Лекция № 6

КОНТАКТНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ «ГАЗ-ЖИДКОСТЬ»

Контактные (смесительные) теплообменники широко используются во многих отраслях промышленности – химической, пищевой, металлургической и др. В таких аппаратах процессы подвода и отвода теплоты при нагреве или охлаждении газов и жидкостей осуществляются при непосредственном контакте сред без разделительной стенки и без соприкосновения их с какой-либо теплопередающей поверхностью.

Преимущества контактных аппаратов по сравнению с поверхностными теплообменниками - снижение металлоемкости и коррозионно-эрозионного износа, повышение надежности, отсутствие отложений, возможность существенного повышения температуры нагрева теплоносителей и пр., - обуславливают все более широкое применение этих аппаратов в промышленности и перспективность их использования в объектах новой техники [2].

Особое значение имеют контактные теплообменники в системах утилизации вторичных энергоресурсов и в установках обезвреживания отходов.

Использование контактных теплообменников является одним из эффективных путей экономии металлов и других дефицитных материалов, снижения капитальных и эксплуатационных затрат и повышения надежности оборудования.

Основные виды и классификация контактных теплообменников

Тепловая производительность контактных аппаратов (КТ) определяется поверхностью контакта фаз-теплоносителей. Поэтому в конструкции аппаратов предусматривается разделение потоков жидкости на мелкие капли, струи, пленки или газового потока на мелкие пузырьки. Передача теплоты в них происходит не только в процессе теплообмена, но и в процессе массообмена, причем вследствие массопередачи возможен даже перенос теплоты от холодного теплоносителя к горячему – например, при испарении холодной воды в горячем газе теплота испарения передается от жидкости к газу.

Контактные теплообменники широко применяются для конденсации паров, охлаждения газов водой, нагревания воды газами; охлаждения воды воздухом; мокрой очистки газов и т.п.

Далее вкратце рассмотрим классификацию теплообменников.

По направлению потока массы контактные теплообменники могут быть разделения на две группы [3]:

1) Аппараты с конденсацией пара из газовой фазы. При этом происходит осушка и охлаждение газа и нагревание жидкости (конденсаторы, кондиционеры, скрубберы).

2) Аппараты с испарением жидкости в потоке газа. При этом увлажнение газа сопровождается его охлаждением и нагреванием жидкости или, напротив, нагреванием газа и охлаждением жидкости (градирни, кондиционеры, скрубберы, распылительные сушилки).

По числу ступеней контактные теплообменники разделяют на одно- и многоступенчатые (каскадные). В каждой ступени гидродинамические, тепло- и массообменные процессы взаимосвязаны. В свою очередь ступени (каскады) взаимодействуют друг с другом. В контактных теплообменниках параметры рабочих тел изменяются в пространстве.

По функциональному назначению – на нагреватели, охладители, испарители (выпарные аппараты), конденсаторы, плавители, кристаллизаторы и др. В контактных теплообменниках процессы протекают как без изменения агрегатного состояния сред, так и с изменением его (испарители, конденсаторы, плавители).

По способу организации процессов – на аппараты непрерывного и периодического действия. Аппараты периодического действия применяют в установках небольшой производительности, они отличаются простотой конструкции и надежностью. Аппараты непрерывного действия применяют в установках большой производительности, они способствуют стабилизации процесса во времени, что облегчает их регулирование и автоматизацию и упрощает обслуживание.

По числу и типу взаимодействующих фаз – на аппараты, в которых создаются двухфазные системы (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость, газ - твердые частицы, пар - твердые частицы, жидкость – твердые частицы, твердые частицы – твердые частицы, газ-газ, пар-пар) и трехфазные системы (например, газ – жидкость - твердые частицы). В особых случаях взаимодействие фаз может изменяться по длине (высоте) аппарата (например, система жидкость-жидкость превращается в систему пар-жидкость).

По характеру сил, используемых для создания взаимного движения теплоносителей, - на аппараты, в которых движение теплоносителей вызывается воздействием сил гравитации, инерции, давления, поверхностного натяжения, архимедовой силой, электромагнитными полями или их комбинацией.

Обычно движение теплоносителей происходит под действием нескольких сил. Так, в насадочных противоточных аппаратах «газ-жидкость» газ перемещается под действием давления, создаваемого нагнетателем, а жидкость – под действием сил гравитации.

По наличию специфических зон тепломассопереноса – на аппараты с зонами однофазного нагрева (охлаждения), испарения, конденсации и др. Для большинства КТ характерно наличие нескольких зон. Например, в теплообменниках для охлаждения дымовых газов водой существуют зоны насыщения газов парами воды, конденсации паров и постоянной температуры охлаждающей воды.

По принципу образования межфазной поверхности – на аппараты с фиксированной поверхностью контакта фаз, с формированием поверхности контакта в результате движения теплоносителей или в результате подвода энергии извне. В аппаратах первой группы (например, пленочных) поверхность контакта определяется поверхностью элементов и их конструкцией; в аппаратах второй группы поверхность контакта образуется при перемешивании, диспергировании, псевдоожижении сред, а третьей – при работе механических мешалок, вращении или вибрации элементов, наложении пульсаций на потоки.

По взаимному направлению потоков теплоносителей – на аппараты с противоточным, перекрестным и смешанным движением сред. В отдельных теплообменниках используют более сложные способы организации потоков.

По характеру изменения параметров в объеме – на аппараты без изменения параметров (аппараты полного перемешивания), с изменением параметров (аппараты полного вытеснения) и смешанного типа.

Контактные теплообменники содержат следующие основные элементы: 1) приемные камеры греющей и нагреваемой среды; 2) устройства для распределения и взаимодействия теплоносителей в объеме аппарата, 3) корпус аппарата. Кроме того, для функционирования теплообменника необходимы устройства подачи и отвода теплоносителей (насосы, газодувки, транспортеры и т.п.).

