Рекуперативные теплообменные аппараты

Лекция 15

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов, называют теплообменными. Они имеют разнообразное конструктивное оформление, которое зависит от характера протекающих в них процессов и условий проведения этих процессов. По принципу действия теплообменные аппараты делят на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных аппаратах - рекуператорах - теплоносители разделены стенкой и тепло передается от одного теплоносителя к другому через эту разделяющую их стенку.

В регенеративных аппаратах - регенераторах - одна и та же поверхность твердого тела омывается попеременно различными теплоносителями. При омывании твердого тела одним из теплоносителей оно нагревается за счет его тепла; при омывании твердого тела другим теплоносителем оно охлаждается, передавая тепло последнему. Таким образом, в регенераторах, кроме теплоносителей, обменивающихся теплом, необходимо наличие твердых тел, которые воспринимают тепло от одного теплоносителя и аккумулируют его, а затем отдают другому.

В смесительных аппаратах передача тепла происходит при непосредственном соприкосновении и смешении теплоносителей.

РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Существенным для теплообменных аппаратов, рекуперативного типа является наличие стенки из теплопроводного материала, разделяющей потоки теплоносителей. Эта стенка служит поверхностью теплообмена, через которую теплоносители обмениваются теплом.

В зависимости от конструктивного выполнения поверхноститеплообмена рекуператоры разделяют на теплообменники кожухотрубчатые, двухтрубчатые, змеевиковые, спиральные, оросительные, специальные и на трубчатые выпарные аппараты.

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенный в химической технике тип теплообменной аппаратуры. Они допускают создание, больших поверхностей теплообмена в одном аппарате, просты в изготовлении и надежны в работе. Простейший теплообменник этого типа кожухотрубчатый вертикальный теплообменник с неподвижными трубными решетками (рис.1.)

Рис.1. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками:

1 кожух; 2 трубная решетка: 3 трубы; 4 патрубок; 5 днище; б опорная лапа; 7 болт; 8 прокладка; /, // - теплоносители

Он состоит из цилиндрической обечайки-кожуха 1, к которой с двух сторон приварены трубные решетки 2. В трубных решетках плотно закреплен пучок труб 3. К кожуху с помощью фланцев присоединены болтами 7 днища (камеры) 5. Уплотнение создается прокладкой 8. Для ввода и вывода теплоносителей к кожуху и днищам приварены патрубки. Теплообменник устанавливают на опорных лапах 6. Один поток теплоносителя (/). Направляется через патрубок в нижнюю камеру, проходит по трубкам и выходит через патрубок в верхней камере. Другой поток теплоносителя (//) вводится через верхний патрубок на кожухе в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи трубы и выводится через нижний патрубок. Тепло от одного теплоносителя, другому передается через стенки труб. В отличие от показанного на рисунке противоточного движения теплоносителей может осуществляться параллельный ток.

Плотность соединения труб с трубной решеткой обеспечивается развальцовкой или сваркой (рис.2). Применяют также сложное и дорогостоящее сальниковое уплотнение, допускающее продольное перемещение труб при температурных удлинениях.

Существует несколько способов размещения труб в трубных решетках: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников, по сторонам и вершинам квадратов и по концентрическим окружностям (рис.3). Эти способы размещения диктуются требованием наибольшей компактности теплообменника.

Рис.2. Способы уплотнения труб в трубных решетках:

а развальцовкой; б развальцовкой в отверстии с канавками; в сваркой; г с помощью сальника

Рис.3. Схемы размещения труб в трубных решетках:

1 по сторонам и вершинам правильных шестиугольников;

2 по сторонам и вершинам - квадратов;

3 по концентрическим окружностям

Преимущественное распространение имеет размещение труб по сторонам и вершинам правильных шестиугольников. Для этого случая при подсчете общего числа труб п в теплообменнике исходят из числа труб а, расположенных по стороне наибольшего шестиугольника (1); число труб в, расположенных по диагонали наибольшего шестиугольника, находят по формуле (2):

(1) (2)

Диаметр D теплообменника находят: D = t(b l)+4d_н. (4)

Длину труб l определяют исходя из необходимой теплообменной поверхности F и, среднего диаметра d_cp труб: (5)

Рис.4. Многоходовой (по трубному пространству) теплообменник: 1 днище; 2 перегородки; /, // теплоносители

Различают одноходовые и многоходовые кожухотрубчатые теплообменники. В одноходовом теплообменнике один поток теплоносителей движется параллельно во всех трубах, другой в межтрубном пространстве параллельно трубам. В многоходовом (по трубному пространству) теплообменнике (рис.4) пучок труб разделен на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель / проходит последовательно. Разбивка труб на секции осуществляется перегородками 2 в верхнем и нижнем днищах 1 теплообменника. Путь теплоносителя / по четырем ходам показан стрелками.

