Науково-практичнi основи створення енергозберігаючого теплообмінного і випарювального обладнання хімічних виробництв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет

"Харківський політехнічний інститут"

УДК 66.045.004.14: 62-72

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Науково-практичнi основи створення енергозберігаючого теплообмінного і випарювального обладнання хімічних виробництв

Спеціальність 05.17.08 - процеси та обладнання хімічної технології

Данилов Юрій Борисович

Харків - 2009

Дисертація є рукопис.

Роботу виконано в Українському науково-дослідному і конструкторському інституті хімічного машинобудування (м. Харків) та на кафедрі хімічної техніки та промислової екології Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти та науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Товажнянський Леонід Леонідович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", ректор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Семенишин Євген Михайлович, Національний університет "Львівська політехніка", професор кафедри хімічної інженерії;

доктор технічних наук, професор Склабінський Всеволод Іванович, Сумський державний університет, завiдувач кафедри процесів та обладнання хімічних та нафтопереробних виробництв;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Трошенькін Борис Олександрович, “Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного” НАНУ, провiдний науковий співробітник.

Захист відбудеться " 23 " квітня 2009 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.05 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий 20 березня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Тимченко В.К.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Процеси теплообміну та випарювання широко використовуються в більшості технологічних процесів промислових виробництв хімічної та нафтогазо-переробної галузей. Від ефективності функціонування нагрівників, холодильників, випарників, конденсаторів, дефлегматорів та інших видів теплохімічної апаратури, їх економічності та надійності значно залежить ефективність виробництв та галузі в цілому, що багато в чому визначають енергоємність продукції. На сьогодні цей показник складає 0,89 кг умовного палива на 1 дол. США, що приблизно в 2,5 3 рази перевищує середній світовий рівень і не забезпечує конкурентоспроможності продукції, яку виробляють підприємства України.

Це пояснюється застосуванням в експлуатації застарілого технологічного устаткування хімічного та нафтогоазового виробництв, які системно не оновлюється в післякризовий період, та відсутностю цілеспрямованої побудови та реалізації сучасних концепцій інтенсифікації та оптимізації процесів теплообміну, які забезпечують зниження матеріаломісткості устаткування, енергозбереження в умовах експлуатації, використання низькопотенційного тепла як вторинного енергетичного ресурсу, забезпечення необхідних екологічних умов.

Враховуючи значну вагомість хімічного та нафтогазопереробного комплексу України в економіці країни, значні об'єми споживання та перероблення енергоносіїв, а також великі потоки перетворюваної у виробництвах теплової енергії, - створення науково-практичних основ енергозбереження з використанням новітніх досягнень в сфері теплообміну, а також проектування та промислової реалізації теплохімічного устаткування є актуальною науковою проблемою, рішенню якої присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з виконанням науково-дослідних робіт відповідно Постановам КМ України, програмам: НАН України, Міністерства промислової політики України. Здобувач був науковим керівником хоздоговорних та держбюджетних тем: ”Дослідження гідродинамики і теплообміну випарювального апарата з багаторазовим використання тепла” (№ ДР 01880044377); “Дослідження умов випарювання та можливостей інтенсифекації і оптимізації процесів в випарниках плівчатого типу та з використанням накатних труб” (№ ДР 01890006686); “Розробка типорозмірного ряду пластинчастих теплообмінників з розборним корпусом на тиск 3,2 МПа” (№ ДР 0108U008369) - за державною програмою Міністерства промислової політики України з розвитку машинобудування; “Розроблення технічних проектів устаткування секції гідроочистки бензинів, дізельного пального, ізомерізації, амінової очистки комбінованої установки газів” Паливний комплекс ВАТ “НПК “Галичина” (№ ДР 0108U006802, Постанова ДКНТ України № 12 від 04.05.92 р. “Ресурсозбереження. Проблеми нафтогазових ресурсів України та наукові основи їх рішень”); “Розроблення нормативних документів (устаткування для хімічної промисловасті)” (№ ДР 0104U005628, розпорядження Кабінету Міністрів України від 04.03.2004 р. № 123-р “Про затвердження плану робіт з розроблення національних стандартів, гармонізованих з міжнародними та європейськими стандартами, у сфері підтвердження відповідності (сертифікації) промислової продукції на 20042011 роки”); ”Дослідження напрямку модернізації випарних апаратів з природньої циркуляції, тип 1.2, примусової циркуляції, тип 2.1 та східної плівки. Тип 3.1 з приміненням ФСА” (№ ДР 01860013268, ВАТ “УкрНДІхіммаш”); “Дослідження технології та розробка випарної установки зануреного горіння для концентрування дистилерної рідини виробництва гранульованного хлориду кальцію потужністю 30 тис.тон/рік” (№ ДР 0104U005628, ЗАТ “Хімгортехнологія” м. Санкт-Петербург); “Створення випарювальних апаратів плівчатого типу, які забезпечують максимальне використання тепла процесу випарювання” (№ ДР 0100056263, ВАТ “УкрНДІхіммаш”); “Корозійні дослідження сплавів, які випускає фірма “Крупп ВДМ”, в умовах виробництва діоксиду тітану” (№ ДР 0101U001893, фірма “Крупп ВДМ”, Німеччина). Здобувач був відповідальним виконавцем сумісної роботи з Інститутом єлектрозварювання ім. Є.О.Патона від ВАТ “УкрНДІхіммаш” “Розробка технології ремонту колон та ємкостей зі двохшарових сталей Ст3сп(16ГС, 09Г2С) 08Х13 установки АВТ масляного виробництва № 3 ЗАО “УкрТатнафта” та технологічне супроводження ремонтних робіт” (№ ДР 0105U004690, Цільова комплексна програма НАН України “Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин”).

