лекция. Классификация теплообменных аппаратов (тоа)

• Название: Классификация теплообменных аппаратов (тоа)
• Анкор: лекция
• Дата: 08.06.2022
• Размер: 2 Mb.
• Имя файла: Lektsia_7i8_Teploobmennye_apparaty_Vyparivanie.doc
• Тип: Документы; #578309

Классификация теплообменных аппаратов (ТОА)
В основу классификации ТОА могут быть положены различные принципы. Рассмотрим классификацию по функциональным и конструктивным признакам. Классификация по схемам движения теплоносителей рассматривалась выше.

Функциональные признаки

По принципу работы ТОА:

- Поверхностные:

-рекуперативные - ТН1 и ТН2, протекают одновременно, передача теплоты происходит непрерывно через разделяющую их поверхность;

- регенеративные– поверхность теплообмена (насадки, решетки, кольца, шары) поочередно смывается то холодным, то горячим теплоносителем. Поверхность теплообмена может быть выполнена вращающейся или переключающейся.



Регенеративные ТОА Рекуперативные ТОА

- Контактные – передача теплоты происходит при непосредственном контакте теплоносителей:

- барботажные – горячий воздух направляется в теплообменные элементы аппарата, по внутренней цилиндрической поверхности которого тонким слоем стекает вода. Воздух, проходя через слой воды, разрывает ее на отдельные пленки, что увеличивает поверхность контакта;



- смесительные – ХТН2 и ГТН смешиваются.
По роду теплоносителей различают ТОА: жидкость-жидкость, жидкость-газ, пар-жидкость, пар-пар, пар-газ, газ-газ.

В зависимости от изменения агрегатного состояния:

- без изменения агрегатного состояния;

- с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя;

- с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

По виду процесса теплообмена:

- подогреватели;

- охладители;

- испарители;

- конденсаторы.

По характеру движения теплоносителя относительно поверхности теплообмена ТОА:

- с естественной циркуляцией (испарители, выпарные аппараты, водогрейные и паровые котлы);

- с принудительной циркуляцией (рекуперативные ТОА, выпарные аппараты и испарители);

- с движением теплоносителя под действием сил гравитации (конденсаторы, оросительные ТОА).

По роду режима ТОА:

- стационарные (рекуперативные);

- нестационарные (регенеративные).

Конструктивные признаки

По конфигурации поверхности - рекуперативные ТОА делятся на:

- кожухотрубные с U-образными трубами;



- кожухотрубные с гладкими трубами;

- кожухотрубные с оребренными трубами;

- секционные, типа труба в трубе;



- змеевиковые;


- спиральные;





- пластинчатые и пластинчато-ребристые;



По виду и форме насадки подразделяют регенеративные ТОА на:

- ТОА с гофрированной алюминиевой лентой;



- медная и латунная сетчатая насадка;



- шарики;

- гранулы из окисей алюминия, магния, кварцита;

- насадка из огнеупорного кирпича, колец Рашига

По способу компенсации температурных изменений:

- без компенсации (жесткая конструкция);

- с компенсацией упругим элементом (полужесткая конструкция) – на кожухе предусмотрены гофры или линзы;

- с компенсацией в результате свободных удлинений (нежесткая конструкция) – трубы и кожух могут свободно перемещаться друг относительно друга из-за:

- пучка U-образных труб:

- подвижной трубной решетки:
По виду кожуха:

- с коробчатым кожухом;

- кожухотрубные;

- кожухотрубные с компенсатором;

- не имеющие кожуха (оросительные).

Теплообменные аппараты

Выбор направления движения теплоносителя

П ротивоток,




Прямоток



П ерекрестный ток



Возвратный ток


Смешанный ток










Смешанный прямоток Смешанный противоток

Для сравнительной оценки прямотока и противотока сопоставим эти направления с точки зрения расхода теплоносителей и средней разности температур.

В случае прямотока конечная температура холодного теплоносителя не может быть выше конечной температуры горячего теплоносителя .

В случае противотока холодный теплоноситель с той же начальной температурой , что и при прямотоке может нагреться до более высокой температуры , близкой к начальной температуре горячего теплоносителя. Это позволяет сократить расход более холодного теплоносителя, но одновременно приводит к уменьшению средней разности температур и к увеличению необходимой поверхности теплообмена.



А прямоток

Б-противоток
Экономический эффект достигаемый вследствие уменьшения расхода превышает дополнительные затраты, связанные с увеличением размеров теплообменника. Т.о. применение противотока более экономно.

