всякое / taranova то и расчет

Над вентилятором устанавливают водяные форсунки, они включаются автоматически в летний период при повышенных температурах воздуха. Распыляя воду, они способствуют дополнительному охлаждению рабочей среды. Зимой при низких температурах воздуха вентилятор можно отключать. Во избежание переохлаждения рабочей среды можно устанавливать дополнительные подогреватели воздуха. Для регулирования расхода воздуха в АВО предусмотрены механизмы дистанционного поворота лопастей вентилятора или предусмотрена установка жалюзи над теплообменной секцией.

Трубы в теплообменной секции размещены по вершинам треугольников, закреплены в двух трубных решетках и расположены в 4, 6, 8 рядов. Коэффициент оребрения труб изменяется от 9 до 20 (показывает отношение поверхности оребренных труб к поверхности гладких труб того же диаметра). Теплообменные секции можно выполнять одно или многоходовыми. Для обеспечения жесткости конструкции секции укреплены каркасом; при креплении каркаса к трубной решетке учитывают возможные температурные удлинения труб. В горизонтальных АВО возможен прогиб труб, в этом случае для исключения контакта между трубами верхних и нижних рядов в АВО устанавливают несколько дистанционных прокладок по длине аппарата. Выполняются они из алюминиевой ленты, толщиной 2 мм и шириной 15 мм. Крышки аппаратов могут быть съемными или неразъемными. Съемные крышки крепятся к трубной решетке при помощи шпилек.

1.2.3. Аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из листового материала

В эту группу входят спиральные и пластинчатые аппараты. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с кожухотрубчатыми, такие как компактность, легкость очистки поверхности теплообмена, высокая эффективность теплообмена.

Пластинчатые теплообменники

Поверхность теплообмена данных аппаратов образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью.

Пластинчатые теплообменники выполняют разборными, полуразборными и неразборными.

Разборные теплообменники имеют наибольшее распространение. Пластины в них отделены одна от одной. Преимущество конструкции -

32

легкость монтажа и демонтажа, легкость очистки как с одной, так и с другой стороны теплообмена.

Вполуразборных аппаратах пластины сварены попарно и доступ к поверхности теплообмена возможен только с одной стороны. Это является недостатком данной конструкции и требует использования только чистых

ине дающих отложения теплоносителей с той стороны теплообмена, которая недоступна для очистки.

Внеразборных аппаратах пластины сварены в блоки, а блоки соединены в общий пакет. Использование данной конструкции требует применения только чистых теплоносителей.

Пластинчатые теплообменники рекомендуется использовать при давлении не более 1,6 МПа и при температуре до 180 0С.

Разборные аппараты по ГОСТ 15518 могут быть выполнены на консольной раме, а также на двух- или трехопорной раме. Аппараты (рис. 1.11) состоят из набора теплообменных пластин, размещенных на горизонтальных штангах. Верхние и нижние штанги закреплены в неподвижной плите и на стойке. Пластины отдалены одна от другой при помощи прокладок; в собранном виде они сжаты при помощи нажимной плиты, закреплены винтом и образуют теплообменную секцию.

Ваппаратах используют пластины прямоугольной формы (см. рис. 1.11), имеющие четыре отверстия для прохода потоков (по два – для каждого потока). Конфигурация пластин и прокладок такова, что при сжатии пластин образуются две изолированные одна от одной системы каналов. Прокладки, предусмотренные для изолирования потоков, укладываются в паз пластины; они охватывают по два отверстия, через которые осуществляется проход потоков. Расположение пластин и каналов таково, что с одной стороны они омываются одним теплоносителем, а с другой - вторым. На концах аппарата устанавливают граничные пластины; в пространстве между ними и плитами теплоноситель не циркулирует.

