1.2. Смесительные теплообменные аппараты

В тех случаях, когда необходима конденсация малоценных паров (обычно водяного пара при низком давлении), применяют барометрические конденсаторы. Они применяются также на установках, где необходимо создавать и поддерживать вакуум, например при эксплуатации вакуумных колонн [9]. Конструкция барометрического конденсатора представлена на рисунке 1.14.

Рис. 1.14. Барометрический конденсатор с сегментными полками:

1 – корпус; 2 – полки; 3 – барометрическая трубка;

4 – барометрический ящик

Аппарат состоит из корпуса 1, имеющего внутри сегментные полки 2. Нижний штуцер присоединен к барометрической трубе 3, конец которой погружен в сосуд 4, заполненный водой. Охлаждающая вода поступает в верхнюю часть аппарата и стекает с полки на полку, образуя завесу из капель, брызг и струй. Пар подается в нижнюю часть корпуса, поднимаясь вверх, соприкасается со стекающей водой и конденсируется.

Вода, смешанная с конденсатом, удаляется через барометрическую трубу, образующую барометрический затвор, а несконденсировавшиеся газы удаляются из верхней части аппарата вакуумным насосом.

Важнейшим условием является отсасывание несконденсировавшихся паров и газов. Они отсасываются через верхний штуцер с помощью пароструйных эжекторов или вакуумных насосов.

1.3. Регенеративные теплообменники

Различают регенераторы периодического действия и регенераторы непрерывного действия.

Регенераторы периодического действия наиболее широко применяются в металлургической промышленности. Сначала в аппарате насадка нагревается до некоторой температуры, а потом через нее пропускают теплоноситель, который нужно подогреть. В качестве насадки используют различные материалы: огнеупорный кирпич, металлические пластины и др. [9]. Недостатками таких генераторов являются громоздкость, периодичность действий, колебание температуры теплоносителей.

Применяются при высоких температурах теплоносителя, не допускающих применение металлических рекуператоров.

Регенераторы непрерывного действия с подвижной насадкой обеспечивают постоянную среднюю температуру теплоносителей. Применяются в качестве воздухонагревателей. При этом используется тепло отходящих газов котельных агрегатов. В нефтехимической и других отраслях промышленности, когда высоколигированные стали недостаточно стойки, получили применение теплообменники с кипящим или падающим слоем твердого жаростойкого промежуточного теплоносителя, позволяющего нагреть воздух и пары органических жидкостей до 1600-2000 °С.

2. Нагревание, охлаждение, конденсация

2.1. Нагревающие агенты и способы нагревания

2.1.1. Нагревание водяным паром

Одним из наиболее широко распространенных теплоносителей является насыщенный водяной пар, который обладает высокими теплофизическими характеристиками. Водяной пар по сравнению с другими веществами имеет большую скрытую удельную теплоту конденсации - до 2,26·10⁶ Дж/кг (при давлении 0,1 МПа) и высокие значения коэффициента теплоотдачи. Это позволяет при малом расходе пара и небольших площадях поверхности теплообмена передавать значительные количества теплоты. Важным достоинством насыщенного пара является постоянство температуры конденсации при данном давлении, что позволяет поддерживать постоянной температуру нагрева. Пар удовлетворяет также ряду других требований, среди которых наиболее важными можно считать доступность, пожаробезопасность, относительно высокий тепловой КПД.

Основной недостаток насыщенного водяного пара заключается в значительном возрастании давления с повышением температуры. При температуре 180° С его давление составляет около 1,0 МПа. При таких значениях давления требуется использование прочной толстостенной и дорогостоящей аппаратуры и подводящих коммуникаций. Обычно применение водяного пара ограничивается областью температур 180 - 190 °С.

Перегретый пар получают на специальных установках - пароперегревателях - за счет дополнительного нагрева насыщенного пара. В качестве теплоносителя перегретый пар применяют крайне редко, так как его коэффициент теплоотдачи невелик. Теплосодержание перегретого пара практически не отличается от теплосодержания насыщенного пара, поэтому затраты на его перегрев не всегда оправданы. Небольшой перегрев пара иногда используют для уменьшения тепловых потерь в подводящих паропроводах.

В качестве теплоносителя насыщенный водяной пар используют в виде глухого пара, когда обогрев осуществляется через теплопередающую поверхность, или острого пара, когда пар и нагреваемый продукт смешиваются.

Нагревание глухим паром через стенку теплообменного аппарата применяется очень часто, поскольку при этом нагреваемый продукт не разбавляется конденсатом и не изменяет своего состава.

Схема обогрева глухим насыщенным паром приведена на рисунке 2.1.

Рис. 2.1 Схема обогрева глухим насыщенным паром:

1 – теплообменник; 2 - конденсатоотводчик; 3 – обводная линия

Греющий пар поступает в теплообменник 1, где продукт нагревается паром через разделяющую их стенку трубчатки. Насыщенный пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конденсируется на ней, стекает и удаляется через нижний штуцер аппарата. Чтобы обеспечить удаление конденсата, пар всегда подают в верхнюю часть аппарата, а конденсат удаляют из его нижней части. Во избежание неоправданного расхода пара и снижения его давления, на трубопроводе конденсата устанавливают конденсатоотводчик 2, препятствующий прохождению пара, но пропускающий конденсат.

Конденсатоотводчики по конструкции бывают различными. Наибольшее распространение имеют устройства с закрытым поплавком, используемые до значений давления на уровне 1,0 МПа.

Конденсатоотводчик с закрытым поплавком (рис. 2.2) состоит, из следующих основных частей: чугунного литого корпуса 1 со штуцером 4 для ввода конденсата, поплавка 2 с прикрепленным к нему штоком 3 и клапаном 5 [1].

Смесь пара и конденсата поступает через штуцер 4 в корпус конденсатоотводчика. По мере накопления конденсата поплавок поднимается, клапан 5 открывает отверстие для выхода конденсата. Конденсатоотводчики снабжают обводной линией 3 (см. рис. 2.1) с вентилями, позволяющей проводить необходимый осмотр и ремонт без остановки основного теплообменного аппарата.

Рис. 2.2 Конденсатоотводчик с закрытым поплавком:

1 – корпус; 2 – поплавок; 3 –шток; 4 – штуцер; 5– клапан;

Нагревание острым паром целесообразно проводить только в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом. Такой способ нагревания проще, чем нагревание глухим паром; он позволяет полностью использовать теплоту пара, так как паровой конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью, и их температуры выравниваются.