Сопоставим противоток с прямотоком при одних и тех же начальных и конечных температурах теплоносителей. В этом случае средняя разность температур при противотоке больше, чем при прямотоке при одинаковых расходах. Поэтому скорость теплообмена при противотоке больше, что и обусловило преимущество противотока.

Однако в некоторых случаях выбор направления движения теплоносителей прямотоком диктуется технологическими соображениями. Например, недопустим перегрев холодного теплоносителя в конце нагрева.

Виды расчетов теплообменной аппаратуры (ТОА)
Существует 2 вида расчетов ТОА:

1. 
   проектировочный – его цель определить величину поверхности нагрева ТОА и конкретных размеров или типа ТОА;
   
2. 
   проверочный – определить конечные температуры теплоносителей.
   

Порядок проведения проектировочного расчета:

тепловой расчет:

1. 
   определяют тепловую нагрузку;
   
2. 
   находят неизвестную температуру (или расход) теплоносителя;
   
3. 
   находят среднюю разность температур (может корректироваться после компоновки аппарата);
   
4. 
   находят коэффициенты теплоотдачи обоих теплоносителей, а затем коэффициенты теплопередачи;
   
5. 
   находят поверхность нагрева ТОА;
   

конструктивный расчет:

6. 
   Компонуют поверхность или выбирают нормализованный ТОА;
   
7. 
   Производят гидромеханический расчет аппарата.
   

Нагревающие агенты

Нагревание водяным паром.

Достоинства:

1. 
   водяной пар имеет большую теплоту конденсации при небольшом расходе пара 2,26∙10⁶ Дж/кг при р=9,8∙10⁴ Па (1 атм.);
   
2. 
   имеет высокий α, термическое сопротивление относительно мало;
   
3. 
   имеет постоянную для данного давления температуру конденсации, что позволяет точно регулировать температуру нагрева, изменяя давление;
   
4. 
   доступность, относительно безопасен.
   

Недостатки:

1. 
   значительное повышение давления при повышении температуры;
   
2. 
   предельная температура нагрева 180-190 ^оС (10-12 атм.)
   

Целесообразно использовать пар после паросиловых установок. Пар р≈250 атм. отправляется на турбины, затем используется для обогрева (р=6-8 атм.).

Пар после электрических турбин называется мятым. Мятый пар – перегретый, при использовании его увлажняют, добавляя горячую воду.

Глухой пар – пар, передающий тепло через стенку теплообменного аппарата.

В теплообменнике 2 происходит частичная конденсация пара, конденсат стекает через конденсатоотводчик, который позволяет отводить конденсат без потерь пара (пролетного пара).

Острый пар – пар, передающий тепло при непосредственном смешении с теплоносителем. Используется при допустимости смешения теплоносителя.

Нагрев горячей водой – применяется редко, т.к. α невысокий, имеет другие недостатки. Нагрев до 100 ^оС. Критическая точка воды р=225 атм., t₁=374 ^оС, т.е. нагрев под избыточным давлением до ≈350 ^оС – вода называется перегретой.

Нагревание топочными газами – позволяет осуществлять нагрев до высоких температур 1000-1100 ^оС, чаще всего используется для нагрева промежуточных теплоносителей, которое производят в печах.

Нагрев минеральными маслами – нагрев осуществляется до 250-300 ^оС (температура вспышки масел 310 ^оС). Используют цилиндровое, компрессорное масла. Нагрев осуществляется двумя способами:

1. 
   ТОА, в рубашке которого находится масло, помещают в печь с топочными газами;
   
2. 
   устанавливают электронагреватели внутри масляной рубашки.
   

Достоинства: дешевизна теплоносителя.

Недостатки: низкий α, который изменяется при химическом окислении и разложении масел.

Нагрев высококипящими органическими жидкостями и парами: глицерин, этиленгликоль, нафталин и проч.

Наибольшее распространение получила дифенильная смесь (даутерм А, динил). Состав: 26,5% дифенила и 73,5% дифенилового эфира. При р=1 атм. - t_кип=258 ^оС, при р=1,8 атм. - t_кип=280 ^оС.

Используются насыщенные пары дифенильной смеси, которые позволяют нагревать до 400 ^оС. При этом давление незначительно и в 30÷60 раз меньше давления водяного пара.

Недостатки: токсичность, малая теплота парообразования, которая компенсируется большой плотностью паров.

Нагрев расплавленными солями: нитрит-нитратная смесь – 40% азотисто-кислого натрия, 7% азотнокислого натрия, 53% азотнокислого калия. Применяется для нагрева при атмосферном давлении и температуре 500-540. При нагреве до 400 ^оС не вызывает коррозии стали.