Контактный теплообменник представляет собой систему взаимодействующих элементов. В то же время он сам взаимодействует с агрегатами, обеспечивающими подачу и отвод теплоносителей, и другими аппаратами технологических систем, в которых этот аппарат функционирует. Таким образом, являясь элементом технологических систем, контактный теплообменник, в свою очередь, представляет собой систему взаимодействующих элементов (процессов).

По принципу разделения жидкости смесительные аппараты бывают насадочные, каскадные, полые с разбрызгивателями и струйные.

1.2. Конструкции и устройство теплообменников

1.2.1. Полые или безнасадочные колонны или камеры

В этих аппаратах жидкость распыливается форсунками в газовую среду; соприкосновение между жидкостью и газом происходит на поверхности образовавшихся при распыливании капель жидкости (например, в камерах орошения кондиционеров – рис. 1.1, рис. 1.4, а).

Основным элементом камеры орошения, обеспечивающим развитую поверхность контакта газа с жидкостью, являются форсунки механического распыла или другие оросители. От их конструктивных характеристик и расположения зависят дисперсность, равномерность распределения, время пребывания капель жидкости в реактивном пространстве и, в конечном счете, интенсивность процессов тепло- и массообмена.

На рис. 1.1 показана схема форсуночной камеры [1]. Составляющие факел форсунки капли только на начальном участке пути в потоке воздуха имеют вынужденное движение под действием сил инерции. В дальнейшем частицы воды под действием аэродинамических сил потока воздуха движутся вдоль камеры, опускаясь под действием сил тяжести вниз, в поддон. Практически относительная скорость капель вне зоны действия сил инерции близка к скорости витания, т.е. ограничена естественным полем тяготения – полем сил тяжести. Дополнительная интенсификация процессов тепло- и массообмена у выходных сечений форсунок за счет увеличения относительной скорости капель жидкости имеет локальный характер и коренным образом интенсивность тепло- и массообмена не меняет.

Рис. 1.1. Схема форсуночной камеры

1 – оросительное пространство; 2 – трубный стояк с форсунками;

3 – сепаратор; 4 – поддон; 5 – фильтр; 6 – насос

Капли факела форсунок весьма полидисперсны. Меньшую долю (примерно 20 %) составляют мелкие капли диаметром менее 0,3 мм, которые полностью уносятся потоком воздуха. Мелкие капли интенсивно испаряются из-за их быстрого нагрева, повышенного давления над выпуклой поверхностью и снижения парциального давления паров воды в обрабатываемом воздухе за счет его осушки на основной массе крупных капель.

Крупные капли, диаметром до 2-3 мм недогреваются, что ведет к недоиспользованию температурного потенциала воды. Как видим, имеют место разнонаправленные процессы: увлажнение воздуха на мелких каплях и осушка – на крупных. Вследствие полидисперсности форсуночного факела процесс тепло- и массообмена представляет собой целый спектр процессов, характерных для капель разного диаметра [1].

Верхний предел скорости воздуха в поперечном сечении камеры составляет 2,5-3 м/с. Во взаимном движении сред в форсуночных камерах наблюдается преимущественно прямоток. Благодаря простой конструкции, малому гидродинамическому сопротивлению (100-200 Па) и удобной компоновке, форсуночные камеры широко используются в системах кондиционирования воздуха.

Достоинства: малое гидравлическое сопротивление по газу; экономичность по расходу жидкости.

Недостатки: имеют большие габариты. Для распыливания жидкости затрачивается энергия.

1.2.2. Аппараты с орошаемой насадкой [1]

Основным элементом, определяющим площадь и структуру межфазовой поверхности в данных аппаратах, является слой орошаемой насадки. Некоторые виды насадок для контактных теплообменников показаны на рис. 1.2 [4].

В качестве насадки применяют различные реечные, листовые, пористые и насыпные материалы. Сравнительные данные некоторых орошаемых насадок приведены в табл. 1.1 [19]. Схема насадочного аппарата представлена на рис. 1.3 (см. также рис. 1.4, в).

Рис. 1.2. Насадки для контактных теплообменников:

а – беспорядочно уложенные кольца; б и в – кольца с перегородками;

г – шары; д – пропеллерная насадка; е – седлообразная насадка;

ж – хордовая насадка

Рис. 1.3.Схема аппарата с орошаемой насадкой

1 – орошаемая насадка; 2 – оросительное устройство; 3 – сепаратор; 4 – поддон; 5 – насос; 6 – фильтр

Как видно из табл. 1.1, существенно большей удельной поверхностью обладает сетчатая насадка, что позволяет применять весьма тонкие слои - толщиной 30-40 мм, в то время как для других типов насадок толщина слоев достигает 200-400 мм и более. Это преимущество сетчатых насадок дает возможность выполнять многоярусные конструкции при малых показателях гидравлического сопротивления (порядка 100-200 Па), а также объединять параллельные потоки воздуха от нескольких слоев орошаемых насадок.

Наибольшую относительную скорость газа обеспечивают сотоблочные регулярные насадки и пакеты из листового материала.

Худшими из указанных свойств обладает нерегулярная насадка, в том числе из насыпных колец Рашига, которая характеризуется небольшой удельной поверхностью и скоростью воздуха, повышенными гидродинамическим сопротивлением и толщиной слоя. Достоинством колец Рашига, благодаря чему они нашли широкое применение, является их коррозионная стойкость, простота изготовления и эксплуатации.

Нерегулярные насадки обладают ограниченными возможностями в обеспечении различных режимов работы; имеют многочисленные застойные зоны, связанные с неравномерностью сечений каналов, потоков сред, несмоченные и переувлажненные участки поверхности. Применение регулярных насадок позволяет подобрать оптимальный режим работы орошаемого слоя за счет изменения диаметра, глубины и профиля каналов и характеризуется относительно высокими значениями скорости газа, удельной поверхности и пористости слоя.

