4. Тепловое излучение газов и паров

В отличие от твердых тел и жидкостей газы (пары) не имеют непрерывного спектра излучения. Одно- и двухатомные газы яв­ляются практически диатермичными; способностью теплоизлу­чения и теплопоглощения в ограниченных диапазонах длин волн обладают лишь трех- и многоатомные газы и пары (СО*, Н,,О_г S0₂, NH₃ и др.). Ширина диапазона для каждого газа различна и зависит от температуры и давления, т. е. от числа молекул на пути луча (при данном давлении р — от длины луча /). Интен­сивности излучения газа при длине волны. X до входа в слой газа толщиной/ (обозначим через /*,„) и после прохода через этот слой ihi) связаны экспоненциальной зависимостью: Ixi = ft^e'¹"*-¹, где тх —характеристическая константа для данного газа, его парциального давления р и длины волны X.

Для практических расчетов лучистого теплообмена между тазовой средой с температурой Т_т и поверхностью твердого тела с температурой Т_с используют степени черноты газа е_г и твердого тела е_с. Тогда тепловой поток можно выразить в соответствии с законом Стефана—Больцмана:

(МвА/Лее + егО-всШ [(Т_г/№)*-(Т_с/№)*] (V1.77)

Значения е_г, зависящие для каждого газа от толщины его слоя (длины луча /), парциального давления (р) и температуры (Т_т), определяются опытным путем; они приводятся в справочниках и монографиях по теплопередаче.

5. Коэффициент теплоотдачи излучением

В химической технике нередко встречаются сложные процессы теплообмена, когда передача тепла происходит одновременно излучением и конвекцией. В таких случаях удобно оперировать коэффициентом теплоотдачи излучением: а_л = Q/[(T'₁ — Т₂) F], где величина Q определяется по одному из выражений (VI.73) — (VI.77). Суммарный коэффициент тепло­отдачи от нагретого потока к холодному выразится так: а = = а_л -4- а_к> ^гД^{е а}к — коэффициент конвектив­ной теплоотдачи.

Л. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ПЛОСКИЕ, ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ И СФЕРИЧЕСКИЕ СТЕНКИ ПРИ УСТАНОВИВШЕМСЯ ПРОЦЕССЕ

Теплопередачей, как уже отмечалось, называется процесс перехода тепла от нагретой жидкости (газа, пара) к хо­лодной через разделяющую их твердую стенку. При этом количе­ство передаваемого тепла может оставаться постоянным или изме­няться во времени. В первом случае процесс теплопередачи назы­вается установившимся, а во втором — неустано­вившимся. Те и другие процессы совершаются в результате совокупного действия теплопроводности и конвекции, а в ряде случаев — также и лучеиспускания.

Представим себе плоскую стенку с поверхностью F м², тол­щиной s м из материала с коэффициентом теплопроводности X Вт/(м-К) (рис. VI-11, а). Если стенка омывается слева потоком нагретой жидкости с температурой t_r = const, а справа холодной жидкостью с температурой t_x = const, то в результате теплообмена

между жидкостями на ограничивающих поверхностях стенки установятся некоторые постоянные температуры в, и 0₂, причем

t_r > QiA > в; и в; > t_x.

При установившемся процессе теплообмена через стенку в единицу времени проходит количество тепла Q, которое она воспринимает от нагретой среды (коэффициент теплоотдачи а_х) и

отдает холодной среде (ко­эффициент теплоотдачи а₂), поэтому

Q = a_LF (r_p —в,) =

Рис. V1-11. К выводу уравнений (VI.78) и (VI.78, а):

а — однослойная плоская стенка; б — многослойная плоская стенка.

= (K/s) (Q₁-e[)F = a_tF(e'₁-t_%)

Из написанных уравнений следует: t_T — 0_Х = Q/a^F; 0_t — — 0₂ = Q IXF; в[ — t_x = Q/a₂F. Складывая последние уравнения по частям и решая вновь полученное уравнение, находим:

Q = [1/(1/^ + s/X + l/a,)' F (t_P - t_x) = KF (t_r - t_s) (VI.78)

Величина К = l/(l/ai +sA + l/cc₂) называется коэффи­циентом теплопередачи. При F — 1 м² и /_г — t_x — = 1 К тепловой поток Q = К Вт/(м²К.)- Таким образом, коэф­фициент теплопередачи, выражаясь в тех же единицах измерения, что и коэффициент теплоотдачи, характеризует количество тепла, передаваемого в единицу времени через 1 м² поверхности плоской стенки от нагретой среды к холодной при разности их темпе­ратур 1 К-

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопе- редаче: \1К = 1/ai -f-sA, + 1/а₂. Легко видеть, что в случае многослойной плоской стенки (рис. VI-11, б) термическое сопро- тивление теплопередаче будет: \1К = 1/ai + sjK + s JK + %Ач + 4 V l/a₂, откуда

В случае однослойной цилиндрической стенки длиной I (рис. VI-12, а) количество тепла, передаваемого в единицу вре­мени, может быть выражено с помощью уравнений (VI.2) и (VI.6): Q = 2nV«, (<_г — 6j) = 2я/ [А./1П (г^)] (9_t — 6₂) = 2яг₂/а₂ (9_a - t_x)

Решая, как и в предыдущем случае, последние уравнения относительно разностей температур и складывая их по частям,

Рис. VI-12. К выводу уравнений (VI.7») и (VI.79, а):

а — однослойная цилиндрическая стенка; б •» многослойная цилиндрическая стенка

получаем: t_r — /_х = (Q/2n/) [1/а_Л + (Щ In (г₂/г_х) + 1/а₂г₂], откуда

Q = 12л/ «_р - <_х)]/[1/вЛ + OA) In (Vi) + 1/<VJ (VI.79)

Для многослойной цилиндрической стенки (рис. VI-12, б), как легко видеть, находим:

Q =

2я/ (<_г-<,)

(VI.79а)

+ h/h + h/K + ^saAa H Ь l/«2 1/Й! + £ ^S/^X + ¹/^a2

(VI.78a)

Зная величины а_ъ a₂ и К, можно определить температуры ограничивающих поверхностей однослойной и многослойной сте­нок. В самом деле, имеем a_t (U — 0i) = а₂ (0₂ — Q = К (/, — Q, откуда

к К (VI.786)

e₁ = fr--7-(<r-<x) и e₂ = t_x + ^-(t_r-t_x)

Температуры ограничивающих поверхностей цилиндрической стенки выразятся так:

е₂ = *х + (<_Р-у/[1+^ in -^- + —]

Изложенным методом, основываясь на уравнениях (VI.2) и (VI.8), находим количество тепла, передаваемого в единицу

313

в

Рис. VI-13. Экранно-вакуумиая (альфолевая) изоляция:

/ — защитный кожух; 2 — алюминиевая фольга; 3 — дистанционные кольца; 4 — тру­бопровод.

плоской стенки может быть определена по уравнениям (VI.78а) и (VI.786). Так, в случае однослойной изоляции с коэффициентом теплопроводности А._н3 толщина слоя s_H3, необходимая для обеспе­чения внешней температуры изолирующего слоя 6₂, выразится так:

s_H3 = Кз W_T - г_х)/а₂ (9₂ - t_x) - (1/а, + s/K + 1/а₂)]

Аналогично для многослойной изоляции (толщины слоев s'„₃, ; коэффициенты теплопроводности Я_из, А.„_э, А._иэ, ...)

