4. Класифікація випарних апаратів. Конструкції випарних апаратів.

2.4. Будова випарних апаратів

Різноманітні конструкції випарних апаратів, застосовувані в промисловості, можна класифікувати по типу поверхні нагріву (парові оболонки, змійовики, трубчатки різних видів і т.д.) і по її розташуванню в просторі (апарати з вертикальною, горизонтальною, іноді з похилою нагрівальною камерою), по роду теплоносія (водяна пара, високотемпературні теплоносії, електричний струм і ін.), а також у залежності від того, чи рухається теплоносій зовні чи у середині труб нагрівальної камери.

Однак більш істотною ознакою класифікації випарних апаратів, що характеризують інтенсивність їх дії, варто вважати вид і кратність циркуляції розчину. Розрізняють випарні апарати з неорганізованої, чи вільною; спрямованою природною і примусовою циркуляцією розчину.

Випарні апарати поділяють також на апарати прямоточні, у яких випарювання розчину відбувається за один його прохід через апарат без циркуляції розчину й апарати, що працюють з багаторазовою циркуляцією розчину.

В залежності від організації процесу розрізняють періодичні і безперервно-діючі випарні апарати.

Області переважного застосування випарних апаратів різних типів:

• Для випарювання розчинів невеликої в'язкості (не перевищуючої ~810^-3 Hсек/м² (8спз)), без утворення кристалів найчастіше використовуються вертикальні випарні апарати з багаторазовою природною циркуляцією. З них найбільш ефективні апарати з виносною нагрівальною камерою і з виносними циркуляційними трубами, що не обігріваються.

• Випарювання розчинів, що не кристалізуються, великої в'язкості (сягаючої приблизно (0,1 Hсек/м² (100спз)), роблять в апаратах із примусовою циркуляцією, рідше - у прямоточних апаратах з падаючою плівкою, але в роторних прямоточних апаратах (у роторних прямоточних апаратах забезпечуються сприятливі умови для випарювання розчинів, чуттєвих до підвищених температур).

• Випарювання розчинів що кристалізуються чи в`язких розчинів роблять також в апаратах із примусовою циркуляцією, а також в апаратах з винесеною зоною кипіння, що працює при природній циркуляції.

• Для сильно пінливих розчинів рекомендують апарати прямоточні з плівкою, що піднімається.

Екзаменаційний білет № 9

1. Тепловіддача при природній конвенції в обмеженому просторі.

4.7.3 Теплообмін при природній конвекції

Розрізняють конвекцію в необмеженому і обмеженому просторі. В першому випадку (Рисунок 22(а)) висхідні і низхідні потоки не взаємодіють, а у другому випадку відбувається взаємодія цих потоків з утворенням циркуляційних контурів (Рисунок 22(б)). У випадку конвекції в необмеженому просторі (Рисунок 22(а)) швидкість рідини в прикордонному шарі (ламінарному і турбулентному) змінюється від нуля на стінці до максимуму і знову до нуля поза пограничного шару, а температура від t_c до температури нерухомої рідини t_ж.

Коефіцієнт  залежить від гідродинаміки потоку і змінюється по висоті. Тому у випадку вертикальних поверхонь, і труб визначаючим розміром є висота, а у випадку горизонтальних труб - діаметр. Коефіцієнт тепловіддачі визначається за рівнянням

(132)

(133)

б) для горизонтальних труб

(134)

визначаюча температура - температура нерухомої рідини.

У випадку конвекції в обмеженому просторі теплообмін розраховується за рівняннями теплопровідності, наприклад, для плоских щілин

(135)

з введенням коефіцієнту визначеного по формулі:

(136)

де - коефіцієнт, який враховує конвекцію і визначається в залежності від

а) б)

Рисунок 22. До розгляду теплообміну при природній конвекції

2. Основи розрахунку теплообмінних апаратів, середня різниця температур.

Тепловий розрахунок теплообмінних апаратів зводиться до сумісного розв’язання рівнянь теплового балансу і теплопередачі. Ці два рівняння лежать в основі будь-якого теплового розрахунку.

Рівняння теплового балансу і теплопередачі, будучи єдиними за суттю, різні в деталях в залежності від типу змішувального теплообмінника (рекуперативний, регенеративний або змішувальний). Далі ми запишемо рівняння для рекуперативних теплообмінників, як найбільш часто зустрічаються у промисловості. Будемо розглядати стаціонарний режим роботи теплообмінника.

Рівняння теплового балансу

. (163)

Рівняння теплопередачі

Найчастіше для визначення поверхні теплообміну використовують рівняння:

, (164)

де коефіцієнт теплопередачі усереднений,

відповідні температури первинного і вторинного теплоносіїв;

F - площа поверхні теплопередачі.

