Спиральный теплообменник

      Регенеративные  теплообменники с неподвижной насадкой.

      В таких теплообменниках на рисунке 26  в период времени, соответствующий  положению перекидных шиберов, изображенному  на схеме, в правой камере 3  пропускается горячий теплоноситель и происходит нагрев насадки; в то же время в левой камере 1 пропускается холодный теплоноситель, который нагревается  за счет ранее нагретой  в этой камере  насадки. Через определенное расчетом время перекидные шиберы переключают в противоположные положение, и процесс теплообмена идет в обратном направлении. Переключение шиберов происходит автоматически.  
 

                       
 

1 –  левая камера с насадкой;

2,4 –  патрубки;

3 –  правая камера с насадкой;

Рисунок 26 – Регенеративный теплообменник  с неподвижной насадкой. 

      Регенеративные  теплообменники с движущейся насадкой на рисунке 27 В регенераторах непрерывного действия с движущимся твердым промежуточным  теплоносителем служащих для нагревания газов, твердый теплоноситель непрерывно перемещается при помощи механического ковшикого элеватора 4 и подается на вращающиеся диски 3, регулирующие подачу твердых частиц в камеры охлаждаемого и нагреваемого газов (2 и 1).  
 
 
 

                       
 

1 – камера охлаждения;

2 –  камера нагревания;

3 –  диски;

4 –  ковшовый элеватор;

Рисунок 27 - Регенеративные теплообменники с движущейся насадкой. 

      В качестве движущейся насадки используют твердые частицы и шарики из каолина, диабаза, алунда, оксида алюминия, магния, циркония и других жаростойких материалов размером 8 – 12 мм. Кроме того, материал должен быть  химически стойким, обладать высокими показателями на истирание и удар.

      Зернистые материалы в зависимости от размеров частиц имеют большую удельную поверхность  - до 10⁵ м²/м³ .

      В камере 1 происходит нагревание движущейся насадки, горячими газами (чаще дымовыми). В камере 2 насадка отдает теплоту  нагреваемому газу. Таким образом, происходит постоянный теплообмен.

      К недостаткам этих теплообменников  следует отнести необходимость установки обеспыливающих устройств, герметизации охлаждаемого и нагреваемого газов и абразивный износ трактов движения насадки.  

      Теплообмен  в кипящем (псевдоожиженном) слое. Для  интенсификации нагревания, обжига, горения, сушки и некоторых других процессов широкое применение нашли установки с так называемым кипящим слоем.

      Кипящим слоем называют взвешенный слой, когда  масса мелкозернистых твердых частиц в восходящем потоке газа (обычного воздуха) в результате непрерывного перемешивания приходит в легкоподвижное состояние, напоминая кипящую жидкость.

      Благодаря интенсивному перемешиванию твердых  частиц, в кипящем слое, выравнивается  поле температур, что исключает местные  перегревы.

      Теплообмен  осуществляется:

      а)между  частицами твердого материала и газовым потоком;

      б) между кипящим слоем и поверхностью теплообмена, расположенной в слое или вне аппарата.

      Теплообмен  между частицами  твердого материала  и газовым потоком зависит  от состояния слоя.

      При теплообмене между частицами  твердого материала и газовым потоком зависит от состояния слоя.

      При теплообмене между кипящим слоем  и стенкой теплообменная поверхность  помещается внутри  слоя в виде змеевиков  на рисунке 28 труб или теплота передается через стенки аппарата.

 
 
 

1 –  корпус;

2 – змеевик;

3 –  кипящий слой;

Рисунок 28 – Теплообменник с кипящим  слоем. 

      Ввиду высокой интенсивности теплопереноса  от кипящего слоя к стенке аппарата достигается быстрый подвод или  отвод теплоты.

      Коэффициент теплоотдачи между взвешенным слоем  и поверхностью теплообмена увеличивается с повышением скорости газа до определенного максимального значения. При дальнейшем повышении скорости газа уменьшается объемная концентрация частиц, увеличивается порозность слоя и уменьшается коэффициент теплоотдачи. Коэффициенты теплоотдачи  к погруженной в слой поверхности составляют  100 – 1100  Вт/(м²_*К).

      Коэффициент теплоотдачи в теплообменниках  с кипящим слоем  получается более  высоким, чем в обычных газовых  трубчатых теплообменниках. Его  значение возрастает, если кипящий слой имеет высокую температуру и кроме конвекции теплота передается радиацией. Общий коэффициент теплопередачи для обогреваемых через рубашку цилиндрических аппаратов с кипящим слоем, работающих периодически, имеет высокое значение  и изменяется в пределах 560 – 840 Вт/(м²_*К).

      Теплообменные аппараты с псевдоожиженным слоем  могу быть периодического и непрерывного действия.

      Из  периодически действующих аппаратов  твердые частицы не выводятся  до своей полной обработки. В аппаратах  непрерывного действия осуществляется постоянный вывод отработанных твердых частиц и замени их свежим зернистым материалом.