получим:

п

£ «изАиз = (<г - <х)/[а₂ (% - **)] — + sA + t/«₂)

ремени через сферическую стенку внешним (г_г) и внутренним (г,) радиусами:

«-'^fc*-"'/[^r⁺Ti"V⁺-5rJ 9, = t_t

М. ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

Для понижения потерь тепла (или холода) в окружающую среду и обеспечения нормальных санитарных условий в произ­водственных помещениях наружные поверхности горячих (или сильно охлажденных) стенок аппаратов и трубопроводов покры­вают одним или несколькими слоями теплоизоляцион­ных материалов, обладающих низкими коэффициентами теплопроводности [обычно ниже 0,2 Вт/(м-К)]. Ассортимент теплоизолирующих материалов весьма обширен: дерево, пробка, асбест, шлаковая вата, зонолит (прокаленный сорт слюды — вермикулита), асбозурит, асбослюда (смесь асбеста и слюды), совеяит и др. Применяют также смеси различных материалов. Физические свойства распространенных теплоизолирующих ма­териалов (плотность, теплоемкость, теплопроводность) приведены в технических справочниках и специальных курсах теплопере­дачи.

Коэффициенты теплопроводности изолирующих материалов уменьшаются с ростом их пористости (за счет низкой теплопро­водности воздуха, содержащегося в порах), но возрастают с уве­личением их влажности. Защита гигроскопических изолирующих материалов от увлажнения достигается на практике при помощи влагонепроницаемых покрытий (окраска, обшивка металлической фольгой, пластиками и т. п.).

При умеренных температурах изолируемых поверхностей чаще всего обходятся нанесением на них одного слоя теплоизолиру­ющего материала. Высоконагретые стенки аппаратов и трубо­проводов покрываются несколькими последовательными слоями в порядке убывания допускаемой ими температуры. Эффективным теплоизолирующим средством являются герметичные воздушные прослойки, особенно вакуумированные, благодаря их низкому эффективному коэффициенту теплопроводности [см. уравнения (VI.6) и (VI.9)]. Для уменьшения притока тепла через конвекцию и излучение извне в аппараты и трубопроводы, работающие при температурах ниже окружающей среды (установки умеренного

и глубокого охлаждения), применяют экранно-вакуум-ную (альфолевую) изоляцию (рис. VI-13). Пос­ледняя состоит из ряда близко расположенных тонкостенных соосных цилиндров, изготовляемых из алюминиевой фольги и образующих тонкие герметичные вакуумированные прослойки. Низкая теплопроводность последних резко уменьшает конвектив­ный перенос тепла, а алюминие­вые цилиндры играют роль экра­нов, понижающих интенсивность лучистого теплообмена.

Требуемая толщина однослой­ной или многослойной изоляции

Дифференцируя последнее уравнение по г₂ и приравнивая производную нулю, получаем: (г₂)_кр = А,_иэ/а₂.

Легко видеть, что функция Q = f (г₂) имеет максимум при П — KJ^iV,m

^a2> т. е. при данном радиусе изолированного цилиндра потери тепла в окружающую среду становятся максимальными; радиус л₂ называется критическим радиусом слоя изоляции (r₂)_Kp. Очевидно, для уменьшения потерь тепла необ­ходимо, чтобы радиус изолированного цилиндра г₂ был бы больше (^гг)«р, зависящего в свою очередь от качества изоляции (А._иэ) и коэффициента теплоотдачи а₂. Заметим, что при всех условиях слой изоляции с радиусом т ниже (г₂)_ир своего назначения не оправ­дывает, поскольку в диапазоне от г' до (г₂)_кр потери тепла растут.

Н. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ РЕБРИСТЫЕ СТЕНКИ

Для увеличения теплового потока через стенку, разделяющую нагретый (температура t_r) и холодный (температура t_x) потоки, часто прибегают к оребрению поверхности этой стенки со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи. Трубы могут иметь поперечные (чаще всего круговые) или продольные ребра, идущие по ее образующим; реже применяются игольчатые ребра — в виде небольших пирамид или конусов, опирающихся большим основа­нием на наружную поверхность трубы. Ребра могут быть отлиты заодно с трубой, приварены или припаяны к ней.

Если ребристая поверхность омывается холодным потоком, то температура ребра падает по мере его удаления от горячей наружной поверхности трубы. При этом снижается разность между температурами поверхности ребра и омывающего ее хо­лодного потока; соответственно уменьшаются тепловой поток и, следовательно, эффективность оребрения при одновременном воз­растании расхода металла. В связи с этим высота ребра, его форма и расстояние между соседними ребрами обычно диктуются усло­виями окупаемости затрачиваемого металла, достигаемыми изме­нением теплового потока.

Имеющиеся математические расчеты температурного поля оребренной поверхности и ее оптимальных геометрических разме­ров очень громоздки, неудобны для прикладных расчетов и, кроме того, базируются на упрощающих допущениях. По этим причинам мы остановимся на более простых методах расчета, удовлетворяющих, однако, инженерной практике.

Рассмотрим плоскую ребристую стенку (рис. VI-14, а) задан­ных геометрических размеров, омываемую со стороны гладкой поверхности нагретым потоком с температурой t_r, а со стороны оребрениой — холодным потоком с температурой t_x. Примем, что коэффициенты теплоотдачи со стороны гладкой и ребристой внеш­них поверхностей постоянны и соответственно равны оц. и а_р, причем а_р < а_г. Тепловой поток от оребренной стенки слагается из количеств тепла, передаваемых ее гладкой (поверхность F_r) и ребристой (поверхность F_p) частями: Q = Q_r + Q_p. Если тем­пература наружной поверхности гладкой части (у основания ребер) равна 6.₂, то Q_r = <х_г(8₂ — t_x) F'_r.

Для определения Q_p вводят понятие о коэффициенте эффективности оребрения е, выражающем отношение истинного теплового потока от поверхности ребер (с падающей

а б

Рис. VI-14. Оребреииые поверхности теплообмена:

о — плоская стенка с ребрами постоянной толщины; б — цилиндрическая поверхность с поперечными круглыми ребрами постоянной толщины; в — вспомогательный графин для расчетов по формуле (VI.84).

температурой по высоте ребра) к тепловому потоку в случае, если бы все ребро имело температуру наружной гладкой поверх­ности б₂; тогда

Q = а_г (в₂ - t_x) F'_T + а_ре (в₂ - t_x) F_p = а_пр (В₂ - t_%) F_p (a)

Здесь F_p — полная поверхность оребренной стенки, а а_пр — ее приведенный (усредненный) коэффициент теплоотдачи, опре­деляемый из уравнения (а):

«„p=K^f;+%^fi)/^ (б)

Если толщина стенки равна s, а ее коэффициент теплопровод­ности составляет Я, то передачу тепла через рассматриваемую пло­скую оребренную стенку можно выразить уравнениями;

Q = _Й1 (t_r - в,) F, = (Xys) (В, - в,) F_t = а_пр (в, - <_х) F_p

причем <%! — коэффициент теплоотдачи от горячего потока к вну­тренней (неоребренной) поверхности с температурой 6, и F, — площадь этой поверхности.

Решая приведенные уравнения относительно разностей тем­ператур <i_r — 6,), (0, — 62) и (0₂ — 4) и складывая их, находим:

Q = (*г - <x)/{l/«ifi + sAF, + l/o^pFp) (VI.81)

Если отнести тепловой поток ко всей оребренной поверхности, то получим:

0= [('г — fx) FpV(Fр/«Л + fpsAF, + 1/«пр) (VI .81а)

Тепловой поток иногда относят к гладкой поверхности плиты F_lt тогда

Q = we ~ *«) шш1 + «А + Fi/«npf_р) (VI.816)

Коэффициент эффективности оребрения для плиты с ребрами постоянной толщины s_x и высотой h определяется по формуле:

8 = [th (l/s, V Bl)]/(A/s, K2Bi) (VI .82)

причем Bi = apSj/A,.

Выше уже отмечалось, что температура поверхности ребра изменяется по высоте (в нашем случае — падает) от 0₂ в его осно­вании до 0₃ в его вершине. Отношение этих температур можно с достаточным приближением принять равным:

е₃/9₂ = ch [А Уа^йЩ] (V1.83)

где и = 2 (s,+ ft) — периметр сечения ребра; /= s,ft — площадь поперечного сечения ребра.