Достоинства: простота конструкции; дешевизна; для их изготовления пригодны доступные материалы – бетон, керамика, стекло и т.д.; не требуется избыточное давление орошаемой жидкости.

Недостатки: значительны габариты и масса аппаратов; требуют устройства массивных фундаментов и отличаются значительным гидравлическим сопротивлением по газовому тракту. Эти аппараты мало пригодны для обработки сильно загрязненных жидкостей из-за возможного засорения и залипания насадки. Непригодны для работы с малыми расходами жидкости, так как не удается достичь необходимой для хорошей смачиваемости насадки плотности орошения.

1.2.3. Каскадные аппараты

Данные аппараты имеют внутри горизонтальные либо наклонные полки или перегородки, благодаря которым жидкость постепенно перетекает с полки на полку, как это показано на рис. 1.4, б. Применяются в основном как конденсаторы.

Рис. 1.4. Типы смесительных теплообменников

а - безнасадочный форсуночный; б – каскадный; в – насадочный;

г – струйный; д – пленочный с насадкой из цилиндров

1 – форсунки; 2 – трубы, распределяющие воду; 3 – каскады; 4 – насадка;

5 и 6 – сопла первой и второй ступени струйного смесителя; 7 – насос;

8 и 9 – центробежный и осевой вентиляторы; 10 – электродвигатель;

11 – концентрические цилиндры; 12 – иллюминаторы-сепараторы влаги;

13 - подогреватель воздуха

Каскадные аппараты просты по конструкции, не требуют установки специального насоса для откачки охлаждающей жидкости. Однако эти аппараты имеют относительно низкую удельную поверхность контакта фаз. Для их установки на значительной высоте требуются специальные сооружения. Кроме этого, для подачи охлаждающей воды на высоту требуются значительные дополнительные затраты энергии. Схема каскадного аппарата представлена на рис. 1.4, б.

1.2.4. Струйные контактные аппараты

В этих аппаратах происходит нагревание воды эжектируемым или эжектирующим паром (рис. 1.4, г). Разность между температурой насыщенного эжектирующего пара и температурой нагретой эжектируемой воды в односопловых струйных смесительных аппаратах составляет 15-20°С, а в двухсопловых аппаратах – около 10 °С.

Достоинства: компактность и безинерционность работы.

Недостатки: повышенный расход охлаждающей жидкости, ее конечная температура на 8-11 °С меньше температуры насыщения.

1.2.5. Пленочные смешивающие подогреватели

Схема пленочного смешивающего подогревателя представлена на рис.1.4, д. Нагревание воды водяным паром в них происходит почти до температуры насыщения пара. Преимущества этой конструкции по сравнению с поверхностными подогревателями - простота, компактность, меньший вес и независимость коэффициента теплообмена от чистоты поверхности, т.е. от загрязнения ее накипью, маслом и т.п. Такие аппараты обычно работают с незначительным избыточным давлением 1¸5 кПа (0,01¸0,05 кг/см²).

Недостатком пленочных подогревателей является коррозия поверхности аппаратов и трубопроводов из-за наличия в воде и частично в конденсирующемся паре значительного количества кислорода.

1.2.6. Барботажные и пенные аппараты

В барботажном аппарате межфазовая поверхность контакта образуется диспергированием жидкости при поперечном движении газа через ее слой. При малых скоростях газа масса жидкости в слое используется неэффективно, так как в тепломасообмене участвуют лишь те немногие молекулы жидкости, которые расположены на границе с газовым пузырем. С увеличением скорости газа выше некоторой критической структура барботируемого слоя меняется: слой становится состоящим из отдельных капель жидкости различного диаметра, взвешенных в потоке газа. При этом, естественно, увеличивается поверхность контакта газа с жидкостью. Барботируемый газом слой является одной из наиболее характерных двухфазных систем для аппаратов, выполненных, например, в виде колонн, заполненных водой, колонн с колпачковыми и ситчатыми тарелками и др.

Для барботажных аппаратов характерны невысокие относительные скорости газа, определяемые скоростью всплытия пузырьков и ограниченные пенообразованием. Одним из наиболее интенсифицированных в этом классе является центробежный теплообменный аппарат, который будет рассмотрен отдельно. В нем скорость пересечения газом (барботажа) вращающегося слоя жидкости на один-два порядка превышает скорость всплытия пузырьков и достигает 20 м/с [4, 19].

При определенных условиях на поверхности барботируемого слоя возникает пена. Такой аппарат называют полочным пенным аппаратом (рис.1.5) [19] и рис. 1.6, а [1].

При толщине слоя жидкости 3-8 мм пена не образуется - взвешенный слой жидкости интенсивно уносится из аппарата потоком газа уже при его скорости 1 м/с. Наличие пены позволяет обеспечить устойчивую работу аппаратов при скорости газа до 2,5 м/с, так как при более высокой скорости газа капельный унос жидкости резко возрастает.

Рис. 1.5. Схемы пенных аппаратов:

а – однополочного; б – трехполочного;

1 - корпус; 2 – решетки; 3 – гидравлический затвор; 4 - порог

Продолжительность контакта газа с жидкостью определяется толщиной слоя жидкости, пены и скоростью газа, а продолжительность контакта жидкости и газа – длиной газонаправляющей решетки и скоростью течения жидкости по ней. Тепло- и массообмен в полочном пенном аппарате происходит при перекрестном токе газа и жидкости, либо, - в условиях повышенного капельного уноса, - при прямотоке сред.

Рекомендуемые скорости воздуха в полочном пенном аппарате:

0,5 м/с – нижний предел скорости, при котором образуется пена;

2,5 м/с – верхний предел скорости, при котором сохраняется гидродинамическая устойчивость газожидкостной системы.

