Контактные теплообменники

Известно, что при утилизации теплоты уходящих из промыш­ленных аппаратов парогазовых смесей в рекуперативных теплооб­менниках-утилизаторах интенсивность теплопередачи невелика из-за незначительных коэффициентов теплоотдачи со стороны паро­газовых потоков. Коэффициент теплоотдачи от газов к воде в кон­тактном теплообменнике и от газов к поверхности нагрева в кон­денсационном поверхностном теплообменнике существенно выше (при прочих равных условиях), чем при «сухом», т. е. чисто конвек­тивном теплообмене. Учитывая последнее, представляют интерес теплопередающие аппараты поверхностного типа, в которых для интенсификации теплоотдачи со стороны парогазовой среды ис­пользуют распыление жидкости. Такие аппараты называют кон­тактными теплообменниками с активной насадкой (КТАН).

Особенности КТАНов — организация двух потоков воды: чистой, подогреваемой через теплообменную поверхность (рис. 6.5), и воды, нагревающейся в результате непосредственного контакта с газами [27].

При этом увеличивается теплоотдача от газов к воде за счет теплообмена стекающей воды и конденсация водяных паров, со­держащихся в газе. Температура нагреваемой воды в КТАНах ограничена температурой мокрого термометра дымовых газов. Недостатком приведенной конструкции является ненадежность работы распылителя при длительной эксплуатации вследствие засорения форсунок.

Для котлов ДЕ-25-ГМ разработаны контактные экономайзе­ры (рис. 6.6) с керамической насадкой (агрегат АЭ-0,6) [27].

Рис. 9.5. Контактный теп­лообменник с активной насадкой:

1 — корпус; 2 — теплообменная поверхность; 3 — циркуляцион­ный насос; 4 — распылитель; 5 — каплеуловитель

Газы из котла поступа­ют в контактный экономайзер в коли­честве 70 % от обще­го объема, а 30 % га­зов подаются мимо экономайзера. В кон­тактном теплообмен­нике подогревают либо подпиточную воду, либо воду для систем горячего во­доснабжения.

Достоинства кон­тактного теплообменника:

1. Используется скрытая теплота конденсации водяных па­ров, при этом КПД возрастет до 95-96 %.

2. Происходит естественная деаэрация воды. Концентрация кислорода в воде снижается с 5-8 до 0,12 мг/л, правда, увеличивается концентрация СО₂ в воде.

3. Возможен нагрев жестких вод без предварительного умягчения. Практически испарение воды отсутствует, поэтому CaSO₄ и MgSO₄ не выпадают. Увеличение концентрации СО₂ приводит к растворению образовавшихся и выпавших в осадок карбона­ тов из-за смещения равновесной реакции вправо:

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ <± Са(НСО₃)₂.

Контактные аппараты имеют малую металлоемкость из-за высоких значений коэффициентов теплопередачи.

Особенности процессов контактного тепломассообмена

1. Температура воды ограничена значением t_M, после чего происходит только ее испарение.

2. Процесс охлаждения продуктов сгорания водой сопровождается взаимным массообменном за счет испарения либо конден­сации воды.

3. Высокое значение коэффициентов теплопередачи.

4. Величина по­верхности теплооб­мена зависит от гид­родинамики потоков газа и жидкостей.

Выделяют следу­ющие режимы рабо­ты насадки в зависи­мости от плотности орошения и скоро­сти потока газа (рис. 6.7). I — пленочный режим (ламинарный). Вода стекает в виде пленок, поверхность смочена не вся, интенсивность тепломассообмена низка. Точка Т— точка торможения газа, в ней пленочный режим переходит в (II) — струйно-пленочный. Аэродинамическое сопротивление насадки возрастает более резко, поверхность насадки смочена полностью. Точка П — точка начала подписания. На нижних кольцах образуется сплошной слой воды, через который барботирует газ.

Пленка на поверхности колец интенсивно турбулизируется. Точка И — точки ин­версии. Вода становится сплошным потоком, газ — дисперсным. Пузыри газа проходят через слой воды, процессы тепломассообмена интенсифицируются. Режим IV — режим эмульгирования — это фактически жидкост­ный кипящий слой с насад­кой.