Цилиндрические поверхности обычно снабжаются попереч­ными круглыми ребрами постоянной толщины Sj (рис. VI-14,6), Количество тепла, передаваемого поверхностью одного круглого ребра F' можно с достаточным приближением рассчитать по упрощенной формуле:

Qi = 8,F'_9n (VI.84)

где значения е, = / (9₃/9₂, r₂lri) приведены на графике (рис. VI-14, в); д_а — коли­чество тепла, передаваемого в единицу времени 1 м² поверхности прямого ребра длиной 1 м, которое имеет ту же толщину %, что и круглое ребро.

Падение температуры по высоте ребра указывает на соответ­ственное уменьшение плотности теплового потока. Для обеспе­чения постоянства последнего по всему поперечному сечению ребра напрашивается плавное уменьшение его толщины по на­правлению от основания к вершине. Легко видеть, что в этом случае будет достигнут минимальный вес оребренной поверхности при заданном количестве передаваемого тепла. Теоретический анализ показал, что оптимальным является сечение ребра, огра­ниченное двумя параболами. Стремление приблизиться к этой оптимальней форме, сильно усложняющей технологию изготов­ления оребреняых поверхностей, привело к применению ребер трапециевидного и треугольного сечений (рис. VI-15,о).

Для расчета часового количества тепла Q{, передаваемого поверхностью прямого ребра трапециевидного и треугольного сечений F" пользуются на практике упрощенной формулой типа (VI.84): Q = e₂F"<?_n* где q'„ — удельный тепловой поток прямо­угольного ребра, длина, высота и толщина которого равны длине, высоте и средней толщине ребра переменного сечения; е₂ =

6

Рис. VI-15. Прямые ребра трапециевидного и треугольного сечеиий:

а — форма ребер переменного сечения; б — вспомогательный график для расчетов по формуле (VI.85).

— f (s Jsi, 6₃/'9₂) — поправочный коэффициент, определяемый по графику (рис. VI-15, б). На последнем линия s₂/sj = 1 соответ­ствует ребру постоянного сечения, линия s _i/s_l = 0 — ребру треугольного сечения.

О. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Нестационарными называются процессы теплопро­водности, характеризующиеся изменением температуры тела не только в пространстве (от точки к точке), но и во времени: Q =

— / (х, У, 2, т). Нестационарные процессы теплопроводности встречаются в химической технологии в случае нагревания или охлаждения твердых тел различной формы при их непосредствен­ном контакте с горячими или холодными потоками жидкостей или газов. Если, например, нагретое твердое тело вводится в хо­лодный поток жидкости (газа), то в результате теплообмена сначала охлаждаются поверхностные слои тела, но с течением времени процесс охлаждения проникает в глубь тела. Между точками на поверхности тела и в его центре создается разность температур, которая с течением времени уменьшается, достигая нуля в момент, когда температура во всех точках тела выравни­вается и становится равной температуре омывающего потока. В этот момент теплообмен прекращается, т. е. наступает тепловое равновесие.

В ивжеиер'ной практике задачи нестационарной теплопровод­ности сводятся к определению температурного поля твердого тела

Д

(VI .3)

ля решения уравнения (VI.3) необходимо задать краевые

условия: а) начальное распределение температуры в теле;

б) действие окружающей среды (потока) на поверхность тела.

Первое условие выражается зависимостью: 0 = f_t (х, у, г, 0).

При равномерном распределении температуры тела в начальный

момент времени: 0 = / _х (х, у, г, 0) = 9₀.

Второе краевое условие может быть задано тремя способами: распределением температуры на поверхности тела 0_П в любой

момент времени т (граничное условие 1-го рода): 0_П = /₂ (х,

У, г, т);

распределением плотности теплового потока по поверхности тела <?п во времени (граничное условие 2-го рода): q_a — f_a (х, У, г, т);

распределением температуры окружающей среды t (омыва­ющего потока) и коэффициентом теплоотдачи а от поверхности

тела к этой среде (граничные условия 3-го рода): —

= а (0 — t).

Решение задачи значительно упрощается, если тепловой поток, как это часто бывает на практике, является одномерным (напри­мер, передача тепла происходит только в направлении оси х).

В случае плиты неограниченной протяженности, но конечной

толщины 2s температурное поле можно считать одномерным.

Для такой плиты с начальной равномерной температурой 0_О,

введенной в среду жидкости (газа) с температурой /, уравнение

_Лм о_Ч „5(9 — 0 д² (9 — t) U

(VI.3) принимает следующий вид: ^v ^ ' =а—^v^₃ При этом

краевые условия будут: — ^д ^ ~ ^ = -у- (0 — t) при х = ±s:

0 — / = 0_О — t при т = 0.

Для сплошного цилиндра с радиусом сечения R и неограни­ченной длины уравнение (VI.3) удобно записать в цилиндриче­ских координатах:

д (9 — Q rd²(9-Q 1 а (9 — 0 02(9 — 0] дх ° [ dr* ⁺ г ' dr ⁺ dr* J

Краевые условия: — ^д ^~ ^ = -?-(9 —г) при г = /? и 0 — / =

= 0_О — / при т = 0.

Применительно к сплошному шару с радиусом R и равномер­ной температурой 0_О, введенному в среду жидкости (газа) с тем-

320

пературой/, удобно воспользоваться уравнением (VI.3), написан­ным в сферических координатах:

3(6-0 __я Гдче-О 2 d(9-Qi дх I дг* г dr J

Краевые условия: — ^д ^~ ^ = — _при г ==/•„; 0 — I *=

= 0_О — / при т = 0.

Решение приведенных уравнений выходит за рамки нашей дисциплины и излагается в специальных курсах теплопередачи.

П. РЕГУЛЯРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ

Нестационарный процесс нагревания или охлаждения твердого тела с любым начальным распределением температур при отсут­ствии внутренних источников тепла, постоянстве температуры окружающей среды t и коэффициента теплоотдачи а может быть разделен во времени на два периода. В первом периоде, носящем название неупорядоченного, скорость изменения тем­пературы внутри тела зависит от вида ее начального распределе­ния. Во втором периоде, получившем название регулярного режима, влияние начального распределения температуры становится несущественным и .процесс определяется условиями теплообмена на границе тело—среда, физическими свойствами, геометрической формой и размерами тела. Для этого периода характерна линейная зависимость:

In (9 — 0= — тх-\- С или 9 — г = Ce^_mx (VI.85)

Величина т называется темпом охлаждения. За­метим, что темп охлаждения является постоянной величиной для всех точек тела, т. е. не зависит от их координат и времени, а за­висит лишь от интенсивности теплообмена тела с окружающей средой, его физических свойств, геометрической формы и раз­меров. Для нахождения т достаточно измерить температуры тела 0' и 0" в произвольной точке тела в два фиксированных мо­мента времени Т] и т.:

т = [In (9' — 0 — In (9" — 0]/(т₂ — Tj) = const Г. М. Кондратьевым, открывшим основные закономерности регулярного режима, было найдено:

m = [(e-t)_a/(Q-t)₀](aF/c_pV)=y(aF/c_pV) (VI.86)

Здесь (0 — Оп ^и (б — Оо — средние перепады температур по поверхности и объему тела; F к V — поверхность и объем тела; е_р — удельная объемная теплоемкость тела. Величина ^ назы­вается коэффициентом неравномерности рас­пределения температуры в теле; она зависит для данного тела от условий теплообмена между его поверхностью и окружающей средой, т.е. от критерия Bi.

