Учебное пособие 800409

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет»

В. В. Портнов, Д. А. Коновалов, К. Г. Хрипунов

РЕКУПЕРАТИВНЫЕ И РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Учебное пособие

Издание второе, переработанное и дополненное

Воронеж 2020

ВВЕДЕНИЕ

Развитие человечества сопровождается неуклонным ростом потребления различных видов энергии: электрической, тепловой, механической и т.д. Значительной частью устройств для ее выработки, передачи и преобразования являются промышленные тепло- и массообменные установки.

Вих развитие огромный вклад вносили и продолжают вносить отечественные ученые. Основы промышленных установок были заложены еще в 19 веке трудами Д.И. Менделеева, В.В. Морковникова, Н.В. Булыгина. В 20 столетии эти традиции были продолжены достижениями советских и российских ученых: И.А. Тищенко, А.В. Лыкова, С.С. Кутателадзе, А.Н. Плановского, В.В. Кафарова, И.И. Гельперина и многих других.

На современном этапе развития энергетического хозяйства предъявляются высокие требования к конструкторам, проектировщикам и эксплуатационному персоналу теплообменной аппаратуры, используемой в химической, металлургической, нефтеперерабатывающей, энергетической, пищевой и других отраслях промышленности.

Требования рационального выбора и экономии материалов, более полного использование вторичных энергоресурсов, сокращения удельного расхода топлива являются сегодня основой снижения энерго- и материалоемкости производства, эффективного использования природных и энергетических ресурсов. Эти требования в настоящее время невозможно выполнить без глубокого знания физики теплообменных процессов, правильного представления о них и умелого использования расчетных зависимостей в процессе проектировании тепломассообменного оборудования.

Вквалификационной характеристике подготовки специалиста в области теплоэнергетики и теплотехники указан широкий диапазон его знаний и умений: устройство энергогенерирующего и энергопотребляющего оборудования электрических, тепловых, воздуходувных, газовых, холодильных станций, основы проектирования и эксплуатации тепломассообменных установок и аппаратов, умение выполнять теплотехнологические и конструктивные расчеты энергоустановок промышленных предприятий, расчет и выбор вспомогательного оборудования.

Втеплотехнологических установках видное место занимают такие процессы, как нагревание, кипение, выпаривание, сушка, разделение, ректификация и сопутствующие им охлаждение, конденсация и т. д. В данном учебном пособии из всего набора теплообменных устройств рассматриваются только два вида - рекуперативные и регенеративные теплообменные аппараты. Приводятся их основные конструкции, методы расчета, описываются процессы, протекающие во время работы аппаратов.

3

В связи с отсутствием крупных центральных издательств, занимающихся выпуском энергетической литературы, основным ее источником становятся ведомственные издательства, в т.ч. внутривузовские.

Учебное пособие является составлено для подготовки квалифицированных специалистов направления 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» профиль «Промышленная теплоэнергетика» по дисциплине «Тепломассообменное оборудование предприятий» и направление 14.03.01 «Ядерная энергетика и теплофизика» профиль «Техника и физика низких температур» по дисциплине «Тепломассообменные аппараты низкотемпературных установок».

Для успешного освоения указанных курсов и материала пособия необходимы базовые знания таких дисциплин, как «Техническая термодинамика», «Гидрогазодинамика», «Тепломассообмен».

Материал пособия может быть использован студентами других специальностей для подготовки теоретических, практических и лабораторных занятий, в процессе работы над курсовыми проектами и выпускными квалификационными работами.

Глава 3 переработана совместно с канд. техн. наук К.Г. Хрипуновым. Глава 4 переработана совместно с д.т.н. Д.А. Коноваловым.

4

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) принято называть устройства для передачи тепла от одних рабочих тел к другим (теплоносителям). В теплообменных аппаратах (ТОА) могут происходить различные процессы: изменение температуры, изменение агрегатного состояния и более сложные комбинированные процессы. В зависимости от назначения и протекающего в них процесса ТОА называют подогревателями, охладителями, испарителями, конденсаторами, паропреобразователями, холодильниками, радиаторами и т.д. В отдельную группу выделяются химические реакторы – устройства, в которых протекают химические реакции, сопровождающиеся тепломассообменными процессами.

