Теплообменные регенеративные и смесительные аппараты

1. Регенеративные аппараты. Регенеративными называются такие теплообменные аппараты, в которых процесс теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному во времени разделяется на 2 периода. В течение 1-го периода через аппарат протекает горячий теплоноситель, теплота которого передается стенкам и в них аккумулируется. При этом теплоноситель охлаждается, а стенки аппарата нагреваются – это так называемый период нагревания. В течении 2-го периода через аппарат протекает холодный теплоноситель, который отнимает аккумулированную в стенках теплоту. При этом теплоноситель нагревается, а стенки охлаждаются – это период охлаждения.

Таким образом, в регенеративных аппаратах горячий и холодный теплоносители протекают в одном и том же канале и попеременно омывают одну и ту же поверхность нагрева. В регенеративных аппаратах процесс теплопередачи нестационарен. По мере нагревания и охлаждения температура стенки меняется. Вместе с изменением температуры стенки, конечно, изменяется во времени и температура жидкости (за исключением температуры ее на входе в аппарат). Кроме изменения во времени все температуры в регенераторах изменяются также и вдоль поверхности нагрева.

Пусть имеется регенератор для подогрева воздуха: внутренняя насадка для аккумуляции теплоты состоит из кирпича и образует прямые каналы (рис. 6.4.а). Горячие газы движутся сверху вниз, а холодный воздух – снизу вверх. Кривые изменений температур как во времени, так и вдоль поверхности приведены на рис. 6.4.б. Температура газов t₁ в начале периода нагревания представляется кривой 3, в конце периода – кривой 1 и средняя за период нагревания – кривой 2. Температура поверхности t_с в конце периода нагревания и начале периода охлаждения представляется кривой 4, в начале периода нагревания и конца периода охлаждения – кривой 7, средняя за период нагревания t_с1 – кривой 5, средняя за период охлаждения t_с2 – кривой 6. Температура воздуха t₂ в начале периода охлаждения представляется кривой 8, в конце периода – кривой 10, средняя за период охлаждения – кривой 9.

Рис. 6.4. Характер изменения в регенераторах температур рабочих жидкостей t₁ и t₂ и поверхности нагрева t_с в пространстве и во времени.

Если пользоваться средними температурами за цикл (рис. 6.5.), то тепловой расчет регенеративных аппаратов можно свести к расчету рекуперативных, основы которого были рассмотрены выше. При этом в качестве расчетного интервала времени берется длительность цикла и уравнение теплопередачи принимает вид:

(6.24)

где - коэффициент теплопередачи цикла, значение которого определяется выражением

(6.25)

где - суммарный коэффициент теплоотдачи за период нагревания (с учетом излучения газов); - суммарный коэффициент теплоотдачи за период охлаждения; и - период нагревания и охлаждения; - поправочный коэффициент, учитывающий то обстоятельство, что средние температуры поверхности за период нагревания t_с1 и период охлаждения t_с2 не равны между собой, ; обычно значение . Регенераторы, для которых , называются идеальными.

Дальнейший расчет регенератора может быть произведен по формулам, выведенным выше для рекуперативных теплообменных аппаратов.

Регенеративные аппараты применяются главным образом в таких отраслях промышленности, где температура уходящих газов высока и требуется высокий подогрев воздуха (например, доменное, мартеновское, коксовальное, стеклоплавительное и другие производства). В качестве аккумулирующей насадки обычно берется шамотный или силикатный кирпич, который укладывается или в виде сплошных каналов, или с промежутками в коридорном порядке, или с промежутками в шахматном порядке, кроме того, в качестве насадки применяются металлические листы, алюминиевая фольга и пр.

Работа регенераторов зависит от многих факторов, в частности, от толщины насадки, ее теплопроводности и аккумулирующей способности, от длительности периодов, температуры жидкостей, степени засорения и др. Длительность периодов бывает различной – от нескольких минут до нескольких часов. Для выбора толщины насадки также имеются широкие возможности, но для каждого аппарата имеется своя наивыгоднейшая толщина.

2. Смесительные аппараты. Смесительными называются такие теплообменники, в которых теплопередача между горячей и холодной жидкостями осуществляется путями их непосредственного соприкосновения и перемешивания. Такие аппараты имеют довольно широкое распространение и применяются главным образом для охлаждения и нагревания газов при помощи воды или охлаждения воды при помощи воздуха.

Одним из определяющих факторов в работе смесительных теплообменников является поверхность соприкосновения. С этой целью жидкости обычно разбрызгиваются на мелкие капельки. Чем меньше капли, тем больше поверхность соприкосновения, но вместе с этим меньше и скорость падения капли. При этом и скорость газа должна быть мала; в противном случае капли будут лишь витать или уноситься с воздухом. Поэтому степень разбрызгивания воды должна быть в соответствии со скоростью воздуха и производительностью аппарата. В смесительных теплообменниках наряду с процессом теплообмена имеют место и процессы массообмена. Например, при соприкосновении с водой сухого газа происходит испарение воды в газ, т.е. увлажнение газа. При смешивании с водой газа с большим содержанием водяного пара происходит конденсация пара или осушка газа.

При расчете смесительных аппаратов обычно пользуются установленными из практики нормами допустимой нагрузки единицы объема. Однако опыт показывает, что работа и производительность таких аппаратов в большей мере зависит от степени использования объема. Путем равномерного распределения газа по сечению аппарата можно резко повысить его производительность или сократить размеры.

С целью обеспечения большей поверхности соприкосновения рабочих жидкостей аппараты часто загружаются кусковым материалом, например коксом, кольцами Рашига или деревянными решетками. Поверхностью теплообмена является жидкостная пленка, которая образуется на поверхности кусковой насадки. Такие аппараты называются скрубберами; они широко применяются в химической промышленности.