VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Введение

Тепломассообменный аппарат — это агрегат, предназначенный для передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю.

Теплообмен между теплоносителями один из важных процессов, используемых в технике. С точки зрения технической и экономической целесообразности их использования теплоносители должны отвечать следующим требованиям: низкая вязкость; большие: теплоемкость, плотность, теплопроводность, теплота парообразования, высокая температура при малых давлениях; термическая стойкость и неагрессивность, к материалу аппарата; пожаровзрывобезопасность; дешевый и достаточного количества в природе. Наибольшее распространение в качестве теплоносителей получили вода, водяной пар, дымовые газы, минеральные масла.

Тепломассообменные установки классифицируются:

— по принципу действия — смесительные и поверхностные (рекуперативные и регенеративные);

— по назначению — нагревательные, охладительные, конденсационные, выпарные, ректификационные.

В аппаратах поверхностного типа теплоносители ограничены твердыми стенками, частично или полностью участвующими в процессе теплообмена между ними. Поверхностью нагрева называется часть поверхности этих стенок, через которую передается теплота.Рекуперативными называются теплообменные аппараты, в которых теплообмен между теплоносителями происходит через разделительную стенку. При теплообмене в таких теплообменных аппаратах тепловой поток в каждой точке поверхности разделительной стенки сохраняет постоянное направление. Регенеративными называются такие теплообменные аппараты, в которых два или большее число теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. Во время соприкосновения с различными теплоносителями поверхность нагрева или получает теплоту или аккумулирует ее, а затем отдает, или, наоборот, сначала отдает аккумулированную теплоту и охлаждается, а затем нагревается. В разные периоды теплообмена (нагрев или охлаждение поверхности нагрева) направление теплового потока в каждой точке поверхности нагрева изменятся на противоположное.

Тепломассообменные аппараты применяются в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, атомной, холодильной, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном и сельском хозяйстве.

Особенности работы аппаратов различных типов.

В большинстве рекуперативных теплообменников теплота передается непрерывно через стенку от теплоносителя к другому теплоносителю. Такие теплообменники называются теплообменниками непрерывного действия. Теплообменники, в которых периодически изменяются подача и отвод теплоносителей, называются теплообменниками периодического действия. Большинство регенеративных теплообменников работает по принципу периодического действия. Разные теплоносители поступают в них в различные периоды времени.

Смешивающими называют такие теплообменные аппараты, в которых тепло - и массообмен происходит при непосредственном контакте и смешении теплоносителей. Поэтому смешивающие теплообменники иногда называют контактными. Наиболее важным фактором в рабочем процессе смешивающего теплообменного аппарата является поверхность соприкосновения теплоносителей. Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей размещают насадку.

Приступим к рассмотрению аппаратов и установок.

Рекуперативные теплообменные аппараты.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за Счет теплового излучения.

Рекуперативные теплообменные аппараты подразделяются на: прямоточные, противоточные, перекрестного тока и смешанного тока.

Рекуперативные теплообменные аппараты могут быть классифицированы по следующим признакам:

1. По роду теплоносителей в зависимости от их агрегатного состояния:

• паро-жидкостные;

• жидкостно-жидкостные;

• газо-жидкостные;

• газо-газовые;

• парогазовые.

1. По конфигурации поверхности теплообмена:

• трубчатые аппараты с прямыми трубками;

• спиральные;

• пластинчатые;

• змеевиковые;

• ребристые.

1. По компоновке поверхности нагрева:

• типа «труба в трубе»;

• кожухо-трубчатые аппараты;

• оросительные аппараты (не имеющие ограничивающего корпуса).

Тепловые трубы

Тепловая трубка — элемент системы охлаждения, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.

Тепловые трубки бывают двух видов: гладкостенные и с пористым покрытием изнутри. В гладкостенных трубках сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести — иными словами, такая трубка будет работать только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, а жидкость имеет возможность стекать в зону испарения. Тепловые трубки с наполнителем (фитилями, керамикой и т. п.) могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль.

Материалы и хладагенты для тепловых трубок выбираются в зависимости от условий применения: от жидкого гелия для сверхнизких температур до ртути и даже индия для высокотемпературных применений. Однако большинство современных трубок в качестве рабочей жидкости используют аммиак, воду, метанол и этанол.

