Глава 5. Смесительные теплообменные аппараты
Общие сведения
В промышленности нашли широкое применение смесительные теплообменные аппараты, в которых тепло- и массообмен между теплоносителями происходит непосредственно, без теплопроводной стенки между ними. 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 осуществляется в градирнях и т. д.
По конструктивным признакам различают следующие типы теплообменников смешения:
Полые или безнасадочные колонны или камеры (рис. 5.1 а), в которых жидкость распиливается форсунками в газовую среду.
Насадочные колонны (рис. 5.1 в), в которых соприкосновение газа с жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки (кольца Рашига, куски кокса, деревянные доски, рейки и другие устройства).
Каскадные аппараты, имеющие внутри горизонтальные либо наклонные полки или перегородки, благодаря которым жидкость постепенно перетекает с полки на полку, как это показано на рис. 5.1 б.
Струйные смесительные аппараты, в которых происходит нагревание воды эжектируемым или эжектирующим паром (рис. 5.1 г).
Пленочные смешивающие подогреватели (рис. 5.1 д). Нагревание воды водяным паром в них происходит почти до температуры насыщения пара. Пенные аппараты получили применение для улавливания из газов плохо смачиваемой (гидрофобной) пыли. Принципиальная схема пенных аппаратов приведена на рис. 5.2.
Рисунок 5.1 - 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 - вентиляторы; 10 - электродвигатель; 11 - концентрические цилиндры; 12 - иллюминаторы-сепараторы влаги; 13 - подогреватель воздуха
Рисунок 7.2 - Схемы пенных аппаратов
а - однополочного; б - трехполочного; 1 - корпус; 2 - решетки; 3 - гидравлический затвор; 4 - порог
Теплообмен в аппаратах контактного или смешивающего типа связан с массообменом и изучен еще недостаточно. Анализ этих процессов на i-d-диаграмме показывает, что во всех случаях процессы тепло- и массообмена подчиняются следующему правилу. Если парциальное давление паров жидкости в газе больше, чем давление паров над внешней поверхностью капелек жидкости, то происходит осушение газа, если же давления пара находятся в обратном соотношении, то имеет место увлажнение газа.
Вследствие трудности определения поверхности теплообмена таких аппаратов в некоторых случаях расчет их проводят по объемному коэффициенту теплопередачи. При этом уравнение теплопередачи принимает вид:
(5.1)
где kv - объемный коэффициент теплопередачи, отнесенный к 1 м3 активного объема аппарата, Вт/(м3-°С); V - полезный или активный объем смесительной камеры, м3; ∆t - средняя разность температур теплоносителей, °С.