В многоходовых теплообменниках увеличивается (соответственно числу ходов) скорость теплоносителя и, следовательно, коэффициент теплоотдачи.

На рис. 5 показан многоходовый (по межтрубному пространству) теплообменник, в котором увеличение скорости теплоносителя / в межтрубном пространстве достигается установкой ряда направляющих перегородок 2. Из двух теплоносителей движущихся по трубнему межтрубному пространствам, нужно в первую очередь увеличивать скорость того, который при теплообмене имеет большее термическое сопротивление и, следовательно, обменивается теплом при меньших значениях коэффициента теплоотдачи.

В рассмотренных кожухотрубчатых теплообменниках (рис.1, 4, 5) трубы жестко закреплены в трубной решетке. Вследствие разности температур между кожухом и трубами в них возникают температурные напряжения, которые могут привести к разрушению аппарата. Теплообменники с жестким креплением труб в трубной решетке надежно работают при разностях температур между кожухом и трубами 25-30.

Если эта разность превышает указанные пределы, применяют теплообменники с различными компенсаторами температурных удлинений.

Рис.5. Многоходовой (по межтрубному пространству) теплообменник:1 кожух; 2 направляющие перегородки; /, // теплоносители

Рис.6. Теплообменники с компенсацией

температурных удлинений:

а с «плавающей» головкой открытого типа; б с «плавающей» головкой закрытого типа; в с линзовым компенсатором; г с сальниковым компенсатором; д с U-образными трубами; е с двойными трубами; 1 кожух; 2 «плавающая» головка; 3 линзовый компенсатор; 4 сальник; 5 U-образные трубы; б наружная труба с закрытымнижним концом; 7 внутренняя труба с открытыми концами; /, // теплоносители

На рис.6, а и б показаны теплообменники с «плавающей» головкой, в которых, одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях. В теплообменнике на рис. 10.6, а «плавающая» головка открытого типа, на рис. 10,6, б закрытого.

На рис.6, в показан теплообменник с линзовым компенсатором на корпусе. Температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением, этого компенсатора. Такие теплообменники применяют при температурных деформациях, не превышающих 1015 мм, и при давлении в межтрубном пространстве не выше 0,25 МПа.

В теплообменнике с сальниковым компенсатором (рис.6, г) одна из трубных решеток при температурных расширениях может свободно перемещаться вдоль оси. Уплотнение патрубка, по которому выводится из теплообменника теплоноситель /, достигается установкой на верхнем днище сальника 4.

В теплообменнике с U-образными трубами (рис.6, д) оба конца труб закреплены в одной трубной решетке. Каждая труба может свободно удлиняться независимо от других; при этом температурные напряжения не возникают.

В теплообменнике с двойными трубами (рис.6, е) каждый из теплообменных элементов состоит из двух труб: трубы 6 с закрытым нижним концом и расположенной внутри нее трубы 7 с открытыми концами. Верхний конец трубы 7 закреплен в верхней трубной решетке, верхний конец трубы 6 в нижней трубной решетке. Теплоноситель / поступает в трубу 7 сверху и, пройдя ее, движется далее по кольцевому каналу между трубами 6 и 7. Теплообмен между теплоносителями / и // осуществляется через стенку трубы 6. Каждая из труб 7 и 5 может свободно удлиняться без возникновения температурных напряжении.

Очень важным фактором, определяющим работу теплообменников, является, скорость, движения теплоносителей. При увеличении скорости возрастает интенсивность теплообмена, но увеличивается гидравлическое сопротивление. Оптимальные скорости обычно соответствуют устойчивому турбулентному режиму движения теплоносителей и в большинстве случаев лежат в пределах 0,12 м/с для жидкостей и 220 кг/(м²·с) для газов.

Рис.7. Рис. 8.

Рис.7. Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»:

1 внутренняя труба; 2 наружная труба; 3 соединительное колено; 4 соединительный патрубок; /, // теплоносители

Рис. 8. Змеевиковый теплообменник с плоской спиралью: 1 резервуар; 2 плоский спиральный змеевик; /, II теплоноситель

Рис.9. Теплообменник со змеевиком, согнутым по винтовой линии: 1 емкость; 2 змеевик; 3 стойка- 4 хомут; 5 вытеснительный сосуд; I, II теплоносители

Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменники этого типа (рис.7) представляют собой батарею из нескольких теплообменных элементов, расположенных один под другим.