Мета та завдання дослідження. Метою дослідження є розроблення науково-практичних основ створення енергозберігаючого теплообміного та випарювального обладнання хімічних виробництв, що будуть забезпечувати високі споживчі якості виробів техніки та виробництв, зниження витрат матеріальних, енергетичних та трудових ресурсів в сферах виготовлення та експлуатації, при забезпеченні вимог щодо захисту здоров'я людей та довкілля.

Для досягнення мети, поставленій у роботі, вирішуються наступні задачі:

- проведення аналізу сучасного науково-технічного рівня теплообмінного та випарювального устаткування, розробка класифікації та визначення перспективних напрямків наукового дослідження щодо створення високоефективного енергозберігаючого устаткування та його подальшого освоєння;

- здійснення комплексних досліджень теплових та гідромеханічних процесів в пластинчастих теплообмінниках в тісному зв'язку з їх герметичністю та корозійною стійкістю;

- розвинути теоретичні основи опису математичних моделей течій рідини, теплобміну та гідроопору у міжпластинному просторі сітчасто-поточних теплобмінників;

- здійснити комплексні дослідження процесів теплообміну і випарювання у випарниках з трубчатою поверхнею теплообміну та з листа - на коаксіальних вертикально розташованих конічних формах та плоских вертикальних поверхнях з розробкою математичних моделей;

- розробити науково обгрунтовані інженерні методи розрахунків теплообмінних апаратів з політетрафторетилену (фторопласту);

- розробити науково обгрунтовані інженерні методи розрахунків випарників зануреного горіння з роздільним виведення димових газів та вторинної пари;

- розробити рекомендації для промислового виробництва конкурентоспроможних сучасних теплообмінних та випарювальних апаратів та установок для підприємств хімічної, нафтогазохімічної та суміжних галузей промисловості.

Об'єкт дослідження - процес теплообміну та випарювання в технології хімічних та нафтогазових виробництв.

Предмет дослідження:

- закономірності тепловіддачі та гідроопору в теплообмінних та випарювальних апаратах промислового призначення при передачі тепла через непроникну стінку з рухом теплоносіїв в каналах зручнообтікаючих форм;

- закономірності тепловіддачі в гравітаційних плівчастих випарниках з багаторазовим використанням тепла;

- теплофізичні процеси в апаратах зануреного горіння з роздільним виведенням потоків пари та димових газів;

- закономірності тепловіддачі та гідроопору в теплообміних апаратах з політетрафторетилену(фторопласту).

Методи дослідження. Всі теоретичні положення дисертації базуються на фудаментальних положеннях теорії гідродинамики та теплообміну. Для побудови фізичних та математичних моделей структур потоків та руху теплоносіїв в міжпластинній порожнині сітчасто-поточного теплообмінника використовується метод накладення потоків з теорії потенційних течій - вихрового підкручення - за теорією Стокса-Гельмгольца та з урахуванням індукованої швидкості відповідно до аналітичних залежностей Біо-Савара. При отриманні виразів довжини шляху випарювання плівки розчину та коєфіцієнту тепловіддачі використовані статистичні методи обробки даних чисельних експериментів. Експериментальні лабораторні та стендові дослідження фізичних моделей, що проведено за допомогою сучасних високоточних вимірювальних приладів. Випробування з використанням реальних середовищ, що здійснено на дослідно-промислових зразках та штатному устаткуванні на регламентованих виробничих режимах, дозволило оцінити адекватність розроблених математичних моделей та зіставити отримані результати з даними інших авторів.