Для плоскої стінки коефіцієнт теплопередачі знаходимо із рівняння:

. (165)

Коефіцієнти тепловіддачі і можуть враховувати не тільки конвективну теплопередачу, але й теплопередачу випроміненням. В цьому випадку:

. (166)

Член у знаменнику являє собою повний термічний опір теплопровідності твердої стінки, що розділяє теплоносії. Вона може бути як багатошаровою так і одношаровою.

При розгляданні характеру зміни температур теплоносіїв вздовж поверхні теплообміну можуть бути випадки, коли змінюються монотонно температури обох теплоносіїв. Можуть зустрічатись випадки, коли температура одного теплоносія змінюється монотонно, а іншого – сходоподібно, що буває, наприклад, в киплячих котлах. Температура гарячих газів змінюється безперервно, а температура нагрітої води в зоні підігріву монотонно підвищується, а в зоні кипіння практично залишається постійною.

При розгляданні теплообмінних апаратів з безперервно змінною температурою теплоносіїв слід розрізняти апарати:

1. прямої течії;

2. протитечії;

3. перехрестної течії;

4. зі складним рухом теплоносіїв (змішаного току).

***

Рисунок 26. Схеми руху теплоносіїв в теплообмінниках

а) прямотечія; б)протитечія; в) перехрестна течія; г) змішана схема;

д) багатократна перехресна течія.

1. - перший теплоносій

2. - другий теплоносій

Характер зміни температур теплоносіїв вздовж поверхні буде визначатись схемою руху і множенням теплоємностей масових витрат теплоносіїв.

Середній температурний напір - залежить від схеми руху теплоносіїв. Для прямотечії, протитечії можна визначити за формулою:

, (168)

де і - більша і менша різниці температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника.

Запропонована формула має сенс, коли питомі теплоємності обох теплоносіїв і коефіцієнт теплопередачі не змінюються з температурою і все тепло, віддане гарячим теплоносієм, передається холодному теплоносію, при чому відсутні теплові втрати і не відбувається виділення тепла внаслідок хімічної реакції.

Середньологарифмічним значенням неможна користуватись, якщо один з теплоносіїв бере участь в комбінованому процесі (наприклад, при конденсації пари з послідуючим охолодженням конденсату). В цьому випадку апарат розділяється на декілька зон і розрахунок ведеться окремо для кожної зони.

Якщо відношення то з достатньою точністю (похибка менше 4%) можна користуватись середньоарифметичним значенням .

При однакових початкових і кінцевих температурах теплоносіїв у випадку протитечії середній температурний напір вище ( тоді, поверхня т/о менша) ніж у випадку прямотечії.

При прямотечії кінцева температура холодного теплоносія завжди нижча кінцевої температури гарячого теплоносія. При протитечії кінцева температура холодного теплоносія може бути вища кінцевої температури гарячого.

Відповідно, при одній і тій же початковій температурі холодного теплоносія у випадку протитечії його можна нагріти до більш високої температури, ніж у випадку прямотечії. Таким чином, витрати охолоджуючого або нагріваючого агенту при протитечії можуть бути нижчі, ніж при прямотечії. Однак скорочення витрат теплоносіїв пов’язане зі зменшенням середнього температурного напору і збільшенням поверхні теплообміну. З приведеного вище порівняння, видно, що протитечія вигідніша, за прямотечію. Однак, в двох випадках протитечії і прямотечії практично рівноцінні:

1. середній температурний напір значно (більш ніж у 5 разів) перевищує температурні перепади теплоносіїв;

2. температурний перепад одного з теплоносіїв малий у порівнянні з температурним перепадом другого теплоносія.

Теплоносії, які використовують в теплообмінних апаратах і їх рекомендовані швидкості

Теплоносій	Швидкість в м/с
В’язкі рідини
Малов’язкі рідини і вода
Запилені гази
Чисті гази
Насичений пар
Пар перегрітий
Пар розріджений

Методи визначення температур поверхні теплообміну.

Для плоскої стінки з рівнянь:

, (169)

, (170)

, (171)

можна отримати:

. (172)

Далі з сумісного розв’язання (169) і (170) отримаємо:

. (173)

Потім розв’язавши сумісно рівняння (172) і (173) відносно невідомої температури і отримаємо:

, (174)

. (175)

Ці формули справедливі для розрахунку температур і на багатошаровій поверхні теплообмінника.

В цьому випадку для плоских стінок в формулу підставляються - повна товщина багатошарової стінки і - еквівалентний коефіцієнт теплопровідності багатошарової стінки.

Якщо тепловим опором можна зневажити або то формули приймають вигляд

. (176)

Для тонких циліндричних стінок справедливі співвідношення

, (177)

де - площа поверхні зі сторони первинного теплоносія;

- середня площа поверхні стінки, рівна ;

- площа поверхні зі сторони вторинного теплоносія.

В загальному випадку розрахунок температури на поверхні циліндричної стінки ведуть за наступними формулами:

, (178)

, (179)

де - відповідно площі поверхонь, безпосередньо контактуючих з теплоносіями.