II Н. И. Гельперии 321

Легко видеть, что при а -> 0 или Bi -* 0 (практически Bi < <0,1) распределение температуры в теле будет зависеть лишь от его размеров и физических свойств, поэтому (0 — t)_a = (0 — Оо и op = 1. При а -* оо или Bi -> со (практически Bi > 100) бла­годаря большой интенсивности внешнего теплообмена темпера­тура на поверхности стремится к температуре окружающей среды, (0 — t) -* 0 и гр = 0. Г. М. Кондратьевым было показано, что в этом случае между темпом охлаждения т_х и температуропровод­ностью тела а существует следующее соотношение:

Г лава VI1

Теплообменные аппараты

а =			(VI.87)
Коэффициент С зависит только от геометрической формы и раз­меров тела. Аналитическим путем были найдены выражения для С, приведенные в следующей таблице:
Форма поверхности	Выражения для С
Неограниченная пластина толщиной 2s
Шар радиусом R			(4)'
Параллелепипед со сторонами blt Ьг н ь3
Цилиндр радиусом R и длиной /			№)'+(т)'

При помощи уравнения (VI.87) и приведенной таблицы можно по экспериментально найденным температурам в' и 0" в произ­вольной точке тела определить коэффициент его температуро­проводности а. Зная величину m [выражение (VI.86) ], можно найти коэффициент теплоотдачи и скорость нагревания или охлаждения тела в среде известной температуры.

А. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Теплообменными аппаратами, или тепло­обменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппа­раты применяются для нагревания и охлаждения веществ в раз­личных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конден­сации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д. Соответственно своему назначению теплообменные аппараты на­зывают подогревателями, холодильниками, испарителями, кон­денсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т. п.

По способу передачи тепла различают теплообменные аппараты поверхностные и смесительные. В первом случае передача тепла происходит через разделяющие твердые стенки, во втором — непосредственным контактом (смешением) нагретых и холодных сред (жидкостей, газов, твердых веществ). Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от горячих теплоносителей к холодным передается через разде­ляющую их стенку, поверхность которой называется тепло-обменной поверхностью, или поверхностью нагрева. В регенеративных аппаратах оба тепло­носителя попеременно соприкасаются с одной и той же стенкой, нагревающейся (аккумулируя тепло) при прохождении горячего потока и охлаждающейся (отдавая аккумулированное тепло) при последующем прохождении холодного потока. Регенераторы яв­ляются аппаратами периодического действия, рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах. Классификацию теплообменных аппаратов по конструктивному признаку мы рассмотрим ниже параллельно с описанием их устройств.

Б. РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Основные типы аппаратов. Простейшим теплообменным уст­ройством являются нагревающие или охлажда­ющие рубашки (рис. VII-1), окружающие корпус аппа­рата. В образующемся кольцевом пространстве циркулирует

требуемый теплоноситель (пар, вода и др.). Для интенсификации теплообмена, а также и технологи- ческого процесса такие аппараты часто оборудуются механическими мешалками. В случае высокотем- пературного обогрева аппарат _л_ „ ^- снабжается самостоятельной топ-

/ I |\ кой или размещается в магистраль-

■^=8 и в 8=^ ном газоходе, где омывается по-

Рис. VII-1. Аппараты с теплообменными ру­башками:

/ — аппарат; 2 — рубашка; 3 — штуцеры для входа и выхода теплоносителя; 4 — коль­цевое пространство для теплоносителя.

током горячих газов.

Для обеспечения большей удельной поверхности теплообмена внутри аппаратов размещают одно- или многорядные спиральные змеевики, сохраняя наружную рубашку (рис. VII-2, а).

Рис. VII-2. Аппараты с теплообменными элементами в форме змеевиков:

1 — аппарат; 2 — спиральные змеевики; 3 — рубашка; 4 — винтовая мешалка; 5 ■

топка; 6 — плоский змеевнк.

При высокотемпературном нагреве используют плоские змее­вики, омываемые топочными газами от индивидуальной или груп­повой топки (рис. VII-2, б).

Теплообменные аппараты «т р у б а в трубе» (рис. VI1-3, а) состоят из ряда последовательных элементов, образуемых двумя соосными трубками разных диаметров. Один из теплоносителей движется по внутренней трубке, а второй — в кольцевом про­странстве между наружной поверхностью внутренней трубки и внутренней поверхностью внешней трубки. Элементы соеди­няются между собою калачами, образуя плоский змеевик любой требуемой длины, прямые участки которого имеют рубашки.

Рис. VII-3, Теплообменный аппарат «труба в трубе»:

1 — внутренняя труба; 2 внешняя труба; 3 калач; 4 — соединительный патрубок 5 — сальник.

Внешние трубы соединяются посредством патрубков с фланцами, чем создается длинный путь теплоносителя в кольцевом про­странстве. Благодаря такому способу соединения отдельных эле­ментов аппарат может быть легко демонтирован для очистки по­верхности теплообмена и ремонта.

Кроме жесткого соединения соосных труб каждого элемента (рис. VII-3, б), при необходимости частой чистки всех поверх­ностей применяют разъемное соединение труб (рис. VII-3, в). Наконец, в случае больших разностей температур обоих тепло­носителей разъемное соединение труб осуществляется при помощи сальников (рис. VI1-3, г), обеспечивающих компенсацию терми­ческого расширения.

Д

Рис. VI1-5. Двухходовый кожухо-трубный теплообменный аппарат: / — перегородка; 2 — крышки.

остоинством рассматриваемых теплообменных аппаратов яв ляется возможность создания высоких и даже одинаковых ско ростей обоих теплоносителей и, следовательно, больших коэффи циентов теплоотдачи. К числу их недостатков относятся боли шое гидравлическое сопротивление и значительная металло­емкость.

решетках или приварены к ним в зависимости от свойств кон­струкционных материалов. Чаще всего применяются трубы диа­метрами: 25x2; 38X2; 57X2,5 мм; длина их обычно достигает 6 м. Трубки размещаются в пучке в шахматном порядке, по вер­шинам равностороннего треугольника, с шагом s = (1,25—1,30)<4. где da — наружный диаметр труб. Аппарат снабжен двумя съем­ными крышками со штуце­рами для входа и выхода теплоносителя, движущегося внутри труб. Трубное и меж­трубное пространства разоб­щены. Второй теплоноситель движется в межтрубном про­странстве, снабженном вход­ным и выходным штуцерами. По трубам движется, как правило, тот поток, который содержит взвешенные твер­дые частицы (для удобства чистки), находится под боль­шим давлением (чтобы не утяжелять корпус) или об­ладает агрессивными свой­ствами (для предохранения корпуса от коррозии).

Площадь проходного се­чения межтрубного простран­ства значительно больше (иногда в 2 раза) суммарного живого сечения труб, по­этому при одинаковых объ­емных расходах теплоноси­телей коэффициент теплоот­дачи со стороны межтрубного

Наиболее широкое распространение получили к о ж у х о -трубные теплообменные аппараты (рис. VII-4), используемые для теплообмена между потоками в различных агрегатных со­стояниях (пар—жидкость, жидкость—жидкость, газ—газ, газ-жидкость). Аппарат состоит из пучка труб, помещенного внутри цилиндрического корпуса (обечайки), сваренного из листовой стали, реже — литого. Трубки завальцованы в двух трубных пространства оказывается более низким. Для устранения этого явления прибегают к увеличению скорости теплоносителя путем размещения различных перегородок в межтрубном пространстве. Кожухотрубные аппараты соответственно местным условиям располагаются вертикально или горизонтально; при необходимо­сти удлинения пути теплоносителей они могут соединяться по­следовательно, а при невозможности размещения требуемого числа труб в одном корпусе их соединяют параллельно.

Д

Рис. VII-7. Витой теплообмениый аппарат:

/ — трубы; 2 — наружная обе­чайка; 3, 4 — вход и выход газа высокого давления; 5, 6 — вход й выход газа низкого давления.

