CS253061B1 - Způsob výměny tepla mezi dvěma oddělenými, protiproudně uspořádanými proudy kapalin - Google Patents

Abstract

Způsob výměny tepla mezi oddělenými protiproudně uspořádanými proudy kapalin spočívá v tom, že se u ochlazovaného proudu v jednom nebo více stupních sníží tlak, vzniklá pára předá své kondenzační teplo opět v jednom nebo více stupních ohřívanému proudu.

Description

Vynález se týká způsobu výměny tepla mezi dvěma oddělenými protiproudně uspořádanými kapalinovými proudy.

Výměna tepla se provádí známým nepřímým způsobem ve výměnících tepla (rekuperátorech). Výměna probíhá prostupem tepla dělicí stěnou. Z hlediska termodynamického je nejvýhodnějším způsobem výměna v protiproudých zařízeních. Pro dosažení výhodných prostupných součinitelů se tato výměna provádí v zařízeních jedno- i vícechodých. Toto jednoduché uspořádání je prakticky nemožné tehdy, vznikájí-li v jednom nebo obou proudech tuhé usazeniny.

Řešení podle vynálezu se týká případu, kdy tuto nepříjemnou vlastnost má jeden z proudů. Jak bude dále ukázáno, představuje způsob podle našeho návrhu výhodu i v případech, kdy k usazeninám nedochází, protože lze v navrhovaném uspořádání dosahovat až dvojnásobných hodnot součinitelů prostupu tepla.

Podstata způsobu výměny tepla mezi dvěma protiproudně uspořádanými oddělenými proudy kapalin podle vynálezu spočívá v tom, že se u ochlazovaného proudu v jednom nebo více stupních sníží tlak, vzniklá pára předá své kondenzační teplo opět v několika stupních ohřívaného proudu. Snížení tlaku lze docílit škrticím ventilem, vývěvou nebo parním ejektorem.

Způsobem podle vynálezu se dosáhne značné úspory energie a tím následně i zlepšení životního prostředí.

Podstata způsobu podle vynálezu je zřejmá z obr. 1 až z obr. 4.

Na obr. 1 je zakreslen případ, kdy výměna tepla probíhá při tlaku vyšším než je tlak atmosférický, kde případně přítomný plyn (inert) je odváděn přes škrticí ventil 17 do atmosféry. Na obr. 2 je zakreslen případ, kdy k výměně tepla dochází při tlaku nižším než je tlak atmosférický a případně přítomný plyn (inert) je odváděn vývěvami 18. Jako vývěva 18 jsou v našem případě uvažovány parní ejektory. Pára potřebná pro provoz vývěvy 18 je dále spotřebovávána pro ohřev chladnějšího proudu ve zvláštním kondenzátoru 16.

Výměna tepla probíhá v několika stupních (na obrázcích jsou zakresleny čtyři). Ochlazovaný proud 3^e přiváděn do spodní části výměníků 21, 22, 23, 24, kde se odpařuje při tlacích, kterým odpovídají teploty Tg, Tg, Tg, T^, Vzniklá pára kondenzuje na trubkách výměníků 21, 22, 23, 24 umístěných v horní části jednotlivých dílů. Kondenzující pára ohřívá svým kondenzačním teplem proud ohřívané kapaliny Pg.

Příklad 1

Využití odpadního tepla z odtahovaných louhů při výrobě chloridu vápenatého.

Odtahované louhy (uváděné jako DS louh), které mají teplotu 90 až 95 °C, obsahují rozpuštěný chlorid vápenatý a sodný a nerozpustné látky, hydroxid vápenatý, uhličitan vápenatý, síran vápenatý a jiné. V roztoku je po usazení nerozpustných podílů přítomno rovnovážné množství síranu a hydroxidu vápenatého, které jsou zdrojem následujících potíží. Ochlazováním roztoku dochází k posunu rovnováhy a vylučování pevného síranu a hydroxidu vápenatého, které se usazují na trubkách běžných výměníků tepla a zabraňují přestupu tepla. Popis navrhovaného způsobu výroby chloridu vápenatého využitím odpadního tepla DS louhu podle vynálezu znázorňuje obr. 3.