Втеплообменниках данного типа используют 2 группы пластин: с диагональным и с односторонним расположением отверстий. Пластины делятся на левые и правые и отличаются расположением гофр (горизонтально или в «ёлочку»). Гофры имеют в сечении односторонний треугольник с высотой 4-7 мм. Теплообменные пластины изготавливают из

штампованного листового материала толщиной 1мм; материалом

служит оцинкованная или коррозионностойкая сталь, титан, алюминий, мельхиор. Пластины крепятся к верхней штанге при помощи скоб; нижняя штанга служит только для их фиксации. Стойки и плиты аппарата изготавливают из оцинкованной стали толщиной 8-12 мм.

Взависимости от количества теплообменивающися потоков используют различные схемы компоновки пластин – в симметричные или несимметричные пакеты. В пластинчатых теплообменниках возможно также осуществление теплообмена между несколькими потоками и

33

А) Разборный пластинчатый теплообменник

Б) Пластины с диагональным В) Схемы компоновки пластин расположением отверстий

Рис. 1.11. Пластинчатый теплообменник на двухопорной раме:

А: 1,9; 10,12 –штуцера для ввода-вывода потоков; 2,11 –неподвижная и нажимная плита; 3-горизонтальные штанги; 4-теплообменные пластины; 5,6-прокладки; 7-стойка; 8-винт (зажим);

Б: а)-левая; б)-правая; В: а)-компоновка в два симметричных пакета; б)-несимметричная схема компоновки

осуществление конденсации паров с раздельным отводом конденсата и несконденсировавшейся части потока.

34

Спиральные теплообменники

Спиральные теплообменники (рис. 1.12) используют для теплообмена и конденсации паров. Они находят применение для нагревания и охлаждения различных сред, в частности – паро-газовых смесей и высоковязких жидкостей. Рабочая температура до 2000С., рабочее давление до 1 МПа или вакуум; поверхность теплообмена – до 100м2 (ГОСТ 12067). Преимущества аппаратов - простота изготовления, компактность, возможность работы с загрязнёнными средами.

Поверхность теплообмена образована двумя, свёрнутыми в спираль, стальными лентами. Толщина лент – 3,5-6мм; ширина - 400-1250 мм; зазор между ними – 8-12 мм. Движение фаз в смежных каналах - противоточное или перекрестное. При этом одна фаза поступает через центральный штуцер и отводится через боковой штуцер; другая фаза вводится через боковой штуцер, а отводится - через центральный.

Движение фаз организовано по каналам, образованным стальными лентами. Для обеспечения требуемого зазора между пластинами в аппарате устанавливают дистанционные вставки и штифты. Первый виток в спирали зафиксирован при помощи распорных дисков, которые закреплены на продольных распорках. В зависимости от способа уплотнения канала с торцов различают теплообменники с тупиковыми, сквозными или глухими каналами. Аппарат со сквозными каналами с обеих сторон закрыт крышками с прокладками. Данная конструкция проста, но при повреждении прокладки возможно смещение теплоносителей. Отличием аппаратов с тупиковыми каналами является то, что каналы со стороны одного потока закрыты полосовыми вставками, приваренными к торцу спирали. При снятии крышек каналы можно легко прочистить либо со стороны верхней, либо со стороны нижней крышки. В аппаратах данной разновидности исключается возможность смешения теплоносителей. В аппаратах с глухими каналами невозможно осуществить очистку каналов, т.к. они заварены на торцах с обеих сторон.

Теплообменники с тупиковыми каналами изготавливаются в двух видах: с плоской крышкой, а также с конической или сферической крышкой.

Аппараты с плоской крышкой используют для теплообмена между жидкостями или газами; движение фаз в них противоточное.

Теплообменники с коническими или сферическими крышками используют для конденсации паров и нагрева вязких жидкостей. В этом случае используются перекрестное движение фаз. При использовании теплообменников в качестве конденсаторов, исходная смесь подается через верхний центральный штуцер, образующийся конденсат отводится через нижний боковой штуцер, а несконденсировавшаяся часть отводится через

35

А) теплообменник Б) конденсатор

Рис. 1.12 Спиральные теплообменники с тупиковыми каналами:

А: 1,2-спиральные ленты; 3-продольные распорки; 4-распорные диски; 5-полосовые дистанционные вставки; а,б -каналы для прохода фаз;

Б: 1-штуцер для подачи парогазовой смеси; 2,3-штуцера вывода несконденсировавшейся части потока и конденсата соответственно; 4,5-штуцера для вывода и входа хладагента

средний боковой штуцер. Хладагент подается через верхний боковой и отводится - через нижний центральный штуцер.

