1.6.2. Полочные аппараты

В полочных аппаратах (рис.15,б) контакт газа и жидкости осущест­вляется на поверхности струй, которые образуются при стекании жидкос­ти через отверстия в сегментных полках. Газ, проходя снизу вверх, оги­бает полки, омывая струйки жидкости.

Аппарат этот сложнее по устройству, чем полые скрубберы, и имеет большее гидравлическое сопротивление, но поверхность контакта фаз в единице объема здесь можно создать большую, так как на каждой полке жидкость разбивается на струйки снова, а в полых аппаратах мелкие капли коалесцируют и развитая поверхность образуется только в месте распы­ления.

1.6.3. Насадочные скрубберы

В насадочных скрубберах (рис.15, в) может быть достигнута большая поверхность в единице объема, чем в полых и полочных аппаратах.

Аппараты эти представляют собой вертикальные цилиндры, заполненные насадкой. В качестве насадки могут использоваться кусковой кварц, кокс, а также специальная насадка из керамических колец или из дере­вянных реек (деревянная хордовая насадка).

Насадка укладывается секциями на решетки, уложенные на двутавровые балки или швеллеры, опирающиеся на приваренные к стенкам цилиндра по окружности уголки.

Жидкость подается на верх насадки и стекает по её поверхности, а газ проходит через пустоты между насадочными элемента­ми, омывая смоченную жидкостью насадку. Таким образом, смоченная по­верхность насадки образует поверхность теплопередачи.

Насадочные аппараты наиболее компактны, хотя более сложны по устройству и имеют большее гидравлическое сопротивление.

Рисунок 15. Смесительные теплообменные аппараты:

а – полый конденсатор с разбрызгивателем воды;

б – противоточный полочный барометрический конденсатор;

в – насадочный конденсатор.

1.7. Расчет теплообменных аппаратов

Выполняемые при проектировании теплообменников расчеты подразделя­ются на тепловые, конструктивные и гидравлические.

Тепловой расчет сводится к определению необходимой поверхности теп­лообмена из общего уравнения теплопередачи, которое для установивше­гося процесса имеет вид:

,

где Q – тепловая нагрузка аппарата, то есть количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному за единицу времени, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·град);

Δt_ср – средняя разность температур, град.

Для определения тепловой нагрузки и средней разности температур необходимо составить тепловой баланс аппарата. В этом случае уравне­ние теплового баланса может быть представлено следующим образом:

где Q_прих – количество тепла, вносимого в аппарат входящими в него материальными потоками (теплоносителями), Вт;

ΣQ_расх – количество тепла, уносимого из аппарата выходящими из него материальными потоками, Вт;

ΣQ_пот – количество тепла, потерянное через стенки аппарата в окружающую среду, Вт.

Количество тепла, вносимого в аппарат (или уносимого из него) материальным потоком. Определяется произведением расхода вещества (G , кг/с), на его энтальпию (I , Дж/кг):

Энтальпия веществ приводится в справочных таблицах в зависимости от температуры и давления. Она может быть также рассчитана по форму­ле

I=c·t

если теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей.

Здесь c – теплоемкость вещества, Дж/(кг·град);

t – температура вещества, град.

Если теплообмен осуществляется при изменении агрегатного состоя­ния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости и др.) или в процессе теплообмена протекают химические реакции, сопровождаемые тепловыми эффектами, то в тепловом балансе должно быть учтено тепло, выделяющееся или поглощаемое при физическом или химическом превраще­нии. Например, энтальпия насыщенного водяного пара равна

I_н.п.= r₀+c_п·t,

где r₀ - скрытая теплота испарения воды при стандартных условиях, Дж/кг

c_п - теплоемкость водяного пара, Дж/(кг·град),

Количество тепла, теряемого аппаратом в окружающую среду, прини­мается по опытным данным (примерно 2–4 % от подведенного тепла).

Из уравнения теплового баланса определяется неизвестный расход теплоносителя или неизвестная его температура (на входе или выходе). На основе полученных данных рассчитываются тепловая нагрузка и средняя разность температур

Q=G₁(I_1н-I_1к)=G₂(I­_2к-I­_2н)

где G₁, и G₂ - расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/c;

I_1н, I_1к, I­_2к, I­_2н - энтальпии теплоносителей начальные и конечные, Дж/кг.

Средняя разность температур определяется из выражения

где Δt₁ – большая разность температур теплоносителей;

Δt₂ – меньшая разность температур теплоносителей.

При одних и тех же начальных и конечных температурах теплоносите­лей средняя разность температур может быть различной в зависимости от взаимного направления движения теплоносителей.

Различают параллельное движение теплоносителей в одном направлении (прямоток) или в противоположных направлениях (противоток), а также перекрестный и смешанный токи.

В случав перекрестного и смешанного токов средняя разность темпе­ратур определяется по уравнению

где Δt_пр – средняя разность температур при противотоке теплоносителей;

ε – поправочный коэффициент, определяемый по специальным графикам, приведенным в справочниках.

Значение ε всегда меньше единицы.

Коэффициент теплопередачи для рекуперативных теплообменников опре­деляется по уравнению

где α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от cтенки к холодному теплоносителю, Вт/(м² ·град)

δ_i – толщина стенки, разделяющей потоки теплоносителей или слоев загрязнений по обе стороны стенки, м;

λ_i – коэффициент теплопроводности материала стенки или соответствующего загрязнения, Вт/(м·град).

Это уравнение справедливо для передачи тепла через плоскую или цилиндрическую стенку при условии, что наружный диаметр цилиндра больше внутреннего не более, чем в 2 раза

Коэффициенты теплоотдачи α определяются в общем случае по критериальным уравнениям типа

Nu=ARe^mPrⁿГ^p

где: = – определяемый критерий теплового подобия;

λ – коэффициент теплопроводности среды;

d_э – эквивалентный диаметр канала, по которому движется соот­ветствующий теплоноситель, м;

–критерий Рейнольдса;

– критерий Прандтля;

Г - критерий геометрического подобия;

ω - скорость движения теплоносителя, м/с;

ρ- плотность теплоносителя, кг/м³ ;

µ -динамический коэффициент вязкости Па·с,

λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м·град).

Значения коэффициента А и показателей степеней m , n, р зависят от конструкции аппарата, режима движения теплоносителей и других условий. Их значения приводятся в специальной литературе.

По найденному значению поверхности теплопередачи подбирается стан­дартный теплообменник.