Регенеративные аппараты. Процесс теплообмена. Основы теплового расчета.

Регенераторный теплообменник – устройство в котором подача теплоты от 1 теплоносителя к другому происходит с помощью теплоаккумулирующей массы называемой насадкой.

Насадка периодически омывается потоками горячего и холодного теплоносителей. В течение первого периода (нагрева)через аппарат пропускают горячий теплоноситель и при этом отдаваемая им теплота нагревание насадки. В течение 2 периода (охлаждения) через аппарат пропускают холодный теплоноситель который нагревается за счет теплоты насадки.

Периоды нагрева и охлаждения продолжаются от нескольких минут до нескольких часов. Для осуществления непрерывного процесса теплопередачи от одного теплоносителя к другому необходимо иметь 2 регенератора.

В качестве насадки Применяют огнеупорный кирпич, металлические листы, пластины, шары, фольгу и т.п

В металлургических и стеклоплавильных печах большое распрост­ранение получили регенераторы с неподвижной насадкой из огнеупорных кирпичей. Для создания в рабочем пространстве таких печей; вы­соких температур (до 2500°С) требуется предварительный высокий по­догрев воздуха и горючего газа (до 800— 1000" С), который трудно осу­ществить и металлических рекуператорах, из-за их недостаточной жаростойкости.

Теплообмен в регенераторах. В регенераторе поверхность насадки попеременно воспринимает и отдает тепло. В течение периода нагревания или охлаждения изменяются температуры насадки как по толщине, так и по пути следования, причем после реверсиро­вания регенератора или соответствующего перемещения подвижной насадки направление теплового потока в насадке изменяет знак.

Точное математическое описание и решение задачи нестационарных процессов теплообмена в регенераторе пока не существует, поэтому расчет производят упрощенно.

В действитель­ных условиях полные теплоемкости тепло­носителей могут быть различными, что вы­зывает криволинейность графика измене­ния температур теплоносителей по длине насадки. Кроме того в действительных условиях температура в любой точке поверхности насадки за период нагревания изменяется по выпуклой кривой, а за период охлаждения— по вогнутой, вследствие чего средняя температура насадки за период нагревания выше, чем за период охлаждения ее.

tн – t поверхности насадки,

tг – t горячего теплоносителя

tх – t холодного теплоносителя,

tсп – изменение t среднего слоя насадки,

При нагревание насадки прогревается каждый ее элемент, причем она аккумулирует теплоту (+Q). При охлаждении насадки аккумулированная теплота передается воздуху(-Q). Для ускорения этих процессов элементы нагревают и охлаждают симметрично с обеих поверхностей. Изменение температуры движущихся через насадку газовых сред согласуется с изменением температуры поверхности кирпича. Различие между этими элементами обусловлено условиями внешнего по отношение к элементам теплообмена.

Температура средней плоскости кирпича tсп отстает от температуры поверхности tв. Это явление наступает не сразу после начала периода нагревания или охлаждения и определяется прежде всего теплофизическими свойствами материала элемента и его размерами.

К началу периода охлаждения насадки температура поверхности элемента выше, чем в середине его. Проходящий воздух быстро снижает температуру поверхностных слоев элемента, и температура кирпича на некоторой глубине его оказывается более высокой, чем в середине и на поверх­ности, т, е. отдача тепла в этот момент в разных сечениях элемента идет в разных направлениях. Через некоторое время температура в середине элемента оказывается более высокой, чем в других сечениях, и тепловой поток направляется от середины кирпича наружу.

Тепловой расчет регенераторов. Задачей теплового расчета регенератора является определение поверхности нагрева и ве­са насадки,

Тепло, воспринимаемое поверхностью насадки регенератора за пе­риод нагрева, равняется: Q=α _1cp((t_1cp —t_н^н)Fτ ₁ „ кДж/период,

где α ₁ —коэффициент теплоотдачи от греющих газов (конвекцией и лу­чеиспусканием) к насадке, кДж/м²ч⁰С; t_1cp и t_н^н —средние тем­пературы греющего газа и поверхности насадки за период нагрева­ния, °С; τ ₁ -период нагрева, ч.