Количество участвующих в теплообмене теплоносителей (ТН) может быть больше двух.

По принципу действия различают поверхностные и контактные аппараты. В поверхностных ТОА теплота от среды с более высокой температурой передается твердой стенке (насадке), а от нее – более холодной среде. В контактных аппаратах теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителей и, как правило, сопровождается массообменом. Контактные аппараты относятся к тепломассообменной аппаратуре и в данном пособии не рассматриваются.

Некоторые виды тепломассобменных процессов и их аппаратное оформление рассматриваются в [11, 12, 13, 14, 15].

Поверхность твердой стенки или границы раздела контактирующих сред, через которую осуществляется теплообмен, называется поверхностью теплообмена или поверхностью нагрева (охлаждения).

Поверхностные ТОА делятся на рекуперативные и регенеративные.

Врекуперативных ТОА передача теплоты от одного ТН к другому осуществляется непрерывно через разделяющую их стенку. При этом один из теплоносителей может быть неподвижным и тогда теплообмен ведется в течение определенного промежутка времени – цикла. Это особенность аппаратов периодического действия. Либо оба ТН подвижны – это ТОА непрерывного действия.

Врегенеративных ТОА греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же поверхность нагрева теплоаккумулирующей массы - насадки. Во время соприкосновения с греющим ТН стенка (насадка) нагревается, т.е. аккумулирует теплоту, а во время соприкосновения с нагреваемым – отдает ему свою теплоту и охлаждается.

По непрерывности работы ТОА делятся на аппараты непрерывного и периодического действия. Аппараты периодического действия представляют собой обычно сосуды большой вместимости, которые через определенные про-

5

межутки времени заполняются обрабатываемым материалом или одним из теплоносителей, нагревают или охлаждают его и затем удаляют или выгружают. В стационарном режиме работают, как правило, аппараты непрерывного действия. При этом в них поддерживают постоянные во времени расходы, концентрации, температуры сред на входе в аппарат и выходе из него. Изменение расходов теплоносителей и их параметров в аппаратах непрерывного действия имеет место при их включении и выключении из работы и при переходе с одного стационарного режима на другой. Регенеративные ТОА по сути являются устройствами периодического действия. Непрерывность может быть обеспечена разбиением аппарата на секции, работающие поочередно либо перемещением насадки относительно потоков ТН.

В последнее время все чаще применяются ТОА с промежуточным теплоносителям. К таким относятся, например, ТОА с так называемыми «тепловыми трубами» или аппараты с промежуточным твердым измельченным (диспергированным) теплоносителем.

6

2.ТЕПЛОНОСИТЕЛИ

2.1.Классификация теплоносителей

Тепловые процессы протекают при взаимодействии не менее чем двух сред с различными температурами, причем теплота переходит от среды с большей температурой к среде с меньшей без затраты работы. Среды, участвующие в переносе теплоты, называются теплоносителями (ТН).

Выбор теплоносителей определяется рядом условий: назначением и характером теплового процесса (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и т. д.), конструкцией теплообменного аппарата, требованиями к теплофизическим, химическим и эксплуатационным свойствам теплоносителей, экономическими соображениями и т. д.

По агрегатному состоянию различают однофазные и многофазные теплоносители.

К однофазным относятся:

-твердые теплоносители, представляющие собой шарики и частицы из стали, чугуна, кремнезема, карборунда, каолина, окислов алюминия, магния, циркония диаметром 8-12 мм или более мелких фракций и применяющиеся преимущественно в высокотемпературных процессах;

-жидкие теплоносители, не изменяющие своего агрегатного состояния в процессе теплообмена: вода, минеральные масла, кремнийорганические соединения (силиконы), расплавы металлов, сплавов и солей, различные химические соединения, криогенные жидкости;

-газообразные теплоносители: воздух, продукты сгорания, пары воды и других веществ, различные газы;

-низкотемпературная плазма - ионизированные газы при температуре свыше 2000 .