Скорость газа в отверстиях решетки поддерживают в пределах 15-20м/с; живое сечение решетки 10-15 %.

При меньшей скорости газа или большем живом сечении решетки резко увеличивается провал (утечка) жидкости через отверстия решетки.

При большей скорости газа или меньшем живом сечении решетки резко возрастает капельный унос жидкости потоком газа, несмотря на сохранение средней по сечению скорости газа в рекомендуемых пределах. Это происходит вследствие большей неравномерности скоростей газа, особенно на входе газа в слой.

Пенные аппараты имеют повышенное гидродинамическое сопротивление (более 1,5-2 кПа), потому что в их реактивном пространстве во взвешенном состоянии находятся значительные массы жидкости.

Визуальные наблюдения за структурой межфазовой поверхности контакта показывают, что она является дискретной и состоит из цепочки перемещающихся сферических пузырьков, ячеек пены размером 5-10 мм [16]. Разновидностью пенных аппаратов являются циклонно-пенные и ударно-пенные аппараты, показанные на рис. 1.6, б - в.

В связи с тем, что пенные аппараты имеют развитую межфазовую поверхность контакта, они являются интенсифицированными аппаратами. Газ выходит из аппарата почти насыщенным, а его температура незначительно, всего на 0,5-3 °С, отличается от температуры жидкости в аппарате. Образуемая в аппаратах пена играет двоякую роль. С одной стороны, она позволяет увеличивать поверхность контакта и, до известного предела, скорость газа в аппарате, что способствует интенсификации тепло- и массообмена. С другой стороны, наличие пены сковывает подвижность отдельных мелких частиц жидкости (на этом и основана ее роль гасителя брызгоуноса) и ограничивает скорость газа условиями выноса пены из аппарата (превышение скорости газа приводит к выносу пены из аппарата, что недопустимо). Это снижает интенсивность процесса тепло- и массообмена.

Увеличения относительной скорости можно достичь с помощью искусственного поля тяготения, например, поля центробежных сил (см. подразд. 1.2.7), увеличивающего вес жидкости.

Рис. 1.6. Схемы пенных аппаратов:

а – полочный; б – циклонно-пенный; в – ударно-пенный;

1 – реактивное пространство; 2 – сепаратор;

3 – газонаправляющее устройство; 4 – регулятор уровня

В отличие от других контактных аппаратов, в пенных аппаратах невозможно в полной мере использовать искусственно созданные поля тяготения в объеме реактивного пространства, так как сил поверхностного натяжения жидкости может быть недостаточно для формирования пленок, составляющих своеобразный каркас пены. Под действием многократно возросшего веса жидкости, находящейся в пене, в искусственном поле тяготения ее силовой каркас разрушится, и пена будет погашена, что препятствует дальнейшей интенсификации процессов тепло- и массообмена в пенных аппаратах указанным способом.

Таким образом, пенные аппараты характеризуются повышенной интенсивностью тепломассообмена на единицу объема аппарата, допускают работу с загрязненными и умеренно вязкими жидкостями, нечувствительны к колебаниям расхода теплоносителя. Однако эти аппараты отличаются высоким гидравлическим сопротивлением, металлоемкостью, ограниченно пригодны для работы с агрессивными средами.

Теплообменники для утилизация теплоты дымовых газов котельных

Основным элементом контактных теплоутилизаторов является контактная камера. Контактные камеры могут быть различных типов: насадочные, форсуночные, каскадно-дисковые.

Насадочные контактные камеры выполняют с неподвижной и подвижной насадкой. В аппаратах с неподвижной насадкой контактную камеру заполняют слоем керамических (фарфоровых) колец, деревянных реек, металлических стружек, кусковых материалов и др. Для эффективного использования насадки необходимо, чтобы вода и газы равномерно распределялись по сечению. Равномерное распределение газов обеспечивается сопротивлением, которое насадка создает в газовом тракте. Для равномерного распределения воды используются форсунки, перфорированные трубы, распределительные корыта и другие устройства. Вода в контактной камере растекается в виде тонкой пленки по насадке, а также находится в виде капель и брызг.

В форсуночных камерах теплообмен происходит на поверхности капель воды, образующихся при разбрызгивании ее через форсунки. При соответствующем давлении поверхность теплообмена получается достаточно развитой. Форсуночные камеры отличаются от других камер простотой конструкции.

Аппараты, устанавливаемые на выхлопных трактах и газоходах различных энергетических установок и предназначенные для нагрева воды в них при непосредственном контакте с уходящими из установки продуктами сгорания, называют обычно контактными экономайзерами. Нагретую в контактных экономайзерах воду применяют для отопления, горячего водоснабжения, питания котлов и тепловых сетей. Теоретическим пределом нагрева воды является температура газа по смоченному термометру . Для промышленных печей при температуре газов за ними 500 °С и давлении, близком к атмосферному, составляет 70-75 °С. Для промышленных котлов с температурой газов за ними 250-300 °С составляет 65-70 °С и 50-60 °С – при температуре уходящих газов 120-140 °С, а также после двигателей внутреннего сгорания с температурой выхлопных газов 350-450°С. Выше этой температуры в контактном экономайзере нагреть воду нельзя. Это является одной из особенностей контактных экономайзеров.

Другой особенностью является возможность использования высшей теплоты сгорания топлива, включающей скрытую теплоту конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров. Коэффициент использования топлива возрастает примерно на 10 %. При контакте газов с холодной водой имеется также возможность охладить газы до температуры ниже температуры окружающей среды, что еще более увеличивает коэффициент использования топлива.

В контактных экономайзерах происходят процессы тепло- и массообмена с понижением энтальпии газа. В зависимости, в основном, от температуры нагретой воды процессы могут идти с понижением или увеличением влагосодержания газа.