Наукова новизна одержаних результатів. На базі виконаних теоретичних та експерементальних робіт отримані такі наукові результати:

- вперше сформовано системний підхід до рішень та постановки пріоритетних наукових та технічних завдань створення парку енергозберегаючого теплообмінного та випарювального обладнання в хімічному виробництві з урахуванням органічного зв'язку нової техніки і передових технологій та конкурентоздатності;

- набула подальшого розвитку концептуальна спільність отриманих теоретичних та інженерних рішень гідродинамики та теплообміну для сітчасто-поточних теплобмінників з розрахунками та конструюванням трубчастих, ламельних, стрічково-поточних пластинчастих, щілинних (з гладкими гріючими поверхнями), таких, що є окремими випадками отриманого загального рішення;

- вперше побудована ідентифікована осередкова структура міжпластинного простору сітчато-поточного теплообмінника; встановлено, що вимушений перебіг рідини в міжпластинному сітчасто-поточному просторі здійснюється у формі ряду поздовжніх двозахідних конгруєнтних гвинтових потоків зі взаємним підкрученням течій за різноспрямованими проточними частинами осередків та зроблено математичний опис течій з використанням теорії плоских потенційних та вихрових течій;

- використання методу накладення потенційних потоків (поступального плоско-паралельного, джерела та стоку) дозволило отримати теоретичне рішення рівняння Лапласа, яке визначає потенціал швидкостей, функцію струму, значення вектора швидкості та його напрям в будь-якій точці швидкісного поля проточної частини осередку, що, у свою чергу, при рішенні зворотної задачі дає можливість сформувати поле швидкостей для будь якої форми осередку;

- розроблена методика рішення задач течій, що обтікають складні форми поверхонь теплообмину (на основі математичного апарату функцій комплексного змінного);

- отримано функції впливу взаємного підкручення течій в осередку на швидкість рідини у стінки, яка враховується залежністю Стокса-Гельмгольця, а індукованної швидкості - залежністю Біо-Савара;

- розроблена математична модель тепловіддачі при нагріві та випарюванні у випарювальних апаратах багаторазового використання пари, в єдиному агрегаті, в яких розчин тече у вигляді гравітаційної плівки на коаксіально розташованих конічних та вертикальних плоских поверхнях теплообміну;

- отримано вирази для обчислення теплообміну та втрат рушійного тиску в теплообмінних апаратах з політетрафторетилену (фторопласту), його сополімерів та поліолефінів;

- отримано й досліджено теоретичні рішення для конструювання трубчастих випарних апаратів з гріючими камерами, що мають тонкостінні трубні решітки, сумірні (за товщиною) зі стінками труб, що знижує металоємність гріючих камер від 20 до 50 %;

- сформульовано й досліджено теоретичні рішення та конструкції енергозберігаючих випарних установок зануреного горіння - парогенераторів - з роздільним виведенням димових газів та сокової пари;

- отримано експериментальні дані для розрахунків та конструювання енергозберігаючих видів пластинчастих теплообмінних апаратів (з прямолінійними та S-подібними гофрами);

- запропоновані науково обгрунтовані рекомендації щодо вибору нових видів корозійностійких сталей, сплавів та засобів зварювання, які побудовані за потребами високих технологій, що забезпечують значне зниження промислових експлуатаційних та ремонтних енерговитрат.

Практичне значення одержаних результатів. Для хімічної промисловості вирішено проблему розробки методів гідродинамичних, теплових і міцносних розрахунків та промислового створення енергозберігаючих теплообмінних та випарювальних апаратів поверхневого та контактного типів зниженої металоємності, які зменшують енерговитрати для цільового передавання тепла. Створено: методи розрахунку і конструювання національних та галузевих нормативно-технічних матеріалів, їх гармонізація з європейськими стандартами, нові конструкції промислових теплообмінних та випарювальних апаратів. Проведено уніфікацію та стандартизацію з оптимальним вибором устаткування на задані умови експлуатації. Організовано нові спеціалізовані промислові виробництва теплохімічного устаткування галузевого застосування, зокрема:

- пластинчастих теплообмінників та теплообмінних апаратів із фторопластів та поліолефінів на ВАТ «Завод «Павлоградхіммаш»;

- випарювальних установок заглибного горіння у ВАТ «УкрНДІхіммаш», та на ВАТ «Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе»;

- роторних випарників у ВАТ «УкрНДІхіммаш»;

- випарних апаратів та випарювальних установок зі штучними турбулі-заторами на ВАТ «Сніжнянськхіммаш».

Новизна, обгрунтування технічних рішень, що до конструкції теплообмінного та випарного обладнання підтверджена 23 авторськими свідотствами та патентами України.

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї та положення дисертації розроблено здобувачем особисто, зокрема обєкт та предмети дослідження, теоретичні гіпотези та їх експериментальна перевірка. Конкретний внесок здобувача відбито в переліку наукових праць. З метою узагальнення та практичної реалізації отриманих наукових та інженерних рішень здобувачем проведено систематизацію та класифікацію теплообмінного та випарного устаткування нафтогазохімічного комплексу країни з подальшою розробкою державних стандартів України та їх кореляцією зі стандартами Євросоюзу.