Каждый из элементов состоит из внутренней трубы 1 и охватывающей ее наружной трубы 2. Внутренние трубы отдельных элементов соединены последовательно коленами (калачами) 3. Наружные трубы соединены также последовательно патрубками 4. Теплоноситель / движется по внутренним трубам, теплоноситель // по кольцевым каналам между трубами 1 и 2.

Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки внутренних труб. В "двухтрубчатых "'теплообменниках обеспечиваются высокая скорость теплоносителей (даже при малых расходах) и высокая интенсивность теплообмена. Однако эти теплообменники громоздки и металлоемки- поэтому их применяют преимущественно для проведения процессов нагревания или охлаждения при высоких давлениях. При необходимости создания больших поверхностей теплообмена устанавливают несколько параллельно соединенных батарей; Змеевиковые теплообменники. Теплообменники этого типа отличаются простотой устройства. Теплообменный элемент змеевик представляет собой трубу, согнутую каким-либо образом. Змеевик погружен в жидкость, которая нагревается или охлаждается теплоносителем, движущимся по змеевику.

На рис.8 изображен змеевиковый теплообменник с плоской спиралью. В резервуаре 1 находится нагреваемая жидкость. Горячий теплоноситель подается в плоский спиральный змеевик 2, расположенный у дна резервуара.

Теплообменник со змеевиком, согнутым по винтовой линии, изображен на рис.9. В цилиндрической емкости 1 расположен змеевик 2. Витки змеевика закреплены на стойках 3 хомутами 4. Теплоноситель / проходит по змеевику, теплоноситель // через емкость L Обычно в емкости 1 теплоноситель // движется с малыми скоростями и теплоотдача от змеевика к теплоносителю // осуществляется при малых значениях коэффициента теплоотдачи. Для увеличения скорости движения теплоносителя // и, следовательно, интенсификации теплообмена в емкости 1 установлен вытеснительный сосуд 5. Движение теплоносителя // по кольцевому пространству между стенками емкости 1 и вытеснительного сосуда 5 происходит при повышенных скоростях.

Змеевики таких теплообменников имеют большое гидравлическое сопротивление, поэтому скорости теплоносителей в змеевиках выбирают меньшими, чем в теплообменниках с прямыми трубами; для жидкостей до 1 м/с, для газов до 10 кг/(м²-с). Как недостаток змеевиковых теплообменников следует отметить трудность очистки змеевиков.

Спиральные теплообменники. Поверхность теплообмена в спиральных теплообменниках (рис.10) обычно образуется двумя согнутыми в виде спиралей металлическими листами 1 и 2. Внутренние концы спиралей присоединены к перегородке 3. Между листами образованы каналы прямоугольного сечения, по которым движутся теплоносители / и //. С торцов каналы закрыты плоскими крышками 4 и уплотнены прокладками 6. Крышки крепятся болтами к фланцам 5. Иногда расстояние между спиралями фиксируется приваренной к ним дистанционной полосой 7, которая, кроме того, придает спиралям жесткость и прочность. У наружных концов спиралей и у центра крышки приварены патрубки 5 для ввода и вывода теплоносителей. Достоинством спиральных теплообменников является их компактность и возможность работы при больших скоростях теплоносителей:для жидкостей до 2м/с, для газов до 20кг/(м²с).

Благодаря отсутствию резких изменений скоростей теплоносителей гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников меньше, чем кожухотрубчатых. Из недостатков спиральных теплообменников необходимо отметить сложность изготовления и практическую невозможность работы при давлениях выше 1 МПа.

Оросительные теплообменники применяют главным образом для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров. Оросительный теплообменник (рис.11) состоит из ряда расположенных одна над другой труб 5, соединенных коленами 2. Снаружи трубы орошаются водой. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Орошающая вода подается на верхнюю трубу, с которой стекает на расположенные ниже трубы. Для равномерного орошения верхней трубы на ней установлен желоб 1 с зубчатыми краями. В нижней части имеется корыто 4 для сбора воды.

