Классификация теплообменных аппаратов

1 бөлім. Рекуперативті және регенеративті жылу алмастыру аппараттары

1.1 тақырып Кіріспе. Үздіксіз әрекетті рекуперативті аппараттардың конструкциялары

Жылу алмастыру аппараттары мен қондырғыларының жіктелуі.

Жылу алмастыру аппараттары (жылуалмастырғыштар) дегеніміз – жылытушы және жылытылатын жұмыс ортасы арасындағы жылудың алмасуына арналған құрылғылар. Бұл орталарды жылутасымалдағыш деп атайды.

Жылудың бір жылутасымалдағыштан екіншіге берілуі өнеркәсіптің көптеген салаларында өте қажет, олар атап айтқанда, энергетика, химия өнеркәсібі, металлургия, мұнай, тамақ өнеркәсібі және т.б.

Жылу алмастыру аппараттарында болатын жылу процестері әр түрлі: қыздыру, салқындату, булану, қайнау, конденсация, балқу, қатаю және аса күрделі процестер. Жылу алмасу процесі кезінде бірнеше жылутасымалдағыштар қатысуы мүмкін: жылу бір тасымалдағыштан бірнешеуіне беріліп және керісінше, бірнешеуінен біреуіне тасымалдануы мүмкін.

Жылу алмастыру аппараттары құрылымдық белгілеріне қарай бірнеше түрге бөлінеді:

1) жұмыс істеу принципіне қарай;

2) қозғалыс сипатына қарай;

3) жылу режиміне байланысты;

4) жылутасымалдағыш түріне қарай;

5) жылутасымалдағыштың агрегаттық күйінің өзгеруіне байланысты.

            Жұмыс істеу принципіне қарай жылу алмастыру аппараттары екі түрлі болады – беттік (рекуперативті және регенеративті) және аралас.

            Беттік аппараттарда жылутасымалдағыштар қатты қабырғалармен шектелген, олар арқылы жылу алмасу толығымен не болмаса жартылай болуы мүмкін. Қыздыру беті дегеніміз осы қабырғаның жылу берілетін бетінің бөлігі аталады.

            Рекуперативті дегеніміз бұл жылутасымалдағыштар арасындағы болатын жылу  алмасу айырушы қабырға арқылы жүзеге асырылатын жылу алмастыру аппараттары. Бұл типтегі аппараттарда жылу алмасу кезінде айырушы қабырға бетінің әрбір нүктесіндегі  жылу ағыны өз бағытын тұрақты сақтап қалады.

            Регенеративті дегеніміз екі немесе бірнеше жылутасымалдағыштар белгілі бір қыздыру бетімен кезекпен жанасатын жылу алмастыру аппараттары. Қыздыру беті әр түрлі жылутасымалдағыштармен жанасқанда,  жылуды қабылдап оны пайдалануға береді, не болмаса, керісінше, пайдаланылған жылуды беріп, салқындап, қыздырынады. Жылу алмасудың әр түрлі периодтарында (қыздырыну немесе салқындау) қыздыру бетінің әрбір нүктесінде жылу ағынының бағыты қарама қарсы бағытқа өзгереді.

             Қыздыру бетіне жылудың берілуіне қатысты жылутасымалдағыштың қозғалу сипатына қарай жылу алмастыру аппараттарын үш түрге бөледі: табиғи айналымды; жасанды айналымды; гравитация күшінің әсерінен сұйықтың қозғалысы. Табиғи айналымды жылуалмастыру аппараттарына буландырғыштар, бушығарушы аппараттар, су жылыту және бу қазандықтары, оларда жылутасымалдағыш айналымдың контурдағы төмен түсіруші және жоғары көтерілетін құбырлардағы түзілетін бу сұйықтық қоспасы мен сұйықтардың тығыздықтарының айырмасына байланысты қозғалады. Жасанды айналымды жылу алмастыру аппараттарына рекуперативті аппараттар, ал  гравитация күшінің әсерінен сұйықтың қозғалысынан болатын аппараттарға конденсаторлар, қопсытқыш жылуалмастырғыштар жатады.

