Материал: borisenko
- для термолабильных растворов среднее время пребывания жидкости в пленке
tср = Vж×rж/Gср не должно превышать предельно допустимого времени их упарива-
ния tдоп = 10Dh/p,
где Gср = (Gн + (1-У)×Gк)/2 - средний расход жидкости в стекающей пленке, Gн - расход жидкости с начальной концентрацией хн (Gн×хн = Gк×хк),
Vж=F×d - объем жидкости, находящейся на теплообменной поверхности аппарата F,
Dh - показатель опасности термического разложения жидкости, р - давление в аппарате,
d - средняя толщина стекающей пленки, определяемая значением критерия
Рейнольдса Reпл = 4∙Gср/ρж/νж/П:
если Reпл £ 1200, то d = (0.75×Reпл×nж2/g)0.33, иначе d = 0.21× (nж2/g)0.33×Reпл0.533.
При выполнении теплового расчета кожухотрубчатый испаритель со стекающей пленкой рассматривается как аппарат идеального вытеснения с разграниченными зонами нагревания и испарения жидкости. Расчет теплопередающих поверхностей каждой зоны проводится раздельно, причем расчет зоны испарения дополняется определением значения теплового потока q, обеспечивающего теплообмен без
разрушения пленки пузырьками образующегося пара: |
|
|
|
|
|
||||||||||
é |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ù |
2 |
|
|
|
|
a×rп × rи |
|
|
|
|
s×Tкип |
|
|
|||||
q < 2× ê27 |
× |
|
|
|
+ 0.75×a× |
|
|
ú |
, |
||||||
с |
×r × Re0.55 |
l ×r × r |
|||||||||||||
ë |
|
|
|
|
|
û |
|
||||||||
|
|
|
ж ж |
пл |
|
|
|
|
ж п |
|
|
||||
ê |
|
|
|
|
|
|
|
и ú |
|
||||||
где сж, lж - удельная теплоемкость и теплопроводность жидкости, rп – плотность образующегося пара,
rи - удельная теплота парообразования,
Ткип- абсолютная температура кипения жидкости,
a - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к свободно стекающей пленке жидкости, который при Pr = 4¸300 практически не зависит от режима течения и может быть определен по формуле
|
l |
|
é |
æ |
|
|
|
|
ù0.333 |
|
|
|
ж |
|
1.35 |
+10−4 |
× Reпл0.7 |
ö |
. |
||||
a = |
|
|
× êg × ç |
× Pr÷ú |
|||||||
|
0.666 |
Re |
|
||||||||
|
n |
ж |
|
ê |
è |
|
пл |
|
|
ú |
|
|
|
|
ë |
|
|
|
øû |
|
|||
В последние годы получили распространение роторные пленочные испарители, в которых отсутствуют трубы, а пленка жидкости, стекающая по внутренней поверхности кожуха, подвергается механическому перемешиванию. Перемешивание пленки существенно интенсифициует как процесс теплообмена между жидкостью в пленке и стенкой аппарата, так и массообмена между жидкостью и газом. К достоинствам этих аппаратов можно также отнести повышение устойчивости пленки за счет создаваемой ротором центробежной силы и незначительное время пребывания жидкости в аппарате (важно для термолабильных веществ).
56
Наиболее популярны аппараты с шарнирно закрепленными лопастями, (рисунок 3.14). Лопасти изготавливаются из коррозионно-стойких сталей, а их трущиеся кромки защищаются накладками из бронзы или фторопласта. При предварительном выборе такого аппарата учитываются следующие рекомендации:
- аппарат, используемый в качестве химического реактора должен иметь по-
|
æ t |
p |
×l × g ×V |
ö0.67 |
||
верхность теплообмена |
F > 0.12 ×ç |
|
|
ж |
÷ |
|
|
ç |
|
|
nж |
÷ |
|
|
è |
|
|
ø |
||
,
где tр - продолжительность реакции,
l = p×D/z, z- число лопастей в горизонтальном сечении аппарата;
- при обработке термолабильных растворов его теплообменная поверхность должна удовлетворять условию
ìï2.3× t1äî.33ï ×
ï
F £ miní
ï æ ï0.55×ççt3äîï î è
.
