Нагрев или охлаждение жидкости при непосредственном контакте с газом (паром) известен давно и осуществляется в различных смесительных аппаратах. Такие аппараты применяются в системах охлаждения и нагрева газов водой в газовом производстве, в установках кондиционирования воздуха, при охлаждении воды в градирнях, при конденсации пара в теплоэнергетических и вакуум-выпарных установках и др. Это деаэраторы, водоподогреватели, градирни, смесительные конденсаторы, кондиционеры, скрубберы и т. д.
Контактные теплообменники имеют следующие преимущества: высокую интенсивность теплообмена, высокий КПД. при этом газы охлаждаются до температуры 30—35 °С, т. е. ниже точки росы, используется теплота конденсации пара. Аппараты компактны, просты по конструкции, технологичны в изготовлении, имеют невысокую стоимость изготовления. Накипеобразование не отражается на интенсивности теплопередачи. Интенсивный теплообмен при малых температурных напорах позволяет использовать вторичные энергоресурсы, поскольку основная доля тепла к обрабатываемому продукту передается не через металлическую стенку, а путем непосредственного соприкосновения теплоносителей.
В сахарной промышленности, например, открытый пар применяют для подогрева клеровки, мелассы, жомо-прессовой воды (с одновременной термической стерилизацией) и барометрической воды, используемой для питания диффузионных установок. Для подогрева жомо-прессовой и барометрической воды [9] находят широкое применение пароконтактные подогреватели типа ПКП (рис. 34).
Нагрев соков свеклосахарного производства в настоящее время осуществляется только в кожухо-трубчатых подогревателях, однако для очистки поверхности требуется использование тяжелого ручного труда.
В связи с этим представляет интерес нагрев накипеобразующих жидких продуктов, в частности диффузионного сока, в пароконтактных подогревателях. Такой способ имеет ряд преимуществ: обеспечивается стабильный режим нагрева, полностью отпадает необходимость очистки подогревателей в производственный период, уменьшается металлоемкость установки для нагрева диффузионного сока и занимаемая ею производственная площадь, значительно снижается гидравлическое сопротивление, появляется возможность эффективного использования вторичных паров
IV и V корпусов ВУ. Вместе с тем такой способ имеет и существенный недостаток — разжижение нагреваемого сока.
Рис. 34. Устройство подогревателя типа ПКП.
Рис. 35. Устройство подогревателя типа УКП.
Исследованиями установлено благоприятное воздействие термической обработки соков открытым паром на их качественные показатели. При обработке нефильтрованных соков острым паром в эжекторе или непосредственным барботированием установлено, что белковые частицы, в том числе и частицы размером менее 5 мкм, коагулируют, укрупняются, уплотняются и быстро оседают, что приводит к более полному их удалению. При термической обработке открытым паром сока I сатурации перед поступлением на отстойники заметно улучшается работа отстойников и вакуум-фильтров, производительность их значительно увеличивается.
Обработка диффузионного сока паром показала, что количество скоагулированных белков в соке уменьшается в несколько раз, а среднее значение доброкачественности очищенного сока повышается на 1 ед., при этом цветность снижается на 6,4 ед. Шт.
Для обеспечения пароконтактного нагрева на пелене жидкости сотрудники Сахпромэнергоналадки В. И. Довгопол, В. Н. Усыченко, И. И. Сирик, С. В. Маркитан разработали несколько типов противоточных пароконтактных подогревателей типа ПКП-50 — ПКП-300, используемых для нагрева питательной воды (барометрической, артезианской, речной, чистой прудовой) для диффузионных установок свеклосахарного производства.
В подогревателе типа УКП (рис. 35) применен неразъемный корпус и конусные переливные тарелки. Равномерная раздача жидкости с одновременной турбулизацией ее обеспечивается центробежной форсункой. Раструб раздаточного устройства для пара выполнен таким образом, что обеспечивается более полное использование динамического напора пара для турбулизации стекающей пелены жидкости. Нижняя зона нагрева разделена на две части, что позволяет растянуть зону нагрева по длине подогревателя и уменьшить его диаметр. Доказана принципиальная возможность нагрева в подогревателе УКП соков свеклосахарного производства.
