5. Регенеративні та контактні теплообмінники

Регенеративні теплообмінники

Типові контактні апарати з фіксованою поверхнею теплообміну відносяться до групи регенеративних теплообмінників і представляють собою вертикальний циліндричний апарат, в якому поверхня теплообміну утворена насадкою, яка поперемінно омивається різними теплоносіями. Спочатку насадка розігрівається нагрітим теплоносієм. При цьому теплоносій, нагріваючи насадку і віддаючи тепло, сам охолоджується. Потім через певний час потік гарячого теплоносія перемикається на інший регенератор, а в насадку подається потік холодного теплоносія, який при цьому нагрівається. Насадка, віддаючи накопичене тепло, при цьому охолоджується. Процес теплообміну в регенеративних теплообмінниках проходить одночасно в двох апаратах, що автоматично перемикаються: тоді як в одному з них йде охолоджування насадки холодним потоком газу, у іншому відбувається нагрівання насадки теплим потоком газу. Охолоджуваним потоком газу в регенераторах є стислий і осушений газ (повітря).

У регенеративних теплообмінниках використовують насадки з великою теплоємністю і високорозвиненою питомою поверхнею. Для цього використовують кам'яну насадку з роздробленого базальту або металеву насадку з тонкостінних алюмінієвих гофрованих стрічок завтовшки 0,5 мм і заввишки 50 мм.

На рис. 26,а показаний регенератор з алюмінієвою дисковою насадкою і з відведенням петлевого потоку газу (азоту або повітря).

Рис. 26 – Теплообмінник-регенератор з алюмінієвою дисковою насадкою:

1 – корпус; 2, 5, 7, 9 – решітки; 3 – гвинт натискний; 4 – насадка;

6 – колектор; 8 – базальт дроблений; 10 - опора

Апарат має циліндричний корпус 1 з верхньою і нижньою кришками. У нижній частині корпусу встановлена решітка 7, на яку укладають диски (галети) насадки. Корпус, кришка і днище регенератора виготовлені з нержавіючої сталі. Апарат працює в діапазоні температур мінус 60 плюс 130°С під тиском 0,6 МПа.

Диск насадки (галета) (див. рис. 26,б) навивається з двох разом складених гофрованих стрічок, що мають протилежне направлення нахилу гофрів і два ряди подовжніх прорізів - просічень. Крок рифлення і висота гофри різні в дисків, що укладаються по висоті регенератора: у верхній (теплій) зоні апарату крок рифлення 4,7 мм і висота гофри 2 мм; у середній зоні крок 3,9 мм і висота 1,5-1,66 мм; у нижній (холодній) зоні 3,14 і 1,0-1,2 мм відповідно. Із зменшенням кроку рифлення зменшується також вільний об'єм насадки: для верхньої зони ε=0,745, для середньої ε=0,695, для нижньої ε = 0,58.

Питома поверхня таких насадок складає для верхньої зони 1070, для середньої зони 1320 і для нижньої зони 1790 м²/м³.

Контактні (змішувальні) теплообмінники

Контактними називають теплообмінники, в яких теплообмін між різними теплоносіями, що в основному знаходяться в різному фазовому стані, здійснюється безпосередньо в результаті їх безпосереднього стикання (контакту). Для збільшення поверхні контакту фаз - поверхні теплообміну - один з теплоносіїв знаходиться у диспергованому стані, або такий стан заздалегідь організовується шляхом диспергування рідкої фази різними розпилювачами або розподільними пристроями.

Використання контактних теплообмінників дозволяє значно понизити витрату металів і інших дефіцитних матеріалів, капітальні і експлуатаційні витрати, підвищити надійність устаткування.

Контактні теплообмінники призначені:

- для нагріву води гарячими димовими газами;

- для охолоджування рідин (переважно повітрям);

- для охолоджування розплавів з метою їх кристалізації і одержання гранульованого продукту;

- для нагріву зернистих матеріалів топковими газами і використання зернистого шару часток в якості проміжного теплоносія.

Контактні теплообмінники використовують для концентрації (випаровування) агресивних розчинів продуктами згорання газу, при конденсації сокової пари з метою утилізації тепла. У контактних теплообмінниках теплові процеси можуть протікати як без зміни агрегатного стану теплоносіїв (при нагріванні і охолоджуванні в системах газ - рідина, газ - тверде, рідина - тверде), так і з його зміною (при випаровуванні, конденсації, кристалізації).

Контактні теплообмінники можуть мати фіксовану поверхню фазового контакту (наприклад, в насадкових апаратах), або поверхню, що утворюється в процесі роботи (наприклад, в барботажних і розпилювальних апаратах).

Контактні теплообмінники складаються з наступних основних конструктивних елементів і пристроїв: корпусу (кожуха), пристроїв, що забезпечують створення поверхні контакту фаз, робочого об'єму апарату, в якому забезпечується протікання процесу теплообміну, а також пристроїв, які забезпечують підведення і відведення теплоносіїв (насосів, газодувок).

Розгледимо принципові схеми пристрою апаратів з фіксованою поверхнею фазового контакту, що утворюється в процесі роботи.

Контактні теплообмінники типу «газ - рідина» переважно виконуються у вигляді вертикальних колонних апаратів - градирен - безнасадкового типу або заповнених насадкою.