Это количество тепла Q воспринимается насадкой и повышает температуру ее поверхности на величину Δ t_н т, е- Q =F(δ /2)ρ cη _a Δ t_н, кДж/период,

где δ —толщина стенки кирпича (вследствие обогрева насадки с двух сторон в данной форме учитывается половина толщины стенки, обозна­чаемая через R), м; ρ —плотность насадки, кг/м³; с —теплоемкость на­садки, кДж/(кг-°С); Δ t_н - изменение температуры поверхности насад­ки за период нагрева, " С; η _a —коэффициент аккумуляции тепла, опре­деляемый (по табл.)

Для определения изменения температуры поверхности насадки пользуются следующей эмпирической зависимостью: Δ t_н =φ (t_н^н - t_н⁰)

где t_н⁰ —средняя температура поверхности насадки за период ее охла­ждения (рис.); φ —коэффициент, равный 2, 2—3, 5 принимается в зависимости от материала насадки и режима работы аппарата..

В период охлаждения тепло, аккумулированное насадкой, пере­дается нагреваемому воздуху: Q=α ₂((t_н⁰ —t_2cp)Fτ ₂ „ кДж/период,

где α ₂ - коэффициент теплоотдачи от поверхности насадки к нагревае­мому.воздуху, кДж/м²ч⁰С; t_2cp —средняя температура воздуха за период охлаждения, °С; τ ₂ — период охлаждения, ч.

Таким образом, получается следующих трех уравнение: Q ц = к_ц F (t_1cp - t_2cp ) кДж/цикл,

Где к_ц —коэффициент теплопередачи регенератора:

к_ц = 1/((1/ α ₁ τ ₁ +1/Rρ cη _aφ + 1/ α ₂ τ ₂ ))

3.Тепловой расчет МВУ(располагаемая и полезная разности температур.)

Целью теплового расчета является определение площади поверхности нагрева отдельных ступеней при заданных условиях теплового режима (температуре греющего пара, охлаждающей воды, раствора, начальной и конечной концентрациях раствора) или выявление оптимального режима работы установки при заданных площадях поверхности нагрева.

В результате расчетов определяется:

1). расход греющего пара; 2). параметры пара и раствора по отдельным ступеням установки; 3). площади поверхностей нагрева отдельных ступеней; 4). количество отбираемого экстропара для предварительного подогрева раствора начальной концентрации.

Расчет обычно проводят методом последовательных приближений.

Общая располагаемая разность температур – это разность между температурой греющего пара t₁, поступающего в первую ступень установки и температурой вторичного пара из последней ступени при входе в конденсатор: Δ t_общ = t₁ – t_к

Полезная разность температур – это разность между общей располагаемой разностью и тепловыми потерями

Рассмотрим изменение температуры в одноступенчатой выпарной установке:

1. Греющий пар: Греющий пар подается в установку с параметрами (.) а с температурой t₁.

ав – процесс конденсации пара, проходит при t₁ = const.

В случае использования перегретого пара его температура соответсвует (.)а', а линия а' а" – соответствует охлаждению перегретого пара. Процесс конденсации греющего пара при t₁ = const по линии а-в'. Линия в-в' соответсвует охлаждению конденсата на выходе их выпарного аппарата.

В тепловых расчетах обычно перегрев пара и охлаждение конденсата не учитывают.

2. Изменение температуры раствора: Раствор в греющих трубках кипит при разных температурах:

t_р' – температура кипения раствора в нижней части трубок; t_р" – температура кипения раствора в верхней части трубок. t_р' > t_р"

Изменение температуры кипения раствора происходит за счет неодинакового гидростатического давления раствора по высоте трубок. На поверхности кипящего раствора давление равно давлению пара над раствором. Давление в нижней части труб превышает давление пара на величину Δ Р₂ = Н*ρ *g, где Н- высота столба раствора от нижней трубной решетки до поверхности испарения; ρ – плотность раствора.

Средняя величина гидростатического давления, которая принимается в расчетах, определяется: Δ p= (h_изб + h_тр/2)ρ g, где

h_изб – высота слоя жидкости над греющими трубками.

т.С – точка, характеризующая среднюю температуру кипения раствора в данной ступени многоступенчатой выпарной установки.

Разность температур кипения раствора на нижнем и верхнем уровне греющих трубок является потерей общей разности температур в выпарной установке вследствие изменения гидростатического давления и называется гидростатической температурной депрессией – Δ ₂.