V 0.63 g0.45 × æ
n0æ.18
V 2 ö0
× g × æ ÷ næ ÷ø
К недостаткам роторных испарителей по сравнению с кожухотрубчатыми можно отнести малую поверхность теплообмена, усложнение и удорожание
конструкции. Отметим также трудности обеспечения одинаковых зазоров между лопастями и стенкой аппарата.
3.4 Другие конструкции теплообменников
Аппараты воздушного охлаждения находят применение в химической и нефтехимической промышленности в качестве холодильников-конденсаторов. Их преимущества перед аппаратами водяного охлаждения: отсутствует оборудование для подготовки и перекачки воды, снижается трудоемкость и стоимость ремонтных работ, не требуется специальной очистки наружной поверхности труб, облегчается регулирование процесса охлаждения.
57
Поверхность теплообмена горизонтального аппарата воздушного охлаждения, см. рисунок 3.15, образована наружной поверхностью оребренных труб, собранных в секции. Воздух, нагнетаемый вентилятором, омывая трубы, обеспечивает охлаждение или конденсацию проходящей по ним среды. При повышенной температуре окружающего воздуха автоматически включаются форсунки, распыливающие в потоке воздуха воду, при пониженной - отключается вентилятор. Интенсивность теп-
|
|
лоотдачи можно регулировать, |
||
|
|
изменяя расход воздуха путем |
||
|
|
поворота лопастей вентилятора |
||
|
|
или установки поворотных жа- |
||
|
|
люзийных заслонок над секция- |
||
|
|
ми труб. |
||
|
|
|
Теплообменники типа |
|
|
|
"труба в трубе" используются |
||
|
|
для нагревания или охлаждения в |
||
|
|
системах жидкость-жид-кость, |
||
|
|
когда расходы теплоносителей |
||
|
|
невелики и они не меняют агре- |
||
а) |
б) |
гатного состояния. При равных |
||
теплообменных характеристиках |
||||
Рисунок 3.15 |
Горизонтальный аппарат |
|||
эти аппараты имеют меньшее |
||||
|
воздушного охлаждения |
|||
а) общий вид; б) варианты оребрения труб |
гидравлическое сопротивление, |
|||
чем кожухотрубчатые, но менее |
||||
1 – секции труб, 2 – диффузор, 3 – вентилятор, |
||||
компактны и более металлоемки. |
||||
4 – литая труба, 5 – съемное оребрение. |
||||
|
|
|
Наиболее распро- |
|
|
|
|
страненный теплооб- |
|
|
|
|
менник "труба в трубе", |
|
|
|
|
см. рисунок 3.16, состо- |
|
|
|
|
ит из отдельных звеньев, |
|
|
|
|
включающих наружную |
|
|
|
|
(кожуховую) и внутрен- |
|
|
|
|
нюю (теплообменную) |
|
|
|
|
трубу. Соединяя внут- |
|
|
|
|
ренние трубы коленами, |
|
Рисунок 3.16 |
Теплообменник "труба в трубе" |
а наружные - штуцера- |
||
1 – кожуховая труба, 2 – теплообменная труба, |
|
ми, звенья собирают в |
||
3 – колено, 4 – штуцер, 5 – сальник. |
|
вертикальные секции. |
||
При разности температур теплоносителей более 70 оС и необходимости механической очистки межтрубного пространства применяют теплообменники с сальниками на наружных трубах.