При испытаниях работы пароконтактных подогревателей типа ПКП и ПКП-ЖВ наряду с положительными сторонами их работы (широкий диапазон производительностей, возможность использования низкопотенциального загазованного пара, стабильность нагрева и др.) были выявлены и заметные недостатки. Так, при резких колебаниях температуры и количества нагреваемой жидкости подогреватель входил в режим автоколебаний, при значительных перегрузках начинался предельный гидродинамический режим (ПГР) Применение противоточных пароконтактных подогревателей возможно только в определенном диапазоне рабочих параметров, в противном случае наступает нарушение устойчивости потока жидкости при достижении паром некоторой критической скорости и это приводит к возникновению ПГР. Внешними признаками ПГР являются гидроудары, ухудшение нагрева, возрастание гидравлического сопротивления, это происходит при достижении динамического равновесия между набегающими потоком пара и нисходящим потоком воды, в результате пар подхватывает поток жидкости, аппарат переполняется и наступает неустойчивый режим. Неустойчивость процесса возникает в связи с тем, что с уменьшением плотности орошения снижается толщина пелены жидкости, наступают разрывы, способствующие свободному проходу пара. Установлены зависимости, позволяющие определить минимальный расчетный диаметр аппарата или предельную нагрузку по нагреваемой жидкости.
Опытно-промышленная эксплуатация подогревателей типа ПКП при нагреве диффузионного сока показала, что противоточное движение теплоносителей способствует пенообразованию и уносу пены через паровую оттяжку. Для нагрева пенящихся жидкостей сотрудниками предприятия Сахпромэнергоналадки разработаны ПКП с комбинированной схемой движения жидкости и пара (рис. 36). Испытание предложенной конструкции ПКП проводилось на некоторых сахарных заводах в схеме нагрева диффузионного сока, был обеспечен надежный нагрев сока при оптимальных технико-экономических показателях.
Рис. 36. Пароконтактный подогреватель с комбинированной схемой движения теплоносителей:
1 — конус; 2 — патрубок для отвода неконденсирующихся газов; 3 — форсунка; 4, 5, 6 — патрубки для подвода пара; 7 — корпус; 8 — патрубок для подвода раствора; 9 — тарелка конусная.
Расчеты показывают, что установка для нагрева диффузионного сока, скомпонованная из подогревателя сока на утфельном паре (I группа нагрева), теплообменника «аммиачный конденсат — сок» (II группа) подогревателя пар IV корпуса ВУ — сок (III группа) и ПКП пар IV корпуса ВУ — сок (IV группа), несмотря на незначительное разжижение сока в последней группе, достаточно экономична и расход технологического пара в тепловой схеме не увеличивается. При этом предполагается, что нагрузка на ПКП будет невелика — окончательный нагрев сока осуществляется только на 3—5 °С. Серийный выпуск подогревателей ПКП для нагрева воды освоен Пивненковским машиностроительным заводом. Типоразмеры пароконтактных подогревателей приведены в табл. 18.
Коррозия систем горячего водоснабжения и появление в них отложений зависят от содержания кислорода и перехода бикарбонатов в соли карбонатной жесткости, выпадающие в осадок.
18. Техническая характеристика пароконтактных подогревателей Ш-52, выпускаемых Пивненковским машиностроительным заводом
Деаэрация и предварительное умягчение воды позволяет решить эту проблему, однако этот способ дорог и требует громоздкого оборудования и больших трудозатрат. Безреагентный контактно-газовый способ подготовки воды, предложенный Р. С. Лепилиным [23], является простым и дешевым.
Рис. 37. Схема полупромышленной установки для подготовки воды по контактному способу:
I — водопроводные линии; II — газовые линии; III — линии отвода дымовых газов; 1 — дегазатор; 2 — дымосос; 3 — контактная камера; 4- камера сгорания; 5 — газовая горелка; 6 — сборная горелка.
Нагрев воды производится контактным путем (рис. 37), деаэрация— путем продувки воды природным газом, а умягчение заменено стабилизацией воды до равновесного состояния за счет насыщения ее углекислотой. Продукты сгорания газа из топки поступают в контактную камеру с насадкой, вода подается сверху из сети, в результате контакта воды с газами происходит частичная дегазация и насыщение углекислотой. Охлажденные продукты сгорания (30—40 °С) отсасываются вентилятором в атмосферу. Нагретая вода поступает в дегазатор, заполненный кольцами Рашига. Снизу в дегазатор подается природный газ, происходит дегазация воды и частичное удаление СО2, далее газ направляется в горелку на сжигание.