-

Рис. 10. Спиральный теплообменник:

/, 2 1 металлические листы; 3 перегородка; 4 крышка; 5 фланец; 6 прокладка; 7 дистанционная полоса; 8 патрубки; /, // теплоносители

Рис. 11. Оросительный теплообменник:

1 желоб; 2 соединительное колено; 3 труба; 4 корыто; /, // теплоноситель

Оросительные теплообменники просты по устройству, но довольно громоздки. Теплообмен от труб к орошающей воде характеризуется невысокими значениями коэффициентов теплоотдачи.

Орошающая трубы вода частично испаряется, благодаря чему расход воды в оросительных теплообменниках меньше, чем в теплообменниках других типов. При недостаточном орошении происходит сильное испарение воды, поэтому оросительные теплообменники устанавливают обычно на открытом воздухе. При установке оросительных теплообменников в помещениях вовремя их работы сильно увлажняется воздух. Чтобы этого избежать, теплообменники приходится помещать в громоздкие кожухи, подключенные к системе вытяжной вентиляции. Специальные теплообменники. К специальным теплообменникам относятся аппараты, в которых нагревание или охлаждение теплоносителей происходит в каких-либо специфических условиях, К этой группе теплообменников относят аппараты с рубашками.

Рис. 12. Аппараты с рубашками:

а для низких давлений; б для высоких давлений; 1 корпус; 2 рубашка; 3 фланцевое соединение; I, //теплоноситель

В них нагревание или охлаждение осуществляют наряду с другими процессами, например химическими. Аппарат с рубашкой изображен на рис.12, а. Поверхностью теплообмена здесь служит стенка реактора. К корпусу 1 крепится рубашка 2 с помощью фланцевого соединения 3. В пространстве между рубашкой и наружной поверхностью корпуса аппарата циркулирует теплоноситель I. В аппарате размещается теплоноситель //. Применение таких аппаратов ограничено небольшой поверхностью теплообмена (до 10 м²) и давлением в рубашке (до 1 МПа).

Для работы при давлениях до 7,5 МПа рубашку выполняют из листов с большим числом отверстий; при этом кромки листов по периметру отверстии отгибают и приваривают к корпусу аппарата (рис.12,6).

Теплообмен через стенку реактора осуществляется также в аппаратах с приваренными снаружи змеевиками (рис.13). Теплоноситель подают в согнутый из трубы змеевик 2, приваренный снаружи к корпусу 1. Для улучшения теплообмена между змеевиком и корпусом устанавливают фасонную металлическую прокладку 3, обеспечивающую плотное прилегание трубы к корпусу (рис.13,а). В трубчатых змеевиках допускается давление до 25 МПа. Иногда змеевики образуются приваркой к стенке аппарата согнутых половин разрезанных по длине труб (рис.13,6) или угловой стали (рис. 13,в); такие змеевики работают при давлениях до 6 МПа.

Рис. 13. Аппараты со змеевиками:

а, 6, в с приваренными снаружи змеевиками; г с залитыми в стенке змеевиками;

1 корпус; 2 змеевик; 3 металлическая прокладка

Рис. 14. Ребристые трубы:

1 - продольные ребра; 2 -поперечные ребра; /,// теплоносители

К специальным аппаратам относятся теплообменники с ребристыми поверхностями теплообмена. Поверхности теплообмена в них выполняют из труб с различными ребрами (рис. 14). Такие теплообменники применяют в тех случаях, когда условия теплоотдачи по обеим сторонам стенки трубы различны, например, в трубе происходит конденсация греющего пара, а снаружи труба омывается потоком нагреваемого воздуха. Значения коэффициентов теплоотдачи по обеим сторонам трубы существенно отличаются; от греющего пара к стенке трубы α₁≈12000 Вт/(м²К), а от стенки к нагреваемому воздуху α₂=1060 Вт/(м²·К). Для улучшения теплоотдачи от стенки трубы к воздуху с наружной стороны трубы делают ребра. При наличии ребер наружная поверхность трубы увеличивается, в результате значительно улучшается теплоотдача.

Ребра размещают с той стороны теплообменной поверхности, где значение коэффициента теплоотдачи сравнительно меньше. Ребра значительно улучшают теплообмен только в том случае, если к ним обеспечивается хороший подвод тепла от стенки трубы, поэтому ребристые трубы изготовляют из материалов с большими коэффициентами теплопроводности. Направление ребер выбирают в зависимости от направления потока теплоносителя, омывающего ребра. Во всех случаях поверхность ребер должна быть параллельна направлению потока теплоносителя. Трубчатые выпарные аппараты. Из большого числа конструкций выпарных аппаратов преимущественное распространение имеют трубчатые выпарные аппараты, теплообменное устройство которых (греющая камера или кипятильник) выполнено в виде какого-либо трубчатого теплообменника. С одной стороны стенок труб находится выпариваемый раствор, с другой теплоноситель, подводящий тепло (обычно водяной пар). В выпарных аппаратам при выпаривании растворов образуется парожидкостная эмульсия, которую необходимо разделить при непрерывном выводе пара из аппарата. Отделение жидкости от пара осуществляется в специально приспособленной для этого сепарационной части аппарата сепараторе. Наличие сепарационной части является специфичным для выпарных аппаратов.