никового уплотнения (рис. VII-6, в). Свойством свободного удлинения и доступностью полной очистки отлича­ются «штыковые» теплообменники, или трубки Фильда, схема которых показана на рис. VII-6, г. Они состоят из двух пучков трубок разного диаметра, свободно вставленных один в другой.

В установках глубокого охлаждения широко применяются витые теплообменные аппараты из гладких труб, навитых в несколько слоев на цилиндрический сердечник и закрываемых

ля удлинения пути теплоносителей с целью увеличения их скорости и интенсификации теплообмена используют много­ходовые аппараты. Так, в двухходовом аппарате (рис. VI1-5) благодаря перегородке / в верхней крышке 2 тепло­носитель проходит сначала по трубам лишь через половину пучка и в обратном направлении — через вторую половину пучка.

Рис. VI 1-е. Теплообменные аппараты с устройствами для компенсации температурных напряжений:

а — аппарат с линзовым компенсатором; 6 — аппарат с плавающей головкой; в — аппарат с сальниковым компенсатором на штуцере плавающей головки; г — аппарат с трубками Фильда? 1 — линзовый компенсатор; 2 — плавающая головка; 3 ^- саль, инковый компенсатор.

Второй теплоноситель движется в межтрубном пространстве, где для удлинения его пути предусмотрены сегментные перего­родки. Применяются также трех- и шестиходовые теплообменные аппараты.

Рассмотренные кожухотрубные теплообменные аппараты (рис. VI1-4 и VI1-5), характеризующиеся жестким креплением корпуса и трубного пучка, применимы при небольших разностях температур обоих теплоносителей. В этом случае термические на­пряжения, возникающие вследствие различного продольного удлинения корпуса и труб, воспринимаются без опасных дефор­маций (обычно при изготовлении слегка прогибаются трубы). При больших разностях температур потоков в трубах и межтруб­ном пространстве аппараты снабжаются компенсиру­

ющими устройствами. Простейшим среди них является линзовый компенсатор на корпусе аппарата (рис. V1I-6, а), позволяющий трубному пучку удлиняться в опре­деленных пределах без остаточных деформаций; такие компен­саторы, однако, возможны при низких давлениях в межтрубном пространстве (чаще всего не более 1 МПа).

Практически неограни­ченной компенсацией тем­пературных удлинений от­личаются аппараты с пла-^ вающей головкой, имеющие одну жестко за­крепленную и вторую свободно перемещающуюся трубные решетки (рис. VI1-6, б). К числу других достоинств этих аппара­тов, конструктивно не­сколько более сложных, относятся практически не­ограниченная разность температур потоков и воз­можность демонтажа труб­ного пучка для ремонта и очистки. При необходи­мости обеспечения особо надежного разобщения трубного и межтрубного пространств штуцер от плавающей головки выво­дится через крышку аппа­рата при помощи саль­

снаружи обечайкой из листового металла (рис. VII-7). Трубное пространство занято потоком газа высокого давления, а меж­трубное — газом низкого давления, омывающим трубки в попереч­ном направлении. Так как коэффициент теплоотдачи от газа низкого давления значительно меньше, чем от газа высокого давления, то для повышения удельной теплообменной способности местной коррозии и т. п.). В качестве конденсаторов или подогре­вателей жидкостей и газов конденсирующимися парами спираль­ные теплообменники не имеют преимуществ перед другими аппа­ратами и применяются редко.

Наибольшей компактностью отличаются пластинча­тые теплообменные аппараты (рис. VI1-9); их удельная рабочая

Рис. VII-9. Разборный пластинча­тый теплообмеииый аппарат; а — параллельные потоки: / пластины; 2 — первый теплоноси­тель; 3 — второй теплоноситель; б — параллельно-последовательные потоки; 1 — пластины; 2 — первый теплоноситель; 3 — второй тепло­носитель; в — набор пластин (ниж­няя половина); 1 — пластина; 2 — угловые отверстия; г — общий вид аппарата: / — стягивающие стержни; 2 — краевые плиты.

²^

3^.

аппарата трубы рекомендуется выполнять с наружным оребре-нием, осуществляемым путем проката (на медных трубках внеш­ним диаметром 6 мм ребра имеют обычно высоту 2,3 мм и тол­щину 0,4 мм).

Спиральные теплообменники состоят каждый из двух спиральных каналов, навитых из рулонного металла вокруг центральной перегородки (керна), разделяющей полости входа одного и выхода другого теплоносителя (рис. VII-8). Спирали образуют каналы прямоугольного сечения, боковыми стенками которых служат две тщательно уплотняемые торцевые крышки. Теплоносители движутся по спиральным каналам в противополож­ных направлениях: один от центра к периферии, другой—от периферии к центру. Ширина прямоугольного сечения канала бывает от 0,2 до 1,5 м, высота — 8 и 12 мм; толщина рулонного листа зависит от рабочего давления аппарата, поверхность тепло­обмена достигает 100 м². Крышки аппарата легко снимаются, так что каналы доступны для механической очистки. Благодаря по­стоянному поперечному сечению каналов по всей их длине и отсутствию резких изменений направления спиральные теплооб­менники могут применяться для нагревания и охлаждения шла-мов, жидкостей с взвешенными твердыми примесями, а также высоковязких жидкостей. Достоинствами рассматриваемых аппа­ратов являются также компактность и небольшие потери тепла в окружающую среду. К их недостаткам относятся высокая стои­мость и затруднительность эксплуатации (сложность или даже невозможность ремонта в случае появления течи в сварных швах,

поверхность достигает 1500 м²/м³. Аппарат состоит из набора стя­гиваемых гофрированных пластин, разделенных эластичными прокладками, образующими изолированные (герметичные) ка­налы для встречного движения двух теплоносителей (рис. VI1-9, а). Пластины располагаются с шагом 3—6 мм. Благодаря гофриро­ванной форме пластин каналы имеют волнистые стенки, обуслов­ливающие интенсивную турбулизацию потока и, следовательно, рост коэффициентов теплоотдачи, а также компактное размещение поверхности теплообмена.

К

о

каиаламиГз — пластины; 4 — гофрированные ленты; в 1 = гофрированные; 2 — рифленые; 3 — прерывистые;

роме показанной на рис. VII-9, в, существует множество других форм профиля пластин, часто направленных на увеличе­ние их жесткости путем создания взаимных опор по множеству равномерно расположенных точек. Каждая пластина имеет боль­шую прокладку по периметру, ограничивающую канал для данного теплоносителя, и два угловых отверстия для его входа и выхода, а также две малые прокладки, изолирующие два других угловых отверстия для прохода второго теплоносителя. Таким образом, в углах стянутого пакета пластин образуются четыре канала для раздельного входа и выхода обоих теплоносителей. Аппарат может работать не только с параллельным распределением потоков по всем каналам; при необходимости каждый поток может прохо­дить последовательно через все каналы или отдельные группы их (рис. VI1-9, а). Достоинством рассматриваемого аппарата, помимо компактности и интенсивного теплообмена, является возможность полной его разборки для механической очистки. К числу недостатков относятся необходимость очень тщательной сборки для герметизации большого число каналов, а главное — ограниченная тепловая и коррозионная стойкость доступных прокладочных материалов.

В тех случаях, когда загрязнение поверхности нагрева возможно только со стороны одного теплоносителя, применяют аппараты, состоящие из попарно сваренных пластин. Число уплотняемых соединений при этом, естественно, уменьшается вдвое. Если загрязнение поверхности нагрева исключено со стороны обоих теплоносителей, то применяют сварные неразборные аппа­раты. К числу последних принадлежит пластинчатый аппарат с волнообразными каналами и перекрестным движением теплоносителей (рис. VII-10, а). Аппарат собирается из штампованных листов с прерывистыми овалообразными или полусферическими выступами, при сварке которых образуются каналы различной волнообразной формы для потоков в продоль­ном и поперечном направлениях. Объем и стоимость аппарата в несколько раз меньше, чем у кожухотрубного с той же тепло-производительностью.

