Вступ

Перенесення енергії у формі тепла, яке відбувається між тілами, які мають різну температуру , називається теплообміном. Рушійною силою будь-якого процесу теплообміну є різниця температур більш нагрітого і менш нагрітого тіл. У хімічній промисловості широко розповсюджені теплові процеси – нагрівання та охолодження рідин та газів, конденсація парів, які здійснюються в теплообмінних апаратах.

Теплообмінниками називають апарати, які використовуються для передачі тепла від одних речовин до інших. В залежності від способу передачі тепла розрізняють дві основні групи теплообмінників:

1. поверхневі теплообмінники;

2. теплообмінники змішування.

У хімічній технології використовуються теплообмінники,

виготовленні із різноманітних металів(вуглеводних, легованих сталей, міді, титану, танталу та ін.), а також із неметалевих матеріалів, наприклад графіту, тефлону та ін. Вибір матеріалу диктується в основному його стійкості до корозії та теплопровідністю. Конструкція теплообмінного апарату залежить від властивостей вибраного матеріалу.

Конструкції теплообмінників повинні відрізнятися простотою, зручністю монтажу та ремонту. Конструкція теплообмінника повинна забезпечувати можливість меншого забруднення поверхні теплообміну та бути легко доступною для огляду та очищення.

В кожухотрубному теплообміннику одна із речовин, яка обмінюється теплом, рухається в середині труб (у трубному просторі), а інша – в міжтрубному просторі [3].

2 Призначення та область використання розроблюваного апарата

Кожухотрубний теплообмінник належить до найбільш розповсюджених в промисловості поверхневих теплообмінників. Вони прості при виготовленні, можуть розвивати велику поверхню теплообміну в одному апараті, надійні в роботі. В теплообмінниках даного типу перенесення теплоти між робочими середовищами відбувається через поверхню розділу – стінку [4].

В даному теплообміннику відбувається процес нагрівання нітрату амонію насиченою водяною парою. Гріючий агент - насичена водяна пара.

Даний теплообмінний апарат широко використовується в хімічній промисловості.

Стабільність роботи теплообмінника досягається деяким збільшенням простору теплообміну в порівнянні з розрахунковим, що забезпечує стійкі показники роботи теплообмінника в умовах поступового забруднення стінок труб.

3 Опис і обґрунтування обраної конструкції

3.1 Огляд апаратурного оформлення даного та аналогічних технологічних процесів

Кожухотрубні теплообмінні апарати є найбільш поширеними через свою простоту та зручність [4]. Найпростішим являється одноходовий кожухотрубний теплообмінник, який складається з кожуха та приварених до нього трубних решіток. В трубних решітках закріплений пучок труб. Найбільш поширене розміщення труб в трубних решітках — по вершинам правильних шестикутників. Але використовуються і інші — по вершинам квадратів та концентричними колами. До трубних решіток кріпляться кришки. Одне з середовищ рухається у трубному просторі, а інше – в міжтрубному просторі. Середовища зазвичай направляють протитоком один до одного [3].

Багатоходові кожухотрубні теплообмінники аналогічні одноходовим, але за однієї відмінності: труби поділені на секції чи ходи за допомогою поперечних перегородок, що встановлені в кришках теплообмінника. Внаслідок меншої площі сумарного поперечного перерізу труб, розміщених в одному ході, порівняно з поперечним перерізом всього пучка труб, швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника збільшується (в порівнянні зі швидкістю в одноходовому) в число разів, яке рівне числу ходів [3].

Якщо різниця температур труб і кожуха достатньо велика (більше 50 ºС), то труби і кожух не однаково розтягуються, що призводить до значного навантаження в трубних решітках, порушенню щільності з’єднання труб з трубними решітками, а це може спричинити змішування теплоносіїв або деформації труб. Тому при таких умовах використовують теплообмінники нежорсткої конструкції [3].

Для зменшення температурних деформацій, які зумовлені великою різницею температур труб і кожуха, значною довжиною труб, використовують кожухотрубні теплообмінники з лінзовим компенсатором. Така конструкція відрізняється простотою, але вона використовується при невеликих надлишкових тисків в між трубному просторі [3] (не вище 0,25 МПа) [4].

Теплообмінник з плаваючою головкою використовують при значних переміщеннях труб і кожуха, оскільки в ньому одна із трубних решіток не з’єднана з кожухом і може вільно переміщатися повздовж осі при температурних подовженнях [4].

В теплообміннику з U- подібними трубами два кінця труб закріплені в одній трубній решітці, що дозволяє трубам вільно подовжуватися [4]. Але в цих апаратах затрудняється очищення внутрішніх стінок [3].

Для збільшення швидкості руху середовища в між трубному середовищі без використання перегородок, які ускладнюють очистку апарата, використовують елементні теплообмінники. Кожний елемент такого теплообмінника являє собою найпростіший кожухотрубний теплообмінник. Теплообмінник, який складається з таких елементів, допускає незначні надлишкові тиски в міжтрубному просторі. В цих апаратах взаємний рух середовищ наближається до схеми протитоку, але внаслідок розділення загальної поверхні теплообміну на окремі елементи конструкція стає більш громіздкою і вартість теплообмінника зростає [3].

Двотрубні теплообмінники типу «труба в трубі» являють собою батарею із декількох теплообмінних елементів, розміщених один під іншим [4]. Один теплоносій рухається внутрішніми трубами, а інший по кільцевому проміжку між внутрішніми і зовнішніми трубами. Внутрішні труби з’єднуються калачами, а зовнішні – патрубками. Завдяки невеликим поперечним перерізам трубного та міжтрубного простору досягаються високі швидкості рідини. Це дозволяє отримувати високі коефіцієнти теплопередачі. Але разом з цим такі теплообмінники більш громіздкі і вимагають більшого споживання металу на зовнішні труби, які не беруть участь в теплообміні[3].