ЛЕКЦИЯ № 14, ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ, СО СМЕШИВАНИЕМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ.
Смесительными теплообменниками называют аппараты, в которых теплообмен между теплоносителями протекает непосредственно при их соприкосновении (т.е. при перемешивании).
По сравнению с поверхностными смешивающие теплообменники обладают следующими достоинствами.
Достоинства:
1. Более простое устройство.
2. Теплообмен при соприкосновении теплоносителей протекает значительно быстрее и с течением времени не замедляется (ввиду отсутствия загрязнений поверхности нагрева, как в поверхностных т/о).
3. При одинаковой тепловой производительности меньше габариты.
Недостатки:
1. Могут применяться только для теплообмена между теплоносителями, допускающими взаимное перемешивание.
2. При обогреве паром, пар конденсируется и конденсат безвозвратно испаряется. В смешивающих т/о аппаратах наряду с теплообменом протекает массообмен теплоносителей, т.е. часть одного теплоносителя или вся его масса переходит в массу другого теплоносителя. Например: при обогреве жидкости паром, пар конденсируется и конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью, увеличивая ее массу.
3. При теплообмене между газом и жидкостью может происходить увлажнение газа или его осушка.
Смешивающие теплообменники
для теплообмена между паром и жидкостью.
Водяной пар, который вводится непосредственно в толщу (внутрь) нагреваемой жидкости называется «острым» паром. Этот пар, отдавая свою теплоту конденсируется, а конденсат смешивается с жидкостью. Существует несколько типов конструкций аппаратов, обогреваемых острым паром.
Аппарат с барботером., Барботером, Схема аппарата барботажного типа.
1. Барботажные трубы.
2. Коллектор, к которому они приварены.
3. Паропровод.
4. Парозапорный вентиль.
5. Корпус аппарата (из листа стали) – бак.
6. Патрубки для отвода и подвода воды.
Достоинства:
1. Простота устройства и эксплуатации.
2. Аппарат может работать в периодическом и непрерывном режиме.
Недостатки:
1. Низкая производительность. При необходимости увеличить производительность аппарата – он становится громоздким.
2. Процесс теплообмена протекает очень медленно, т.к. нагревание жидкости производится в толстом слое.
Кипение жидкостей, пересыщенный пар, перегретая жидкость
... водяных паров конденсируется в воду и пузырёк уменьшается. Это попеременное увеличение и уменьшение пузырьков сопровождается звуками «шума». Кипение происходит при такой температуре, когда давление насыщенных паров жидкости равно ... понижение температуры приведёт к тому, что пары приблизятся к состоянию насыщения, а затем начнут конденсироваться, оседая в виде жидкости на стенках, а вдали от них ...
3. При работе аппарата наблюдается шум и вибрация. Для уменьшения шума и вибрации необходимо уменьшить диаметр отверстий. Однако отверстия малого диаметра могут засориться. Поэтому диаметр отверстий равен 2 – 6 мм.
Данные аппараты промышленностью не выпускаются и изготавливаются собственными силами предприятий в мастерских. Применяются для нагревания небольших количеств жидкости (воды) и как правило работают периодически.
ЛЕКЦИЯ № 15, Теплообменник пленочного типа.
1. Цилиндрический корпус.
2. Концентрические цилиндры.
3. Сито.
4. Розетка.
5. Крестовина, на которой установлены цилиндры.
6. Фланцевое соединение.
Давление воды перед ситом должно быть 0,3 ÷ 0,5 Мпа. Вода выходит из сита с высокой скоростью 5 ÷ 8 м/с, ударяется о розетку, разбрызгивается и тонкой пленкой стекает по обеим сторонам поверхности концентрических цилиндров. Цилиндр выполняется из тонкой листовой стали. Снизу навстречу воде по кольцевым зазорам между цилиндрами поднимается греющий пар. Вступая в контакт с водой, пар конденсируется, отдавая свою теплоту, а конденсат смешивается с водой и смесь отводится из аппарата через патрубок в нижней части аппарата. При нагревании воды из нее выделяются газы (воздух), которые отводятся через верхний патрубок. Нагревание ведется до температуры кипения.
Достоинства:
1. Высокая производительность, теплообмен происходит с большой скоростью, т.к. нагревание воды происходит в тонком слое.
2. Аппарат может работать в качестве деаэратора, т.е. устройства для удаления газов из воды.
Недостатки:
1. Аппарат может работать только в непрерывном режиме.
2. Сложность настройки и регулировки аппарата в процессе работы. Очень сложно обеспечить соответствие разбрызгивания воды равномерное распределение воды тонкой пленкой по поверхности цилиндров.