Широкое применение получили пластинчато-реб­ристые теплообменные аппараты (рис. VI1-10, б), компакт­ность которых достигает 2000 м²/м³. Большими достоинствами этих аппаратов являются: возможность осуществления теплообмена между тремя, четырьмя и более теплоносителями; наименьший вес и объем (следовательно, и стоимость) по сравнению с другими аппаратами. По своему устройству пластинчато-ребристые тепло­обменники представляют собой набор тонких пластин, между которыми располагаются тонкие гофрированные листы, припаян­ные к каждой пластине. Таким образом, образуются оребренные поверхности теплообмена, а теплоноситель разбивается на ряд мелких потоков. Аппарат может быть собран из любого числа пластин, а теплоносители могут двигаться либо прямотоком, либо

/

в

Рис. VU-10. Неразбориые пластинчатые теплообменные аппараты

виды ребристых поверхи 4 — чешуйчатые.

-'аппарат с волнообразными каналами: 1 - модель пакета; 2 ^_jобщий вид; 6 „- ™« инчатп-оебоистый аппарат: i—с прямоточными каналами; 2-е перекрестными ^н1^ч_^а.^т° ? . ^р „_.„„„..."T^vj _ /™ь„„„_п„я_ии„е леиты: в - виды ребристых поверхиоетей!

перекрестным током. Ребра бывают гофрированные или рифленые (образующие волнистую линию вдоль потока), прерывистые (смещенные друг относительно друга)., чешуйчатые (прорези в ребрах, отогнутые в одну или разные стороны), шиловидные (из проволоки) с коридорным или шахматным расположением. Рас­сматриваемые аппараты применяют иногда в качестве регенера­тивных теплообменников. Для тепло­обмена между химически агрессивными жидкостями, не допускающими кон­такта с доступными конструкционными материалами, применяют блочные теплообменные аппараты, изготовля­емые из графитовых блоков (рис. VI1-11). В блоках прямоугольного или круглого сечения во взаимно перпендикулярных плоскостях просверлены сквозные вер­тикальные и горизонтальные каналы диаметром 15—28 мм. Аппарат состоит из нескольких блоков, торцевых и боковых металлических (обычно чугун­ных) крышек, зажатых стальными стяжками. Движение теплоносителей возможно одно- и многоходовое.

Способы интенсификации аппара­тов. Способы интенсификации рекупе-

Рис. VI1-11. Графитовые блоки прямоугольного н круглого сечеиия.

ративных теплообменных аппаратов можно разделить на две группы. Способы первой группы использованы в ряде описан­ных выше аппаратов. Сюда относятся различные виды продольного и поперечного оребрения труб (путем отливки, приварки, при-паивания, плотной посадки, выдавливания и накатки) и пла­стин. Заметим, что трубы часто снабжаются не сплошными про­дольными ребрами, а надрезанными на определенном расстоянии и отогнутыми в разные стороны, что усиливает турбулизацию потока. Трубы с продольными ребрами используются также в теплообменных аппаратах типа «труба в трубе». Высокая интен­сивность теплообмена в этих аппаратах достигнута при много-заходном спиральном оребрении наружной поверхности внутрен­ней трубы. Здесь ребристая поверхность выполнена в виде много-заходной спирали с большим шагом (300—400 мм), а по длине трубы проходят три (или четыре) гладких ребра несколько боль­шей высоты. Обеспечивая интенсивное перемешивание и выравни­вание температуры потока в его сечениях, рассматриваемая форма оребрения отличается наиболее развитой поверхностью. Применяют кожухотрубные аппараты с непрерывным спираль­ным оребрением (ребра образуют винтовую поверхность треуголь­ного или прямоугольного сечения). Подробное описание аппаратов с различным оребрением труб дано в книге Ю. В. Петровского и В. Г. Фастовского (см. список литературы).

Размещение разных перегородок в межтрубном пространстве ранее рассмотренных кожухотрубных аппаратов относится ко

Рис. VII-12. Турбулизаторы:

/ — стальная ленточная спираль; 2,3 — спирально оребреииые стержни о различным шагом; 4 — пропеллерные; 5 — проволочные Спирали.

второй группе способов интенсификации процесса теплообмена. К этой же группе принадлежат способы интенсификации тепло­отдачи внутри труб (оребрение внутренней поверхности труб встре­чается редко). Простейшим и весьма эффективным способом яв­ляется размещение внутри труб различных спиральных вставок, или турбулизаторов, показавших возможность повы­шения коэффициента теплоотдачи в 1,5—5 раз (рис. VI1-12). Среди других способов интенсификации процесса теплообмена внутри труб можно отметить заполнение последних различными насадками (сферическими частицами, кольцами, седлообразными и спиральными элементами и т. п.), создание искусственной шеро­ховатости на внутренней поверхности труб, применение труб с переменным сечением по длине, тонкопленочное течение жидко­сти по поверхности теплообмена, истечение жидкости с высокой скоростью перпендикулярно к поверхности теплообмена и др.

Турбулизация потоков теплоносителей внутри труб и в межтрубном про­странстве наряду с интенсификацией теплообмена и ростом гидравлического сопротивления вызывает вибрацию труб, ведущую иногда к повреждению аппа­рата. Последнее возникает в результате: 1) усталостного разрушения труб и поперечных перегородок в межтрубном пространстве; 2) трения труб о перего­родки; 3) взаимного соударения труб при их тесном расположении в пучке. Для устранения первой причины необходимо, чтобы пульсация турбулентного потока (частота отрыва вихрей с кормовой части труб) не превышала 1/3 частоты собственных колебаний труб. Устранение двух других причин связано с расстоя­нием / (м) между поперечными перегородками, скоростью теплоносителя w (м/с) и его плотностью р, а также с толщиной стенки труб s (мм), их наруж­ным диаметром d_n (мм) и модулем упругости материала Е (10 Н/мм?), Условие безопасной эксплуатации аппарата выражается неравенствами:

для причины 2 1 < 0,06 (рву²) (l²E/sn) для причины 3 1 < 5000 (pre)²) (l*[sEd%)

п

Рис. VII-13. Аппарат с плоскими змеевиками для хорошо сыпучих материалов:

1 — корпус; 2 — падающий плотный слой; 3 — змеевики; 4 — выгружающее устройство.

током могут быть использованы почти все рассмотренные выше змеевиковые, кожухотрубные и пластинчатые аппараты при рабочих условиях и конструк­тивном оформлении, исключающих возможность оседания твердых частиц (спи­ральные и плоские змеевики, одноходовые кожухотрубные с крышками в форме диффузоров и конфузоров, пластинчато-ребристые и др.).

Для теплообмена с плотным слоем хорошо сыпучего зернистого материала применяются плоские змеевики или горизонтальные труб­ные пучки, изготовленные из гладких или оребренных труб, внешняя по­верхность которых перекрестно омывается падающим плотным слоем (рис. VII-13). Используют также пластинчато-ребристые аппараты с вертикальным распо­ложением каналов для падающего слоя. В случае плохой сыпучести зернистого материала весь аппарат монтируется на вибрирующей опорной раме или внутри падающего слоя (между теплообменными трубами) размещают вибрирующие зонды.

В. РЕГЕНЕРАТОРЫ

Регенератор имеет корпус прямоугольного или круглого сече­ния, изготовляемый в зависимости от рабочей температуры из огнеупорного кирпича или листового металла. Аппарат запол­няется твердой насадкой: кирпичом различной формы, кусками шамота, тонким рифленым металлическим листом с развитой поверхностью и т. п. Регенераторы — обычно парные, так что в одно и то же время через один из них протекает горячий газ,

ричем для углеродистых и низколегированных сталей п = 2400, а для высо­колегированных и нержавеющих сталей п = 1000.

