого материала высокой теплопроводности.