3. Выделяющиеся из воды газы подвергают корпус и цилиндры коррозии.
4. Аппарат для нормальной работы требует повышенного давления воды. В аппарате используется пар низкого давления (близкого к атмосферному), т.е. обычно используется отработанный пар.
ЛЕКЦИЯ № 16, Смесительные теплообменники струйного типа
1) Схема пароструйного инжектора.
 |
2) Схема водоструйного инжектора.
1. Сопло (расширяющееся или сужающееся).
2. Камера смешения.
3. Диффузор (камера сжатия).
Аппараты струйного типа имеют очень широкое применение в технике.
Принцип действия
Греющий пар в пароструйном инжекторе в сопло. Перед соплом пар имеет повышенное давление (1 – 2 Мпа).
При истечении пара из сопла происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую, скорость пара резко возрастает на выходе из сопла и достигает скорости звука, а расширяющегося – сверхзвуковой скорости. При этом на выходе из сопла давление пара резко падает и становится меньше атмосферного, т.е. в камере смешения создается разрежение, за счет чего подсасывается холодная вода. В камере смешения пар смешивается с водой и отдает свою теплоту воде и конденсируется. Конденсат смешивается с водой и принимает температуру нагретой воды. Смесь горячей воды и конденсата, обладающая высокой скоростью и поступает в диффузор, где кинетическая энергия смеси переходит в потенциальную. При этом за счет увеличения сечений диффузора, скорость смеси падает, а давление возрастает. В некоторых случаях можно добиться такого давления смеси на выходе из диффузора, которое бы превышало давление греющего пара перед соплом. Следовательно инжектор можно использовать в качестве насоса для воды. Холодная вода поступает без давления, а выходит под высоким давлением.
водоструйном инжекторе
Достоинства инжекторов:
1. Высокая производительность.
2. Небольшие поперечные размеры.
3. Могут быть использованы в качестве насосов для перекачки воды. Например: пароструйные инжекторы применяются в качестве питательных насосов в паровых котлах паровозного и локомотивного типа.
Недостатки:
1. Большие размеры (длина).
2. Работают только в непрерывном режиме.
3. Выделяющийся при нагревании воды воздух не отводится из аппарата и поступает вместе с горячей водой в трубопровод. В результате этого происходит коррозия оборудования и трубопроводов.
Пароструйные инжекторы применяются на предприятиях, где применяется пар повышенного давления (1 – 2 Мпа).
Водоструйные инжекторы требуют для своей работы повышенного давления воды и пара низкого давления (отработанного «мятого» пара).
Аппараты струйного типа находят в технике очень широкое применение. В зависимости от назначения и рабочих тел, подаваемых в струйные аппараты, они делятся на:
1) Инжекторы – пароводяные подогреватели.
2) Эжекторы – компрессоры или вакуум-насосы струйного типа.
3) Элеваторы водоводяные теплообменники струйного типа.
Определение расхода пара в смешивающих теплообменниках.
Производится из уравнения теплового баланса аппарата. С целью упрощения расчета потерей теплоты в окружающую среду можно пренебречь. В этом случае уравнение типового баланса имеет вид:
G · c · t 1 + Dh = G · c · t 2 + D с к t 2
где G
- c
- t1 – теплота холодной воды,
Dh – теплота греющего пара,
G
- c
- t2 – теплота нагретой жидкости,
Dскt2 – теплота конденсата.
Отсюда расход греющего пара равен:
G · c
- ( t 2 — t 1 )
D = ——————— , кг/с
h – с к · t 2
где G, кг/с – расход нагреваемой жидкости,
с, кДж/кгºС – ее теплоемкость,
t1 — температура жидкости на входе в аппарат,
t2 – температура нагреваемой жидкости и конденсата на выходе из аппарата,
D, кг/с – расход греющего пара,
h, кДж/кг – его энтальния,
ск, кДж/кгºС – теплоемкость конденсата.
При нагревании паром воды можно принять с = ск = 4,187 кДж/кгºС.
Расход пара в смешивающих т/о будет меньше, чем в аппаратах поверхностного типа, т.к. в смешивающих т/о используется теплота конденсата, который охлаждается до температуры нагретой жидкости. В поверхностных же т/о используется только скрытая теплота парообразования, а конденсат отводится из аппарата при температуре пара.
Смешивающие т/о, обогреваемые паром применяются в следующих случаях:
1) Для нагревания воды, когда потеря конденсата имеет большое значение.
2) Для нагревания различных растворов и жидкостей, которые допускают разбавление их конденсатом.