Спиральные теплообменники в зависимости от типа и назначения изготавливают в различных исполнениях: вертикальные или горизонтальные с опорами различных типов. Аппараты, предназначенные для конденсации паров (или для паро-газовых смесей), выполняют только в вертикальном исполнении. Вертикальное расположение каналов исключает образование пробок конденсата и предотвращает гидравлические удары.

36

1.3. Основы расчета теплообменной аппаратуры

Расчет теплообменников проводится с учетом вида аппарата и типа протекающего в нем процесса. Расчеты любого теплообменного аппарата включают в себя следующие виды:

•Тепловой расчет (ориентировочный и уточненный);

•Гидравлический расчет;

•Механический (прочностной расчет).

Цель теплового расчета определить требуемую поверхность теплообмена и подобрать стандартизованный аппарат. Для достижения цели выполняют следующие основные элементы расчета:

-предварительный (ориентировочный) тепловой расчет, в рамках которого определяют ориентировочную поверхность теплообмена и предварительно принимают аппарат;

-уточненный тепловой расчет; проводится с целью уточнения поверхности теплообмена путем расчета параметров, характеризующих процесс теплообмена – коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи с учетом режимов движения потоков в предварительно выбранном аппарате.

Гидравлический расчет проводится с целью определения достаточности давления, создаваемого насосами (компрессорами) для преодоления сопротивлений, возникающих при движении потока через аппарат.

В механическом расчете аппарата обоснованно выбирают материалы для изготовления элементов конструкции и проводят все необходимые прочностные расчеты, подтверждающие возможность его безопасной и длительной эксплуатации при заданных параметрах работы (температура, давление) и с учетом свойств теплообменивающихся потоков.

Методики и порядки тепловых и гидравлических расчетов оборудования химических производств изложены в многочисленной литературе по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» [5;6;11;20]. При изучении дисциплины «Машины и аппараты химических производств» целесообразно использовать более простые методики, проводимые в рамках инженерных расчетов и учитывающие только основные закономерности протекающих процессов. В этой связи в настоящем пособии в основу расчетов положены методики, изложенные в [13]; привлечены также данные [9; 14; 22; 23].

В задачи подготовки инженеров химических специальностей входит обучение их комплексному подходу к расчету аппаратов. В этой связи помимо перечисленных видов расчета необходимо выполнить также механический (прочностной) расчет выбранного теплообменника, методики которого рассматриваются в курсе «Конструирование и расчет элементов оборудования». При изучении дисциплины «Машины и

37

аппараты химических производств» студенты выполняют некоторые элементы прочностного расчета на стадии курсового проектирования. Общие принципы и подход к выполнению прочностных расчетов оборудования химических производств изложены в [4; 8; 10; 12; 16; 17; 24; 25].

Рассмотрим подробнее общие элементы расчета применительно к любому теплообменному аппарату.

1.3.1.Определение параметров теплоносителей

1.Расчет средней температуры рабочей среды.

–Если агрегатное состояние среды не меняется, ее среднюю

температуру принимают с учетом начальной (t1) и конечной (t2) температуры (по заданию), используя формулы

где θср – средняя температура теплоносителя или хладагента;

∆tср – средняя разность температур между теплоносителем и рабочей средой (средний температурный напор), °С.

– Для случаев испарения и конденсации в расчетах используют соответственно температуру испарения (tисп) или конденсации (tкон). Параметры находят с учетом давления в аппарате по табл. I.5 в приложении или по справочной литературе [3].

2.Определение теплофизических свойств рабочей среды

– Для проведения тепловых расчетов в зависимости от типа процесса необходимо знать плотность (ρ), вязкость (µ), теплопроводность (λ), теплоемкость (cр) веществ (для процессов, протекающих без изменения

агрегатного состояния), а также теплоту испарения (rи), или конденсации

(rкон) если агрегатное состояние веществ меняется.