3. Температура вторичного пара: соответствует (.) е - температура чистого растворителя при давлении в надрастворном пространстве.Температура вторичного пара всегда ниже температуры раствора на величину Δ ₁, которая называется физикохимической температурной деп рессией.

Вторичный пар из выпарного аппарата проходит через брызгоотделитель, запорную арматуру и тд при этом теряется давление пара на преодоление гидравлического сопротивления и понижается его температура. Температура вторичного пара при входе в конденсатор из-за этих потерь будет ниже его температуры над зеркалом испарения. Эта разность температур составляет 1-1, 5 градуса и называется Δ ₃ – гидравлическая температурная депрессия.

Полная температурная депрессия: Δ = Δ ₁ +Δ ₂ +Δ ₃

Полезная разность температур в 1 ступенчатой выпарной установке:

Δ t_пол = Δ t_общ –(Δ ₁ +Δ ₂ +Δ ₃)

Полезная разность температур в многоступенчатой выпарной установке:

Δ t_пол = Δ t_общ –(∑ Δ ₁ +∑ Δ ₂ +∑ Δ ₃)

Тепловой расчёт МВУ (распределение полезной разности температур по ступеням установки)

1. F поверхности нагрева всех ступеней установки д.б. одинаковой F1=F2=…=Fn

Суммарная полезная разность t для любой ступени многоступенчатой выпарной установки пропорциональна отношением тепл нагрузок коэф-ом теплопередачи данной ступени

Δ t_пол = Δ t₁+ Δ t₂+ …+ Δ t_n или Q₁/ k₁ Δ t₁= Q₂/ k₂ Δ t₂= …= Q_n/ k_n Δ t_n

Следовательно Δ t₂ = Δ t₁ (Q₂/ Q₁)(k₁/k₂); Δ t₃ = Δ t₁ (Q₃/ Q₁)(k₁/k₃)

Проссумировав левые и правые части данных равенств получаем, что для любой ступени МВУ полезная разность температур равна: Δ t_п = Δ t_пол(Q_пk_п/Σ Q_ik_i)

Т е суммарная полезная разность температур распределяется по ступеням при равенстве их площадей поверхностей нагрева пропорционально соотношению теповых нагрузок к коэффициентам теплопередачи.

При равенстве тепловых нагрузок: Δ t_п = Δ t_пол(k_п/Σ k_i)

2. Суммарная F пов-ти нагрева всех ступеней уст-ки д.б. минимальной Fобщ= F1+F2+…+Fn =Fмин

Полезная разн-ть t для любой ступени многоступенчатой выпарной уст-ки пропорц-на квадратному корню из отношения тепл нагрузок коэф-ом теплопередачи данной ступени Δ t_п = Δ t_пол√ √ (Q_nk₁/Σ Q₁k_n)

При рав-ве тепл нагрузок Δ t_п = Δ t_пол√ (k_п/Σ k_i)

3. Суммарная F пов-ти нагрева д.б. минимальной и равна (наиболее желаемый вариант) F1=F2=…=Fn и F1+F2+…+Fn =Fмин

Данное условие м.б. выполнено только в случае равенства Δ t_пол во всех ступенях МВУ.

Этого м. достичь только при определённых отборах экстра-пара из каждой ступени уст-ки.

4.Материальный баланс конвективной сушилки непрерывного действия с однократным использованием сушильного агента.

Конвективные сушилки: Теплота к материалу в данных сушилках передаётся конвективно от СА, и эти сушилки получили распространение.

В качестве сушильного агента (СА) могут использоваться: горячий воздух, топочные газы, инертные к высушиваемому материалу газы (гелий, азот, СО₂), перегретый пар.

При выборе СА необходимо руководствоваться следующим:

1. Воздух применяют в случаях, когда высушиваемый материал не ухудшает свои свойства в присутствии О₂ и не подвержен разложению при высокой температуре.

2. Топочные газы целесообразно использовать при сушке термостойких материалов, не изменяющих своих свойств при соприкосновении с продуктами сгорания. При использовании топочных газов сушилки достаточно компактны.

3. Азот - используется редко, только в тех случаях когда нежелателен контакт высушиваемого материала, либо удалённого растворителя с О₂. Данные сушилки обычно работают по замкнутому циклу. Оправданный начальный уровень СА 400 ⁰С.

4. Перегретый пар, или пар удалённого растворителя, применяют при температурах от 150-180 ⁰С.