Наибольшее применение в качестве контактных экономайзеров нашли аппараты с орошаемой насадкой [7, 8]. Наиболее распространенными элементами насадки являются керамические кольца Рашига, загруженные навалом или в виде упорядоченной насадки, которая более эффективна из-за меньшего объема застойных зон и большей равномерности локальных расходов и скоростей сред. Распределение воды обычно происходит с помощью перфорированных труб. Схема контактного экономайзера типа ЭКБ показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Конструкции контактного теплоутилизатора (экономайзера)

ЭК-БМ1

а - общий вид аппарата; б - варианты взаимной ориентации секций в теплоутилизаторе;

1 – верхняя секция; 2 – труба подвода воды к коллектору; 3 – патрубок для отвода газов; 4 – опорная решетка каплеулавливающего насадочного слоя;

5 – оросительные трубы; 6 – коллектор; 7 – патрубок для подвода газов;

8 – средняя секция; 9 – труба гидрозатвора перелива; 10 – патрубок для отвода нагретой воды; 11 – перегородка гидрозатвора отвода воды;

12 - патрубок для продувки и дренажа; 13 – лапа-опора; 14 – опорная рама; 15 – переливная труба; 16 – нижняя секция; 17 – люк для доступа к водяному объему; 18 – опорная решетка рабочего насадочного слоя; 19 – люк для выгрузки рабочего насадочного слоя; 20 – упорядоченный рабочий насадочный слой; 21 - неупорядоченный рабочий насадочный слой; 22 – люк для выгрузки рабочего насадочного слоя и ремонта водораспределителя;

23 – каплеулавливающий насадочный слой; 24 – люк-взрывной клапан

Уложенные в шахматном порядке кольца Рашига размером 50´50´5 мм позволили увеличить скорость газа до 2-2,5 м/с. Над основным слоем насадки толщиной 1200 мм имеется другой слой каплеулавливающей неорошаемой насадки толщиной 200 мм, засыпанной навалом. Встроенный декарбонизатор не предусмотрен, так как может быть применен выносной декарбонизатор (например, типа КД-06 или КД-08) с продувкой воздуха через нагретую воду, либо вода может поступать из контактного экономайзера в систему химводоочистки и деаэратор котельной.

При удовлетворительном сгорании природного газа состав нагретой в контактных утилизаторах воды практически не меняется, за исключением увеличения содержания углекислого газа и, как следствие этого, значительного понижения концентрации водородных ионов рН, что может повысить коррозионную активность воды. Одновременно в воде уменьшается содержание свободного кислорода и взвешенных частиц, что является благоприятным фактором.

Контактные экономайзеры в целом увеличивают коэффициент использования топлива на 10-20 %, что и является их основным достоинством.

Выбор варианта должен осуществляться в зависимости от условий компоновки теплоутилизаторов при проектировании теплоутилизационной установки. Необходимый вариант оговаривается в заказе, и в соответствии с этим изготовитель производит сварку секций.

Лекция №7

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КОНТАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

«ГАЗ-ЖИДКОСТЬ»

При отсутствии равновесия между фазами в системе происходит переход вещества из одной фазы в другую. Этот процесс называют массообменом, массопередачей или массопереносом. Массопередача, как и теплопередача, представляет собой сложный процесс, состоящий из процессов массоотдачи в пределах каждой из фаз.

Движущей силой процесса массопереноса служит отклонение системы от равновесия, например, из-за различия химических потенциалов или разности концентраций переходящего вещества в основном объеме фазы и у границы раздела фаз. Если эта разность положительна, вещество передается из фазы к границе раздела, а если отрицательна – в обратном направлении. За движущую силу процесса массопередачи в расчетах принимают разность между фактической концентрацией компонента в одной из фаз и равновесной концентрацией в ней данного компонента. Если давление паров на поверхности жидкости больше парциального давления паров в газе, происходит испарение жидкости и увлажнение газа; если парциальное давление паров в газе больше давления насыщенных паров на поверхности жидкости, происходит процесс конденсации паров из газа и его осушение [4].

В случае соприкосновения в контактном аппарате горячего газа с жидкостью происходят последовательно два процесса:

1) при высокой температуре газа происходит испарение жидкости;

2) далее по мере снижения температуры газа происходит конденсация содержащихся в нем паров. Таким образом, теплота конденсации паров передается нагреваемой жидкости.

К основным особенностям работы теплообменников «газ-жидкость» можно отнести следующие [2]:

1) процессы охлаждения или нагрева сред сопровождаются массообменом;

2) нагрев или охлаждение сред происходит до определенного температурного предела, после достижения которого устанавливается динамическое равновесие;

3) нормальная работа теплообменника возможна в относительно узком диапазоне параметров, определяемом конструкцией аппарата, соотношением расходов сред, их взаимным направлением, скоростями, способами распределения, уносом и другими факторами;

4) процессы формирования поверхности контакта между газом и жидкостью имеют стохастический характер, определяемый гидродинамическими и тепловыми режимами аппаратов.

В процессе непосредственного контактирования газа и жидкости температура газа может вплотную приблизиться к температуре жидкости. Это объясняется тем, что термическое сопротивление между газом и жидкость непостоянно, и в ходе тепло- и массообмена оно может снизиться до очень малых значений. Таким образом, система газ-жидкость может сколь угодно приблизиться к состоянию термодинамического равновесия, когда разность температур теплоносителей и разность парциальных давлений в газе и у поверхности жидкости будут равны нулю. Однако в процессах смешения газа и жидкости до такого состояния тепло- и массообмен не доводят, так как это повлекло бы за собой необходимость увеличения поверхности контакта фаз.