Передача тепловой энергии может происходить с помощью нескольких способов:

• нагрев трубы при помощи открытого пламени;

• непосредственный контакт с нагретым веществом;

• при помощи электрического тока.

С развитием науки и технологий затем была изобретена тепловая труба, в которой отсутствует фитиль. Его роль выполняют специальные контурные трубки, по которым происходит перемещение рабочей среды. Так появились контурные тепловые трубы.

Они имеют несомненные достоинства:

• высокий уровень теплопередачи;

• простая конструкция, которая не требует большого количества материала;

• надежность в работе;

• хорошая степень адаптации к различным условиям;

• в их составе отсутствуют подвижные механические элементы;

• очень большой срок эксплуатации;

• сохранение рабочих характеристик в любом пространственном положении.

Регенеративные теплообменные аппараты(ТА) и установки

Регенеративные ТА нашли применение в основном в высокотемпературных технологических установках, ГТУ, низкотемпературных установках разделения газов и газовых холодильных машинах. Теплоаккумулирующая насадка этих аппаратов может быть подвижной и неподвижной. В последнем случае для получения непрерывного процесса теплообмена от одного теплоносителя к другому необходимы два аппарата. При подвижной насадке процесс теплообмена происходит в одном аппарате.

Область применения и температурный уровень теплоносителей предопределяют конструкцию регенеративного ТА и тип его насадки. В связи с этим выделяют аппараты, работающие в областях высоких, средних и очень низких температур.

В области высоких температур (800…1000 ºС) после различных печей применяют аппараты с неподвижной насадкой из огнеупорного кирпича, который выкладывают таким образом, чтобы образовались сплошные каналы для прохода газа. Для интенсификации теплообмена кирпичная кладка на- садки имеет выступы. Преимуществами аппаратов с кирпичной насадкой являются простота и возможность достижения высоких температур подогрева воздуха, а недостатками – громоздкость, сложность эксплуатации ввиду необходимости переключения аппарата, изменения температуры нагреваемого воздуха в течение цикла. 53 Для высокотемпературного подогрева воздуха могут быть использованы вращающиеся аппараты, роторы которых заполнены чугунной дробью или другой термостойкой насадкой. В области средних температур (250…400 ºС) для подогрева воздуха используются вращающиеся регенеративные ТА, роторы которых имеют металлическую насадку, или аппараты с «падающим слоем».

Существуют горизонтальные и вертикальные вращающиеся регенеративные ТА они относятся к аппаратам непрерывного действия, они более компактны и характеризуются более интенсивным теплообменом.

В регенеративных ТА воздухоразделительных установок (ВРУ) наряду с охлаждением прямого потока воздуха происходит его очистка от влаги и двуокиси углерода посредством вымораживания на насадке. Установка со- стоит из двух аппаратов, обеспечивающих непрерывность процесса охлаждения.

Выпарные и кристаллизационные установки

Выпарные и кристаллизационные установки предназначены для кристаллизации, концентрирования и регенерации растворов при получении ряда продуктов в различных отраслях промышленности, а также для очистки сточных вод и создания замкнутого цикла использования воды.

Типы и исполнения выпарных аппаратов:

• с естественной циркуляцией;

• с принудительной циркуляцией;

• пленочные (с восходящей или стекающей пленкой);

• емкостные (кристаллизаторы, испарители).

Технические характеристики:

• поверхность теплообмена 10-3150 м²;

• давление водяного пара не выше 1,6 МПа (16 кгс/см²);

• давление вторичных паров 0,0054-1,6 МПа (0,054-16 кгс/см²);

• температура сред 12-300°С.

Применяются многокорпусные схемы выпаривания и предварительного подогрева исходного раствора за счет тепла греющего и вторичного пара, что обеспечивает высокую энергетическую эффективность производства (многократное использование подводимого тепла снижает удельный расход греющего пара). Используется прямоточное, противоточное и параллельное питание раствором смежных ступеней выпаривания.

Определение схемы, числа ступеней и типа аппаратов производится в зависимости от назначения установки, минимума затрат на выпаривание и свойств раствора, проявляющихся при выпаривании (отложение накипи, вспенивание, увеличение вязкости и т.д.)

Направления модернизации:

• снижение удельного расхода энергозатрат;

• увеличение интенсивности выпаривания и концентрирования раствора;

• повышение качества продукта и извлечения продукта из раствора.

