Область применения теплообменных аппаратов в химической технологии и основные требования к теплообменным аппаратам, страница 5

РТА называется устройство, в котором передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит с помощью теплоаккумулирующей массы называемой насадкой. Для повышения эффективности теплотехнических систем работающих при повышенных температурах до нескольких сотен градусов, часто оказываются целесообразным применением РТА. Эти теплообменники в частности используются в высоко температурных технологических установках для подогрева газообразных компонентов горения, газотурбинных установках, воздухоразделительных установках (когда большая разница температур между теплоносителями), холодильно-газовых машин. Область применения и температурный уровень теплоносителей предопределяют конструкцию регенеративного теплообмена и его насадки. Выделяют аппараты работающих в областях высоких температур 800 - 1000°С, средних 250 - 400°С, и очень низких температур.

РТА классифицируют по виду и форме теплоаккумулирующей насадки, которая может быть подвижной и неподвижной. В последнем случае для получения непрерывного процесса теплообмена от одного теплоносителя к другому необходимы два аппарата.

В одном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается холодный теплоноситель. Затем аппараты переключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении.

Переключение производится поворотом шибера. Обычно переключение производится автоматически через определенные промежутки времени. Процесс теплообмена можно вести и непрерывно для этого используется один аппарата с подвижной насадкой или ап-т с неподвижной насадкой, но подвижным газо-подводящим коробом.

В регенераторах воздухоразделительных установок, и холодильно-газовых машин применяют в основном насадки следующего типа: диски из алюминиевой гофрированной ленты, насыпную насадку из базальта или кварца в виде гранул диаметром 4 – 14 мм. Сетчатую насадку из материалов с высокой теплопроводностью (медь, латунь, бронза). В области высоких температур порядка 800 - 1000°С, например металлургической, стеклоплавильной применяют регенераторы с неподвижной насадкой из огнеупорных кирпичей различной формы, которые выкладываются таким образом, что бы образовывались сплошные каналы для прохода газа. Толщина кирпичей 40 – 50 мм.

Например, воздухонагреватели доменных печей, состоящих их 2 -х нагревателей имеют высоту до 50 м, и диаметром до 11 м. они могут нагревать до 1300°С. Воздух с расходом 500 тыс.м³/час . Преимущество: простота и возможность получения высоких температур воздуха в процессе цикла, необходимость переключения.

В качестве регенеративных теплообменников могут использоваться аппараты с псевдоожженным слоем зернистого материала. Насадка имеет инерционность. Температура средней плоскости насадки, например, кирпича, отстает от температуры поверхности.

Общая схема расчета РТА.

1. Цель расчета: определение площади поверхности нагрева, объема насадки, высоты и диаметра регенератора.

2. Исходными данными являются: расходы горячего и холодного теплоносителя, удельная теплоемкость холодного, горячего теплоносителей и материала насадки. Начальные и конечные температуры теплоносителей. Размеры элементов насадки по разности укладки, насадки. Режим работы, т.е. время нагрева и время охлаждения. Температура проворность материала насадки и удельная поверхность насадки.

3. Составляется уравнение теплового материального баланса. Исходя из свойств теплоносителей, задаются средними скоростями. Для газов 8 – 15 м/с.

4. Определяются коэффициенты теплоотдачи, через критерий Nu, в зависимости от Re и Pr.

5. Определяется коэффициент теплопередачи и необходимая поверхность насадочного материала.

6. Определяются габаритные размеры регенератора.

Тепловые трубы.

Принцип действия тепловой трубы был описан в 1944 году, американцем Гооблером, однако широкое практичное применение тепловых труб началось с развития авиа космической техники, потребовавших совершенно иных порядков величин удельных тепловых потоков. В настоящее время тепловые трубы находят широкое применение в энергетике, металлургии, химической промышленности, микробиологии. Обычно тепловая труба представляет собой геометрическую полость различной геометрии. При теоретических анализах обычно рассматривают трубу цилиндрической формы. В тепловой трубе теплота от охлаждаемой среды отбирается в зоне испарения испаряющейся здесь жидкостью и с потоком образующегося пара переносится на значительное расстояние в зону охлаждения, где передается стенки трубы при конденсации. Образующийся конденсат возвращается снова в зону испарения за счет капиллярных сил по фитилю.

Lu – зона испарения

Lт – зона транспорта

Lк – зона конденсации

Основным преимуществом тепловых труб по сравнению с обычными теплопередающими устройствами является:

- простота конструкции

- отсутствие нагнетателей

следовательно затрат энергий на перемещение теплоносителей.

- герметичность труб позволяет использовать в качестве теплоносителя дорогостоящие фреоны и агрессивные жидкости.