Нагрев ртутью и жидкими металлами: Hg, K, Na, Pb, различные сплавы легкоплавких металлов.

Достоинства: высокие ρ, α, λ. Имеет малые значения числа P_r, поэтому α рассчитывается по специальным формулам.

Другие способы нагрева: электрический ток, электропечи сопротивления, индукционные печи, электрические дуговые печи.

Охлаждающие агенты

Для охлаждения до обыкновенных температур 10÷30 ^оС используют воду и воздух.

Охлаждение воды производят в градирнях или открытых бассейнах путем частичного испарения. Эта вода называется оборотной.

Если позволяют природные условия и технология, используют речную, озерную воду и пр.

Охлаждение до низких температур: до 0 ^оС – используют лед, до более низких – используют холодильные рассолы, сжиженные газы (СО₂, этан), пары низкокипящих жидкостей.

Конденсация паров – осуществляется либо охлаждением, либо охлаждением и сжатием одновременно.

Выпаривание

Выпаривание – концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих соединений в летучих растворителях.

Цель выпаривания:

- получить вещество, растворимое в растворителе;

- получить чистый растворитель.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (солей, щелочей и т.п.) и высококипящих жидкостей (минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты.

При выпаривании удаление растворителя идет со всего объема раствора, при его температуре кипения (эти отличается от испарения: tкип, поверхность). Иногда выпаренный раствор подвергают кристаллизации.

Чаще всего в качестве теплоносителя при выпаривании применяют водяной пар, который называют первичным или греющим.

Пар, получаемый при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Чаще обогрев производят через стенку, в некоторых технологиях при непосредственном контакте с теплоносителем (топочным газом).

Процессы выпаривания производят под вакуумом, при атмосферном давлении и при повышенном давлении.

При пониженном давлении (под вакуумом) выпаривание идет при более низких температурах, что важно при выпаривании термически нестабильных соединений. Кроме того:

1. 
   увеличивается полезная разность температур между греющим паром и раствором (F нагрева ↓);
   
2. 
   если полезная разность температур одинакова, то можно использовать теплоносители более низких рабочих параметров (р, Т).
   

Применение вакуума приводит к удорожанию установки.

При повышенном давлении выпаривание позволяет использовать экстра-пар, т.е. вторичный пар, который идет на сторону.

При выпаривании при атмосферном давлении пар обычно не используется.

Выпаривание под атмосферным давлением, а также под вакуумом производят в одиночных аппаратах. Но чаще применяются многокорпусные установки, в которых в качестве теплоносителя в 1-й установке используется первичный пар, а в остальных – вторичный. Движущая сила процесса выпаривания создается за счет понижения давления в последовательно соединенных по ходу выпаривания корпусах, что обеспечивает разность температур между экстра-паром из предыдущего корпусах кипящим раствором.

Чаще в химической промышленности применяют непрерывные установки и только в мелкомасштабном производстве – периодические.

Однокорпусные выпарные установки

Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывно действующего выпарного аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой.






Аппарат состоит из греющей камеры и сепаратора. Они могут быть в одном аппарате или камера может быть вынесена. Камера обогревается обычно водяным паром. Поднимаясь по трубам 3, выпариваемый раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе 2.

Удаляется пар из верхней части сепаратора. Часть жидкости опускается по циркуляционной трубе под нижнюю трубную решетку греющей камеры. Вследствие разности плотностей раствора в трубе и парожидкостной эмульсии в трубах 3 жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный раствор удаляется через штуцер в днище аппарата.

Материальный баланс

На выпаривание поступает G_н, кг/сек, исходного раствора концентрацией b_н, % масс, и удаляется G_к, кг/сек, упаренного раствора концентрацией b_к, % масс. Если в аппарате выпаривается W, кг/сек, растворителя, то общий материальный баланс:

.

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу:

.

В уравнениях 5 неизвестных, следовательно, должны быть заданы 3. Обычно задают расход начального пара G_н, концентрацию b_н и требуемую концентрацию упаренного раствора b_к.

Тогда производительность:

- по упаренному раствору: ;

- по выпариваемой воде: .
Тепловой баланс

Введем обозначения:

D – расход греющего пара;

I, I_r, i_н, i_к – энтальпии вторичного и греющего пара, исходного и упаренного растворов соответственно;

I_пк – энтальпия парового конденсата: , где С – удельная теплоемкость; θ – температура конденсата.

Приход	Расход
c греющим паром ; с исходным раствором	с упаренным раствором ; с вторичным паром ; с паровым конденсатом ; теплота концентрированная ; потери тепла в окр. среду

(а),

.