Смесительные теплообменники

Смесительный теплообменник (или контактный теплообменник) — теплообменник, предназначенный для осуществления тепло- и массообменных процессов путем прямого смешивания сред (в отличие от поверхностных теплообменников). Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА — теплообменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжектор. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, нежели поверхностные, более полно используют тепло. Однако, пригодны они лишь в случаях, когда по технологическим условиям произ­водства допустимо смешение рабочих сред.

Большое применение контактные теплообменники находят в установках утилизации тепла дымовых газов, отработанного пара и т.п.

Наиболее часто смесительные теплообменники применяют для конденсации водяного пара, нагревания и охлаждения воды и газов (обычно воздуха). По принципу устройства смесительные теплообменники подразделяют на барботажные, полочные, насадочные, полые (с разбрызгиванием жидкости).

Смесительные теплообменники по конструкции проще поверхностных тепло в них используется полнее. Но они пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

Смесительные теплообменники представляют собой аппараты башенного типа, в которых охлаждаемый воздух движется снизу вверх навстречу стекающей жидкости. При этом охлаждение происходит не только за счет теплоотдачи, но в значительной степени и за счет испарения части жидкости. Такие аппараты широко используются для охлаждения воды и называются градирнями.

Скруббер

Скруббер — устройство, используемое для очистки твёрдых или газообразных сред от примесей в различных химико-технологических процессах.

По видам применения выделяют два основных типа скрубберов:

• газоочистительные аппараты, основанные на промывке газа жидкостью;

• барабанные машины для промывки полезных ископаемых.

Применение скрубберов для газоочистки

Назначение — улавливание из отводимых газов, от печей пыли, возгонов и оксидов селена, теллура, свинца и других элементов. Очистка газов от примесей с помощью скрубберов относится к мокрым способам очистки. Этот способ основан на промывке газа жидкостью (обычно водой) при максимально развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании очищаемого газа с жидкостью. Данный метод позволяет удалить из газа частицы пыли, дыма, тумана и аэрозолей (обычно нежелательные или вредные) практически любых размеров.

Выделяют следующие виды скрубберов:

• башни с насадкой (насадочные скрубберы);

• орошаемые циклоны (центробежные скрубберы);

• пенные аппараты;

• скрубберы Вентури.

Основной недостаток этого способа газоочистки — образование больших объёмов шлама. Действие аппаратов мокрой очистки газов основано на захвате частиц пыли жидкостью, которая уносит их из аппаратов в виде шлама. Процесс улавливания в мокрых пылеуловителях улучшается из-за конденсационного эффекта — укрупнение частиц пыли за счёт конденсации на них водяных паров.

Сушильные установки

Сушка − процесс принудительного удаления жидкости из твёрдых,

жидких веществ или их смесей с помощью испарения. Чаще всего в качестве

удаляемой жидкости выступают влага или летучие органические растворители.

Классификация сушильных установок

1. По способу подвода тепла:

- конвективные сушилки, в которых подвод тепла к высушиваемому продукту осуществляется с помощью сушильного агента: воздуха, топочных газов или перегретого пара при постоянной конвекции. Они могут быть как непрерывного, так и периодического действия. При конвективной сушке испарившаяся влага выводится вместе с отработанным сушильным агентом.

- контактные сушилки осуществляют теплообмен через нагретую поверхность, которая соприкасается с высушиваемым продуктом. В зависимости от технологии сушки и свойств продукта температура такой поверхности может быть выше 100°C.

- установки для сушки в поле токов высокой частоты позволяют нагревать продукт изнутри. В результате влага из внутренних слоёв выходит на поверхность и испаряется.

- инфракрасные сушилки осуществляют передачу тепла за счёт коротковолновых лучей инфракрасного диапазона. При инфракрасной сушке продуктов выбирается длина волны излучения, воздействующая только на воду, содержащуюся в продукте. При этом данное излучение не поглощается самим продуктом. Это позволяет осуществлять сушку при достаточно низких температурах (40-60ºС).

1. По уровню давления сушильного агента в рабочем пространстве сушильной камеры:

- атмосферные сушильные установки (сушка осуществляется при атмосферном или близком к нему давлении);

- вакуумные сушильные установки (давление в сушильной камере намного ниже атмосферного; например установки для сублимационной сушки).

