1.2. Теплообменные и тепломассообменные аппараты

Теплообменные аппараты .различают по назначению, /принципу дей­ствия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим признакам.

. В зависимости от назначения теплообменные аппараты называют подогревателями, испарителями, паропреобразователями, конденсато­рами, холодильниками, радиаторами и т. д. К тепломассообменным ап­паратам и устройствам относят, например, скрубберы, применяемые для осушки, увлажнения и очистки воздуха от пыли и вредных паров и газов, ректификационные колонны, абсорберы абсорбционных холо­дильных установок, сушильные камеры, градирни для охлаждения во­ды и т. д.. В отдельную группу выделяют химические реакторы, т. е. аппараты, в которых протекают химические реакции, сопровождающиеся тепломассообменными процессами.

По принципу действия различают поверхностные и контактные ап­параты. В поверхностных теплообменниках 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 переносом массы. Из других контактных теплообменников выделяют смесительные, в которых происходит ча­стичное или полное перемешивание потоков теплоносителей.

Поверхность твердой стенки или границы раздела контактирующих сред, через которую осуществляется теплообмен, называется поверхно­стью теплообмен'а или поверхностью нагрева, а если теплообмен со­провождается передачей массы,— поверхностью тепломассообмена.

Поверхность тепломассообмена в газожидкостных контактных ап­паратах может быть создана с помощью насадки из твердых частиц, колец, реек, металлической стружки и т. д. При полном смачивании на­садки площадь поверхности тепломассообмена принимают равной пло­щади поверхности насадки. В безнасадочных газожидкостных контакт­ных аппаратах поверхность тепломассообмена образуется в результате гидродинамического и теплового взаимодействий жидкости и газа, или пара при распылении жидкости форсунками, струйном истечении жид­костей и газов из сопл и отверстий, барботаже газа или пара через слой жидкости. Поверхность капель, пузырей или струй является по­верхностью тепло- и массообмена. При движении твердых частиц в жидкости или газе, так же как при продувке газом или фильтрации жидкости через слой частиц твердого материала, площадь поверхности тепломассообмена часто равна суммарной площади поверхности частиц.

Поверхностные теплообменные аппараты делят на рекуперативные и регенеративные.

Рис. 1.1. Принципиальные схемы рекуперативных и регенеративных поверхностных и контактных теплообменников:

а — рекуперативного непрерывного действия; б — рекуперативного периодического действия; в — регенеративного периодического действия; г — регенеративного непрерывного действия; д — теплотрубного; е—с промежуточным сыпучим теплоносителем; /' и I"—вход и выход греющего теплоносителя; //' и //" — вход и выход нагреваемого теплоносителя; 1,3 — неподвижная и вра­щающаяся насадки; 2 — шибер для переключения направления потоков; 4 — твердый сыпучий теплоноситель; 5 — устройство для его транспортировки

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их стенку. В регенеративных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагре­ва (насадки) (рис. 1.1.). Во время соприкосновения с греющим тепло­носителем стенка (насадка) нагревается, т. е. аккумулирует теплоту, а во время соприкосновения с нагреваемым теплоносителем отдает ему теплоту и охлаждается.

Рекуперативные аппараты работают или в периодическом, или в стационарном тепловом режиме. Аппараты периодического действия представляют собой обычно сосуды большой вместимости, которые че­рез определенные промежутки времени заполняют обрабатываемым материалом или одним из теплоносителей, нагревают или охлаждают его и затем удаляют (выгружают). В стационарном режиме работают, как правило, аппараты непрерывного действия. При этом в них поддер­живают постоянные во времени расходы, концентрации, температуры сред на входе р 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 теплообменные аппараты тоже могут работать в периодическом и непрерывном режимах. В аппаратах периодического действия горячий и холодный теплоносители поочередно контактируют с неподвижной насадкой (рис. 1.1,в). В регенеративных теплообменни­ках непрерывного действия потоки теплоносителей разделены подвиж­ной, например вращающейся, поверхностью нагрева (насадкой), раз­личные части которой попеременно контактируют то с греющим, то с нагреваемым теплоносителем (рис. 1.1,г).

Развитие техники и технологии привело к созданию теплообменни­ков, в которых теплота передаётся от греющего теплоносителя к на­греваемому с помощью промежуточного теплоносителя (рис. 1.1 д,е). К аппаратам с промежуточным теплоносителем, в частности, относятся теплотрубные теплообменники (рис. 1.1,д), в которых теплота от на­гретых сред и тел передается холодным в процессе циркуляции попе­ременно испаряющегося в области высоких температур и конденсиру­ющегося в холодной области промежуточного теплоносителя, заключен ного в герметичные трубы, часть наружной поверхности которых поме­щена в нагретую среду или омывается ею, а другая их часть омывается охлаждающей средой. На рис.1.1 ,е показаны теплообменные аппа­раты с промежуточным твердым сыпучим теплоносителем, не меняю­щим агрегатного состояния. Условия работы промежуточного теплоно­сителя во многом совпадают с условиями работы вращающихся по­верхностей нагрева регенеративных теплообменников непрерывного действия.

Если участвующие в тепломассообмене горячая и холодная среды перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направ­лении, тепломассообменный аппарат называют прямоточным, при встречном движении теплоносителей и сред — противоточным, а при перекрестном движении — перекрестноточным. Перечисленные схемы движения теплоносителей и сред в аппаратах называют простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из потоков по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей и сред.

Путь, пройденный теплоносителем в тепломассообменном аппарате без изменения-направления движения, называют ходом. Тепломассообменные аппараты, в которых какой-либо из потоков меняет направление 1, 2, 3, ..., п раз, называют соответственно двух-, трех-, четырех-

и (n+1) -ходовыми аппаратами по данному теплоносителю или среде.

Если обмен теплотой и массой в аппарате происходит между двумя потоками, то его называют двухпоточным, при трех потоках — трехпо-точным и т. д.