Различают выпарные аппараты с естественной и искусственной циркуляцией раствора, а также пленочные выпарные аппараты.

Простейшим аппаратом с естественной циркуляцией раствора является выпарной аппарат с центральной циркуляционное трубой, изображенной на рис.15. Внижней части аппарата размещена греющая камера (вертикальный кожухотрубчатый теплообменник). В кипятильных трубах 2 греющей камеры происходит выпаривание раствора. Снаружи кипятильные трубы обогреваются паром. По оси греющей камеры расположена циркуляционная труба 3 значительно большего диаметра, чем кипятильные трубы. В результате выпаривания раствора в кипятильных трубах образуется парожидкостная эмульсия, плотность которой значительно меньше плотности раствора.

В циркуляционной трубе на единицу объема раствора приходится меньшая теплообменная поверхность, чем в греющих трубах, поэтому, хотя в циркуляционной трубе также происходит выпаривание раствора и образуется паро-жидкостная эмульсия, доля пара в этой эмульсии меньше, чем в эмульсии, образующейся в кипятильных трубах. Плотность паро-жидкостной эмульсин в циркуляционной трубе больше плотности эмульсии в кипятильных трубах; вследствие этого в аппарате происходит упорядоченное движение (естественная циркуляция) кипящего раствора: в циркуляционной трубе сверху вниз, в кипятильных, трубах снизу вверх.

При циркуляции раствора возрастают значения коэффициентов теплоотдачи от кипящего раствора к стенкам кипятильных труб; кроме того, циркуляция предотвращает образование накипи на поверхности труб. Отделение капель раствора от образующегося при выпаривании вторичного пара происходит в сепараторе 4 и при движении пара через систему отбойников 5.

В выпарных аппаратах с подвесной греющей камерой (рис. 10.16) созданы благоприятные условия для естественной циркуляции кипящего раствора. Греющую камеру в таких аппаратах устанавливают на кронштейнах 5 и вынимают из аппарата для чистки и ремонта. Греющий пар подают в межтрубное пространство греющей камеры по трубе 4. Между корпусом аппарата 1 и кожухом 2 греющей камеры образовано кольцевое пространство, которое при работе заполнено раствором. Нагревание и выпаривание раствора в кольцевом пространстве происходит только со стороны кожуха греющей камеры, поэтому доля пара в образующейся здесь парожидкостной эмульсии незначительна.

Рис. 15. Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой:

I корпус; 2 кипятильные трубы; 3 циркуляционная труба; 4 сепаратор- 5 отбойники; / исходный раствор; // упаренный раствор; /// греющий пар; /V конденсат; V вторичный пар

Рис. 16. Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой:

1 корпус; 2 кожух греющей камеры; 3 кипятильные трубы; 4 труба для ввода пара в греющую камеру; 5 кронштейн; обозначения потоков см. на рис.15

Плотности паро-жидкостной эмульсии в кипятильных трубах 3 и в кольцевом пространстве значительно отличаются; вследствие этого в аппарате создается интенсивная естественная циркуляция раствора; в кипятильных трубах снизу вверх, а в кольцевом пространстве сверху вниз.

Широко распространены выпарные аппараты с выносными кипятильниками. На рис.17 изображен аппарат с вертикальным выносным кипятильником. Выпаривание раствора происходит в выносном вертикальном кипятильнике 1. Образовавшаяся в кипятильнике паро-жидкостная эмульсия вследствие естественной циркуляции поступает в сепаратор 2. Раствор, отделившийся в сепараторе от вторичного пара, возвращается по циркуляционной трубе 3 в кипятильник 1. При выполнении кипятильника с длинными трубами (до 7 м) в таком аппарате может быть достигнута интенсивная естественная циркуляция раствора и, следовательно, значительная интенсификация процесса выпаривания. Иногда к одному сепаратору присоединяют два кипятильника или более; в этом случае один из кипятильников можно отключить для чистки или ремонта, не прерывая работы всего аппарата.