DS louh ze sodárny J natéká do dekantéru A, kde dochází k usazení pevné fáze, která se kontinuálně odčerpává na kalové rybníky 2· Vyčeřený DS louh 2 ^se rozdělí na dva pruhy. Část 4 natéká do zásobníku B a část 5 natéká do výměníku tepla C, kde předává své teplozahuštovanému roztoku. Po ochlazení ve výměníku tepla se proud 6 rozdělí na část 2< odcházející do Labe a část 2, použitou v množství 11 t/h ve výrobně siloxidu. Vlastní zahušiování vyčeřeného louhu probíhá ve věži D, kde proudem vzduchu'dochází k odpařování vody z roztoku. Připouště3 ním (kontinuálním) louhu £ a odtahem zahuštěného roztoku 12 je udržována koncentrace cirku•lujícího roztoku konstantí. Ze zásobníku B je roztok 9_ veden do výměníku tepla C. Ohřátý proud 10 se dělí na recykl 11 do chladicí věže D a část 12, odebíranou k dalšímu zpracování v trubkových odparkách na konečný produkt tohoto zařízení, v chladicí věži D se část vody odpaří a odpařená voda ve směsi se vzduchem odchází do atmosféry 13.

Navrhovaný způsob odstraňuje výše zmíněné potíže. Na schematickém obrázku (obr. 4) i-tého dílu je ve spodní části znázorněn tok teplejšího média (odtahovaného louhu) o hmotovém průtoku M₂ a příslušných teplotách T₂£₊₁ a T₂£, v horní části tok ohřívaného média o hmotovém průtoku M| a teplotách a Výměna tepla je uskutečňována pomocí vodní páry, která se uvolňuje z teplejšího média expanzí a její průtok je označen M a teplota T₂^. Tím je vyloučen přímý styk roztoku s chladnějšími stěnami trubek a převod tepla z teplejší kapaliny do chladnější zajišťuje vodní pára. Protože teplejší médium je přiváděno do dílu tepelného výměníku při určité teplotě a uvnitř výměníku je teplota nižší (odpovídající tlaku vodní páry při této teplotě na výstupu) dochází v otvorech přívodní trubky teplejšího média k expanzi a uvolnění vodní páry. Potřebný tlak uvnitř dílu výměníku (přesněji podtlak, protože se jedná o teploty pod b.v. vody) je zajištěn vývěvou, např. ejektorem.

V jednotlivých dílech výměníku jsou udržovány tlaky odpovídající tlaku nasycených vodních par při teplotách vystupujícího teplejšího média, tj. T₂^ (viz tabulka rozložení teplot v jednotlivých dílech).

Rovnice celkové bilance tepla:

^M1^C1<^T1Í - T₁._₁) = m₂c

2^(T2i-l ^T2i⁾

Označíme-li poměr tepelných kapacit obou proudů B, potom:

^Tli = ^Tli-1 ^{+ B(T}2i₊l - ^T2i>

Pro výstupní teplotu z trubkového systému (systém s rozloženými parametry) lze odvodit:

^Tli = *2i - ^(T2i - ^Tli-l’ ^eXP ^T2i ^sn^ení teploty vodní páry nad roztokem.

Za předpokladu, že jednotlivé díly tepelného výměníku mají stejnou teplosměnnou plochu i stejný koeficient prostupu tepla je exponenciální člen v rovnici konstantní. Označíme-li tento člen A, potom:

A = exp / K.F. \ (--Τη· = τ, . , + (T-. - T,. - T, . , \ IX n-1 2x 2i lr-1 ) (1 - A)

Rozlomení teplot v obou proudech v jednotlivých dílecj výměníku lze tedy vyjádřit:

kde B = poměr tepelných kapacit proudů.

