П ри пузырчатом кипении в большом объеме коэффициент теплоотдачи может быть подсчитан также по формулам :

при

(1-38а)

при

(1-38б)

г де

1-4. КОМПАКТНЫЕ АППАРАТЫ С РЕБРИСТЫМИ

Поверхностями нагрева

 Типы и конструкции ребристых теплообменников. Теплообменники с ребристыми поверхностями нагрева применяются в тех случаях, когда теплообмен происходит между теплоносителями, из которых один имеет большой, а другой, наоборот, очень малый коэффициент теплоотдачи. Увеличивая поверхность теплообмена путем оребрения ее со стороны теплоносителя с малым коэффициентом теплоотдачи, тем самым увеличивают количество передаваемого тепла и со стороны неоребренной поверхности. В ребристых теплообменниках жидкость или конденсирующийся пар проходит внутри трубок, а воздух или дымовые газы, имеющие меньший коэффициент теплоотдачи, — по внешней ребристой поверхности.

Коэффициент теплопередачи через ребристую стенку

(1-47)

г де a₁ — коэффициент теплоотдачи с гладкой стороны; a_2пр — приведен­ный коэффициент теплоотдачи со стороны ребристой поверхности; R_заг— термическое сопротивление загрязнений ребристой поверхности, м² · °С/Вт; t_CP1 и t_CP2 — средние температуры теплоносителей, °С; и — толщина и коэффициент теплопроводности материала стенки (плоской стенки или стенки трубки без ребер);

F_C — площадь гладкой поверхности стенки; F_P.C= = F_P + F_П — площадь ребристой поверхности стенки, равная площади ребер F_P и площади стенки в промежутках между ребрами F_П

Т ермические сопротивления слоев загрязнении учитываются в зави­симости от того, с какой стороны они находятся, величиной или или их суммой, если загрязнение имеется с обеих сторон.

АППАРАТЫ СО СМЕШИВАНИЕМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

В промышленности нашли широкое применение смесительные теплообменные аппараты, в которых тепло- и массообмен между теплосетями происходит непосредственно без теплопроводной стенки между ними. В большинстве случаев это аппараты непрерывного действия, в зависимости от назначения они имеют различные технические названия. Для осушения или увлажнения воздуха в установках кондициони­рования применяются кондиционеры; очистка воздуха или газа от пыли, золы, смолы путем промывки их водой осуществляется в скрубберах; нагрев жидкости за счет тепла воздуха, газа или пара осуществляется в смесительных подогревателях или конденсаторах; охлаждение боль­ших количеств циркуляционной воды от конденсаторов паровых турбин электрических станций достигается тепло- и массообменом ее с воздухом градирнях и т. д.

По конструктивным признакам различают следующие тины теплообменников смешения:

1. Полые или безнасадочные колонны или камеры (рис. 2-6,а), в которых жидкость распиливается форсунками в газовую среду; соприкосновение между жидкостью и газом происходит на поверхности образовавшихся при распиливании капель жидкости. Устройство одной из применяющихся форсунок показано на рис. 2-7.

2. Насадочные колонны (рис. 2-6,в), в которых соприкосновение жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки (кольца Рашига, куски кокса, деревянные доски, рейки и другие устройства, обеспечивающие пленочное стекание жидкости). Преимуществом насадочных колонн по сравнению с безнасадочными являются их меньшие геометрические размеры. Их недостаток состоит в большом расходе электроэнергии на вентилятор, который увеличивается по мере забивания насадки различными твердыми отложениями, содержащимися в газах или распыляемых растворах.

3. Каскадные аппараты, имеющие внутри горизонтальные либо на­клонные полки или перегородки, благодаря которым жидкость посте­пенно перетекает с полки на полку, как это показано на рис. 2-6,б.

4. Струйные смесительные аппараты, в которых происходит нагре­вание воды эжектируемым или эжектирующим паром (рис. 2-6,г). Раз­ность между температурой насыщенного эжектирующего пара и темпе­ратурой нагретой эжектируемой воды в односопловых струйных смеси­тельных аппаратах составляет 15—20 °С, а в двухсопловых около 10 °С.