      Для получения противотока дисперсных частиц  и ожижающего газа  в  аппаратах непрерывного действия  применяется последовательное секционирование  на каскад псевдоожиженных слоев. Секционирование применяется так же для увеличения равномерности времени пребывания материала. [2, с 241] 
 

1.3 Охрана  труда и окружающей среды 

Требования, предъявляемые к теплоносителям в химической промышленности. 

      Проведение  технологических процессов в химической промышленности в большинстве случаев связано с теплообменом.

     Во  всех теплообменных устройствах  химической промышленности основным рабочим  процессом является процесс теплообмена  между теплоносителями.

     Теплоносители аккумулируют тепловую энергию, полученную от источника теплоты, и отдают ее в теплообменных аппаратах.

     Выбор теплоносителей зависит от требуемой  температуры и необходимости  ее регулирования.

     Каждый  теплоноситель характеризуется, прежде всего, определенным температурным  диапазоном  его применения. Если для достижения какой - либо температуры могут быть применены несколько теплоносителей, то выбор проводится по соображениям экономичности и безопасности работы. Кроме того, промышленный теплоноситель должен обеспечивать интенсивность теплообмена при уменьшении собственного расхода, для чего он должен обладать малой вязкостью, но высокой плотностью, теплоемкостью и удельной теплотой парообразования.

     Теплоноситель не должен оказывать отрицательного влияния на материал аппарата.

     В качестве теплоносителей  в теплообменных  аппаратах применяют: водяной пар, горючие жидкости, пары высыхающих жидкостей, топочные газы, а так же электрообогрев.

     В ряде случаев в качестве теплоносителей применяют вторичные  энергоресурсы.

     Расход  теплоносителей определяют из уравнений теплового баланса.

     В химической промышленности, где имеется  большое количество огне – и взрывоопасных  производств, где широко применяются  токсичные вещества, вопросы охраны труда  представляют особо важное значение. В успешном решении их большая роль принадлежит комитетам профсоюза, органам государственного технического  и промышленного санитарного надзора, работникам служб техники безопасности химических предприятий.  
 

                                             
 
 
 
 
 
 
 

2 Технологический расчет 
 

      Целью расчета является определение необходимой  поверхности теплообмена аппарата по заданным исходным данным. Расчет ведется по [2].

      2.1 Составлю температурную схему процесса:

        

t_Н, tк – начальная и конечная температуры холодного теплоносителя (Воды); ⁰С

Ts – температура горячего теплоносителя (Водяного пара); ⁰С 

      Рисунок 29 - Схема движения теплоносителей противотоком 

Определяю разности температур по формулам:

                                                        

      ∆t_б = Tconst – tн = 110,7 – 77 = 33,7 ⁰С,

      ∆t_м = Tconst – tк = 110,7 – 95 = 15,7 ⁰С, 

     В зависимости  от величины ∆t₁ и ∆t₂ им присваиваются индексы ∆t_б, ∆t_м 

                                                             ∆t_б = 33,7 ⁰С,

                                                             ∆t_м = 15,7 ⁰С, 

где ∆t_б – соответствует разности температур между начальной температурой горячего теплоносителя  и конечной температурой холодного теплоносителя (∆t₁′), ⁰С;

      ∆t_м – соответствует разности  температур между конечной температурой  горячего     теплоносителя и начальной температурой холодного теплоносителя (∆t₂′), ⁰С. 
 
 
 

      Найдем  средний температурный напор  по формуле 

                                                   

t_ср = ( tб - tм)/(ln t_б/ t_м),                               (2.1) 

     

t_ср = (33,7 – 15,7)/0,76 = 23,6 ⁰С, 
 

     Определим средние температуры  теплоносителей по формулам:

                                                

      T _ср = (T_н – T_к)/2 = (110,7+110,7)/2 = 110,7 ⁰С, 

      t_ср = T _ср -

t_ср =110,7 – 23,6 = 87,1 ⁰С, 
 

          Найдем тепловую нагрузку  по  формуле 5.4 [1,с 202] 

                                Q₁=1,05∙ t_ср∙С_В∙(t_н–t_к),                               (2.2)

                                    

   где   Q₁ – тепловая нагрузка, Вт;

           С_В=4,19 10³, Дж/кг К [2. Таблица XXXIX]. 

Q₁ = 1,05∙  23,6∙ 4,19∙ 10³ (95 – 77) = 1868907,6 Вт, 

      Ориентировочно  определяем максимальную величину поверхности  теплообмена для метанола по формуле:

                                                     

,                                                    (2.3) 

где      F_max – максимальная поверхность теплообмена,м²;

      К_min – минимальное значение коэффициента теплопередачи для данного случая теплообмена, Вт/ м²∙ К [2, с 169];

      ∆t_ср – средний температурный напор, ⁰С. 

      F_max = 1868907,6 / 800∙23,6 = 98 м², 

      Выбираем  I^ого исполнения:

      Поверхность теплообмена F=100м²;