Pro libovolný počet dílů tepelného výměníku lze odvodit následující vztah (předpokládáme, že T2Í je pro všechny díly stejné):

^(T21 ^T2

(1 - A) (1 - B) kde T_ln ^a T_lo jsou výstupní a vstupní teploty ohřívaného média ^T21 ^vstuPⁿ4 teplota proudu dodávajícího teplo n je počet dílů děleného výměníku.

Označíme-li výměnné teplo můžeme velikost teplosměnné plochy i-tého dílu vypočítat z:

F. = ^{1 1} ln 1 + —-— B

K 1 - B

F celková = n.F.

Zadané parametry výpočtu:

1. Teplejší médium T₂₃ = 40 °C (požadovaná výstupní teplota)

T_2n+3 = 85 °C (vstupní hodnota)

2. Ohřívané médium = 70 °C (požadovaná výstupní hodnota)

T^q = 30,3 °C (vstupní hodnota)

3. Poměr tepelných kapacit proudů B = 0,88227586

-2 -1 -1

4. Koeficient prostupu tepla K byl zvolen K = 8 373,6 kJ.m .h .deg.

5. Teplota uvolňované páry T₂^ je odlišná od teploty vystupujícího teplejšího proudu T₂^, protože rozpuštěná látka způsobí, že teplota páry a vroucího roztoku se liší. Z tabulek byla odečtena příslušná hodnota 1 °C, tedy T₂ = 1 °C.

Výpočetní část: C = 1,608881

Počet dílů n	F.(m2)	Fcelková = n
4	17,555	70,22
5	8,279	41,40
6	5,787	34,72
7	4,498	31,48

Významné snížení celkové přestupní Byl tedy zvolen pětidílný výměník.

plochy nastává při přechodu ze čtyř- na pětidílný výměník. Výpočet rozložení teplot obou proudů na pětidílném výměníku:

Ohřívaný proud	Teplejší proud
T1Q = 30,30 °C	T21 = 40 °C
Τ1χ = 36,80 °C	T22 = 47,37 °C
Τχ2 = 43,96 °C	T23 = 55,48 °C
T13 = 51,82 °C	T24 = 64,40 °C
Τχ4 = 60,48 °C	T25 = 74,21 °C
T15 = 70 °C	T26 = 85 °C

Pro n = 5 je F. = 8,279 m .

Tabulka bilančních hodnot jednotlivých proudů:

Proud č.	Hmotový průtok (t.h“1)	Měrné teplo proudu (kJ.kg l.deg	Teplota proudu (°C)
1	168,30	3,672	93
2	34,41	3,672	84
3	- 133,89	3,672	85
4	12,96	3,672	85
5	120,94	3,672	85
6	120,94	3,672	40
7	109,94	3,672	40
8	11,00	3,672	40
9	151,79	3,316	30
10	151,79	3,316	70
11	144,17	3,316	70
12	7,62	3,316	70
13	5,33	-	-
14	138,84	3,316	24,5

Z provedených bilancí vyplývá, že při bezztrátovém provozu lze využitím odpadního tepla DS louhu vyrobit 7,62 t/h 17% roztoku chloridu vápenatého, tj. přibližně 1,3 t/h 100% chloridu g

vápenatého. Popsaným způsobem je využito asi 20.10 kJ/h tepla odpadního DS louhu.

Využitím odpadního tepla DS louhu k zahušťováním z 9% na 17% chlorid vápenatý lze dosáhnout úspory 6 000 kg páry za hodinu nebo 800 kg oleje za hodinu.

Claims (1)

1. Způsob výměny tepla mezi dvěma oddělenými, protiproudně uspořádanými proudy kapalin, vyznačující se tím, že se u ochlazovaného proudu v jednom nebo více stupních sníží tlak, vzniklá pára předá své kondenzační teplo opět v jednom nebo více stupních ohřívanému proudu.