G 1 · c · t 1 + Dhτ = G · c · t 2 + D с к t 2 τ — уравнение теплового баланса для аппаратов
периодического действия.
G · c
- ( t 2 — t 1 )
D = ——————— , кг/с
τ ( h – с к · t 2 )
ЛЕКЦИЯ № 17, Смешивающие теплообменники для теплообмена
между жидкостью и газом.
скрубберами.
В скрубберах наряду с теплообменниками протекает массообмен. Процессы подчиняются следующим правилам:
1. Если парциальное давление водяных паров у поверхности воды больше, чем парциальное давление водяных паров в окружающем газе, то происходит испарение воды, т.е. увлажнение газа.
2. Если парциальное давление водяных паров у поверхности воды меньше парциального давления водяных паров в окружающую среду. То водяные пары, находящиеся в газе конденсируются, что приводит к усушке газа и увеличению массы воды.
В технике применяют два вида скруббера:
1) Безнасадочные скрубберы.
2) Скрубберы с насадкой.
\
Схема безнасадочного скруббера.
1. Корпус.
2. Распределитель потока газов для равномерного распределения газов по всему объему камеры (для выравнивания скорости газа).
3. Форсунки – распылители воды.
4. Поддон для сбора нагретой воды.
5. Каплеуловитель.
6. Насос.
Безнасадочный скруббер представляет с тобой горизонтальную или вертикальную камеру, внутри которой расположена система труб. В трубе подается под большим давлением вода, которая выходя из форсунок распыляется. Распылением воды добиваются большой поверхности соприкосновения капелек воды и газов. В связи с этим массо и теплообмен протекает очень быстро. На входе в аппарат устанавливается распределитель потоков газов, который выравнивает скорости газов по сечению аппарата. На выходе имеется устройство для улавливания из газов капелек воды – каплеуловитель инерционного типа. В аппаратах газы могут охлаждаться или нагреваться, увлажняться или осушаться. Кроме этого, происходит очистка газов от пыли, которая захватывается капельками воды и удаляется из аппарата вместе с водой. В зависимости от назначения аппарата также может нагреваться или охлаждаться. Безнасадочные скрубберы применяются в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, а также для охлаждения и очистки искусственных горючих газов.
Достоинства:
1. Простота устройства.
2. Небольшие гидравлические сопротивления со стороны газов.
Недостатки:
1. Большие размеры (громоздкость).
2. Для создания большого давления воды перед форсунками необходим насос, который потребляет электроэнергию.
3. Низкая степень очистки газов от пыли.
Скрубберы с насадкой.
1. Цилиндрический корпус.
2. Решетка.
3. Насадка.
4. Труба с отверстием на боковой поверхности для подачи воды.
5. Каплеуловитель.
На решетке уложена насадка, которая может быть выполнена из деревянных реек, металлических стружек, каменноугольного кокса и других материалов, имеющих большую поверхность. Наибольшее распространение получила насадка, выполненная из колец Рашига, у которых высота равна диаметру. Кольца Рашига выполняются из металла, стекла, керамики, пластмассы. Размеры колец d = h = 15 ÷ 100 мм. Кольца укладываются в определенном порядке или засыпаются беспорядочно. В случае беспорядочного засыпания колец их убирается значительно меньше. Любая насадка характеризуется удельной поверхностью, т.е. поверхностью заключенной в 1 м³ насадки. Например: насадка из колец Рашига d = 15 мм имеет удельную поверхность Fуд = 330 м²/м³.
Назначение насадки:
1. Создать большую поверхность контакта между водой и газами, что ускоряет теплообмен.
2. Создать извилистые каналы для прохода газов с целью удлинения пути и увеличения времени контакта.
3. Насадка выполняет роль фильтра для улавливания из газов пыли.
Холодная вода подается в аппарат под небольшим давлением, орошает насадку и тонкой пленкой стекает по поверхности насадки. Тепло и массообмен происходит в тонком слое воды, т.е. достаточно быстро.
Достоинства:
1. Компактность, т.е. небольшие размеры при высокой производительности.
2. Не требует большого напора воды (не нужен насос).
3. Лучшая очистка газов от пыли, чем в безнасадочных скрубберах.
Недостатки:
1. Большое гидравлическое сопротивление со стороны газов (создает насадка).
2. Наличие насадки усложняет аппарат, увеличивает время ремонтных работ, в связи с загрузкой и выгрузкой насадки.
Применяются скрубберы с насадкой в системах газоснабжения, для осушки (очистки) природных газов, в химической промышленности, а также используется в качестве контактных экономайзеров в котлоагрегатах для подогрева питательной воды.