5. Пленочные смешивающие подогреватели (рис. 2-6,б). Нагревание воды водяным паром в них происходит почти до температуры насыщения пара. Преимущество этой конструкции по сравнению с поверхностными подогревателями заключается в простоте, компактности, меньшем весе и независимости коэффициента теплообмена от чистоты поверхности, т. е. от загрязнения ее накипью, маслом и т. п. Такие аппараты обычно работают с незначительным избыточным давлением (1 5) 10³ Па (0,01— 0,05 кг/см²).

Недостатком пленочных подогревателей является коррозия поверх­ности аппаратов и трубопроводов из-за наличия в воде и частично в конденсирующемся паре значительного количества кислорода.

6. Пенные аппараты получили применение для улавливания из газов плохо смачиваемой (гидрофобной) пыли. Принципиальная схема пенных аппаратов приведена на рис. 2-8. Скорость набегающего потока газа на решетку обычно принимают 2—2,5 м/с. При большей скорости усиливается унос воды в виде брызг, а при меньшей скорости уменьшается пенообразование, и значительная часть жидкости (более 50%) сливается через отверстия решетки. В нормальных условиях работы половина жидкости сливается через отверстия в решетке и половина через сливной порог. Степень очистки газа в пенных аппаратах может составлять 90—95% [Л. 35].

Рис 2-6. Типы смесительных теплообменников.

а — безнасадочный форсуночный; б — каскадный; в — насадочный; г — струйный; д — пленочный с насадкой из цилиндров; 1 — форсунки; 2 — трубы, распределяющие воду; 3 — каскады: 4 — насад­ка; 5 и 6 — сопла первой и второй ступеней струйного смесителя; 7 — насос; 8 и 9 — центробежный и осевой вентиляторы; 10 — электродвигатель; 11 — концентрические цилиндры; 12 — иллюминаторы-сепараторы влаги: 13 — подогреватель воздуха.

РЕКУПЕРАТИВНЫЕ АППАРАТЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

 Рекуперативные аппараты периодического действия широко применяются в различных отраслях промышленности. К таким аппаратам можно отнести в первую очередь водонагреватели-аккумуляторы, варочные котлы и реакционные аппараты.

Водонагреватели-аккумуляторы (рис. 3-1,а и б) представляют собой сосуды большой емкости с паровым или водяным обогревом и применяются в системах горячего водоснабжения с периодическим расходом больших количеств воды. Вода в подогревателях нагревается за 4—5 ч и расходуется в течение 20—30 мин (например, в душевых помещениях цехов после очередной смены). Если бы для этой цели использовались схемы с теплообменниками непрерывного действия, то пиковый расход тепла в них был бы в 6—10 раз больше среднечасового расхода тепла в водонагревателе-аккумуляторе. Такое водоснабжение создавало бы пиковые нагрузки в котельной или на ТЭЦ.

Варочные котлы (рис. 3-1,г и д), реакционные аппараты периодического действия, например автоклавы (рис. 3-1,в), вулканизаторы, запарники, конверторы и подобные им теплообменники, нашли широкое применение в химической и других отраслях промышленности.

В варочных и реакционных аппаратах обрабатываемые материалы нагреваются до определенной температуры и содержатся в течение не­которого времени при этой температуре. За определенный промежуток времени в материале происходят требуемые изменения (большей частью химического характера), после чего аппарат опорожняется. Время обработки материала в аппарате различно в зависимости от техно­логии производства: иногда ограничиваются только периодом нагревания, иногда же обрабатываемый материал находится в аппарате при постоянной температуре весьма продолжительное время.

.

Расчет водонагревателя-аккумулятора с паровым обогревом. Нагрев в аппаратах периодического действия происходит при переменном тепловом режиме, поэтому для их расчета неприменимы ранее приведенные формулы, относящиеся к аппаратам непрерывного действия с установившимся тепловым режимом.

Д ифференциальное уравнения теплопередачи и теплового баланса для элемента времени , в течение которого температура воды повышается на dt, имеет вид:

(3-2)

Е сли начальная температура нагреваемой воды равна t’₂, а через , часов будет t"₂. то из уравнения (3-2) следует:

 

или после интегрирования

откуда

(3-3)

Произведение kF называется удельной тепловой производительностью водонагревателя-аккумулятора.

РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ АППАРАТЫ

 Типы и схемы регенераторов. К числу регенераторов относится большая группа теплообменных аппаратов, в которых передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется посредством неподвижной или перемещающейся насадки. В качестве насадки применяют огнеупорный кирпич, металлические листы, пластины, шары фольгу и т. п.