Минимальное расстояние между поперечными перегородками обычно равно 1/5 диаметра корпуса аппарата, но не менее 50 мм; в аппаратах для теплообмена между двумя жидкостями при одинаковых скоростях в трубном и межтрубном пространствах оно часто равно диаметру корпуса.

Повреждение аппарата возможно также при чрезмерно большой скорости входа теплоносителя в межтрубное пространство. При рш² > 75 рекомендуется защитить трубный пучок отбойной перегородкой, расположенной между пери­ферийным рядом труб и входным отверстием на расстоянии 1/4 его диаметра.

Весьма перспективно для химической технологии теплообмен-ное устройство, называемое теплопроводом. Оно пред­ставляет собой полностью закрытую металлическую трубу с лю­быми профилями сечения, футерованную каким-либо пористо-капиллярным материалом (фитилем), например, шерстяной тканью, стекловолокном, сетками, пористыми металлами, полимерами, ке­рамикой и т. п. В полость трубы подается теплоноситель в коли­честве, достаточном для полной пропитки фитиля. Температура кипения теплоносителя должна обеспечивать отвод тепла (путем испарения) из охлаждаемого рабочего пространства химического реактора или другого аппарата; интервал зон температуры — от какой угодно низкой до 2000 °С. В качестве теплоносителя исполь­зуют металлы (Cs, К, Na, Li, Pb, Ag и др.), высококипящие орга­нические жидкости, расплавы солей, воду, аммиак, жидкий азот и др.). Предпочтительны жидкости с высокой скрытой теплотой испарения, большим поверхностным натяжением, низкими плот­ностью и вязкостью. Трубка одной своей частью располагается в зоне отвода тепла, а остальной частью — в зоне конденсации паров. Пары теплоносителя, образовавшиеся в первой зоне, кон­денсируются во второй зоне, а конденсат возвращается в первую зону под действием капиллярных сил фитиля. Благодаря боль­шому количеству центров парообразования резко падает перегрев жидкости при ее кипении и значительно возрастает коэффициент теплоотдачи при испарении (в 5—10 раз). Особенностью тепло­провода является очень высокая эффективная теплопроводность вдоль потока пара (на 3—4 порядка больше, чем у серебра, меди и алюминия), что обусловлено низким температурным градиентом вдоль трубы. Мощность теплопровода определяется капиллярным давлением, компенсирующим потери напора парового и жидкост­ного потоков.

Все средства интенсификации теплообменных аппаратов, вклю­чая повышение скорости теплоносителей внутри и вне гладких труб, всегда сопряжены с ростом гидравлического сопротивления и, следовательно, с увеличением расхода энергии на создание требуемых потоков. Практически приемлемы лишь те интенси­фицирующие устройства и скорости потоков, которые приводят к экономии приведенных затрат. Оптимален тот аппарат, который обеспечивает передачу максимального количества тепла в единице объема при минимальных эксплуатационных расходах. Выбор конструкционных материалов для теплообменных аппаратов дик­туется соображениями механической прочности, жароупорности и химической стойкости.

В химической технологии приходится осуществлять рекуперативный тепло­обмен между потоками, из которых один или оба являются дисперсными систе­мами (газ или жидкость—твердые частицы). При этом различают потоки газо­взвеси (разбавленные суспензии), содержа­щие до 3% (объемн.) твердых частиц, дви­жущиеся плотные слои (продуваемые и не-продуваемые), где объемная концентрация твердых частиц достигает 50—65%, и про­межуточные потоки (объемное содержание твердых частиц 3—35%). Основным факто­ром, определяющим конструкцию рассматри­ваемых аппаратов и метод их расчета, яв­ляется объемная концентрация твердых ча­стиц в теплоносителе. На практике газо­взвеси либо образуются в результате меха­нического уиоса твердых частиц газовым потоком из производственных аппаратов, либо преднамеренно создаются для интен­сификации теплопередачи, часто совмеща­емой с пневмо- или гидротранспортом. Для теплообмена между потоком газовзвеси и однородным газовым или жидкостным по­ютий^аЯтГп?° ^{насадке}'^{а че}Р^ез ДРУГОЙ - холодный газ, отнима­лиVH14 V П^™- Р^азогР^{етой в} предыдущем цикле Ж,™.¹"^{14, й)}- ^ПослеД^нии состоит, следовательно, из двух пе­риодов: разогрева насадки и ее охлаждения. Переключение реге­нераторов после каждого периода с горячего на холодный ход и наоборот производится автоматически. Кирпичная насТдка укла-

Рис. VI1-14. Схемы регенераторов:

а — схема работы аппаратов; 1,2 — вход и выход греющего газа; 3,4 — вход и выход нагреваемого газа; б — гофрированная металлическая насадка; в — аппарат с падающим плотным слоем твердой насадкн; / — камера нагревания насадки; 2 — переток насадки; 3 — камера охлаждения насадки; 4 — сборник охлаждения насадки; 5 — транспорт насадки; 6 — вход н выход греющего газа; 7 — вход и выход нагреваемого газа; 8 — бун­кер охлажденной насадки.

дывается либо в коридорном порядке, образуя ряд прямых параллельных каналов, либо в шахматном порядке, создающем каналы более сложной формы (газ, пройдя между двумя кирпи­чами, каждый раз встречает на своем пути другой кирпич). Шах­матная укладка, турбулизируя газовый поток, интенсифицирует конвективную теплоотдачу, но вызывает рост гидравлического сопротивления. Металлическая насадка представ­ляет собой круглые пакеты (диски), получаемые путем навивки тонких металлических лент с косым рифлением, причем у каждых двух соседних лент направление рифления противоположное (рис. VII-14, б).

Перспективным представляется регенератор с падающим плотным слоем зернистого материала (рис. VI1-14, в), состоящий из двух последовательно расположен­ных камер. Проходя через верхнюю камеру, слой нагревается потоком горячих газов, а при проходе через нижнюю камеру отдает аккумулированное тепло потоку холодных газов. Охлаж­денная насадка непрерывно транспортируется из нижнего сбор­ника в верхний бункер, откуда дозирующим аппаратом вновь подается в верхнюю камеру регенератора.

Г. СМЕСИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Теплообмен между жидкостями, газами и зернистыми мате­риалами при непосредственном их соприкосновении отличается наибольшей интенсивностью. Он применяется в случаях, когда смешение однородных и разнородных веществ с различными температурами допустимо или диктуется ходом технологического процесса. Для смешения жидкостей используют либо емкостные аппараты, снабженные разнообразными механическими мешал­ками, либо инжекторы; последние применимы также для непре­рывного смешения газовых потоков. Нагревание жидкостей кон­денсацией в них пара производится путем ввода последнего через множество мелких отверстий в стенке трубы, изогнутой по окруж­ности или по спирали и уложенной на дне аппарата (рис. VII-15, а); такое устройство называется барботером. Более интен­сивно процесс протекает при вводе греющего пара через инжектор, осуществляющий циркуляцию нагреваемой жидкости и быстрое выравнивание ее температуры в аппарате (рис. VII-15, б).

Для охлаждения жидкости до температуры близкой к О °С, иногда прибегают к непосредственному введению льда, погло­щающего при таянии около 335 кДж/кг тепла, или сжиженных нейтральных газов с низкой температурой испарения. В ряде случаев вводят холодильные смеси, поглощающие тепло при растворении в воде. Так, например, смесь, состоящая из 1 части NaCl и 3 частей льда, имеет температуру —21 °С; смесь, состоящая из 3 частей СаС1₂, 6 частей воды и 2 частей льда, имеет темпера­туру —55 °С.

