МАШИНОСТРОЕНИЕ

НЕПРЕРЫВНО ДЕЙСТВУЮЩИЕ РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Основные конструкции непрерывно действующих регенеративных теплообмен­ников. В области средних температур (250... 400 °С) для подогрева воздуха используется вращающийся регенеративный теплообменный аппарат, ротор которого имеет металлическую насадку в виде плоских листов или пакета пла­стин с двусторонними выпуклостями в виде полусфер, расположенных в шахматном по­рядке по отношению к смежным пластинам (см. рис. 4.2.2, з).

Горизонтальные и вертикальные вра­щающиеся регенеративные теплообменники относятся к аппаратам непрерывного действия, они более компактны и характеризуются более интенсивным теплообменом. Ротор 4 регенера­тивного подогревателя воздуха в мощных газо­турбинных установках с насадкой 3 в виде набора сеток из коррозионно-стойкой проволо­ки диаметром 0,3.. .0,4 мм вращается в статоре 5 (рис. 4.2.8). С помощью радиальных перегоро­док ротор разделен на секторы, чем достигает­ся отделение потоков газа и воздуха. Схема движения воздуха и газа противоточная, хотя
каждая среда имеет сначала осевое направле­ние, а затем радиальное и, проходя через на­садку ротора, или нагревает ее, или восприни­мает теплоту, аккумулированную в ней. Благо­даря такому удлинению пути потоков увеличи­вается скорость в каналах насадки, коэффици­ент теплоотдачи достигает значений 300... 400 Вт/(м2 К) при частоте вращения ротора 20...30 мин-1. Во избежание перетечек воздуха и газа в конструкции предусмотрены внутрен­нее 1 и наружные 2 уплотнения.

В транспортных газотурбинных установ­ках мощностью до 1 МВт может быть исполь­зован вращающийся регенеративный теплооб­менный аппарат с дисковым ротором карман­ного типа (рис. 4.2.9). Несущая и теплопере- дающая функции ротора разделены. Каркас диска образован массивными боковыми полот­нами 2, связанными поперечными каркасными рамками. В полотнах прорезаны отверстия, в которые вставлены стаканы 3, образующие сквозные цилиндрические окна - карманы. В каждый карман помещен рабочий элемент 8 насадки, представляющий собой усеченный конус из многослойной плетеной сетки из кор­розионно-стойкой стали. Поскольку рабочие элементы имеют очень небольшую площадь контакта с металлическими конструкциями ротора, они мало подвержены действию резко изменяющихся температур. Температура опор­ных поверхностей уплотнений 5 в рабочем режиме превышает 400 °С, что позволяет изго­товлять их из графита.

Вследствие небольших температурных деформаций диска 6 зазоры раскрываются не­значительно, что повышает работоспособность уплотнений и приводит к снижению утечек воздуха. Уплотнения 5 установлены на опор-. ных рамках и прижаты к боковым полотнам диска с двух сторон. Опорная рамка имеет пе­риферийную часть и поперечную балку, разде­ляющую полотно диска на газовый Г и воз­душный В секторы. Диск 6 насажен на цен­тральный вал 4, закрепленный в подшипниках с помощью сферического шарнира 9. На пери­ферии ротора выполнен кольцевой фланец? на обоих сторонах которого установлены ан­тифрикционные кольцевые накладки У, взаи­модействующие с опорной кольцевой дорож­кой 10 в корпусе. Кольцевой фланец с анти­фрикционными накладками уменьшает терми­ческую деформацию ротора, устраняет перекос уплотняемых поверхностей и препятствует раскрытию зазоров уплотнений. Компактность насадки составляет 4.. .5 тыс. м2/м3.

Следует отметить, что при создании вра­щающихся регенеративных аппаратов для газо­турбинных установок главной проблемой оста­ется повышение надежности работы уплотне­ний с целью снижения утечек теплоносителей. При давлении воздуха перед аппаратом 0,35... 0,5 МПа утечки составляют примерно 3...5% расхода воздуха на входе, что эквивалентно снижению мощности двигателя на 3...5% и увеличению расхода топлива на 6... 15 %.

В настоящее время в различных отраслях промышленности, когда термостойкость высо­колегированных сталей недостаточная, полу­чили применение теплообменники с подвиж­ным слоем из жаростойкого твердого сыпучего теплоносителя. В качестве насадки могут ис­пользоваться чугунная дробь, оксиды магния и другие материалы, обладающие большой теп­лоемкостью и выдерживающие ударную на­грузку. В таких теплообменниках перегревают пары воды и органических жидкостей, нагре­вают воздух и газы до 2000 °С.