Апробація результатів досліджень. Результати, викладені в дисертації, були розглянуті та обговорені на: Всесоюзній науково-технічній конференції «Основні напрями хлорної промисловості відповідно до потреб народного господарства» (м. Калуш, 1983 р.); Всесоюзній науковій конференції «Підвищення ефективності, вдосконалення процесів та апаратів хімічних виробництв» (м. Харків,1985 р.); Російській національній конференції з теплообміну (м.Москва, 1994 р.); Міжнародній конференції «Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів» (м. Львів, 2002 р., 2006 р., м. Северодонецьк, 2007 р.); Міжнародному семінарі «Сучасні технології зварювання та нові конструкційні матеріали в хімічному машинобудуванні та промисловості» (м. Київ, 2003 р.); Міжнародній конференції «Фізико-хімічні основи новітньої технології ХХI століття» (м. Москва, 2005 р.); IХ Міжнародній науково-практичній конференції «Хімія - ХХI століття: нові технології, нові продукти» (м. Кемерово, Росія, 2006 р.); Міжнародній науково-практичній конференції «Інтегровані технології та енергозбереження» (м. Алушта, 2006 р.); семінарі НАН України «Проблеми ресурсу та безпечної експлуатації споруд і машин» (м. Київ, 2006 р.); форумі «Хімічні підприємства України - 2007 «Проблеми інвестицій та інновацій в Україні» (м. Київ, 2007 р.).

Щорічно результати сворення та випуску теплохімічного енергозберігаючого обладнання підприємствами Мінпромполітики України здобувач докладав на науково-технічних нарадах міністерства та радах обєднань підприємств (1996 2009 р.).

Публікації. Основні положення дисертації викладено в 88 наукових працях, з них: 34 фахових виданнях ВАК України, 1 навчальний посібник, 23 авторськіх свідоцтвах та патентах. За результатами проведених розробок, за участю здобувача, створено 13 державних та галузевих стандартів.

Структура та обсяг роботи. Дісертація складається зі вступу, 7 розілів, висновків, списку використаних літературних джерел, 9 додатків. Повний обсяг дісертації складає 438 сторінок, з них: 80 рисунків на 37 окремих сторінках; 107 рисунків за текстом;197 літературних джерел на 23 сторінках; 3 таблиці на 2 окремих сторінках, 27 таблиць за текстом; додатки на 71 сторінці.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, доведено її зв'язок із науковими програмами, визначено методи та завдання дослідження, сформульовано наукову новизну та практичне значення роботи, дано інформацію стосовно її основних результатів, впровадження та публікацій.

У першому розділі наведено багаторічний світовий і вітчизняний досвід створення та практичне використання в хімічній та нафтогазохімічній галузях промисловості теплообмінних та випарювальних апаратів та установок. Аналіз літератури та показників ефективності теплообміну виявили: недостатньо інтенсивний і вельми енерговитратний теплообмін та високі питомі втрати рушійного натиску; недостатню для сучасних вимог надійність, зв'язану, головним чином, з проблемами міцності, герметичності, корозійної стійкості та забрудненням поверхонь, що передають тепло; високу металоміскість.

Враховуючи аналіз відмов та витратних експлуатаційних характеристик теплообмінного та випарювального устаткування, узагальнення претензій експлуатаційників, а також результати власних досліджень визначено вибір напрямків перспективних наукових розробок, а також поставлено висококонкурентні наукові та конструкторські завдання, реалізація яких у поєднанні з новими технологічними ідеями, на рівні винаходів, з'явилася основою для створення та організації виробництва енергозберігаючої продукції інтенсивної дії, що складає більше половини всього теплотехнічного устаткування галузі, що виробляють у країні.

Теоретичними основами створення вітчизняного теплообмінного та випарного устаткування для хімічних та нафтогазових виробництв є результати фундаментальних досліджень гідродинаміки та тепломасообміну П.Л. Капіци, Л. Д. Ландау, Є.М. Ліфшиця, П.Г. Романкова, Г. Шліхтінга, М.В. Кирпичова, Ю.М. Мацевітого, С.С. Кутателадзе, А.І. Леонтьєва, Б.С. Петухова, А.А. Жукауськаса, А.А. Долінського, Л.Л. Товажнянського, Н.І. Гельперіна, О.Б. Аніпко, А.А. Гухмана, Ю.И. Дитнерського, В.В. Кафарова, Н.М. Жаворонкова, Л.М. Коваленка, Л.П. Перцева, В.С. Фокіна, Л.М. Ульєва, А.Р. Ястребенецького, А.М. Кутепова, Б.А. Трошенькіна, П.О. Капустенка, В.А. Моляренко, В.А. Цибульника, В.А. Малюсова та ін. Розвиток ідей системного аналізу та принципів синтезу складних хіміко-технологічних систем, викладених в роботах В.В. Кафарова, А.І. Бояринова, А.Н. Дорохова, Г.М. Островського, В.П. Мешалкіна, В.Л. Петрова, Г.Є. Канєвця, Л.С. Гордєєва, І.О. Протодґякова дозволяє вирішувати багато завдань розрахунку, оптимізації, проектування та виробництва сучасних теплообмінних апаратів та систем. Роботи Д.А. Франк-Каменецького, М.Г. Слинька, В.С. Бескова заклали основи теорії теплової стійкості найважливіших хімічних виробничих систем.