Оросительные теплообменники (рисунок 3.17) состоят из нескольких рядов труб, расположенных одна над другой и соединенных коленами. По наружной поверхности труб стекает вода, а внутри прокачивается охлаждаемая среда. Для распределения воды над верхними трубами устанавливаются трубчатые или желобко-
58
вые оросители. Расход воды в этих аппаратах меньше, чем в теплообменниках других типов, т.к. тепло от жидкости в трубах отводится не только за счет нагрева орошающей воды, но и частичного ее испарения. Оросительные теплообменники малоэффективны, но просты в изготовлении и ремонте. Чаще всего они устанавливаются вне зданий и используются для охлаждения агрессивных сред (серной кислоты).
Рисунок 3.18 Блочный теплообменник
1 – каналы в графитовых бло- ках; 2 – корпус; 3,4,8,9 – штуцер; 5 – переливная камера;
6,7 – стяжка; 10 – фланец.
Рисунок 3.17 Оросительный теплообменник
1 – ороситель, 2 – трубы, 3 – колено, 4 – поддон.
Основным материалом для изготовле-
ния блочных теплообменников является графит, пропитанный фенолформальдегидной смолой. Эти аппараты собираются из отдельных блоков, имеющих сквозные горизонтальные и вертикальные каналы круглого сечения (рисунок 3.18). Боковые переливные камеры соединяют горизонтальные каналы различных блоков. Соединения блоков уплотняются прокладками из фторопласта.
Блочные графитовые теплообменники весьма эффективны, т.к. графит стоек к воздействию агрессивных сред (кислот, щелочей, органиче ских растворителей), а по теплопроводности
в 4÷6 раз превосходит коррозионно-стойкую сталь. Недостаток - невысокая прочность (хрупкость).
В спиральных теплообменниках по-
верхность теплообмена образована двумя стальными лентами толщиной 3÷6 мм и ши-
59
риной 400÷1250 мм, свернутыми в спираль. Внутренние концы лент приварены к глухой перегородке, а наружные – друг к другу. С торцов аппарат закрыт плоскими крышками, установленными на прокладках (рисунок 3.19). В результате образуются
|
два изолированных друг от друга спиральных ка- |
|
|
нала толщиной 2-8 мм, в которые направляются |
|
|
теплоосители (обычно противоточно). |
|
|
Стандартные спиральные теплообменники |
|
|
имеют поверхность теплообмена 10÷100 м2, при- |
|
|
меняются при давлениях до 1 МПа и температу- |
|
|
рах 20÷200 оС в качестве нагревателей и охлади- |
|
|
телей жидкостей и газов, конденсаторов паров. |
|
|
Благодаря простоте изготовления, компактности, |
|
|
малому гидравлическому сопротивлению, воз- |
|
|
можности работы с загрязненными жидкостями |
|
|
доля этих теплообменников в химической и |
|
|
смежных отраслях промышленности в последние |
|
|
годы увеличивается. |
|
|
Те же достоинства характерны и для пла- |
|
|
стинчатых теплообменников, популярность |
|
Рисунок 3.19 Спиральный |
которых в последнее время также растет. Кроме |
|
того, они отличаются высокой интенсивностью |
||
теплообменник |
теплообмена, удобством монтажа, высоким коэф- |
|
|
|
фициентом унификации. Пла- |
|
|
стинчатый теплообменник (ри- |
|
|
сунок 3.20) состоит из ряда |
|
|
пластин, размещенных на гори- |
|
|
зонтальных штангах между |
|
|
неподвижной и нажимной пли- |
|
|
тами. |
|
|
Пластины штампуют из |
|
|
листовой стали толщиной 0.7÷1 |
|
|
мм. Они имеют четыре проход- |
|
|
ных отвестия, образующих бла- |
|
|
годаря конструкции разделяю- |
Рисунок 3.20 Пластинчатый теплообменник |
щих их резиновых прокладок |
|
а) схема движения теплоносителей; б) пластина |
две изолированные системы |
|
|
|
каналов. Для увеличения по- |
верхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя поверхность пластин выполняют гофрированной или ребристой. С учетом свойств резиновых прокладок температура теплоносителей ограничивается 150 оС, давление не должно превышать 1 МПа.
60