В выпарных аппаратах с выносными кипятильниками удается осуществить более интенсивную естественную циркуляцию раствора, чем в выпарных аппаратах с центральной циркуляционной трубой или с подвесной греющей камерой; кроме того, выносные кипятильники легко отделяются от сепаратора для ремонта и чистки.

Рис.17. Выпарной аппарат с выносным кипятильником:

1 кипятильник; 2 сепаратор; 3 циркуляционная труба; обозначения потоков см. на рис. 10.15

Рис.18. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора:

1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба; 4 циркуляционный насос; обозначения потоков см. на рис.15

Значительно интенсифицировать процесс выпаривания удается в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией раствора. Такой аппарат показан на рис.18. Раствор подается на выпаривание в греющую камеру 1 циркуляционным насосом 4. Часть упаренного раствора выводится из сепаратора 2 в виде продукта, а основной поток возвращается по циркуляционной трубе 3 во всасывающую линию циркуляционного насоса, где смешивается с исходным раствором. В кипятильных трубах выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией скорость движения раствора равна 1,53,5 м/с. При таких скоростях коэффициенты теплоотдачи в 34 раза выше, чем при естественной циркуляции. Кроме того, не происходит загрязнения поверхности кипятильных труб.

В аппаратах с принудительной циркуляцией можно выпаривать вязкие растворы при небольших разностях температур (3-5°) между греющим паром и раствором, так как интенсивность циркуляции не зависит от температурного режима в аппарате, а определяется производительностью циркуляционного насоса. Недостатком этих аппаратов является необходимость расходовать энергию на работу циркуляционного насоса, а также более сложное обслуживание, чем аппаратов с естественной циркуляцией раствора.

Значительно более высоких значений коэффициентов теплоотдачи, чем в аппаратах с естественной циркуляцией, удается достигнуть в пленочных выпарных аппаратах с вертикальными трубами (рис.19). Греющая камера 1 такого аппарата имеет пучок длинных (обычно 69 м) кипятильных труб, обогреваемых снаружи паром. Выпариваемый раствор подается в трубы снизу. Образующийся в трубе пар заполняет почти все сечение трубы и движется снизу вверх с большой скоростью. Раствор в виде пленки находится только у стенки трубы, струя пара увлекает жидкую пленку вверх; таким образом, выпаривание 4 раствора происходит в пленке, поднимающейся по стенке трубы. Обычно раствор однократно проходит кипятильные трубы и упаренным удаляется из сепаратора.

Регулирование процесса выпаривания в пленочных выпарных аппаратах очень затруднительно даже при незначительных колебаниях давления греющего пара и начальной концентрации раствора. При нарушении нормального течения процесса переходят на работу с рециркуляцией раствора. В этом случае часть упаренного раствора по циркуляционной трубе 4 направляется вновь на выпаривание.

Рис.19. Пленочный выпарной аппарат

1греющая камера; 2 сепаратор; 3 отбойник; 4 - циркуляционная труба; обозначение потоков см. на рис. 10.15

Рис.20. Реферативный теплообменник периодичного действия для охлаждения воздуха:

1 - аппарат с насадкой; 2 - клапанные коробки; 3 - задвижки

Порядок расчета рекуперативных теплообменных аппаратов. Целью расчета является определение расхода теплоносителей и величины необходимой теплообменной поверхности аппарата. Расход теплоносителей определяют из теплового баланса аппарата. При составлении теплового баланса конечные температуры теплоносителей либо заданы, либо их принимают.

Наиболее трудоемкая часть расчета определение теплообменной поверхности. Ее находят методом последовательных приближений; при этом для выбранной конструкции аппарата величину теплообменной поверхности находят из основного уравнения теплопередачи: F=Q/(KΔt_m).

Тепловую нагрузку аппарата Q определяют по тепловому балансу. Среднюю разность температур рассчитывают, исходя из теплового режима аппарата. Значение коэффициента теплопередачи К в первом приближении принимают ориентировочно, на основании опытных данных. Далее находят ориентировочное значение теплообменной поверхности и вычерчивают предварительный эскиз аппарата.

На следующем этапе рассчитывают значения коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и коэффициента теплопередачи применительно к предварительным конструкции и размерам аппарата. По вычисленному значению коэффициента теплопередачи уточняются величина теплообменной поверхности и эскиз аппарата. Расчет ведется до совпадения предварительно принятых величин с получающимися в результате расчета (обычно допускаются расхождения 25%).