Контактні охолоджувачі нагрітої води використовуються в системах оборотного водопостачання промислових підприємств і виконуються у вигляді градирен відкритого або закритою типу.

Конструкція градирні є баштою гиперболоідної форми з вузькою горловиною, розташованою вгорі. Усередині градирні на решітках розташовані шари вільно насипаної або регулярно укладеної насадки. Нагрітий теплоносій – вода - подається насосами на верх башти, рівномірно розподіляється по перетину башти і стікає вниз по поверхні насадки в плівковому режимі. Холодний теплоносій - атмосферне повітря - поступає в нижню частину башти і під впливом природної тяги рухається вгору із швидкістю 3-5 м/с. При цьому відбувається охолодження води як за рахунок конвекції, так і за рахунок часткової її випаровування. Охолоджена вода збирається в басейні під градирнею і насосами подається в теплові установки. Для зменшення бризкоунесення вгорі башти-градирні встановлюють жалюзійні бризкоуловлювачі.

Застосовують також безнасадкові градирні, в яких вода стікає зверху вниз у вигляді струменів і крапель, контактуючи з природним потоком повітря, проте знімання тепла в таких градирнях менше, ніж в насадкових градирнях. У звичайних крапельно-струминних градирнях питоме знімання тепла складає 0,7 - 12 кВт на 1 м² перетину градирні.

Охолоджувальний ефект в градирнях значно збільшується при примусовому русі повітря, який утворюється за рахунок використання нагнітальних або витяжних вентиляторів. В цьому випадку значно зменшується загальна висота градирен або можуть використовуватися декілька секцій горизонтальних градирен.

Різниця температур гарячої і охолодженої води (ширина зони охолодження) в разі примусової повітряної тяги збільшується і може регулюватися з врахуванням температури повітря, пори року, кількості включених в роботу нагнітальних вентиляторів.

Нагнітальні вентилятори в кількості декількох штук доцільно встановлювати внизу в основі градирні для зручності обслуговування і для відключення частини вентиляторів в холодну пору року з врахуванням температури атмосферного повітря. Крім того, при такій установці вентилятор не піддається впливу зволоженого повітря, що спостерігається для вентилятора, встановленого нагорі градирні.

Контактні конденсатори. На деяких хімічних і енергетичних установках часто виникає необхідність конденсувати великі об'єми водяної пари низького тиску. Для цього широко використовують контактні конденсатори. Зазвичай контактні конденсатори набагато простіше і дешевше за поверхневі конденсатори, в яких теплоносії розділені стінкою - теплообмінною поверхнею.

Серед багатьох типів контактних конденсаторів набули поширення полкові, тарілчасті, форсункові і насадкові конденсатори змішення (див. рис. 27), в яких в якості холодного теплоносія використовують воду.

Рис. 27 – Конденсатори контактні протитечійні

а – з сегментними полками; б – з кільцевим полками; в – розпилюючий (форсунковий); г – плівковий; д – насадковий

Потоки: А – пара водяна; Б – вода холодна; В – суміш води з конденсатом;

Г – парогазова суміш

1 – корпус; 2 – полка сегментна; 3 – полка кільцева; 4 – полка тарілчаста;

5 – труба з форсунками; 6 – бризкоуловлювач; 7 – жолоб розподільчий;

8 – насадка листова; 9 – труба розподільча; 10 – насадка керамічна

Протитечійний контактний конденсатор представляє собою вертикальну колону з кришкою і днищем, в якій холодний теплоносій подається зверху і диспергується на краплі і струмені за допомогою спеціальних пристроїв - механічних або пневматичних форсунок–розпилювачів в потоці водяної пари, що подається знизу. В результаті диспергування води значно збільшується поверхня контакту фаз. При контакті крапель води з парою відбувається конденсація пари. При цьому в результаті конденсації різко зменшується об'єм пари і в апараті створюється розрідження. Суміш конденсату і води виводиться знизу спеціальним насосом, і подається на подальше використання. Не сконденсовані гази відсмоктуються зверху колони вакуумом або за допомогою парового ежектора.

Рух рідини і пари в конденсаторах може бути прямотечійним, протитечійним і перехрестнотечійним. Течія рідини може бути струмінева, краплинна, крапельно-струмінева, плівкова і змішана. Оцінка швидкості теплообміну між парою і рідиною в таких конденсаторах утруднена, тому при розрахунку конденсаторів змішення користуються даними промислових випробувань.

У конденсаторах полкового типу з перфорованими сегментними або кільцевими тарілками (див. рис. 27 а, б) вода частково проливається через отвори тарілки у вигляді крапель і струменів, а частково переливається через переливний поріг тарілки у вигляді плівкової завіси. При невеликому числі полок (зазвичай 6-8 штук) і порівняно невеликих розмірах апарату відбувається практично повна конденсація пари.

У конденсаторах форсункового типу (рис. 27 в) вода диспергується на дрібні краплі за допомогою форсунок.

У апаратах плівкового типу (рис. 27 г, д) вода стікає у вигляді плівки по поверхні листової або кускової насадки - інертних твердих тіл спеціальної форми, що мають високорозвинену питому поверхню.

Вакуум в апараті підтримується за допомогою вакуум-насосу і барометричної труби, приєднаної знизу апарату і заглибленої у барометричний ящик. Завдяки наявності барометричної труби суміш конденсату і води видаляється з апарату самопливом.