            Аралас (байланыстық) бұл жылутасымалдағыштардың араласуы мен байланысы кезінде болатын масса және жылу алмасу жүзеге асатын жылу алмастыру аппараттары. Аралас жылу алмастыру аппаратының жұмыс процесіндегі маңызды фактор болып жылу тасымалдағыштардың жанасу беті саналады. Жылу режиміне қарай жылу алмастыру аппараттары жылу алмасудың стационар және стационар емес процесті болып келеді. Рекуперативті жылу алмастырғыштарының көбінде қабырға арқылы жылу үздіксіз жылу тасымалдағыштан басқа жылу тасымалдағышқа беріледі. Мұндай жылу алмастырғаштар үздіксіз әрекетті жылу алмастырғыштар деп аталады. Төмендегі суретте рекуперативті жылу алмастырғыш аппараттың мысалы келтірілген. Онда жылу тасымалдағыштардың бірі құбырлардың ішімен жүреді, ал екіншісі олардың сыртқы бетін шайып отырады. Жылутасымалдағыштардың берілісі мен шығарылымы периодты түрде өзгеріп отыратын жылу алмастырғыштар периодты әрекетті жылу алмастырғыштар деп аталады.  Регенеративті жылу алмастырғыштардың көбі периодты әрекетті болып келеді. Мұндай жылуалмастырғыштар үздіксіз де жұмыс істей алады.

Жылу тасымалдағыштар түріне қарай жылу алмастыру аппараттары төмендегідей жіктеледі: сұйық – сұйық; бу – сұйық; газ – сұйық; бу –бу; бу – газ; газ – газ.

            Жылу тасымалдағыштардың агрегаттық күйінің өзгеруіне байланысты жылу алмастыру аппараттары: агрегаттық күйі өзгермейтін; бір тасымалдағыштың агрегаттық күйінің өзгерісімен; екі тасымалдағыштың агрегаттық күйінің өзгерісімен деп бөледі.

            Жылу алмастырғыш аппараттарда әр түрлі жылу алмасу процестері болуы мүмкін: қыздыру; салқындату; қайнау; конденсация және т.б. Осы процестерге байланысты жылу алмастыру аппараттары қыздырғыштар, буландырғыштар,  конденсаторлар және т.б. деп бөлінеді.

Қолданылатын жылу тасымалдағыштар. Өндірістік процестердің тағайындалуына байланысты жылутасымалдағыштар ретінде әр түрлі газ тәріздес, сұйық және қатты заттар қолданылуы мүмкін. Жылутасымалдағыштар келесі қасиеттерге ие болуы керек:

1) Бутүзілуі үшін үлкен жылулыққа, тығыздыққа, аз мөлшерлі тұтқырлыққа ие болуы керек. Осы қасиеттері болғанда, жылу алмасу біршама интенсивті болады және массалық пен көлемдік сандары азаяды. Жылутасымалдағыштар аз қысымда жоғары температураға ие болулары керек, бұл жылуалмасу беттерінің кішігірім болып орнатылуына жағдай жасайды;

2) Қажетті мөлшерде термо тұрақты болуы керек және аппараттардың материалдарына кері әсерін тигізбеуі керек. Жылутасымалдағыштар химиялық түрде тұрақты болуылары керек, жоғары температураларда кері әсерлерін көрсетпеулері керек. Жылутасымалдағыштар жұмыс процесі кезінде жылу алмасу бетінде шөгінділері түзбеуі керек, себебі қондырғының жылу беріліс және жылу өткізгіштік коэффициентін төмендетеді;

3) Қымбат емес және қол жетімді болуы керек. Қымбат немесе арзан болса, олар капиталдық шығындарға әкеледі,  бұл өз алдына экономикалық жағынан тиімсіздіктерін көрсетеді.

            Жылутасымалдағыштарды таңдағанда, олардың термодинамикалық және физикалық-химиялық қасиеттеріне мән беру керек, сонымен қатар, техникалық-экономикалық көрсеткіштеріне де көңіл бөлу керек.

Су буы – қыздырушы жылутасымалдағыш ретінде өзінің төмендегі бірқатар қасиеттеріне қарап аса кең таралған:

1) су буының конденсациясы кезінде жылуберілісі коэффициентінің жоғары болуы жылуалмасу бетінің біршама аз болуына мүмкіндік береді;

2) су буының конденсациясында болатын энтальпияның аздаған өзгеріс

і жылу мөлшерінің көп мөлшерде берілуі үшін оның массалық санын аз мөлшерде шығындауға жағдай жасайды;

3) белгілі бір қысымдағы конденсацияның тұрақты температурасы аппараттардағы процесті реттеуге және тұрақты режимді жеңіл ұстануға мүмкіндік береді.

            Су буының басты  кемшілігі – қанығу температурасына байланысты қысымның жоғарылауы. Қысым 0,09807 МПа және будың температурасы 99,1 , ал будың қанығу температурасы 350 болып тек 15,5МПа қысымда алынады. Сол себепті бумен қыздыруды орташа температураларда (~60…150 °С) болатын қыздыру процестерінде қолданады. Жылуалмастырғыштарда аса жиі қолднаылатын  қыздырылатын будың  қысымы  0,2 ..... 102 МПа құрайды. Жоғары температураларға арналған бумен қыздыратын жылуалмастырғыштар айтарлықтай массаға ие және мықтылығы жағынан үлкен болып келеді, қабырғалары қалың, қымбат тұратындықтан, сирек қолданылады.