Результати досліджень конвективного теплообміну в сітчасто-поточних пластинчастих теплообмінниках, які отримані засновником наукової школи процесів тепло- та масообміну в каналах складної геометричної форми проф. Л.Л. Товажнянським, за методологією системної декомпозиції складної структури каналів на складові обтічні елементи, дозволили обґрунтувати та побудувати наукову програму, що задовольняє сучасній науковій та інженерній практиці.

На основі досягнутого визначені найбільш перспективні напрямки енергозбереження, завдання досліджень та шляхи їх промислової реалізації, з урахуванням сучасного стану економіки України.

Відомий арсенал теплообмінного устаткування для хімічних виробництв надзвичайно багатообразний як за функціональним призначенням, так і за особливостями виконання, що також стало однією із спонукальних причин створення науково-практичних основ енергозбереження в галузі. Традиційний опис кожного теплохімічного процесу та його різноманітне апаратурне оформлення являють собою надзвичайно трудомістьку справу. Проведений аналіз дозволив провести декілька обмежену класифікацію теплообмінної апаратури з непроникною стінкою та дати оцінку теплової ефективності конструкцій та їх питомої металоємності.

Класифіковано три достатньо автономних (що розрізняються за виконаннями) напрямки створення конструкцій:

- використання металевих трубчастих гріючих поверхонь;

- використання формових неметалевих гріючих поверхонь;

- використання гріючих поверхонь з листового металу (та інших конст-рукційних матеріалів).

Як модельна рідина вибрана вода (за середньою температурою потоку 50 °С).

Технічний рівень трубчастої металевої теплообмінної апаратури, що традиційно випускається, поступається рівню розглянутих нових конструкцій, і без корінного перегляду принципів проектування та розроблення більш точних теоретичних методів розрахунку деформацій, корозійної стійкості та міцності, їх конкурентоспроможність підвищена бути не може. Один з альтернативних шляхів рішення проблеми полягає в створенні конструкції, в якій гармонійніше поєднуються окремі її елементи, що сполучаються, зокрема знижується напружений стан трубної решітки та труб, а спеціальне рифлення поверхні нагрівальних труб, застосування спіральних труб, дозволяє підвищити і теплову ефективність.

Випарювальні апарати та установки непреривної дії можна представити як складні теплообмінні системи, в яких теплові потоки спричиняють зміни агрегатних станів робочих середовищ, що рухаються за циркуляційними контурами апаратів (або їх елементів) та знаходяться в умовах гідродинамічної, термодинамічної та фізико-хімічної рівноваги (з урахуванням введення початкового розчину, виведення продукційних кристалів, введення екстра та відбору сокової пари - з можливістю його подальшого багатократного використання). Теплообмінна апаратура органічно вбудовується в системи випарювання, створюючи рушійну силу процесу.

Обмежана класифікація сучасної промислової випарювальної апаратури представлена схемою, що містить два способи передачі тепла, що принципово відрізняються, за видом випарних пристроїв: за допомогою передачі тепла через непроникну стінку та за допомогою прямого контакту теплоносія з розчином.

Методологічний аналіз відомого різноманіття конструкцій випарних апаратів показав, що умовне поділення повного контуру апаратів на конструкторсько-технологічні модулі (КТМ), в яких здійснюються певні технологічні або перехідні процеси, дозволяє в достатньо досяжній формі побудувати кінцеве число типових груп апаратів, об'єднаних як схожістю технологічних призначень, так і спільністю конструктивних рішень. Такий методичний засіб дозволяє не тільки провести аналіз параметричних полів випарної техніки, внутрішньої збалансованості окремих частин апаратів та установок, але і стати основою оптимального проектування конструкцій.

Аналіз основних структур існуючої промислової випарної техніки разом з новими конструкторськими рішеннями дозволив оцінити ступінь вивченості процесів в кожному конструкторсько-технологічному модулі, поставити основні завдання наукових досліджень кожного конструкторсько-технологічного модуля та їх сукупності роботи у випарнику або установках, рішення яких дозволяє синтезувати нові схеми та розробити наукові методи їх розрахунків.

Другий розділ присвячено виявленню резервів енергозбереження та аналізу і перспективам розвитку сучасних теплообмінників та випарників.

Про суттєві резерви енергозбереження в галузі можна судити за аналізом вибору та розрахунку конструкторсько-технологічного модуля «гріюча камера». Дослідження експлуатаційних характеристик напруженого стану різних видів кожухотрубчастих теплообмінників показали, що однією з основних причин їх низької конкурентоспроможності є відносно низька інтенсивність теплообміну та різка дисгармонія форм вузла зєднування достатньо тонких гріючих труб з занадто товстими трубними решітками, які відрізняються за товщиною, як правило, в десятки разів (з відповідним екстремальним сплеском напруги в місцях з'єднання). Ці обставини диктували пошуки нових конструкторських рішень. Такими визначились теплообмінники, в яких гріючий трубчастий елемент виконаний у формі закрученої сплюснутої труби, сотові або ламельні теплообмінники, використовуванні, наприклад, як гріючі камери випарників.

