Теплообменный аппараты со смешиванием теплоносителей. 1 страница

1. Определения.

Смесители – теплообменные аппараты, в которых процесс теплообмена происходит при непосредственном контакте теплоносителей.

Примечание: контакт теплоносителей может происходить: 1) в свободном объеме, либо 2) на поверхности элементов, образующих насадку. Насадка используется для увеличения поверхности взаимодействия между теплоносителями.

2. Область применения.

- для изменения температуры и влажности воздуха, подаваемого в помещение кондиционером.

- для охлаждения и очистки дымовых газов – насадные колонны, каскадные аппараты, пенные пылеуловители, скрубберы и т.д.

- для охлаждения большого количества воды (градирни).

- для конденсации водяных паров – конденсаторы.

3. Конструкции теплообменных аппаратов.

1) кондиционер

Термометр и датчик влажности регулируют передачу воды и расход греющего воздуха через теплообменник.

2) безнасадочная колонка (скруббер).

3) скруббер с насадкой.

4) каскадный аппарат (скруббер).

1 – элемент в виде воронки, взаимное расположение которых обеспечивает каскадное перетекание воды в виде пленки с уровня на уровень.

Теплообмен между газом и водой происходит при перетекании пленки воды потоком газа.

5) пенный пылеуловитель.

Во время работы на решетке образуется пена из пузырьков газа и жидкости.

6) Пленочный водоподогреватель конструкции ВТИ.

Пленка воды стекает по стенкам коаксиальных цилиндров теплообменна.\

7) Струйный водоподогреватель.

Вода со скоростью поступает из сопла «2» в сопло «3»,??? в камере смешения. Струя воды захватывает частицы пара, смешивается с ними и нагревается. Смесь поступает в сопло Лаваля где на выходе увеличивается потенциальная энергия.

К.П.Д. двухсоплового аппарата 0,7 – 0,75

8) полочный барометрический конденсатор.

Данная схема предпочтительнее для конденсации водяного пара при давлении ниже атмосферного.

9) прямоточный конденсатор.

4. Скрубберные насадки

а) Подразделяются на 2 группы:

- с неупорядоченной укладкой элементов;

- с упорядоченной: каждый элемент насадки относительно соседних уложен строго определенным образом

б) Виды насадок:

- кварцевый песок,

- активированный уголь,

- насадка из шаров,

- пропеллерная,

- седлообразная,

- хордовая,

- кольца Рашига (D=H)

в) Характеристики элементов насадки

1. Поверхность глубины объема – S, м²/м³ – суммарная поверхность всех элементов насадки в 1 м3 объема насадки,

S=50÷100 м2/м3

2. Свободный объем насадки – Vсв м³/м³ – суммарный объем всех пустот в 1 м3 объеме насадки

Vсв≈0,4÷0,95

3. Живое сечение – f, м²/м² – суммарная площадь сечения насадки, не занятая элементами насадки, в расчете на 1 м² поперечного сечения насадки

f≈Vсв

4. Смоченный периметр насадки – U м/м² (условный периметр просветов) - суммарный периметр всех плоских фигур, образующихся при сечении насадки плоскостью в расчете на 1 м² сечения насадки

5. Гидравлический радиус насадки – r_г, м

6. Приведенный диаметр насадки – dr, м

5) Особенности теплообмена в смесительных теплообменных аппаратах

а) Теплообмен всегда сопровождается массообменном

б) Коэффициент теплоотдачи в теплообменных аппаратах зависит от того, в каком направлении идет процесс массообмена.

Фактически влажный воздух взаимодействует не непосредственно с водой, а с пограничной паровой пленкой на поверхности воды, причем идет конденсация паров из воздуха, толщина паровой пленки увеличивается, что приводит к уменьшению α

При испарении воды толщина пограничной пленки уменьшается.

в) При расчете смесительных теплообменных аппаратов условно полагают, что между воздухом и водой непосредственно не происходит взаимодействие, а происходит смешение между воздухом и пограничной пленкой, в которой находится воздух с относительной влажностью φ=1 и температура которого равна температуре воды (в пленке воздух находится в термодинамическом равновесии с водой).

Такая модель позволяет сложный процесс тепло- и массообмена между воздухом и водой эквивалентно заменить процессом смешения воздухов двух состояний:

1) воздуха влаги от воды

2) воздуха в пограничном слое.

6) Конструктивный тепловой расчет противоточного скруббера с насадкой для охлаждения воздуха.

6.1. Постановка задачи.

Определить геометрические размеры противоточного скруббера с насадкой (активной зоны скруббера) для охлаждения L, кг/с сухого воздуха, в котором содержится влага в количестве кг/кг

- температура воздуха на входе - , ˚С

Охлаждение производится водой с , ˚С.