Вместе с тем следует иметь в виду, что при контакте жидкости со сколь угодно горячими газами температура ее не может повышаться неограниченно. Пределом нагрева жидкости является температура, которая меньше температуры кипения ее при данном давлении. Предельная температура, до которой может быть нагрета или охлаждена жидкость в контактном теплообменнике, служит параметром, определяющим процесс тепло- и массообмена и конструкцию теплообменного аппарата. Предельной температурой нагрева воды является температура мокрого термометра. Прежде чем перейти к расчету контактных теплообменников рассмотрим некоторые свойства влажного газа, а также свойства воды, необходимые для расчета контактных теплообменников.

3) Физические свойства воздуха, газов и воды

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяных паров. В ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара, и поэтому свойства влажного воздуха приближенно можно описать законами идеальных газов.

Основными характеристиками влажного воздуха являются:

1. Абсолютная влажность g, определяющая количество водяных паров, содержащихся в 1 м³ влажного воздуха. Водяной пар занимает весь объем смеси, поэтому абсолютная влажность воздуха равна массе 1 м³ водяного пара или плотности пара , кг/м³

(3.1)

2. Относительная влажность воздуха j выражается отношением абсолютной влажности воздуха к максимально возможной влажности его при том же давлении и температуре или отношением массы водяного пара, заключенной в 1 м³ влажного воздуха, к массе водяного пара, необходимой для полного насыщения 1 м³ влажного воздуха при тех же давлении и температуре.

Относительная влажность определяет степень насыщения воздуха влагой:

, (3.2)

где - парциальное давление водяного пара, соответствующее его плотности Па; - давление насыщенного пара при той же температуре, Па; - максимально возможное количество пара в 1 м³ насыщенного влажного воздуха, кг/м³; - плотность пара при его парциальном давлении и температуре влажного воздуха, кг/м³.

Соотношение (3.2) справедливо только тогда, когда можно считать, что пар жидкости является идеальным газом вплоть до состояния насыщения.

Плотность влажного воздуха r представляет собой сумму плотностей водяного пара и сухого воздуха при парциальных давлениях в 1 м³ влажного воздуха при температуре влажного воздуха Т, К:

(3.3)

где - плотность сухого воздуха при его парциальном давлении в 1 м³ влажного воздуха, кг/м³; - парциальное давление сухого воздуха, Па; - газовая постоянная сухого воздуха, Дж/(кг×К).

3. Влагосодержание воздуха, выраженное в килограммах водяного пара на 1 кг сухого воздуха, обозначается через х и представляет собой отношение

. (3.4)

выражая и по уравнению состояния для воздуха и водяных паров, получаем

, (3.5)

где - массовый расход воздуха и водяного пара, кг/с.

Эти равенства действительны при одном и том же объеме V влажного воздуха и одной и той же температуре. Разделив второе равенство на первое, получим еще одно выражение для влагосодержания

. (3.6)

Подставив сюда значения газовых постоянных для воздуха Дж/(кг×К) и для водяного пара Дж/(кг×К), получим значение влагосодержания, выраженное в килограммах водяного пара на 1 кг сухого воздуха,

. (3.7)

Заменив парциальное давление воздуха величиной , где из предыдущего и В – барометрическое давление воздуха в тех же единицах, что и р, получим для влажного воздуха, находящегося под барометрическим давлением

. (3.8)

Таким образом, при заданном барометрическом давлении влагосодержание воздуха зависит только от парциального давления водяного пара. Максимально возможное содержание влаги в воздухе , откуда

. (3.9)

Так как давление насыщения растет с температурой, то максимально возможное количество влаги, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры, причем тем больше, чем выше температура. Если уравнения (3.7) и (3.8) решить относительно и , то получим

(3.10)

. (3.11)

Объем влажного воздуха в кубических метрах, приходящийся на 1 кг сухого воздуха, вычисляется по формуле

(3.12)

Удельный объем влажного воздуха v, м³/кг, определяется делением объема влажного воздуха на массу смеси, приходящуюся на 1 кг сухого воздуха:

. (3.13)

Влажный воздух как теплоноситель характеризуется энтальпией (в килоджоулях на 1 кг сухого воздуха), равной сумме энтальпий сухого воздуха и водяного пара

(3.14)

где - удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг×К); t – температура воздуха, °С; - энтальпия перегретого пара, кДж/кг.

Энтальпия 1 кг сухого насыщенного водяного пара при низких давлениях определяется по эмпирической формуле, кДж/кг:

, (3.15)

где - постоянный коэффициент, примерно равный энтальпии пара при температуре 0 °С; = 1,97 кДж/(кг×К) – удельная теплоемкость пара.

Подставив значения в выражение (3.14) и принимая удельную теплоемкость сухого воздуха постоянной и равной 1,0036 кДж/(кг×К), найдем энтальпию влажного воздуха в килоджоулях на 1 кг сухого воздуха

. (3.16)

Для определения параметров влажного газа используются аналогичные рассмотренным выше уравнения.

Влагосодержание газа:

, (3.17)

где - газовая постоянная для исследуемого газа; Р - давление газа.

Энтальпия газа, кДж/кг,

, (3.18)

где - удельная теплоемкость газа, кДж/(кг×К).

Абсолютное влагосодержание газа

. (3.19)

При расчете контактных теплообменников для теплоносителей воздух-вода можно пользоваться данными табл. 3.1-3.2 или расчетными зависимостями для определения физико-химических параметров воздуха (3.24-3.34) и воды (3.35). Для дымовых газов могут быть использованы данные табл. 3.3.

Плотность влажного газа, кг/м³,

, (3.20)

где - плотность сухого газа при 0 °С, кг/м³; М_г, М_п – молекулярные массы газа и пара.

Плотность влажного газа, кг/м³,

. (3.26)

Парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре t, Па,

. (3.33)

Температура мокрого термометра воздуха может быть определена по уравнению[4], °С,

. (3.34)

Уравнение справедливо при кДж/кг.