Загальна маса таких КТМ на 40 - 50 % менше традиційних трубчастих, а питоме теплове знімання в 2 2,5 рази вище.

Найбільш раціональній за сучасними досягненнями технології металооброблення та зварювання є розроблення конструкції з'єднання трубного пучка з тонкими трубними решітками, що дозволяє знизити високу напругу в місцях кріплення, повніше використовувати несучу здатність трубної решітки. Таке гармонійне поєднання, пом'якшує також дію термічних деформацій, що знижує металоємнiсть гріючої камери.

Штампування решіток та програмне групове зварювання з'єднань, при автоматичному контролі, дозволяє отримати вищу якість виготовлення при значному зниженні енерговитрат. Металоємність та затрати праці знижені на порядок.

Наукове обґрунтування розрахунку отримано на основі розгляду моделі прогинання вісесиметрічної круглої пластини (яка покоїться на пружній підставі, та є сукупністю труб, з'єднуючих обидві решітки), що деформується відповідно до силової реакції труб.

Дослідження впливу параметрів навантаження трубного пучка на деформації і напружений стан тонкостінних трубних решіток дозволило застосувати математичну модель прогину круглої пластини, що покоїться на пружній основi, у вигляді диференційного рівняння четвертого порядку Рейснера

(1)

де: х - безразмірна координата крапки на поверхні решітки, , , r - відстань від крапки до центру решітки; r_н - зовнішній радиус решітки; К - коефіцієнт пропорційності зусилля-деформації узагальненої пружності основи; Р₀ - найбільший тиск робочого середовища; w - прогинання решітки.

При виконанні граничних умов: х=0; х=r_н; w=0 дві з 4-х постійних інтегрування (1) дорінюють нулю. Тому рішення деференційного рівняння (1) має в функціях Кельвіна вигляд

(2)

де: С₁ і С₂ постійні, що визначаються з граничних умов та спільності деформацій.

Проведені здобувачем на основі (2) розрахунки та експерементальні дослідження дозволили побудувати метод розрахунку та створити промислові конструкції випарних апаратів з тонкостінними трубними решітками.

Фрагменти розрахункових моделей та фотографія промислового теплообмінника з тонкостінними трубними решітками і зіставлення вагових показників полегшених конструкцій з традиційними наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 Металоємнiсть стандартних та полегшених випарників

Тип апарата	Номінальна поверхня теплообміну, м2	Маса аппаратів, кг
		зі стандартними гріючими камерами	з полегшеними гріючими камерами
		апарат	гріюча камера	апарат	гріюча камера
З природною циркуляцією та винесеною гріючою камерою і зоною кипіння	25	3000	1090	2950	850
	63	6000	1910	5200	1500
	112	8500	3100	7200	2640
	140	11500	4410	9700	3490
З примусовою циркуляцією та винесеною гріючою камерою	63	8300	1960	7500	1550
	125	13000	3640	11500	2700
	200	19100	5570	18100	4140
З природною циркуляцією і винесеною зоною кипіння	80	5600	2850	4000	1800
	125	10500	4850	8000	3500
	250	15000	9400	12000	5600

Аналіз промислових запитів показав, що в багатьох хімічних виробництвах традиційно використовуване обладнання, в основному, з високолегованих сталей та сплавів, є високоенерговитратним, має недостатній термін служби, низьку експлуатаційну надійність. Пошук альтернативних рішень показав, що універсальна хімічна та термічна стійкість фторопласту - політетрафторетілену - як конструкційного матеріалу - дозволяє використовувати теплообмінники, як для процесів теплообміну у високо агресивних середовищах, так і у виробництвах особливо чистих речовин.

Цей матеріал теплообмінника не чинить каталітичного впливу на кінетику хімічних процесів. Гидрофобні властивості сприяють зменшенню заростання робочих поверхонь теплообміну, що забезпечує незмінність коефіцієнта теплопередачі на термін експлуатування, постійність гідравлічного опору, що визначає значне скорочення кінетичних енерговитрат в порівнянні з традиційними рішеннями.

За ініціативою академіка В.І. Атрощенко і проф. Л.Л. Товажнянського для хімічних виробництв та за їх концептуальними науковими ідеями в УкрНДІхіммаш, вперше в Україні були розроблені оригінальні конструкції фторопластових теплообмінників та технології їх виготовлення. В останні роки (за участю і науковим керівництвом здобувача) створено нове ефективне покоління фторопластової теплообмінної апаратури.

Таблиця 2 Основні характеристики кожухотрубчастих фторопластових теплообмінників

Номінальна площа поверхні теплообміну, м2	Діаметр кожуху, мм	Кількість трубок, шт	Довжина трубного пучка, мм
6,3	200	157	1750
20	273	379	3260
20	400	529	1800
32	400	529	2800
40	400	529	3500

При дослідженнях, за участю здобувача, отримано значення впливу забруднень гріючих поверхонь на теплообмін, яке наведено в таблиці 3.