Для исходного раствора при постоянной температуре, равной температуре кипения:

,

- удельная теплоемкость при температуре воды t_к.

.

Подставим в (а) значки :

.

Из этого уравнения определяем тепловую нагрузку Q выпарного аппарата, т.е. количество тепла, подводимого теплоносителем в единицу времени:

,

- расход тепла на нагрев исходного раствора до t_кип;

- Q на испарение влаги.

Отсюда определяют D.

Q_конц – теплота концентрирования, равная разности интегральных теплот растворения исходного и концентрированного растворов, взятой с обратным знаком. Может быть как положительной, так и отрицательной, соответственно - в приход и расход.

Q_п – теплота потерь, .

Иногда Q_конц и Q_п пренебрегают.

Тогда если t_н=t_кип (исходный раствор предварительно нагрет до t_кип):

,

т.е. расход греющего пара равен количеству выпаренной воды.
Поверхность нагрева выпарного аппарата

Определяется из уравнения:

,

Q – тепловая нагрузка аппарата;

К – коэффициент теплоотдачи;

- полезная разность температур – разность между температурой конденсации греющего пара и температуры кипения выпариваемого раствора.

В аппаратах при нормальном перемешивании ∆t_пол=const.

В аппаратах с естественной циркуляцией концентрация массы обращающегося раствора близка к конечной, поэтому расчетную величину температуры кипения принимают по конечной концентрации растворов.
Температурные потери
Температурные потери в выпарном аппарате складываются из температурной депрессии, гидростатической депрессии, гидравлической депрессии.

Температурная депрессия ∆′ равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одинаковом давлении. ∆′ зависит от природы растворов и растворителя, концентрации раствора и давления. Значения ∆′ определяются опытным путем и приводятся в справочниках.

Существуют методы эмпирического расчета ∆′:

,

Т – температура кипения чистого растворителя;

r – теплота испарения чистого растворителя.

Гидростатическая депрессия ∆′′ – обусловлена наличием в трубках греющей камеры парожидкостной смеси, содержание пара в которой растет по высоте трубы. Вследствие гидростатического давления столба парожидкостной смеси температура кипения нижних слоев выше, чем температура кипения верхних слоев. Повышение температуры кипения раствора, связанное с указанным гидростатическим эффектом, называется гидростатической депрессией. Она зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности парожидкостной смеси. ∆′′ определяется по практическим данным, но в первом приближении ее можно рассчитать. Для вертикальных аппаратов ∆′′=1-3 ^оС.

Гидравлическая депрессия ∆′′′ обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местными), которые должен преодолеть вторичный пар при движении. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к снижению его температуры насыщения. Повышение температуры кипения, связанное с гидравлической депрессией, - на 0,5-1,5 ^оС.

Температура кипения раствора с учетом потерь:

,

Т′ - температура вторичного пара.

Многокорпусные выпарные установки
Принцип действия сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки путем обогрева каждого последующего корпуса вторичным паром из предыдущего корпуса.


1, 2, 3 – корпуса установки;

4 – подогреватель исходного раствора;

5 – конденсатор; 6 - ловушка

Рассмотрим прямоточную установку.

Исходный раствор, нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый первичным паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется во второй корпус как экстра-пар, где из-за пониженного давления раствор кипит при температуре более низкой, чем в первом.

Из-за более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и охлаждается до температуры кипения, соответствующей давлению в корпусе. За счет выделяющегося тепла образуется некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, называется самоиспарением раствора.

Аналогично, упаренный раствор из второго корпуса перетекает самотеком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса.

Исходный раствор нагревается в ТОА 4.

Вторичный пар из последнего корпуса отводится в барометрический конденсатор, в котором создается разряжение за счет конденсации пара. Воздух и неконденсирующиеся газы, которые ухудшают теплопередачу, отсасывают внутри насосом через ловушку-брызгоулавливатель.
Основные схемы многокорпусных установок

1. 
   Противоточные и прямоточные.
   
2. 
   Под давлением и под разряжением.
   

Чаще используются прямоточные, под разряжением.

Существует схема с параллельным питанием корпусов, когда исходный раствор подается одновременно во все корпуса, и удаляющийся упаренный раствор имеет одинаковую концентрацию.
Устройство выпарных аппаратов

Классификация выпарных аппаратов (ВА):

1) по виду циркуляции:

а) с неорганизованной (свободной);

б) с направленной естественной;

в) с принудительной циркуляцией раствора;

2) по кратности циркуляции:

а) прямоточные, в которых выпаривание происходит за один проход без циркуляции раствора;

б) с многократной циркуляцией раствора;

3) по организации процесса:

а) периодически действующие;

б) непрерывно действующие.
Типовые конструкции выпарных аппаратов
Аппараты со свободной циркуляцией раствора.