            Ыстық су қыздырушы жылутасымалдағыш ретінде кең қолданыс тапқан, әсіресе жылыту-желдету қондырғыларында қолданылады. Суды қыздыру арнайы су жылыту қазандықтарында, өндірістік технологиялық агрегаттарда (мысалы, пештерде) немесе ЖЭО-ның сужылыту қондырғыларында және қазандықтарда жүзеге асырылады. Ыстық суды жылутасымалдағыш ретінде алыс қашықтықтарға да құбырлар арқылы тасымалдауға болады. Бұл кезде судың температурасы жақсы оқшауланған құбырларда 1 км қашықтыққа 1 құрауы мүмкін.  Судың жетістіктері болып жылу беріліс коэффициентінің жоғары болуы саналады. Алайда, қыздырушы жылутасымалдағыш ретінде жылу тораптарынан келетін ыстық су өндірістік жылуалмастырғыштарда сирек қолданылады, себебі жылыту мерзімінде оның температурасы 70-тен 150  дейін өзгереді.

            Түтін және оттық газдары қыздыру ортасы ретінде әдетте оларды алатын жерде өнеркәсіптік материалдар мен өнімдерді қыздыруға қолданады, тек ескеретіні бұл заттар күл мен қождан ластанып өзгеріске ұшырамаса болғаны. Егер пайдалану шарты бойынша, өңделуші материалды ластауға болмаса, онда түтін газдарын рекуперативті жылуалмастырғышқа бағыттайды, онда олар өз жылуын береді және ол жылу өңделетін материалды қыздырады. Жетістігі болып материалды жоғары температураға дейін қыздыру саналады. Алайда бұл жетістіктерін әрдайым қолдана беруге болмайды, себебі реттеудің қиындығына байланысты материалдың шамадан тыс қызып кетуі мүмкін, бұл өз алдына материалдың сапасын төмендетеді. Сонымен қатар, техника қауіпсіздігінің шарттарына байланысты отпен қыздыруды әрдайым қолдануға болмайды. Оттық газдарының жоғары температурасы үлкен жылу шығындарына әкеледі. Оттықтан шығатын газдар температурасы 1000 жоғары тұтынушыға 700 температурамен келеді, мұндай жоғары температурада термооқшаулауды қамтамасыз ету қиынға соғады. Түтін және оттық газдарының кемшіліктері келесі себептерге байланысты:

1) газдардың аз тығыздығы, құбырлардың аса үлкен әрі кең болуын қажет етеді;

2) газдардың кіші меншікті жылусыйымдылығына байланысты аппаратқа жоғары температурамен үлкен мөлшерде берілуін қажет етеді, ал бұл құбырлар үшін отқа төзімді материалдарды қолдануды қажет етеді.

3) газдар жағынан жылуберіліс коэффициентінің төмен болуынан жылуды пайдаланушы аппарат қыздыру беті үлкен болып, өзі де үлкен болуы керек.

            Жоғарытемпературалы жылутасымалдағыштар (түтін газдарынан басқа) бұл минерал майлар, органикалық қосылыстар, еріген металдар мен тұздар. Олар келесі қасиеттерге ие болуы керек:

- атмосфералық қысымда қайнаудың жоғары температурасы;

- жылуалмасудың жоғары интенсивтілігі;

- қатаюдың төмен температурасы;

- термиялық беріктік;

- жылуберуші беттерге және құбыр материалдарына зиянсыз;

- жалындамау, жарылмау, уыттылығы болмау керек;

- үнемділік.

            Төментемпературалы жылутасымалдағыштар 0°С төмен температурада қайнайтын заттар. Олар аммиак NН₃ көміртегі диоксиді СО₂ күкірт ангидриді SO₂ және басқа да фреондар – қаныққан галоген тектес көмірсутектер тобы.

            Электр энергиясы әдетте мағынасына қарай жылутасымалдағыш ретінде саналмаса да технологиялық процестерде заттарды қыздыруда кең қолданыс тапқан. Электрмен қыздырудың үш әдісін қолданады: электр доғалық, диэлектрлік қыздыру және кедергімен қыздыру. Соңғы әдіс кеңінен қолданылады. Электрмен қыздырудың жетістіктері: сымдарының қарапайымдылығымен жеңілдігі; бақылауға, реттеуге және қызмет көрсетуге қолайлылығы; кез келген қажетті температураны алуға мүмкіншіліктің барлығы; жұмыс істеу кезіндегі тазалық пен гигиеналық шарттар. Электр энергиясының жылулыққа айналуында көбіне 100% берілген энергияны пайдалануға мүмкіндік болады. Алайда, электрмен қыздыру төмен ПӘКке ие болып келеді.