Таблиця 3 Фізичні параметри кожухотрубчастого теплообмінника

Матеріали гріючої поверхні	Теплопровідність Вт/мградК	Загальний коефіцієнт теплопередачі в Вт/мградК при товщинах забруднюючого шару (мм)
		0	0,025	0,075	0,125
Політетрафторетилен	0,326	557,46	557,46	557,46	557,46
Нержавіюча сталь	22,82	1242,0	1072,0	844,3	700,0
Монель-метал	37,49	1281,2	1105,0	869,0	709,0
Мідно-нікелевий сплав	44,0	1296,0	1115,0	877,0	715,0
Вуглецева сталь	65,2	1320,0	1130,0	883,0	724,0
Нікель	91,28	1336,6	1293,0	890,0	724,0
Латунь	164,63	1353,0	1300,0	890,0	728,0
Мідь	546,05	1369,0	1162,0	900,0	732,0

Показано що, при товщині забруднюючого шару 0,125 мм коефіцієнт теплопередачі мідного теплообмінника на 25 % більше коефіцієнта теплопередачі політетрафторетіленового теплообмінника. При використанні для охолоджування річкової або оборотної води шар забруднення може досягти 0,5 1,5 мм; при цьому високий початковий коефіцієнт теплопередачі для металевих труб, практично, не має вирішального значення, а феноменальні антиадгезіонні властивості фторопласту забезпечують незмінну передачу тепла.

За питомою вартістю (з урахуванням терміну служби) теплообмінні апарати з політетрафторетилену та його сополімерів виявилися конкурентноспроможними теплообмінникам з високолегованих сталей з причини їх повної толерантності (оскільки вони практично, не зношуються) до дії корозійноагресивних робочих середовищ, в яких нормативний термін служби виробу, за ступеню корозійного зносу, з вказаних сталей та сплавів в середньому не перевищує 1 3 років (при проектному терміні експлуатації виробництв 25 30 років). Таким чином, матеріаломісткість та енергомісткість комплектуючого теплообмінного устаткування з фторопласту виявляється в 10 15 разів нижче ніж традиційного.

Розрахунок гідравлічних опорів рідин можливо проводити за звісною формулою

(3)

за умовою розрахунку коефіцієнта гідравлічного тертя, отриманих в роботі, за залежностями:

- для ламінарної течії

л = 62Re^-0,98 , (4)

- для перехідної течії

л = 0,47Re^-0,26 (5)

Тепловий розрахунок рекомендовано обчислювати за формулами:

- при Re 1800

Nu=0,2Re ^0,46, (6)

- при Re 1800

Nu=2,3Re ^0,125 (7)

Резерв енергозбереження за рухом теплоносіїв визначається співвідношенням значень гидроопору при л_ф - фторопластових та лт - металевих труб. За табличними даними академіка Н.Н. Павловського при діаметрі металевої труби 75 мм (при шорсткості n=0,014) коефіцієнт гідравлічного опору л_т=0,06 при діаметрі труб менше 75 мм л_т істотно зростає. Для фторопластових труб, при Re=10⁴ відповідно л_ф =0,03, тобто при використанні фторопластових труб кінетичні енерговитрати скорочуються не менше, ніж в два рази.

Високий енергозберігаючий потенціал пластинчастих теплообмінників сітчасто-поточного типу (що є узагальненою геометричною моделлю трубчастих, щілинних, стрічково-поточних апаратів) достатньо відомий, але поглиблені теоретичні та експериментальні дослідження структур потенційних вихрових течій, проведені за участю здобувача, дозволили уточнити та оптимізувати методи розрахунку і на цій основі удосконалити конструкції порожнин між пластинами, де здійснюється інтенсивніший, менш енерговитратний, теплообмін.

Розрахунки показали, а експерименти підтвердили доцільність використання на поверхні пластин не тільки гофрованих прямолінійних каналів, але й криволінійних (S-подібної форми), з оптимальними лінійними та кутовими параметрами, що дозволяє при однаковій поверхні теплообміну порівнюваних пластин та тій же квоті тепла, що передається, витрачати енергії на транспортування рідини менше до 50 %.

Значні резерви енергозбереження у випарювальній техніці мають апарати зануреного горіння (АЗГ), здатні використовувати до 97 % теплотворної здатності газових, рідких або розпорошених твердих палив. За принципом дії АЗГ характеризуються барботажними процесами, що протікають між спалюваними в рідині газами. Величина міжфазної поверхні складає, до 1000 м² в одному кубічному метрі барботажного шару. Випарювання розчину відбувається при температурі "вологого термометру". Процеси тепло- і масообміну відбуваються, практично, без тепловитрат.