Насадка выполнена из элементов с заданными характеристиками

S, Vсв, f, U, r_г,d_r

Также нужно определить: 1) расход воды на орошение - кг/с

2) температуры воды и воздуха на выходе из скруббера, если теплопотери отсутствуют, а также потери воздуха и воды отсутствуют.

Известно: L, , ,

Неизвестно: , , , , , ,

6.2. Схема установки

Рис1. Противоточный скруббер с насадкой

6.3. Последовательность решения задачи

Активная зона скруббера – часть объема скруббера, которая занята насадкой, или та часть объема, в которой происходит процесс тепло- и массообмена.

- тепловая мощность:

(1)

- поверхность - , где V_АЗ – объем активной золы

φ – коэффициент смачиваемости насадки, равен отношению смоченной части поверхности и участвующий в процессе теплообмена к геометрической поверхности насадки

Из практики установилось, что

→ (1) =>

Q, k, K_A, D_A, φ, - неизвестные, их нужно определить

6.4. Построение скрубберного процесса и определение расхода воды на орошение -

Построение проводим по шагам:

1. Наносим на диаграмме точку, характеризующую состояние воздуха на входе в скруббер:

, => т.1

2. Наносим на диаграмме точку, характеризующую параметры II ^го теплоносителя на входе (вода)

Так как процесс представляется как смешение 2^х воздухов => II^й теплоноситель представляется, как воздух, имеющий φ=1 и температуру, равную температуре воды -

φ=1, => т. 2^’

3. Наносим параметры воды на выходе из скруббера

Если бы высота активной зоны была бесконечно большой, то вода прогрелась до температуры мокрого термометра – t_M. Поскольку насадка имеет конечные размеры, имеет место недогрев - => ,

Таким образом процесс изменения параметров воды в скруббере пойдет по линии φ=const=1 от т. 2’ → т. 2''.

3. Определение параметров воздуха на выходе из скруббера.

При бесконечной длине насадки H_A воздух охладился бы до , однако из-за конечной длины H_A имеет место недоохлаждение на ˚С =>

Точка 1'' должна лежать на изотерме правее точки 2', но левее, так как у воздуха , точки пересечения изотермы с линией .

В первом приближении принимаем, что т. 1” лежит на:

, => т.

Таким образом параметры воздуха меняются от т.1’ до т. , но по неизвестному маршруту.

4. Определение расхода воды на орошение в скруббере -

- определяется путем совместного решения уравнений теплового баланса и баланса массы воды в скруббере.

Уравнение теплового баланса:

(1)

=> (2)

(3)

Принимаем С₂=const =>

(4)

(5)

Выразим через используя уравнение баланса влаги.

Уравнение баланса по влаге

(6)

(7)

(4)→(1):

(8)

| * (-1)

А В С

А – расход воды, при нагревании которой, охлаждается абсолютно сухой воздух и уменьшается его энтальпия

В – расход воды, на изменение энтальпии водяных паров

С – экономия воды за счет того, что часть водяных паров конденсируется.

6. Определение расхода воды на выходе из скруббера -

=>

Расход воды по высоте активной зоны меняется от до .

7. Определение среднего расхода воды в активной зоне, так как => в качестве расчетного расхода воды принимаем .

8. Определение текущих параметров воды и воздуха

-Высоту активной зоны разбиваем на m=8÷12 частей.

- Энтальпия воздуха в каждой зоне изменяется на

ΔI=I_1’-I_1T’’

На диаграмме: Делим интервал I_1’→I_1T’’ на m участков, через полученные точки проводим линии, параллельные I_1’, границы зон обозначим: а, б, в.

ΔI берется небольшим, чтобы можно было на каждом участке направление линии смешения считать постоянными

9. Определяем параметры воды и воздуха на границах каждой зоны: а, б, в;

Для этого рассматриваем каждую зону отдельно по порядку, начиная с нижней по ходу газов:

Уравнение теплового баланса: =>

=> наносим t_2a на φ=1

Соединяем пунктирной линией процесс смешения (процесс на воздухе – толстая линия от 1^' до а).

Повторяя расчет достраиваем диаграмму:

Последняя зона в т.2': Выноска I, M 10:1

Рис.2 Построение скрубберного процесса

Выводы:

1) Конечные параметры воздуха сказываются в т. 1'' (хотя первоначально принимали т. .

В дальнейших расчетах конечные параметры воздуха определяются в т. 1''

2) По мере движения воздуха снизу вверх его влагосодержание сначала (до т. а) увеличивается (воздух увлажняется) затем воздух осушается, его влажность снижается.