Рис. 9.6. Контактный теп­лообменник с керамичес­кой насадкой:

1 — корпус; 2 — насадка из ке­рамических колец Рашига; 3 — теплообменная поверх­ность

; 4 —циркуляционный насос; 5 — распылитель

Рис. 9.7. Режимы работки насадки

Это наиболее выгодный режим в контактных аппаратах. Точка З — точка захлебывания, после нее сопротивление насадки становится настолько боль­шим, что вода выносится из насадки, и крупные пузыри газа уно­сят капли воды. Интенсивность тепломассообмена между газом и водой резко падает. Таким образом, оказывается, что контакт­ные аппараты надежно работают в достаточно узком диапазоне скоростей. Доля активной поверхности ψ_а конвективного тепло­обмена зависит от соотношения чисел Рейнольдса по газу и по жидкости [28]. При Re_г/Re_ж = (6,5±12) доля активной поверхнос­ти составляет ψ_а = 0,182 (Re_г/Re_ж)^0,68 при R_г/Re_ж > 12 ψ_а = 1, в про­цессе теплообмена участвует вся поверхность.

Расчет контактного экономайзера

Задан состав газа, т. е. объемы продуктов сгорания и тепло­та сгорания: . Рассчитывают теоретический объем сухих газов и при известном коэффициен­те избытка воздуха массовое количество сухих продуктов сгора­ния . При известном содержании водя­ных паров в продуктах сгорания оп­ределяют исходное влагосодержание в продуктах сгорания, кг/кг:

и при известной температуре продуктов сгорания tr их энталь­пию Нп кДж/кг:

Для приближенного определения исходного влагосодержания в продуктах сгорания может быть использована формула Семенюка [29, 30], которая дает более чем удовлетворительное сов­падение с точными расчетами:

где d_о — влагосодержание дутьевого воздуха, кг/кг. Далее задаются температурой уходящих из контактного эконо­майзера газов t_ух и, считая, что водяные пары находятся в состо­янии насыщения, по таблицам воды и водяного пара определяют соответствующее парциальное давление насыщенных водяных паров. При определенном таким образом давлении насыщения Р_н по формуле (6.17) рассчитывают влагосодержание в продук­тах сгорания, уходящих из контактного экономайзера, d_yx и эн­тальпию продуктов сгорания Н_ух, кДж/кг:

(9.28)

Влагосодержание насыщенных парами воды продуктов сгора­ния при известной температуре уходящих газов t_ух также может быть определено по приближенной формуле Семенюка [29, 30]:

(9.29)

При известном расходе топлива на котел В массовый расход сухих продуктов сгорания составит М_г = G_с.г.B, тогда теплота, отданная газами в контактной насадке, может быть рассчита­на как

(9.30)

Тот же самый поток теплоты передается циркулирующей с рас­ходом М_ц воде в контактном экономайзере и образовавшемуся конденсату М_к:

(9.31)

где t_м и t_ор — температура мокрого термометра, до которой по­догревается вода в контактной насадке, и температура орошаю­щей воды, до которой она остывает, отдавая теплоту трубчато­му теплообменнику; С_в— массовая теплоемкость воды. Расход образовавшегося конденсата представляет собой произведение массового расхода сухих продуктов сгорания на изменение вла­госодержания:

(9.32)

Выражение (6.31) используется для определения требуемого рас­хода циркулирующей воды при известных температурах t_м и t_ор. Уравнение теплопередачи для процесса теплообмена в контакт­ной насадке имеет традиционный вид

(9.33)

где α₀ — объемный коэффициент теплоотдачи в насадке, кВт/(м3'К); V — объем насадки, м³; Δt — температурный напор в насадке:

Объемный коэффициент теплоотдачи α₀ рассчитывается по следующим выражениям [28]: при соотношении Re_г/Re_ж =6,5÷12, α₀ = 0,056q_ж(Re_г/Re_ж)^0,99, где q_ж, кг/(м² ·с) — плотность орошения (отношение расхода циркулирующей воды к площади сечения аппарата с учетом его загромождения); при Re_г/Re_ж = 12 ÷ 32, α₀ = 0,307q_ж(Re_г/Re_ж )^0,31.

Тот же самый поток теплоты передается нагреваемой воде:

(9.34)

где М_в — расход подогреваемой воды, кг/с; t_В', t_в" — температура воды на входе и на выходе из поверхностного теплообменника, °С. Требуемая поверхность теплообменника для подогрева воды на­ходится из уравнения теплопередачи

(9.35)

где k_n — коэффициент теплопередачи к поверхностному теплооб­меннику, Вт/(м²-К); Fn — площадь поверхности теплообмена, м²;

Δt_п— температурный напор:

и

При конденсации водяных паров расчет КПД следует прово­дить на высшую теплоту сгорания, определенную с учетом тепло­ты конденсации водяных паров , где теплота конденса­ции рассчитывается по выражению (9.24). Тогда выражение для потери теплоты с уходящими газами будет иметь следующий вид:

(9.36)

где G_с.в. — массовое количество сухого воздуха, рассчитанное на один кубометр топлива, кг/м³; Hс.в. — энтальпия сухого воздуха, рассчитанная на 1 килограмм сухого воздуха, кДж/кг.