В регенеративных теплообменниках не­прерывного действия твердый теплоноситель перемещается при помощи механических ков­шовых элеваторов, виброподъемников или пневматических устройств.

Схема регенеративного теплообменного аппарата с подвижным слоем твердого тепло­носителя, применяемого иногда для глубокого охлаждения дымовых газов в котлах, представ­лена на (рис. 4.2.10). Регенератор имеет камеры нагрева 1 и охлаждения 2 с установленными в них жалюзийными решетками 3, образующими вертикальный расширяющийся по ходу потока канал 4, подключенный к бункеру 5 подачи промежуточного сыпучего теплоносителя. Греющий газ, отдавая теплоту промежуточно­му теплоносителю, поступающему из бункера J, охлаждается до температуры выше точки росы, т. е. до коррозионно-безопасного уровня. Нагретый теплоноситель ссыпается в камеру охлаждения, отдает теплоту воздуху и через

Подъемник 6 возвращается в бункер. В тепло­обменнике загрузочный и разгрузочный шту­цера должны быть всегда заполнены сыпучим теплоносителем для исключения перетекания газа из камеры охлаждения в камеру нагрева, и обратно. Для увеличения времени пребывания сыпучей насадки в камере в ней под разными углами делают полки.

Достоинствами рассмотренных аппаратов являются непрерывный режим работы, практи­чески постоянная средняя температура нагре­ваемого воздуха, компактность. К недостаткам относятся дополнительный расход электро­энергии, сложность конструкции и невозмож­ность герметичного отделения полости нагрева от полости охлаждения, поскольку через них проходит одна и та же подвижная насадка.

Тепловой расчет непрерывно дейст­вующих регенеративных теплообменников. Рассмотрим расчет регенеративного теплооб­менного аппарата с вращающейся насадкой. Процесс переноса теплоты в таком регенерато­ре осуществляется за один цикл (оборот) дли­тельностью тпер = 60/п (где п - частота вра­щения, мин-1), в течение которого насадка за время ij получает теплоту от горячего тепло­носителя и за время І2 отдает его холодному теплоносителю.

Если площадь греющей поверхности ре­генератора f], охлаждаемой F2 и полной F = F\ + F2, то время контакта горячего теп­лоносителя (нагрева насадки) Xj = 60/*] Дя/7), время контакта холодного теплоносителя (ох­лаждение насадки) т2 = 60 F2/(nF), время

Одного оборота (цикла) Т\ + Х2 = 60/п.

Количество теплоты, переданное горячим теплоносителем 1 холодному теплоносителю 2 (см. рис. 4.2.1, б) определяется из уравнения теплового баланса:

Где t{, t\ и t2 , t2 - температуры соответст­венно греющего и нагреваемого теплоносите­лей на входе и выходе регенератора; остальные обозначения см. выше.

Средний температурный напор в уравне­нии теплопередачи (4.2.1) для противоточной схемы см. формулу (4.2.2).

Для регенераторов с вращающейся на­садкой, работающих при постоянных расходах теплоносителей, их начальные температуры

/{' и имеют постоянные значения. Поэтому тепловой расчет проводят по уравнениям, ана­логичным уравнениям для рекуперативных теплообменников. Отличия заключаются в формуле для коэффициента теплопередачи:

Lal*l a2*2j

Где оц и 0t2 - коэффициенты теплоотдачи соответственно за период нагревания и охлаж­дения насадки; Х\ и х^ - доли площади по­верхности насадки F, омываемой соответст­венно греющим и нагреваемым теплоносите­лями; Х\ = Fj/F; Х2 = Fj! F.

Другие методики упрощенного расчета регенеративных теплообменных аппаратов с подвижной и неподвижной насадками приве­дены в [20, 28, 35, 49]. Уравнения подобия для определения средних за период и по поверхно­сти нагрева коэффициентов теплоотдачи a при течении газов в насадках различного типа, а также более точные методики поверочного и проектного расчетов непрерывно действующих регенераторов приведены в [6].

4.2.3. СМЕСИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Смесительные теплообменники предна­значены для нагрева и охлаждения жидких, газовых, твердых рабочих тел, конденсации паров, испарения (выпаривания) и кристалли­зации. Это контактные конденсаторы и испа­рители хлора, аппараты для охлаждения газов при получении аммиачной селитры и для ох­лаждения воздухом катализатора при контакт­ном производстве серной кислоты, охладители ацетилена, градирни в замкнутых системах охлаждения воды, нагреватели воды перед деаэрацией, в системах регенерации энергии в паротурбинных блоках, в установках демине­рализации и очистки сточных промышленных вод, в коммунальном хозяйстве и др.