Если в процессе теплообмена ТН участвует одновременно в нескольких агрегатных состояниях, то его называют многофазным. К таким относятся кипящие, испаряющиеся и распыляемые газом жидкости, конденсирующиеся пары, парогазовые смеси при конденсации содержащихся в них паров, плавящие-

ся и затвердевающие, возгоняющиеся (сублимирующие) и десублимирующие твердые вещества, пены, газовзвеси, аэрозоли и другие реологически1 сложные системы.

По диапазону рабочих температур выделяют:

-высокотемпературные (преимущественно дымовые и топочные газы с температурой до 1500 0С; к высокотемпературным так же относят капельные

1 Реология — раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества. Изучая деформационные свойства реальных тел, реология занимает промежуточное положение между теорией упругости и гидродинамикой.

7

жидкости, температура кипения которых при атмосферном давлении превыша-

ет 200 0С); - среднетемпературные (в первую очередь это водяной пар, вода и воз-

дух),

-низкотемпературные (такими полагают вещества, температура кипения которых при атмосферном давлении не превышает 0 ),

-криогенные (в основном сжиженные газы, область применения которых ниже -150 ).

По назначению выделяют греющий теплоноситель, охлаждающий теплоноситель или хладоноситель, промежуточные теплоносители, хладагенты (рабочее тело в холодильных циклах), сушильный агент и т.п.

2.2. Основные промышленные теплоносители

Водяной пар, как греющий теплоноситель, в теплообменных аппаратах получил большое распространение благодаря ряду его достоинств:

-возможность транспортировать по трубопроводам на значительные расстояния (технически возможно до нескольких десятков километров, практически, с учетом экономических факторов, до нескольких километров);

-высокий коэффициент теплоотдача при конденсации и, как следствие, уменьшение поверхности теплообмена при заданной теплопроизводительности аппарата;

-большое количество передаваемого тепла в единице объема ТН (результат высокой теплоты парообразования);

-постоянство температуры конденсации при заданном давлении (облегчает поддержание постоянства режима работы теплообменной аппаратуры);

-возможность легкого регулирования параметров с малыми потерями энергии (например, увеличение проходного сечения паропровода приводит к снижению давления и температуры).

Основным недостатком водяного пара является достаточно узкий диапазон давлений и температур, при котором он используется в промышленных ТОА. Теоретически пар может быть использован от состояния тройной точки (давление 611 Па и температура 0.01 ) до критического состояния (давление 22 МПа и температура 374 ). В действительности пар применяется для про-

цессов нагревания только до умеренных температур (порядка 60-200 ). Объясняется это резким ростом давления при температурах свыше 150 : если при температуре 150 давление насыщения составляет 0.48 МПа, то при 250 уже 4 МПа. Повышение давления приводит к необходимости использовать ТОА и паропроводы с толстыми стенками и фланцами. Хотя при повышенных

8

давлениях технико-экономические показатели транспортировки пара приближаются к жидким теплоносителям.

К паровым сетям предъявляются повышенные требования к качеству и состоянию тепловой изоляции. При наличии участков со значительными теплопотерями в окружающую среду происходят не только качественные, но и количественные потери пара (особенно если пар находится в состоянии насыщения или близко к нему). Появление конденсата в паровых сетях нарушает работу паровых сетей и зачастую является причиной аварий вследствие гидравлического удара.

Горячая вода, как греющий теплоноситель, получила большое распространение, особенно в теплофикационных установках. Горячую воду приготавливают в специальных водогрейных котлах, производственных технологических агрегатах или водонагревательных установках котельных и ТЭЦ.

Достоинств у воды как теплоносителя много:

-возможность транспортировать по трубопроводам на значительные расстояния (теоретически до сотни километров, практически до десятков километров)

-высокий коэффициент теплоотдачи.