Весьма распространенным теплоносителем в химической тех­нологии является смесь топочных газов с атмосферным воздухом при температуре до 600—700 °С. Эту смесь получают сжиганием твердого, жидкого или газообразного топлива в обычной топке и последующим смешением полученных топочных газов с атмо­сферным воздухом (рис. VII-15, в).

Для нагревания жидкости часто осуществляют ее контакт с горячим газом, а для охлаждения — с холодным газом. Процесс

ппаратьн пределнтелямн; воды н

Рис. VII-16. Конденсаторы смешения

а

выход несконденснровавшейся парогазовой смеси.

/ — вход оыяжлятп.» Si. л (каскадами), // — с решетчатыми распредель ко_Ндеис⁰а^Дта;^ХЛ11^Д™ ^LZ™™JL^a*5i.» *1.^в.^ы?⁰?. охлаждающей "сДсн

340

обычно проводится в вертикальных цилиндрических аппаратах, называемых скрубберами, где навстречу восходящему потоку газа стекает поток нагреваемой или охлаждаемой жидко­сти. Для увеличения поверхности контакта жидкости и газа скруббер наполняют различными насадками (кольца Рашига, седлообразные элементы, деревянные решетки и т. п.), распреде­ляющими поток жидкости на мелкие струйки и тонкие пленки, или же снабжают распыляющими форсунками.

К смесительным теплообменным аппаратам относятся кон­денсаторы смешения, предназначенные для конден­сации паров (рис. VII-16) путем их непосредственного контакта с жидкостью (чаще всего с водой). Различают конденсаторы двух видов: 1) прямоточные (рис. VII-16, а) и противо-точные (рис. VII-16, б). В первых пар и жидкость движутся в одном направлении, во вторых — в противоположных направ­лениях. Для создания развитой поверхности контакта пара и жидкости последняя распределяется внутри аппарата по ряду поперечных перегородок различной формы, разбивается на мно­жество мелких струек при последовательном проходе через ряд решеток и через каналы многоструйного инжектора.

Д. УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ БАЛАНСОВ

Обозначим массовые расходы теплоносителей через G, и G₂ (в кг/ч), их удельные теплоемкости — через С\ и с₂, а их темпе­ратуры входа и выхода из теплообменного аппарата — соответ­ственно через t[, i[ и f₂, t'i. Если тепло горячего тепло­носителя полностью (без потерь в окружающую среду) воспри­нимается холодным, и их удельные теплоемкости не изменяются в ходе процесса теплообмена, то должно удовлетворяться урав­нение теплового баланса (приход тепла в аппарат должен быть равен расходу тепла):

G₁c₁(t'₁-Q = Gf₂(r₂-t'₂) = Q (а)

В случае изменения удельных теплоемкостей с температурой в уравнение (а) нужно подставлять среднеинтегральные значе­ния с_х и с₂ в интервалах температурит t' до t". Часто удобно опе­рировать не удельными, а полными теплоемкостями массовых расходов теплоносителей в единицу времени, называемыми во­дяными эквивалентами. Обозначив ■= f, и G₂c₂ = W₂, перепишем уравнение (а):

WiVl-Q-W₂(t'₂-Q=Q (б)

откуда (t{ — t'i)/(f₂' — t'₂) = W₂/Wi, т. е. перепады температур обоих теплоносителей обратно пропорциональны их водяным эквивалентам.

Из уравнений (а) и (б) обычно определяют одно из значений (<?i. <3₂, t'{, t₂) при известных значениях других величин — во всех случаях, когда оба теплоносителя не изменяют свои агрегат­ные состояния в ходе теплообмена. В химической технологии широко распространены процессы конденсации паров и испарения жидкостей, протекающие чаще всего при постоянных темпера­турах. Напишем уравнения тепловых балансов для этих процессов.

Если G₂ кг/с жидкости (газа) с удельной теплоемкостью с₂ нагреваются от начальной температуры f₂ До конечной t₂ за счет тепла конденсации D кг/с пара с энтальпией i_t Дж/кг, темпера­турой насыщения ^ и удельной теплоемкостью конденсата с„, то уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид:

^D('i-^c„g = G₂c₂(^-^) = Q (в)

Для процесса испарения G₂ кг/с жидкости с начальной темпе­ратурой f₂ и начальной удельной теплоемкостью с₂ потоком жидко­сти (газа) G, кг/с с удельной теплоемкостью с,, начальной (t'{) и конечной (t'{) температурами получим:

G_lc₁(tl-t'l) = G₂(i₂-c/₂) = Q (г)

причем /₂ — энтальпия образовавшегося пара.

Наконец, в случае испарения жидкости за счет тепла конден­сации пара, сохраняя принятые выше обозначения, находим следующее уравнение теплового баланса:

£('i-^cHg = G₂0'₂-c₂Q = Q (д)

Напомним, что уравнения (а)—(д) написаны без учета потерь тепла в окружающую среду, компенсация которых вызывает на практике необходимость либо дополнительного расхода гре­ющего теплоносителя, либо уменьшения нагреваемого потока, либо понижения конечной температуры одного или обоих тепло­носителей.

Легко видеть, что каждая из частей уравнений (а)-— (д) выра­жает количество тепла Q, передаваемого в единицу времени через поверхность теплообмена любого рекуперативного аппарата, ра­ботающего в установившемся режиме.

Е. ДВИЖУЩАЯ СИЛА СТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОФИЛИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ В РЕКУПЕРАТИВНЫХ АППАРАТАХ

Движущей силой любого процесса теплообмена является раз­ность температур теплоносителей (^ — t₂). При изучении законов теплопередачи (см. главу VI) мы считали эти температуры по обе стороны разделяющей стенки постоянными, что справедливо лишь в одном частном случае (теплообмен между конденсирующимся паром индивидуального зещества и кипящей индивидуальной жидкостью при их постоянных внешних давлениях). В подав­ляющем большинстве случаев температуры потоков (или, по край­ней мере, одного из них) изменяются вдоль поверхности тепло­обмена, поэтому изменяется также и их разность At — ^— /_г от сечения к сечению. Следовательно, уравнение теплопередачи должно быть написано применительно к общему случаю в диффе-

Рис. VII-17. Схемы движения теплоносителей:

а — прямоток; б — противоток; в — перекрестный ток; г — смешанные токи; / н 11 — один ход горячего теплоносителя и два хода холодного (схема 1—2); /// « » — А^ва кода горячего теплоносителя н четыре хода холодного (схема 2—4); V — рднн ход горя­чего теплоносителя и четыре хода холодного (схема 1—4); VI «=• один ход горячего теп­лоносителя и четыре перекрестных кода колодного.

ренциальной форме для элемента поверхности dF: dQ = = К At dF, откуда при К = const

F

Q = К | At dF = KA_cpF (VII. I)

О

где Д_ср — средняя разность температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.

Задача технологического расчета теплообменного аппарата сводится либо к определению требуемой поверхности теплообмена F при заданных водяных эквивалентах (№, и W₂) и температу­рах (t[, f_x, f₂, t'₂) обоих теплоносителей, либо к нахождению воз­можного теплового потока Q в аппарате с поверхностью F при заданных значениях остальных величин. В обоих случаях необ­ходимо знать величину А_ср. Последняя же зависит от характера изменения температур теплоносителей вдоль поверхности тепло­обмена, обусловленного их водяными эквивалентами и схемой движения.

На практике встречаются следующие схемы движения тепло­носителей (рис. VII-17): а) прямоток — параллельное одно­направленное движение; б) противоток — параллельное встречное движение; в) перекрестный ток — движение во взаимно перпендикулярном направлении; г) смешанные токи — один или оба теплоносителя совершают несколько хо­дов в аппарате, омывая часть поверхности по схеме прямотока, а другую — по схеме противотока или перекрестного тока.