Тема 1.5. Теплообменные аппараты со смешиванием теплоносителей
Широкое применение в промышленности нашли смешивающие теплообменные аппараты, в которых тепло и массообмен между теплоносителями происходит без разделительной стенки между ними. По принципу работы это в большинстве своем аппараты непрерывного действия. Название этих аппаратов определяются их назначением.
Кондиционеры применяются для термовлажностной обработки воздуха в установках кондиционирования.
Скруберы применяются для очистки воздуха или газов от пыли, золы, и прочих примесей посредством промывки их водой.
Охлаждение больших количеств циркуляционной воды от конденсаторов паровых турбин электрических станций достигается за счет тепло- и массообмена её с воздухом в градирнях.
Конденсаторы или смешивающие подогреватели используются для нагрева жидкости за счет теплоты воздуха, газа или пара.
Рассматривают следующие типы теплообменников смешения, различающиеся по конструктивным признакам (рис. 2-6 ).
Полые или безнасадочные колонны или камеры (рис. 2-6, а), в которых распыливание жидкости в газовую среду осуществляется форсунками; соприкосновение между жидкостью и газом при этом происходит на поверхности образующихся капель жидкости.
Каскадные аппараты, имеющие внутри горизонтальные либо наклонные полки или перегородки, по которым жидкость стекает сверху вниз под действием гравитационных сил (рис. 2-6, б).
Насадочные колонны, в которых соприкосновение газа с жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки (деревянные доски, рейки, куски кокса и прочие устройства, обеспечивающие пленочное стекание жидкости рис. 2-6, в)
На рис. 2-7 показаны различные виды форсунок для теплообменных аппаратов смешивающего типа.
Насадочные колонны более компактны по сравнению с безнасадочными. Их недостатком является большое гидравлическое сопротивление для потока газа и как следствие этого большой расход электроэнергии на привод вентилятора.
На рис. 2-8 показаны некоторые типы насадок для теплообменных аппаратов смешивающего типа.
Струйные смесительные аппараты, в которых вода нагревается эжектирующим или эжектируемым паром (рис. 2-6,г)
.
На рис. 2-9 показана принципиальная схема струйного конденсатора. Вода подводится к одному или нескольким вертикальным соплам, расположенным в верхней части корпуса. Из сопл вода поступает с большой скоростью в систему концентрических распределительных конусов. Пар подводится сбоку и вследствие эжектирующего действия воды подсасывается через кольцевые щели между конусами и центральное пространство конденсатора, где и конденсируется. Охлаждающая вода, конденсат и воздух поступают далее в диффузор, в котором смесь сжимается под действием кинетической энергии струй воды.
Пленочные подогреватели смешивающего типа (рис. 2-6, д). В них происходит нагревание воды водяным паром до температуры, близкой к температуре насыщения пара. Такая конструкция проще, чем у поверхностных подогревателей, компактнее, имеет меньшую массу, и коэффициент теплообмена для нее не зависит от загрязнения поверхности маслом, накипью и т. д. Аппараты такого типа обычно работают под некоторым избыточным давлением (0,001-0,005 МПа).
Существенным недостатком пленочных подогревателей является коррозия трубопроводов и поверхности аппарата вследствие наличия в конденсирующемся паре и в воде значительного количества кислорода.
Пенные аппараты, применяемые для улавливания из газов плохо смачиваемой (гидрофобной) пыли. Принципиальная схема пенного трехполочного аппарата приведена на рис. 2-10.
Скорость потока газа, набегающего на решетку, обычно составляет 2-2,5 м/с. при меньшей скорости уменьшается пенообразование и жидкость сливается через отверстие в решетке, а при большей скорости увеличивается унос воды в виде капель. Нормальными условиями работы считаются такие, при которых половина жидкости сливается через сливной порог, а половина – через отверстия в решетке. Степень очистки газов в пенных аппаратах достигает 90 –95%.
Тепло- и массообмен в аппаратах смешивающего или контактного типа изучен еще недостаточно. Вместе с тем во всех случаях процессы, происходящие в этих аппаратах, подчиняются следующему правилу. Если парциальное давление паров жидкости в газе меньше, чем давление паров над внешней поверхностью капелек жидкости, то происходит увлажнение газа, если же давление пара находится в обратном соотношении, то газ осушается.
Каждому типу смешивающих теплообменников свойственны некоторые особенности, которые следует учитывать при выборе аппарата. Аппараты с насадкой просты по конструкции, дешевы, и для их изготовления пригодны недефицитные строительные материалы – бетон, керамика, стекло, фарфор. Для оросителей насадочных аппаратов требуется незначительное избыточное давление орошающей жидкости. Однако габариты и масса насадочных аппаратов значительны; они требуют устройства массивных фундаментов и отличаются значительным гидравлическим сопротивлением по газовому тракту по сравнению с каскадными и безнасадочными аппаратами, особенно при беспорядочно засыпанной насадке. Насадочные аппараты мало подходят для обработки сильно загрязненных жидкостей из-за возможного засорения и залипания насадки; они не пригодны также для работы с малым расходом жидкости, потому что при этом не удается достичь необходимой для хорошего смачивания насадки плотности орошения.
Безнасадочные аппараты отличаются малым сопротивлением по газовому потоку и наиболее экономичны по расходу охлаждающей жидкости, однако для её диспергирования с помощью как форсунок, так и дисковых распылителей требуется значительный расход энергии. Безнасадочные аппараты отличаются большими габаритами.
Полочные (барометрические) конденсаторы (рис. 2-11) просты по конструкции и не требуют специального насоса для откачки охлаждающей жидкости. Однако установка их на значительной высоте часто требует специальных строительных сооружений, а подача воды на такую высоту связана с большим расходом энергии.
Барботажные тарельчатые колонны (рис. 2-12) характеризуются повышенной интенсивностью тепло – и массообмена на единицу объёма аппарата, допускают работу с загрязненными и умеренно вязкими жидкостями, нечувствительны к колебаниям расхода теплоносителей. однако такие аппараты сложны по конструкции, металлоёмки, ограниченно пригодны для работы с агрессивными средами и отличаются высоким гидравлическим сопротивлением.
Достоинством струйных (эжекторных) аппаратов являются их компактность, простота изготовления и эксплуатации, безотказность в работе. Для их работы не обязательны откачивающий воду и воздушный насосы, так как на выходе из диффузора давление смеси несколько выше атмосферного.
Вместе с тем струйные смесительные теплообменные аппараты обладают существенными недостатками, которые практически сводят на нет отмеченные преимущества и препятствуют их сколько-нибудь значительному распространению в промышленности. К недостаткам относятся очень низкий энергетический к.п.д. (около 10%), высокий уровень шума, значительный недогрев охлаждающей воды (в конденсаторах) до температуры насыщенного пара: даже в многосопловых конструкциях недогрев воды составляет 8-11˚С, а в односопловых – даже 15-20˚С.