При надлежащем качестве тепловой изоляции понижение температуры воды составляет не более 1 на 1 км.

В связи с тем, что основная выработка горячей воды идет на нужды теплоснабжения, использование ее для технологических нужд проблематично (колебания температуры в течение отопительного сезона, малая выработка в летний период, химический состав сетевой воды и т. д.). Обеспечивать себя технологической горячей водой других параметров путем установки и эксплуатации специальных водогрейных котлов или водонагревательных установок доступно только крупным промышленным предприятиям.

Вода на предприятии может использоваться, в том числе и на нужды охлаждения, особенно на теплогенерирующих предприятиях. Подробнее в [16]. Вода в качестве хладагента рассмотрена в [15].

Дымовые и топочные газы в настоящее время в большинстве своем не генерируются специально, а являются вторичными энергоносителями. Во всех случаях стараются эти газы использовать сразу же на месте выработки, по возможности сократив до минимума их транспортировку.

Достоинством дымовых газов является высокая температура при атмосферном давлении или чуть выше него. С одной стороны это позволяет получить высокие значение коэффициента теплоотдачи, с другой стороны - накладывает ограничения на применение конструкционных материалов.

Недостатки дымовых газов:

- сложность транспортировки ввиду высоких температур, запыленности, загрязненности агрессивными и токсичными соединениями; в связи с этим ис-

9

пользуют дымовые газы сразу же в месте получения (например, аппараты погружного горения для концентрирования агрессивных растворов [12]) или сокращают до минимума расстояние до места утилизации (например, газоходы из огнеупорных материалов котельных и ТЭЦ);

-дымовые газы содержат пары воды и оксиды углерода, серы и азота, при охлаждении их ниже температуры точки росы (обычно 125-135°С) происходит образование кислот, вызывающих коррозию оборудования;

-содержат в себе золу и сажу, что ограничивает их использование в качестве сушильного агента [13].

Дымовые газы котельных и ТЭЦ в настоящее время очищаются и охлаждаются в контактных (смесительных) ТОА – котлах-утилизаторах, контактных ТОА с активной насадкой и пр. [14]

К высокотемпературным жидким теплоносителям (ВТТ) относят ве-

щества и соединения, температура кипения которых при атмосферном давлении превышает 200 .

Использование двухфазных теплоносителей в этом диапазоне связано, как правило, со значительным увеличением давления (например, водяной пар при температуре 200 имеет давление 1,5 МПа).

Вкачестве первых ВТТ использовались ртуть, расплавы металлов (в основном щелочных) и их солей. Их токсичность и агрессивность привели к необходимости создания искусственных ВТТ.

Основными требованиями, предъявляемыми к современным ВТТ, являются: высокая температура кипения при атмосферном давлении, высокая интенсивность теплообмена, низкая температура отвердевания, малая активность коррозирующего действия на металлы, нетоксичность, невоспламеняемость, взрывобезопасность, термическая стойкость и дешевизна.

Внастоящее время наряду с традиционными ВТТ (например, жидкие металлы в первом контуре ядерных реакторов) применяются минеральные масла, высокотемпературные органические теплоносители (дифенильная смесь "Даутерм-А", гомологи ряда диарилметаллов - дитолилметан и дикумилметан), соединения на основе кремниевой кислоты – силиконы, полиэфирные смеси и т.д.

Низкотемпературные теплоносители и холодильные агенты. К ним

относят вещества и соединения, которые кипят при температурах ниже 0 С. Более подробно об этих веществах в [15].

В настоящее время для охлаждения часто используется эффект эндотермической реакции или поглощения тепла при химическом разложении веществ. Например, при разложении 1 кг хлористого аммония NH4Cl на NH3 и HCl, которые превращаются в газ, поглощается 3300 кДж/кг. Эта величина почти в 1,5 раза превышает теплоту парообразования воды (2260 кДж/кг).

10