Поверхностных теплообменников

При подборе и проектировании поверхностных теплообменников выбор конструкции теплообменника приобретает важнейшее значение. Следует учитывать ряд требований, которым должен удовлетворять данный теплообменник. Эти требования зависят от конкретных условий протекания процесса теплообмена, к которым прежде всего следует отнести величину тепловой нагрузки аппарата, агрегатное состояние и физико-химические свойства теплоносителей (вязкость и др.), их агрегативность, температуру и давление в аппарате, условия теплопереноса (гидродинамические режимы, соотношения между коэффициентами теплоотдачи по обе стороны стенки и др.), возможность создания чистого противотока, если температуры теплоносителей в процессе теплопереноса заметно изменяются, возможность загрязнения поверхностей теплообмена (если таковая существует, то желательно, чтобы поверхность была доступной для периодической чистки) и др. Кроме того, теплообменник должен быть как можно более прост по устройству, компактен, с малой металлоемкостью и т. п. Конструкции теплообменника, который бы удовлетворял всем названным требованиям, нет. Поэтому в каждом конкретном случае теплообмена приходится ограничиваться выбором наиболее подходящей конструкции.

При выборе теплообменника следует учитывать положения, которые существенно влияют на интенсивность теплообмена, размеры теплообменника и условия его эксплуатации, важнейшими из которых являются следующие.

Для получения высоких значений коэффициентов теплопередачи теплоносители должны иметь достаточно большие скорости. Однако с ростом скорости растут гидравлические сопротивления. Из практики следует, что приемлемые значения коэффициентов теплоотдачи можно получить при скоростях для жидкостей до 1—1,5 м/с и для газов до 10—25 м/с.

Необходимо знать, что увеличение скорости одного из теплоносителей приводит к заметному повышению коэффициента теплопередачи только в том случае, если коэффициент теплоотдачи с другой стороны стенки большой (т. е. является нелимитирующим), а термическое сопротивление стенки мало. Поскольку массовые расходы теплоносителей связаны с тепловым и материальным балансами теплообменника, то на линейную скорость теплоносителей в аппарате можно повлиять только подбором в нем соответствующих сечений.

В некоторых случаях коэффициент теплопередачи может зависеть только от термических сопротивлений загрязнений на стенке. При большом загрязнении увеличение скорости теплоносителя практически не приводит к существенной интенсификации теплопереноса, однако увеличивает затраты энергии на прокачивание теплоносителя через аппарат.

В то же время нужно помнить, что чем выше скорости теплоносителей, тем медленнее происходит отложение накипи и загрязнений на поверхности теплопередающих стенок теплообменников. Таким образом, задача выбора рациональных скоростей теплоносителей может быть решена только путем проведения оптимизационного расчета на основе сопоставления некоторого числа вариантов.

Важно правильно определить место ввода теплоносителей в теплообменник. При проектировании кожухотрубчатых теплообменников теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи для увеличения скорости следует пропускать по трубам, так как сечение труб меньше сечения межтрубного пространства. Теплоноситель с высоким давлением направляют в трубы, чтобы не подвергать менее прочный кожух воздействию повышенных напряжений.

В трубы направляют также теплоноситель, вызывающий коррозию, и кожух при этом может быть изготовлен из более дешевого материала.

Для снижения тепловых потерь в нагревателях более горячий теплоноситель направляют в трубы, в холодильниках - в межтрубное пространство, что способствует более интенсивному охлаждению за счет потерь теплоты в окружающую среду.

Загрязненные теплоносители подаются с той стороны поверхности теплообмена, которую проще чистить.

Выпаривание

Выпаривание – процесс концентрирования растворов нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.

Сущность процесса состоит в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание производится в процессе кипения раствора.

В пищевых производствах получило распространение однократное выпаривание, осуществляемое непрерывно или периодически, и многократное выпаривание, возможное только непрерывным способом, а также выпаривание с применением теплового насоса. Два последних способа проведения процесса обеспечивают значительную экономию тепла и поэтому получили наибольшее распространение. Процессы выпаривания проводят как под давлением, так и под вакуумом, в зависимости от параметров греющего пара и свойств выпариваемых растворов.

Однократное выпаривание производится в установках небольшой производительности, когда экономия тепла не имеет большого значения. Простое выпаривание может проводиться непрерывно или периодически, при атмосферном, избыточном давлении и под вакуумом. Проведение процесса под вакуумом имеет в большинстве случаев существенные преимущества – снижается температура кипения раствора, что позволяет применять для нагревания выпарного аппарата пар низкого давления.

Схема непрерывного процесса выпаривания для составления материальных и тепловых балансов представлена на рис. 3.18.

Материальный баланс простого выпаривания можно выразить следующими уравнениями:

;

.

Из этих уравнений обычно определяется количество выпариваемого растворителя:

и концентрация упаренного раствора

.

Тепловой баланс простого выпаривания можно выразить следующим равенством, составленным с учетом приходов и расходов тепла по потокам проведение процесса:

.

Рис. 3.18. Схема непрерывного процесса выпаривания

После замены равенством в уравнении получим

,

откуда получим выражение для вычисления расхода пара на выпаривание

.

Из полученного равенства следует, что пар в процессе выпаривания расходуется на нагрев раствора до температуры кипения, образования вторичных паров, компенсации потерь тепла с концентрированием нелетучего компонента и потерь в окружающую среду.

Поверхность нагрева выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи

.

Полезная разность температур – разность между температурой греющего пара и температурой кипения - определяется по общей разности и температурным потерям. В свою очередь, общей разностью температур в выпарных установках называют разность между температурами греющего и вторичного пара:

.

Полезная разность температур меньше общей разности температур на величину температурных потерь:

.

Сумма температурных потерь равна:

.

Температурные потери за счет гидростатического эффекта определяются увеличением гидростатического давления кипящего раствора на середине высоты греющей трубы:

,

где - расстояние от верхней части греющей камеры до поверхности выпариваемого раствора; - высота греющей камеры.

Если температура кипения при давлении на поверхности раствора равна , то при давлении температура выше и составляет , а температурные потери за счет гидростатического эффекта составят

.

Температурная депрессия определяется разностью температур кипения концентрированного раствора и чистого растворителя.

Температурные потери, связанные с гидравлическими потерями при движении вторичного пара на выходе из корпуса выпарного аппарата определяются величиной этих потерь. Расчет разности температур производится так же, как и для потерь за счет гидростатического эффекта.

При многократном выпаривании в качестве греющего источника для последующих корпусов выпарной установки используют вторичный пар из предыдущего корпуса. Этим достигается значительная экономия тепла. Проведение такого процесса возможно при применении греющего пара высокого давления либо вакуумирования последующих корпусов. В связи с тем, что установки для многократного выпаривания имеют несколько корпусов, их называют многокорпусными.

Выпаривание с применением теплового насоса основано на возможности использования вторичного пара для испарения растворителя в том же аппарате. При этом температуру вторичного пара необходимо повысить до температуры греющего путем сжатия его компрессором или паровым инжектором. В этом случае вторичный пар поступает из выпарного аппарата в компрессор или инжектор, сжимается до давления, соответствующего температуре греющего пара, и вводится опять в греющую камеру выпарного аппарата.