4) I, d – диаграмма влажного воздуха и принцип

ее построения [19]

I, d – диаграмма влажного воздуха была составлена профессором Л.К.Рамзиным в 1918 г. и получила широкое применение в расчетах систем кондиционирования воздуха, отопления, вентиляции, сушильных установок и т.д. В зависимости от назначения I, d (или I, х) – диаграммы строятся для различных пределов температур и в различных масштабах энтальпий и влагосодержаний.

При построении I, d – диаграммы для влажного воздуха все величины относятся к 1 кг содержащегося в нем сухого воздуха. На рис. 3.1 представлена I, d – диаграмма ВТИ, построенная для барометрического давления 745 мм рт. ст., которое можно считать средним годовым давлением воздуха для центральных районов России. На осях координат диаграммы отложены два основных параметра влажного воздуха: влагосодержание (на оси абсцисс) и энтальпия (на оси ординат). Угол между осями координат принят не прямым, как обычно, а равным 135°. Масштаб для отсчета влагосодержаний снесен на горизонтальную прямую, проходящую через начало координат.

В соответствии с таким построением линии постоянного влагосодержания изображаются на диаграмме вертикальными прямыми, а линии постоянной энтальпии представляют собой наклонные прямые, параллельные оси абсцисс.

Кроме указанных линий, на диаграмме нанесены: 1) линии постоянных температур; 2) линии постоянной относительной влажности; 3) линии парциального давления водяного пара; 4) линии постоянных температур мокрого термометра.

Поэтапное построение I, d – диаграммы для влажного воздуха показано на рис. 3.2, а-г [4].

Линии постоянных температур, или изотермы, построены на основании формулы (3.16), которая при графически выражается прямой. Поэтому, определив для и некоторого произвольного значения , через полученные точки проводят прямую . Наклон изотерм увеличивается с повышением температуры, так как при этом возрастает энтальпия пара .

Линии постоянной относительной влажности построены согласно формуле (3.8). Для нескольких температур при определяют и находят пересечение соответствующих линий и . Соединяя полученные точки плавной кривой, строят линию .

Линии образуют пучок кривых, сходящихся на оси ординат в одну точку (°С). При температуре 99,4 °С, соответствующей барометрическому давлению 745 мм рт. ст., эти линии имеют резкий перелом и идут вверх почти параллельно линиям .

Рис. 3.1. I, d – диаграмма для влажного воздуха

Рис. 3.2. Построение I, d – диаграммы для влажного воздуха

Последнее объясняется тем, что при °С давление насыщенного пара равно барометрическому давлению В = 745 мм рт. ст., для которого построена диаграмма. Поэтому в соответствии с формулой относительная влажность не зависит от температуры, а зависит только от парциального давления пара и, следовательно, только от влагосодержания . Если же пользоваться более точным уравнением , то можно видеть, что относительная влажность зависит не только от давления, но и от температуры, поэтому линии при больших температурах имеют некоторое отклонение от вертикали.

Линии насыщения (%) делит I, d – диаграмму на две области: верхнюю – область влажного ненасыщенного воздуха и нижнюю – пересыщенного влагой воздуха, в котором избыточная влага может находиться только в капельном состоянии: линия % показывает максимальное возможное содержание влаги в воздухе при данной температуре. К пересыщенному влагой воздуху (нижняя область) неприменимы зависимости, полученные для влажного воздуха, содержащего влагу в парообразном состоянии. Вследствие этого рабочей частью диаграммы является ее верхняя область, расположенная над линией %, т.е. область не насыщенного влагой воздуха. Поскольку угол между осями координат при построении I, d – диаграммы выбран тупым, линия % идет сравнительно полого, площадь рабочей части диаграммы увеличивается, а кривые дальше отстоят друг от друга, что облегчает пользование диаграммой.

Линии парциального давления водяного пара в воздухе построена по формуле (3.10) для различных влагосодержаний . Шкала парциальных давлений размещается обычно на правой ординате диаграммы, а кривая парциального давления водяного пара – в нижней части диаграммы.

5) Изображение основных процессов на I, d – диаграмме

Разнообразные процессы тепло- и массообмена между веществами сопровождаются, как правило, нагреванием, охлаждением, увлажнением или осушением воздуха. Иногда эти процессы имеют место при смешении масс воздуха с различными параметрами. Эти процессы, налагаясь один на другой, создают весьма сложные закономерности изменения состояния воздуха.

Процесс нагревания воздуха в рекуперативном теплообменнике (калорифере) происходит без изменения его влагосодержания, т.е. при .

На I, d – диаграмме этот процесс изображается вертикалью, проведенной вверх от точки А, характеризующей начальное состояние воздуха, до точки В, соответствующей его конечному состоянию после нагревания до заданной температуры (рис. 3.3, а).

Если охлаждение влажного воздуха продолжить до состояния, соответствующего пересечению вертикали с линией % (точка на линии , например), то такое состояние соответствует насыщению воздуха водяными парами в процессе охлаждения при , а температура, соответствующая этому состоянию, называется температурой точки росы. Охлаждение воздуха ниже точки росы приводит к конденсации водяного пара и выпадению его в виде росы, т.е. к осушению влажного воздуха. Процесс осушения воздуха изображается на диаграмме линией , совпадающей с линией % и направленной влево от точки росы до пересечения с изотермой, соответствующей конечной температуре охлаждения воздуха. Количество сконденсировавшейся влаги на 1 кг сухого воздуха выражается разностью влагосодержаний, соответствующих точкам начала и конца процесса .

Рис. 3.3. Изображение основных процессов в I, d – диаграмме

Как следует из выражения (3.9), при % величина и соответственно точка росы зависят только от влагосодержания и общего давления В, но не зависят от температуры и относительной влажности воздуха. Точка росы находится на I, d – диаграмме пересечением линии , проведенной из точки, соответствующей начальному состоянию воздуха, с линией %.