В общем случае процесс передачи теплоты в тепловой трубе осуществляется следующим образом: в зоне испарения теплота Q с начальной температурой tнач. передается через стенку корпуса и фитиль пропитанный жидкостью, теплопроводность.

В общем случае в зоне испарения и конденсации толщина фитиля и его теплопроводность равны:

Совместное решение уравнений (1) и (2) путем исключения температуры пара tп и дает уравнение (3):

По уравнению (3) можно найти тепловую нагрузку тепловой трубы при известном перепаде температур стенок в зоне испарения и конденсации, размерах и форме тепловой трубы. Однако, уравнение (3) не учитывает гидравлического сопротивления жидкости при движении по фитилю тепловой трубы и потока пара внутри трубы. Поэтому после определения Q по уравнению (3) необходимо сравнить его значение с максимальной теплопередающей способностью тепловой трубы из условий движений жидкости по фитилю и пара внутри трубы. Максимальное количество передаваемого тепла по фитилю будет находиться по уравнению (4):

r – удельная теплота парообразования

j – удельный расход жидкости по фитилю вдоль оси трубы описывается уравнением Дарси (5)

Если рассматривать конечные величины перепада давлений на различных участках тепловой трубы, то можно получить зависимость для расчета падения давления на каждом уз участков, уравнение (6):

Поток жидкости G меняется в зонах испарение и конденсации меняется от 0 до G и от G до 0, а в транспортной зоне он будет постоянным.

L = Lи + Lт + Lк

Тогда среднее гидравлическое сопротивление для каждой из зон:

Суммарное гидравлическое сопротивление при движении жидкости будет равно:

Течение пара внутри тепловой трубы отвечает закону Пуазейля, поэтому перепад давления при движении пара для всей трубы будет описываться уравнением (11):

dn – диаметр парового канала;

Fn – площадь поперечного сечения этого канала.

Общие гидравлические потери на перенос жидкости, пара и компенсацию гравитационных сил должны быть меньше или, по крайней мере, равны капиллярному потенциалу фитиля.

σ –поверхностное натяжение жидкости (Н*м)

R - средний радиус капилляров.

подставив в уравнение (12) выражение (10), (11) и (13) получим:

(уравнение (3) и уравнение (15))

Верхний предел теплопередающей способности тепловой трубы может ограничиваться следующими факторами:

1. предельная скорость пара на выходе из зоны испарения не должна превышать скорость звука.

2. гидравлическое сопротивление капиллярных структур не должны превышать капиллярного напора.

3. в ходе теплообмена не должно происходить вскипание жидкости в капиллярных структурах.

4. теплоноситель не должен замерзать в тепловой трубе.

В качестве фитилей используются тканевые фитили, многослойные металлические сетки, металлический войлок, стекловолоконный войлок, капиллярные канавки в стенках тепловой трубы. Разновидностью тепловых труб являются термосифоны, в которых фитиль отсутствует. Возврат конденсата происходит под действием гравитационных сил земного тяготения техники, их часто называют трубами Перкинса.

Смесительные теплообменники.

Эти теплообменники характеризуются тем, что теплообмен осуществляется в результате непосредственного контакта теплоносителей. По своему значению они подразделяются на: холодильники; нагреватели; испарители; конденсаторы; деаэраторы (теплообменники с совмещенными функциями, т.е. когда удаляется воздух).

Интенсивность теплообмена в этих аппаратах зависит от поверхности контакта теплоносителей. Чем более развита эта поверхность, тем больше количества тепла можно передать от одного теплоносителя к другому. Все эти аппараты отличаются простой конструкцией, возможностью полного использования потенциала горячего теплоносителя, высокой интенсивностью теплообмена. Недостатки снижения концентрации растворов при обогреве, выброс в атмосферу пара и мелких капель жидкости. Интенсивность теплообмена в смесительных аппаратах прямым образом связана с относительной скоростью движения теплоносителей. Качество передаваемого тепла кроме этого зависит от поверхности контакта фаз.

Порядок расчета смесительных теплообменников.

1.составляем уравнение теплового материального баланса.

2.определяется средняя разность температур:

3.на основании знаний режимов течения теплоносителя определяется объемный коэффициент теплопередачи Кv.

4.определяется рабочий объем аппарата:

5.на основании предельной скорости движения менее плотного теплоносителя определяется площадь сечения аппарата:

6.определяется высота аппарата.

Для охлаждения оборотной воды могут использоваться как поверхностные теплообменники АВО (аппараты воздушного охлаждения), так и смесительные теплообменники. Которые называют обычно градирни.

Движущая сила, необходимая для преодоления силы трения потоков обеспечивается нагнетательными или вытяжными вентиляторами, либо за счет естественной конвекции, вследствие того, что по сравнению с сухим увлажненный воздух имеет меньшую плотность.