Простейшие устройства – выпарные чаши с паровыми рубашками, работают при атмосферном давлении; и закрытые котлы с рубашками, работающие под вакуумом.

Циркуляция неупорядоченная, коэффициенты теплопередачи низкие, поверхность нагрева мала.

Применяются для вязких и агрессивных сред.

Змеевиковые ВА, в корпусе которых размещаются паровые змеевики, в паровом пространстве - брызгоуловитель. Они бывают компактными и отличающимися большой интенсивной теплопередачей. Однако очистка и ремонт змеевиков затруднены.



Используются для выпаривания агрессивных сред.

ВА с горизонтальной трубчатой нагревательной камерой и с вертикальным или горизонтальным корпусом. В нижней части корпуса этих ВА находится нагревательная камера, состоящая из пучка труб.



Вертикальные ВА с направленной естественной циркуляцией – наиболее широко применяются в промышленности. Основное достоинство – улучшение теплоотдачи раствору при его однократной организованной циркуляции в замкнутом контуре. Они компактны, удобны для ремонта и обслуживания.

Развитие конструкции этих аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции путем увеличения разности весов жидкости в опускной (циркуляционной) трубе и в подъемной части контура (кипятильных трубах). Для обеспечения этого:

1. 
   увеличивают высоту кипятильных труб;
   
2. 
   улучшают охлаждение циркуляционной трубы;
   
3. 
   поддерживают в циркуляционной определенный уровень жидкости, необходимый для уравновешивания столба парожидкостной смеси в подъемных трубах при заданной скорости и давлении.
   

Аппараты с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой. В нижней части вертикального корпуса находится нагревательная камера, состоящая из двух трубных решеток, в которых закреплены кипятильные трубы длиной 2-4 м и циркуляционная труба 4 большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубном пространстве подается греющий пар.



Недостатки:

1. 
   циркуляционная труба обогревается паром, что снижает разность плотностей;
   
2. 
   жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее разности тепловых удлинений и корпуса аппарата.
   

Аппараты с подвесной нагревательной камерой. Нагревательная камера имеет собственную обечайку и свободно устанавливается в корпусе. Роль циркуляционной трубы играет кольцевой зазор между обечайкой камеры и стенками корпуса аппарата. Раствор движется вверх по кипятильным трубам.

Достоинства:

1. 
   циркуляционный канал находится вне нагревательной камеры и имеет большое поперечное сечение;
   
2. 
   благодаря подвесу нагревательной камеры устраняется опасность нарушения плотности соединения кипятильных труб с трубными решетками из-за разности тепловых удлинений.
   

Недостатки: не могут быть использованы для вязких и кристаллизующихся растворов.

Аппараты с выносными циркуляционными трубами. Для улучшения циркуляции раствора циркуляционная труба располагается вне корпуса аппарата вокруг нагревательной камеры.



Достоинства:

1. 
   интенсивность теплопередачи;
   
2. 
   уменьшение расхода Ме на 1 м² поверхности нагрева.
   

Аппараты с выносной нагревательной камерой. Выносная нагревательная камера позволяет удлинить кипятильные трубы, чем улучшается циркуляция. Длина труб достигает 7 м. Исходный раствор подается под нижнюю решетку нагревательной камеры или в циркуляционную трубу.



Аппараты с вынесенной зоной кипения. Используют для выпаривания кристаллизующихся растворов, т.к. в них уменьшается образование накипи. Исходный раствор, поднимаясь по длинным 4-7-м трубам не закипает в низ из-за гидростатического давления. Из кипятильных труб раствор попадает в расширяющуюся трубу вскипания, где давление уменьшается, раствор вскипает. Циркулирующий раствор опускается по наружной необогреваемой трубе. Упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора.

Прямоточные (пленочные аппараты). Выпаривание происходит при однократном прохождении раствора по трубам нагревательной камеры без циркуляции раствора. Раствор выпаривается, перемещаясь в виде тонкой пленки по внутренней поверхности труб. В центральной части труб вдоль их оси движется вторичный пар.

Для выпаривания термически нестойких и пастообразных растворов используются роторные прямоточные аппараты.

Аппараты с принудительной циркуляцией. Для повышения скорости циркуляции (чтобы уменьшить накипь) между нагревательной камерой и циркуляционной выносной трубой устанавливается насос.