В металлургических и стеклоплавильных печах большое распространение получили регенераторы с неподвижной насадкой из огнеупорных кирпичей. Для создания в рабочем пространстве таких печей высоких температур (до 2 500°С) требуется предварительный высокий подогрев воздуха и горючего газа (до 800—1 000°С), который трудно осуществить в металлических рекуператорах, из-за их недостаточной жаростойкости.

Тепловой расчет регенераторов. Задачей теплового расчета регенератора является определение поверхности нагрева и веса насадки.

Тепло, воспринимаемое поверхностью насадки регенератора за период нагрева, равняется:

кДж\период,

г де a₁ — коэффициент теплоотдачи от греющих газов (конвекцией и лу­чеиспусканием) к насадке, кДж/(м² · ч · °С); и — средние тем­пературы греющего газа и поверхности насадки за период нагрева­ния, °С; — период нагрева, ч.

Э то количество тепла Q воспринимается насадкой и повышает температуру ее поверхности на величину , т. е.

кДж\период,

г де — толщина стенки кирпича (вследствие обогрева насадки с двух сторон в данной форме учитывается половина толщины стенки, обозна­чаемая через R), м; р — плотность насадки, кг/м³; с — теплоемкость на­садки, кДж/(кг · °С); — изменение температуры поверхности насад­ки за период нагрева, °С;

— коэффициент аккумуляции тепла, опре­деляемый по табл. 3-3.

Для определения изменения температуры поверхности насадки пользуются следующей эмпирической зависимостью:

г де — средняя температура поверхности насадки за период ее охла­ждения (рис. 3-9); — коэффициент, равный 2,2—3,5.

В период охлаждения тепло, аккумулированное насадкой, пере­дается нагреваемому воздуху:

кДж/период,

г де а₂ — коэффициент теплоотдачи от поверхности насадки к нагревае­мому воздуху, кДж кДж/(кг · ч · °С); — средняя температура воздуха за период охлаждения, °С; — период охлаждения, ч.

Таким образом, получается система следующих трех уравнений:

Сложив левые и правые части этих уравнений, получим:

или

В этом уравнении k_д — коэффициент теплопередачи регенератора

кДж/(м² · цикл · °С) (3-16)

ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ

Выпаривание представляет собой термический процесс кипения раствора с выделением паров растворителей в практически чистом виде (если не считаться с уносом жидкости); при этом растворимое нелетучее вещество (твердое тело, например соль, или вязкая жидкость, на­пример вазелин) остается в концентрированном виде в аппарате. Получаемые при выпаривании пары удаляются в атмосферу или в кон­денсирующее устройство.

Выпарные аппараты по принципу работы и конструктивному оформлению имеют много общего с испарителями, применяющимися на электрических станциях. Однако процесс выпарки водных растворов в выпарных аппаратах имеет принципиальное отличие от процесса ки­пения чистой воды в испарителях.

П редположим, что имеются два открытых сосуда, обогреваемых паром через паровые рубашки. В первом сосуде находится чистая вода, а во втором— 70%-нын водный раствор аммиачной селитры Пусть давление греющего пара составляет 3,92 · 105 Па (4 кгс/см2). Вода закипит при температуре около 100 °С; раствор при том же атмосферном давлении закипит только при температуре 120 °С. Однако образующиеся из этого раствора водяные пары будут иметь температуру ту же, что и в случае кипения чистой воды, т. е. около 100°С.

П онижение температуры образующихся из раствора водяных паров по сравнению с температурой кипения раствора называют физико-хи­мической температурной депрессией. Обозначив ее через, можем написать:

г де — температура кипения раствора. ⁰С; — температура образую­щихся паров воды, °С.

Ф изико-химическая температурная депрессия различна для разных растворов. Она больше у растворов веществ с малым молекулярным весом. Для раствора одного и того же вещества физико-химическая температурная депрессия увеличивается с повышением его концентрации.

П од концентрацией раствора понимают отношение массы сухого вещества в растворе к общей массе раствора в процентах '

 

где b — массовая концентрация раствора, %; W — количество раство­рителя или воды в растворе, кг; G_СУХ — количество растворенного или сухого вещества в растворе, кг.

Значения депрессии для некоторых наиболее часто встречающихся растворов в за­висимости от их концентраций даны на рис. 4-1.