1. По характеру работы:

- сушилки периодического действия (загрузка и выгрузка высушиваемого продукта осуществляется периодически);

- сушилки непрерывного действия (загрузка и выгрузка высушиваемого продукта осуществляется непрерывно), такие как ленточные и конвейерные. К этому же типу относятся коридорные сушилки, в которых с одной стороны загружается порция сырья, а с другой выгружается такая же порция готового продукта.

1. По применяемому сушильному агенту:

- воздушные сушилки;

- сушилки на топочных газах;

- сушилки с применением перегретого пара или инертного газа (используются для сушки продуктов, которые окисляются кислородом воздуха).

1. По направлению движения сушильного агента относительно высушиваемых продуктов:

- прямоточные сушилки (направление движения высушиваемого продукта совпадает с направлением движения сушильного агента);

- противоточные сушилки (направление движения высушиваемого продукта противоположно направлению движения сушильного агента);

- сушилки с перекрестным током (направление движения высушиваемого продукта перпендикулярно направлению движения сушильного агента);

- сушилки с реверсивным током (направление движения сушильного агента переменно относительно направления движения высушиваемого материала).

1. По принципу циркуляции сушильного агента:

- установки для сушки с естественной циркуляцией сушильного агента (его движение в сушильной камере осуществляется за счёт разности плотностей газа в различных частях камеры);

- установки для сушки с искусственной циркуляцией сушильного агента (его движение в сушильной камере осуществляется либо центробежными или осевыми вентиляторами, либо струйными насосами-эжекторами).

1. По способу нагрева сушильного агента:

- сушилки с паровым обогревом (сушильный агент нагревается в поверхностных подогревателях, в которых пар находится под давлением 3-10 атм) Нагрев сушильного агента происходит до температур 60-145°С.

- сушилки с подогревом сушильного агента в газовых рекуперативных подогревателях (применяются для подачи в рабочую зону сушильной камеры чистого воздуха с температурой 200-350°С);

- сушилки, в которых в качестве сушильного агента используется смесь топочных газов;

- сушилки с электрическим нагревом сушильного агента (такой метод является дорогим и поэтому применяется в основном в лабораторных условиях).

1. По подогреву сушильного агента:

- подогрев в сушильной камере;

- подогрев в выносных подогревателях (осуществляется перед вводом в сушилку);

- промежуточный подогрев в между зонами сушки (для продуктов, нетерпящих высоких начальных температур).

1. По кратности использования сушильного агента в сушильной установке:

- однократные;

- рециркуляционные (сушильный агент частично возвращается в сушильную камеру). Часть влажного воздуха удаляется и добавляется свежий.

1. По степени замены влажного воздуха сухим:

- сушилки с воздухообменом (влажный воздух полностью или частично заменяется);

- сушилки без воздухообмена (замкнутая циркуляция сушильного агента). Чтобы влажность воздуха не повышалась используют специальные конденсаторы, на поверхность которых осаждается влага.

1. По конструктивным признакам:

- камерные сушилки;

- коридорные сушилки;

- шахтные сушилки;

- ленточные сушилки;

- конвейерные сушилки;

- барабанные сушилки;

- трубчатые сушилки;

- распылительные сушилки и др. виды сушилок.

Выводы:

Для уменьшения потерь ТЭР в технологическом цикле необходимо подавать их потребителям в строгом соответствии с действительными, а не расчетными нагрузками, что зависит от компетентности и добросовестности обслуживающего персонала. Для уменьшения бесхозяйственности необходимо снижать потери ТЭР, скрываемые в допускаемом небалансе (погрешности) учета. Эта погрешность должна быть четко установлена и подтверждена Государственным метрологическим органом в установленном порядке, т. е. бухгалтерские программы расчетов суммарной стоимости объема выпуска электроэнергии должны быть аттестованы в соответствии с ГОСТ Р 8.563 с учетом условий измерений в соответствии с ГОСТ 8.395.

Список используемой литературы:

1. М.М. Беззубцева, В.С. Волков, В.В. Зубков Прикладная теория тепловых и массообменных процессов в системном анализе энергоемкости продукции. – СПб.: СПбГАУ, 2013. – 131 с.

1. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации "

1. Ракутько, С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах АПК: основные положения и практическая значимость / С.А.Ракутько // Известия РАН. Энергетика.-2009.-№6. –С.168-175.

1. Карпов В.Н. Введение в энергосбережение на предприятиях АПК. – СПб.: СПбГАУ, 1999. – 72 с.

Код для цитирования: Скопировать