10. Определение среднего температурного напора между теплоносителями

Практика показала, что наилучшие результаты для получаются, если определить по формуле:

b_i – отношение изменения температуры воздуха в i-той зоне к изменению температуры воздуха во всей активной зоне:

, , ,

- среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями для i-той зоны. Для определения строим температурный график для каждой зоны, чтобы определить и : (рис. 3)

Рис. 3 Среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями для i-той зоны.

Определим все =>

11. Явление захлебывания насадки

При противоточном движении воды – сверху, воздух – снизу и увеличении расхода до определенной величины вода перестает протекать сквозь насадку из-за взвешивания ее гидродинамическими силами сопротивления восходящим потоком воздуха. При этом вода заполнит зазоры между элементами насадки перестает работать. Это явление называется захлебыванием насадки.

12. Определение оптимальной скорости воздуха в скруббере - .

За оптимальную скорость воздуха в скруббере:

, где - скорость захлебывания насадки.

А, n – эмпирические коэффициенты

n=0,57

Критерий Архимеда:

ν_Г – коэффициент кинематической вязкости воздуха

ρ_в – плотность воздуха

ρ_ж – плотность воды

d_Г – гидравлический d насадки (эквив.)

13. Определение диаметра активной зоны - D_A

=>

14. Определение тепловой мощности скруббера

15. Определение коэффициента смачиваемости насадки – φ

а) Плотность орошения – отношение расхода воды G₂ к расходу абсолютно сухого воздуха и поперечному сечению активной зоны:

, м³/м²с

б) определение φ

Hω м^3/м^2час
f(Hω)			9,8	7,5	6,6		5,3	4,8	4,4	4,2	3,8

16. Определение коэффициента теплопроводности k – по эмпирическим формулам мв зависимости от типа насадки.

x – средняя концентрация пара

ε|_t1=20÷80=130

Примечание: В расчетах в качестве определяющего размера насадки применяется d_Г – гидравлический диаметр насадки.

17. Определение коэффициента насадки и высоты H_А

Из формулы (1) п.6.3. => => H_A=K_AD_A

Примечание: К_А должен лежать в пределах 1÷7. В противном случае необходимо сделать перерасчет, приняв другой тип насадки.

Раздел 3. ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ.

1 Основные положения.

1.1 Сушка- это термический процесс удаления воды из твердых материалов путем ее испарения.

1.2 Цели сушки:

1) Увеличение теплоты сгорания топлив.

2) Уменьшение массы материалов.

3) Увеличение сроков хранения.

4) Изменение физико-механических свойств материалов.

1.3 Естественная сушка- сушка, которая происходит за счет естественных источников теплоты: энергии солнца и ветровой энергии.

Применяется в основном для сушки низкосортных видов топлива (торф, дерево) по специальным нормативным требованиям.

Недостатки: длительная, требует большой территории, зависит от погодных условий.

В этом курсе не изучается.

1.4 Искусственная сушка- сушка выполняемая за счет энергии искусственных теплоносителей- горячая вода, пар, электроэнергия, горячий воздух, дымовые газы.

Для перемещения энергоносителей используются насосы, вентиляторы и др. машины.

1.5 Механическое обезвоживание. Выполняется путем отжатия, центрифугирования, фильтрования. Является более экономичным методом удаления влаги по сравнению с термической сушкой. Снижает влажность материалов до 40-60%. Для материалов, допускающих деформацию, часто комбинируют с термической сушкой.

2 Физические свойства влажного воздуха.

Основным энергоносителем в сушильных установках является воздух или его смесь с дымовыми газами.

2.1 Свойства влажного воздуха

1) Энтальпия I, [кДж/кг с.в.]

2) Влагосодержание- масса влаги (водяного пара) содержащейся во влажном воздухе отнесенная к 1кг абсолютно сухого воздуха.

x, [кг/кг]; d, [г/кг]

d=1000Hx

3) Абсолютная влажность воздуха- масса водяного пара, содержащаяся в 1м³ влажного воздуха.

, [кг/м³]

4) Максимальная абсолютная влажность воздуха- максимально возможное количество водяных паров, которое может содержаться во влажном воздухе при данной температуре и давлении.

, , [кг/м³]

5) Относительная влажность воздуха

, [ -, %]

2.2 Определение энтальпии влажного воздуха

Влажный воздух- смесь пара и сухого воздуха.

,[кДж/кг]

,[кДж/кг]

,[кДж/кг]

,[кДж/кг]

,[кДж/кг с.в.]

2.3 Определение влагосодержания

,[кг/кг с.в.]

, ,[кг] массы сухого воздуха и водяных паров.

По уравнениям состояния воздуха и водяных паров:

газовая постоянная

Дата добавления: 2014-12-16