По сравнению с поверхностными смеси­тельные теплообменники отличаются: высокой интенсивностью процесса теплообмена; суще­ственно меньшей коррозией оборудования;

Исключают возможность отложений на по­верхностях нагрева; позволяют повысить тем­пературный уровень технологических процес­сов; простотой конструкции и меньшими за­тратами дефицитных материалов и соответст­венно материальных затрат. Отсутствие разде­ляющей поверхности позволяет использовать в качестве теплоносителей загрязненные и агрес­сивные газы, жидкости, высококонцентриро­ванные растворы и др.

Недостатками смесительных теплооб­менников являются: загрязнение одного тепло­носителя другими, ограниченность предельных температур охлаждения и нагрева сред, суще­ственные потери температурного напора, сложность организации равномерного распре­деления потоков и др.

Области применения в промышленности смесительных теплообменников основных типов приведены в табл. 4.2.1.

Классификация смесительных тепло­обменников:

По конструктивным признакам - полые, с трубой Вентури, полочные и насадочные;

По числу ступеней контакта - одно - и многоступенчатые (каскадные);

По взаимному направлению потоков теп­лоносителей - с противоточным, перекрестным и смешанным движением сред;

По принципу образования межфазной по­верхности - с фиксированной поверхностью контакта фаз, с формированием поверхности контакта в результате движения теплоносите­лей или в результате подвода энергии извне;

По функциональному назначению - на­греватели, охладители и деаэраторы.

В смесительных теплообменниках тепло­та передается путем непосредственного сопри­косновения рабочих тел. Теплообмен сопрово­ждается массообменом (испарением жидкости в газовую фазу, конденсацией пара, конвектив­ным и диффузионным переносом). Сопутст­вующий теплообмену массоперенос часто су­щественно влияет на ход процессов в аппарате.

Теплоносители взаимодействуют через границу раздела (контакта) фаз, которая долж­на быть возможно более развитой. Для увели­чения площади поверхности контакта в аппа­рате используют насадки, перегородки, решет­ки, тарелки, распылители жидкости и др.

На интенсивность переноса теплоты су­щественно влияют гидродинамические процес­сы, обусловливающие поверхность контакта

4.2.1. Области применения смесительных теплообменников

Между теплоносителями, а также процессы срыва и уноса капель жидкости, растворения одной фазы в другой и др. При обеспечении хорошей работы таких аппаратов возникают трудности, обусловленные необходимостью выполнения противоречивых условий: с одной стороны, должен быть хороший контакт взаи­модействующих сред, а с другой, - отделение их друг от друга.

Теплообменники без деаэрации. Полые теплообменники по конструктивному исполне­нию аналогичны полым скрубберам для прове­дения массообменных процессов. Теплоноси­тели движутся в них противотоком или прямо­током. При этом жидкая фаза распыливается с помощью форсунок.

В аппаратах с трубой Вентури (рис. 4.2.11) жидкость, подаваемая через пат­рубок 4, распределяется с помощью соплового устройства. Инжектируемый через патрубок ^ газ попадает в зону повышенной скорости (50... 120 м/с), в которой происходит его сме­шение с потоком жидкости. При этом значение

Удельного орошения сравнительно мало. Поток газожидкостной смеси орошает стенки трубы диффузора 7, направляется в сепарационную камеру 2, в которой происходит ее разделение на жидкостную и газовую фазы с помощью отбойника 3.

В брызгалъных открытых аппаратах жидкость распыляется с помощью центробеж­ных или форсуночных распылителей и движет­ся в виде капель под действием силы тяжести (табл. 4.2.2). Один из аппаратов данного типа - брызгальный бассейн, в котором вода либо разбрызгивается форсунками, расположенны­ми над искусственным водоемом на высоте 1...1,5 м, либо орошает расположенную в не­сколько ярусов насадку.

В брызгальных открытых градирнях, ко­торые по конструкции подобны брызгальным бассейнам, форсунки подняты на высоту 2...4м над уровнем воды. Факел форсунок может быть направлен вверх или вниз.

Закрытые градирни подразделяются на две группы: с естественной тягой (башенные) и вентиляторные, воздух через которые прокачи­вается нагнетательным или отсасывающим вентилятором 4 (рис. 4.2.12). В градирнях с естественной тягой оросительное устройство 2 с насадкой / ограждено башней (обычно ги - перболоидной формы), сужающейся к верху (рис. 4.2.12, а). Воздух III поступает в нижнюю часть башни и под влиянием естественной тяги движется навстречу падающим струям и ка­плям воды (противоток воды и воздуха).