– Для определения свойств индивидуальных веществ можно использовать любую справочную литературу, например [3]. В настоящем пособии теплофизические свойства некоторых углеводородов можно найти по табл. I.1- I.6 (см. приложение I) или номограммам (см. рис. I.1- I.3). Порядок работы с таблицами и номограммами приведен в примечании

38

к ним. Теплоту испарения или конденсации (при протекании соответствующих процессов) для некоторых веществ определяют по табл. I.5 (приложение I). Расчеты ведут путем интерполяции; порядок расчета приведен в примечании к таблице.

– Свойства смесей веществ находят с учетом свойств каждого элемента смеси и их доли в составе потока по правилу аддитивности. Например:

где µi и xi – соответственно значение параметра компонента и его доля в составе смеси.

3.Определение температур теплоносителей и их свойств.

Вкачестве теплоносителей используют чаще всего горячую воду или насыщенный водяной пар (для процессов нагревания или испарения), а также воду или воздух (для процессов охлаждения или конденсации). Начальную и конечную температуру теплоносителей выбирают исходя из следующих соображений.

–Начальную температуру воды (для процессов охлаждения и

конденсации) принимают с учетом температуры в сети; в учебных расчетах значения этого параметра можно принимать в пределах 10-200С. Конечную температуру воды принимают не более 400С (по условиям очистки воды).

–Начальную температуру воздуха принимают в зависимости от места расположения объекта – на 2-30С выше средней июльской

температуры (см. табл. II.3 в приложении). Конечная температура воздуха принимается не более 600С.

–Начальную температуру теплоносителя (для процессов нагревания или испарения) принимают так, чтобы был обеспечен необходимый температурный напор, и не возникали температурные деформации в аппарате (с учетом конструкции рассчитываемого теплообменника). В

расчетах можно рекомендовать использовать теплоноситель с температурой на 20-300С выше температуры рабочей среды. Конечная температура воды принимается с учетом выше приведенной рекомендации. При использовании водяного пара необходимо учесть, что

ваппарате происходит его конденсация без изменения температуры, т.е. его начальная и конечная температура равны.

–Свойства воды и пара принимают по табл. II.1 в приложении ; при этом для пара необходимо знать его давление и теплоту конденсации, а также плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность образующегося конденсата. Свойства воздуха определяют по табл. II.2 или по номограммам (см. рис. I.1- I.3 в приложении).

4.Расчет среднего температурного напора.

39

Среднюю разность температур на концах аппарата (средний температурный напор) находят с учетом принятых температур потоков и вариантов взаимного направления их движения - прямоток, противоток, смешанный или перекрестный ток (см.п. 1.1).

- Для расчетов предварительно составляют температурную схему и находят разность температур между потоками на концах аппарата, определяя наибольшее и наименьшее значение параметра (∆tб и ∆tм). Для прямотока и противотока получим следующие температурные схемы:

Для прямотока разность температур на концах аппарата составит

∆tб = t1 - θ1; ∆tм = t2 - θ2;

При противоточном движении максимальная и минимальная разность температур определятся с учетом численных значений температур сред на концах аппарата, а именно:

∆tб (или ∆tм) = t1 – θ2 ; ∆tм (или ∆tб) = t2 – θ1

– При использовании водяного пара учитывают постоянство его температур в аппарате (начальная и конечная температура равны); если проводят расчеты процессов испарения или конденсации, то температура рабочей среды также не меняется. Температурная схема в этих случаях будет иметь, например, вид:

θ1 ↔ θ1 t1 → t2

_________________

∆tб ∆tм

Разность температур на концах аппарата при этом составит:

∆tб = θ1 - t1 ; ∆tм = θ1 - t2

– При протекании в теплообменнике одновременно двух процессов, например, конденсация с последующим охлаждением и т.п. температурные схемы составляют для каждой зоны аппарата и рассчитывают средние температурные напоры по зонам (∆tср.1, ∆tср.2). Для конденсаторахолодильника, например, получим следующую схему:

40