Адиабатное охлаждение воздуха происходит в том случае, когда вся теплота, необходимая для испарения влаги, поступает из окружающего воздуха, являющегося единственным источником теплоты. Процесс испарения (или сушки) при этом происходит по адиабате, т.е. без потерь теплоты и подвода ее извне.

Воздух, отдавая теплоту, охлаждается и одновременно поглощает пары влаги, в результате чего происходит увеличение его влагосодержания и относительной влажности j. Температура испаряющейся влаги при этом постепенно устанавливается постоянной, носит название температуры мокрого термометра и обозначается .

Адиабатная разность температур воздуха и испаряющееся влаги , не зависящая от посторонних тепловых влияний и скоростей потока, характеризует способность воздуха поглощать (или испарять) влагу и носит названия потенциала сушки e. Эта разность по мере испарения влаги уменьшается и становится равной нулю при температуре воздуха, равной . При этом процесс испарения влаги полностью прекращается. Следовательно, температура мокрого термометра является температурой воздуха, соответствующей его насыщению в адиабатических условиях. Поэтому ее называют также пределом адиабатного охлаждения воздуха.

На принципе адиабатного испарения основан прибор, называемый психрометром, служащий для определения относительной влажности воздуха по показаниям сухого и мокрого термометров, помещенных в поток исследуемого воздуха. Сухой термометр представляет собой обычный ртутный термометр, а мокрый отличается от него тем, что его ртутный шарик покрывается материей (марлей или батистом), непрерывно смачиваемой водой. Температура, показываемая мокрым термометром психрометра, всегда немного выше истинной температуры мокрого термометра за счет подвода теплоты излучением, теплопроводностью и ряда других причин. Ошибку в показаниях мокрого термометра можно уменьшить, обернув выступающий столбик ртути смоченной материей (защитив тем самым его от излучения) и сообщив потоку воздуха, омывающему психрометр, бóльшую скорость. При увеличении скорости движения воздуха возрастает скорость испарения, увеличивается расход на испарение воды, и дополнительный поток теплоты, создающий ошибку в показаниях мокрого термометра, становится относительно малым по сравнению с затратой теплоты на испарение. Таким образом, при увеличении скорости движения воздуха ошибка в показаниях мокрого термометра резко уменьшается.

Экспериментально показано, что в неподвижном воздухе значение ошибки составляет 14,5% замеренной психометрической разницы. С увеличением скорости эта ошибка быстро уменьшается и при скорости 1,5-2 м/с становится меньше 1%.

Процессы смешения воздуха различных состояний в I, d – диаграмме представляют большой интерес, так как большинство установок для кондиционирования воздуха и сушилок работает по принципу многократной циркуляции, при которой свежий воздух смешивается с некоторой частью отработавшего воздуха, и эта смесь вновь поступает в аппарат.

Смешение воздуха различных параметров показано на рис. 3.3, б. Влажный воздух в состоянии А, имеющий массу , кг, и параметры и , смешивается с воздухом в состоянии В, имеющим массу и параметры и , т.е.

.

Обозначив , получим:

; (3.36)

, (3.37)

где и - энтальпия и влагосодержание смеси, отнесенные к 1 кг сухого воздуха.

Из равенств (3.36)-(3.37) получим:

; (3.38)

. (3.39)

Разделив (3.38) на (3.39), получим:

. (3.40)

Это уравнение прямой линии с координатами двух точек и . Из уравнения (3.40) следует, что точка, характеризующая состояние смеси, лежит на прямой, соединяющей точки, определяющие состояние компонентов смеси независимо от пропорции смешения. Положение этой точки на прямой определяется заданием либо , либо . Наиболее часто задается , и требуется найти . Из уравнения (3.39) и рис. 3.3, б вытекает:

. (3.41)

Следовательно, точка С (,), характеризующая параметры смеси, делит прямую АВ на отрезки, отношение которых равно величине (по правилу рычага), и лежит тем ближе к точке А, чем меньше .

Из уравнений (3.39)-(3.40) аналитически можно найти и :

; (3.42)

. (3.43)

Если прямая пересечет кривую % и точка , определяющая состояние смеси, окажется ниже кривой насыщения, то это укажет на конденсацию части водяных паров при смешении. Точка при этом характеризует состояние пересыщенного воздуха, т.е. воздуха, насыщенного водяными парами и содержащего, кроме того, влагу в капельном состоянии.

Без большой ошибки можно перенести точку по линии в точку , которая и определит действительное состояние смеси, так как капельная влага имеет ту же температуру, а ее энтальпия пренебрежимо мала по сравнению с энтальпией влажного воздуха. Разность влагосодержаний, соответствующих точкам и , выразит количество влаги, находящейся в воздухе в капельном состоянии.

Лекция №8

Расчет контактных теплообменников «газ-жидкость»

Порядок и объем расчета теплообменников зависят от постановки задачи. Во многих случаях известны начальные (входные) параметры и расходы сред и требуется определить конечные параметры. Иные задачи могут решаться перестановкой блоков алгоритма.

Основными целями расчета контактных теплообменников являются:

расчет теплопроизводительности аппарата;

определение параметров уходящих газов, расхода жидкости и ее конечной температуры;

расчет основных геометрических размеров теплообменника;

определение гидравлического сопротивления аппарата.

Цели расчета могут изменяться в зависимости от постановки задачи.

Общая схема расчета теплообменников контактного типа представлена на рис. 3.4.

3.4.1. Исходные данные

Исходные данные зависят от постановки задачи. Обычно задают:

массовый расход газа , кг/с;

температуру газа на входе в теплообменник °С;

температуру газа на выходе из теплообменника °С;

температуру жидкости на входе в теплообменник °С;

начальное влагосодержание газа кг/кг.

Требуется определить:

теплопроизводительность теплообменного аппарата кВт;