Расчет регенеративных и смесительных аппаратов

1. Регенеративные аппараты. Регенеративными называются такие теплообменные аппараты, в которых процесс теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному во времени разделяется на два периода. В течение первого 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 течение второго 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. О характере ее изменения за период охлаждения дают представление кривые на рис. 2.8. На рис. 2.9 приведены кривые изменений температуры t_w некоторого участка поверхности за периоды нагревания и охлаждения. 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.

Рис. 2.8. Изменение распределения температуры в стенке регенератора за период охлаждения		Рис. 2.9. Характер изменения температуры поверхности насадки регенератора (температурное кольцо) за период нагревания tw1 и период охлаждения tw2.

Пусть имеется регенератор для подогрева воздуха: внутренняя насадка для аккумуляции теплоты состоит из кирпича и образует прямые каналы (рис. 2.10, а). Горячие газы движутся сверху вниз, а холодный воздух — снизу вверх. Кривые изменений температур как во времени, так и вдоль поверхности приведены на рис. 2.10, 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_w в конце периода нагревания и начале периода охлаждения представляется кривой 4, в начале периода нагревания и конце периода охлаждения - кривой 7, средняя за период нагревания t_w,1 - кривой 5, средняя период охлаждения t_w,2 - кривой 6. Температура воздуха t₂ в начале периода охлаждения представляется кривой 5, в конце периода — кривой 10, средняя за период охлаждения - кривой 9.

При таком сложном распределении температур и изменении температурного напора во времени и пространстве точный расчет регенеративных аппаратов весьма затруднителен, практически невозможен. Однако, если пользоваться средними температурами за цикл (рис. 2.11), то тепловой расчет регенеративных аппаратов можно свести к расчету рекуперативных, основы которого были рассмотрены выше. При этом в качестве расчетного интервала времени берется не час, а длительность цикла и уравнение теплопередачи принимает вид:

(2.35)

Здесь k_ц — коэффициент теплопередачи цикла, величина которого определяется следующим выражением:

(2.36)

где α₁ - суммарный коэффициент теплоотдачи за период нагревания (с учетом лучеиспускания газов);

α₂ - суммарный коэффициент теплоотдачи за период охлаждения;

τ₁ и τ₂ - периоды нагревания и охлаждения;

Рис. 2.10. Характер изменения в регенераторах температуры рабочих жидкостей tf и поверхности стенки tw в пространстве и во времени

ԑ_к - поправочный коэффициент, учитывающий то обстоятельство, что средние температуры поверхности за период нагревания t_w,1 и период охлаждения t_w,2 не равны между собой,

обычно значение ԑ_к равно около 0,8. Регенераторы, для которых ԑ_к = 1, называются идеальными.

Дальнейший расчет регенераторов без каких-либо изменений производится по формулам, выведенным выше для рекуперативных теплообменных аппаратов.

Рис. 2.11. Сопоставление процессов тепло-

теплопередачи в рекуперативных и

регенеративных теплообменниках.

Регенеративные аппараты применяются, главным образом, в таких отраслях промышленности, где температура отходящих газов высока и требуется высокий подогрев воздуха (например, доменное, мартеновское, коксовальное, стеклоплавильное и другие производства). В качестве аккумулирующей насадки обычно берется шамотный или силикатный кирпич, который укладывается или в виде сплошных каналов (насадка Каупера), или с промежутками в коридорном порядке (простая насадка Сименса), или с промежутками в шахматном порядке.

Работа регенераторов зависит от многих факторов, в частности, от толщины насадки, ее теплопроводности и аккумулирующей способности, от длительности периодов, температур жидкостей, степени засорения и др. Длительность периодов бывает различна - от нескольких минут до нескольких часов. Наиболее часто _τ1 = τ₂= 0,5 часа (τ₀=1час). Для выбора толщины насадки также имеются широкие возможности, но для каждого аппарата имеется своя наивыгоднейшая толщина; для обыкновенных силакатных регенераторов с получасовым переключением наиболее благоприятной является толщина кладки 40—50 мм.

В практических расчетах коэффициент теплоотдачи цикла определяется из такого соотношения:

(2.37)

где с - теплоемкость; γ - удельный вес; λ - коэффициент теплопроводности;

δ - толщина кирпича.

Это соотношение того же вида, что и уравнение (2.36).

Коэффициент теплоотдачи соприкосновением для дымовых газов и воздуха при движении их в насадке Сименса может быть определен по следующей формуле:

(2.38)

где w₀ - скорость газа или воздуха при нормальных условиях (0 °С и 760 мм рт. ст.); d - диаметр канала.

В случае шахматного размещения насадки коэффициент теплоотдачи на 16% выше, чем по уравнению (2.38). Для суммарного коэффициента теплоотдачи необходимо еще определить значение коэффициента теплоотдачи излучением.

В действительных условиях коэффициент теплопередачи может изменяться вследствие наличия догорания газов в регенераторах, засорения их летучей золой и др. Очень большое влияние на работу аппаратов оказывает также неравномерное распределение газов и неполное омывание поверхности нагрева.

На электростанциях регенеративный принцип теплопередачи нашел применение в виде воздухоподогревателя, который одной своей половиной соединяется с газоходом, а другой - с воздухопроводом. Аккумулирующая насадка здесь собирается из профильных железных листов с узкими проходами для газов и воздуха и монтируется так, что может вращаться. Через одну часть насадки протекают горячие газы (период нагревания), через другую - холодный воздух (период охлаждения). Вследствие вращения насадка непрерывно перемещается; та часть, которая в настоящий момент нагревается газом, в следующий момент передвигается в воздушный поток и охлаждается. Таким образом, устройством вращающейся насадки в воздухонагревателе оригинально разрешен вопрос одновременного и непрерывного движения воздуха и газов через один и тот же регенеративный аппарат.

2. Смесительные аппараты. Смесительными называются такие теплообменники, в которых теплопередача между горячей и холодной жидкостями осуществляется путем 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. В частности, они применяются в газовом производстве, при кондиционировании воздуха, при охлаждении воды в градирнях, при конденсации пара и т.д. (рис. 2.12).

Одним из определяющих факторов в работе смесительных теплообменников является поверхность соприкосновения. С этой целью жидкости обычно разбрызгиваются на мелкие капельки. Однако степень дробления в каждом случае должна выбираться в соответствии с конкретными условиями работы аппарата. Чем мельче 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 производительностью аппарата.

Рис. 2.12. Схема смесительного теплообменника.

1 - насадка; 2 - сепаратор влаги; 3 - вентилятор.

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 большой мере зависят 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. Для случая охлаждения воздуха водой в скруббере Н. М. Жаворонков [25] получил обобщенную зависимость

(2.39)

где Ki = kd_’экв/λ_г - число Кирпичева; Re_г = 4w₀V/ν_гF - число Рейнольдса для газов; Re_ж = Gd_экв/ν_ж - число Рейнольдса для жидкости; Рr_г = v_г/а_г - число Прандтля для газов; k - коэффициент теплопередачи, численное значение которого определяет собой условия теплообмена между газом и жидкостью, ккал/м² час ºС; w₀ - скорость воздуха по свободному сечению аппарата, м/сек; G - интенсивность орошения, м³/(м² час); d_экв = 4V/F - эквивалентный диаметр, м; V - свободный объем насадки, м³/м³; F - площадь поверхности насадки в единице объема, м²/м³.

Аналогичные зависимости могут быть получены и для других аппаратов.