Охладительный эффект градирен увели­чивается при использовании принудительного движения воздуха (рис. 4.2.12, б). В отдельных

Случаях, когда необходимо уменьшить высоту градирни, используют конструкции с горизон­тальным перемещением воздуха. Более под­робное описание конструкций градирен, мето­ды их расчета и технические характеристики можно найти в [46].

В тарельчатых теплообменниках один из теплоносителей подается в верхнюю часть аппарата и движется вниз под действием сил гравитации, перемещаясь от тарелки к тарелке через отверстия в них, а другой - перемещается за счет архимедовой силы либо силы давления. Тарельчатые аппараты наиболее распростра­ненные. Существует множество конструкций таких аппаратов: полочные, с ситчатыми сег­ментными тарелками, клапанные, колпачковые, провальные (без переливных устройств) и др.

Наибольшее распространение получили полочные теплообменные аппараты с сегмент­ными, круглыми (рис. 4.2.13, а) или кольцевы­ми полками (рис. 4.2.13, б). Жидкая фаза по­ступает на верхнюю полку и сливается с полки на полку, образуя завесы. Пар (газ) поступает через патрубок 2 под нижнюю полку и движет­ся вверх навстречу жидкости.

На рис. 4.2.14 показана схема аппарата с круглокольцевыми тарелками. В таком аппара­те водосливный периметр почти в 2 раза боль-

Рис. 4.2.15. Схема циклоиио-пеииого аппарата:

I - жидкость; II - газ; У - циклон; 2 - каплеуловитель

Ше, чем в тарельчатом. Распределительное устройство для жидкости состоит из кругло - кольцевых тарелок, расположенных по высоте в три ряда (возможно и другое число рядов), а в горизонтальной плоскости - в два ряда. Ниж­ний ряд имеет две концентрически располо­женные кольцевые тарелки: наружную кольце­вую тарелку У, примыкающую непосредствен­но к корпусу аппарата, и внутреннюю кольце­вую тарелку 2 с фартуком 4, располагающуюся по центру аппарата. Средний ряд состоит из центральной круглой тарелки 3 и наружной кольцевой тарелки 1 с фартуком. Верхний ряд тарелок устроен так же, как и нижний.

В полочном пенном аппарате при опре­деленных условиях на поверхности барботи - руемого слоя возникает пена. В циклонно - пенных аппаратах поток газов при тангенци­альном подводе раскручивается по спирали (рис. 4.2.15). Такой способ взаимодействия газов с жидкостью обеспечивает большую не­прерывно обновляемую поверхность контакта фаз. Циклонно-пенные аппараты весьма эф­фективны как газоохладители, так как позво­ляют снижать температуру газа до температу­ры уходящей из аппарата воды при начальной температуре газа до 400 °С. При этом одновре­менно происходит хорошая очистка газа от пыли.

В насадочных аппаратах (рис. 4.2.16) жидкая фаза из жидкостной камеры 1 через патрубки 2 подается на перераспределитель­ную тарелку 3, с помощью которой произво­дится равномерное орошение насадки 4. Паро­вая (газовая) фаза вводится в аппарат через патрубок 6 и, проходя через распределитель-

Рис. 4.2.16. Схема смесительного теплообменника насадочиого типа:

I, II - соответственно вход и выход жидкости; III, IV - соответственно вход и выход пара (газа); У - жидкост­ная камера; 2 - патрубки для входа жидкости; 3 - пере­распределительная тарелка; 4 - насадка; 5 - распреде­лительная решетка; 6 - патрубок для подачи пара (газа); 7-отбойник

Ную решетку 5, также поступает в насадочную зону. Контакт теплоносителей осуществляется при прохождении их через слой насадок раз­личной формы, размеров, выполненных из различных материалов. При этом могут на­блюдаться пленочный, промежуточный, турбу­лентный и эмульсионный режимы.

Теплообменники-деаэраторы. Аппараты такого типа устанавливают в блоках подготов­ки питательной воды котлоагрегатов, систем оборотного водоснабжения. Они предназначе­ны для удаления растворенных в ней газов: прежде всего это относится к кислороду возду­ха и диоксиду углерода, являющихся наиболее активными коррозионными агентами.

Для удаления газов из воды необходимо создавать в деаэраторе температуру и давле­ние, при которых растворимость газа станет равной нулю.

В одноступенчатом пленочном деаэрато­ре деаэрируемая вода подается через сопло У, ударяется о розетку разбрызгивается и сте­кает вниз пленками по вертикальным цилинд­рическим вставкам 5 (рис. 4.2.17). Пар поступает снизу и движется вверх навстречу воде по коль­цевым отсекам, образованным листами. Пле­ночные деаэраторы компактны, просты, нечув­ствительны к отложениям накипи и шлама.