Практичне використання АЗГ дозволяє окрім цільового випуску технологічної продукції повністю виключити скидання промислових стоків, замкнути водяний технологічний цикл, отримувати промислову опріснену воду з морської, мінералізовану, тощо.

У світовій техніці та промисловості накопичено величезний досвід високоекономічного використання АЗГ. Проте у зв'язку з інтенсивним забрудненням повітря окислами азоту, сiрки та iнше, що утворюються при високотемпературному спалюванні енергоносіїв, запит на виробництво АЗГ зменшується.

В роботі показани нові перспективні можливості використання цього високоефективного випарювального устаткування виникли у зв'язку з винаходом (що має пріоритет України) АЗГ з роздільним масовим виведенням водяної пари і димових газів та пріоритетної технічної пропозиції фірми "General Electric", направленої на зниження концентрації оксидів азоту на вихлопі парогазових турбін, шляхом уприскування водяної пари в камеру згорання, що дозволило знизити викид NOx приблизно в 5 разів до норм, що не перевищують ГДК.

Розрахункові обґрунтування теплообміну в барботуючому шарі побудовані на відомих закономірностях взаємодії газу та рідини і складання диференційного рівняння, що описує формування контактного шару на розподільній тарілці.

При константах швидкості утворення та руйнування газових бульбашок - n і m- та часу перебування бульбашок в шарі Дф - опис піноутворення дозволяє скласти диференційну залежність приросту висоти шару dН від функції малої зміни загальної вісьової швидкості dщ

(8)

інтегрування якої дає значення висоти шару

де з початкових умов Н(₀)=0, С=0.

З урахуванням співвідношень та , Алабовським А.Н. та Удимою П.Г. для традиційних АЗГ одержана ємпірична формула висоти барботуючого шару

(9)

Сукупність результатів досліджень дозволила побудувати залежність тепловіддачі від газу до рідини, яку обчислюють за формулою

Nu=0,2Re^0,55K_ф^0,3 (10)

Розрахункову глибину занурення пальника визначають залежністю

(11)

Величину теплового потоку, який передається, обчислюють за формулою

Q=бF_еДt, (12)

де Дt - температурний перепад; t₁ та t₂ -температура газів на вході у барботажний шар та виході із нього; б - коефіцієнт тепловіддачи від газів до води; а -удільна поверхня фаз; F_е - межфазна поверхня теплообміну.

Управління процесом контактно-диференційного випарного апарату АЗГ здійснюється в автоматичному режимі за заданою програмою. Рідина, що нагрівається факелом полум'я та гарячими газами до температури нижчої за температуру кипіння, прямує під тиском Р₁ через барометричну трубу (яка виконує функцію і труби вскипання) у сепаратор, де при тиску Р₂ рідина вскипає і водяна пара прямує для технологічного використання (зокрема, можливо, і як экстра-пара для подальшого багатоступінчастого випарювання розчинів); димові гази, з незначною кількістю водяної пари, захопленої при випарюванні рідини без кипіння, з температурою на 1 2 °С нижче ніж нагріта в АЗГ рідина, під тиском Р₁ видаляється з апарату з метою подальшого очищення, утилізації та віддачі низькопотенційного тепла для використання як вторинних теплових ресурсів. Загальні енерговитрати, в наведеному випадку, скорочуються більш ніж в 2 рази, в порівнянні з традиційними парогенераторами котельного типу.

Третій розділ присвячений дослідженю теоретичних питань гідродинаміки та теплообміну в каналах складних форм.

У числі найбільш ефективних проривних конструкторських та технологічних рішень сучасної теплоенергетичної техніки треба вважати створення ряду модифікацій компактних пластинчастих теплообмінників, що дозволяють розміщувати до 1000 кв.м (та більше) гріючої поверхні в одному кубічному метрі об'єму теплообмінного апарату. Базуючись на науковій інформації, накопиченою науковою школою НТУ «ХПІ», дослідженнях та досвіді здобувача, світовими тенденціями розвитку теплообмінних пристроїв, проведений структурний аналіз перебігу теплоносіїв в робочих просторах найбільш ефективних пластинчастих теплообмінників.

Треба зазначити важливу особливість: площі будь-яких перпендикулярних подовжній вісі живих перетинів міжпластинних каналів рівновеликі між собою та відрізняються лише формою, що, певною мірою, пояснює феномен високої теплоенергетичної ефективності теплообміну сітчасто-потокових теплообмінників, який визначається (за ствердженням С. Гольдштейна) безвідривним перебігом рідини в каналах такого типу.

Цей вид конструкції у аналітичному плані характеризує роботу різних типів теплообмінників.

Наприклад, при куті нахилу гофри до подовжньої осі пластини - ц₁ та куті нахилу бокової стінки гофри до площини пластини - б₁ маємо:

- ц₁ = 0, б₁ = 0 - щілинних теплообмінників з гладкими пластинами та ламельних;

- ц₁ = р/2, б₁ = const - стрічково-поточних теплообмінників;

- ц₁ ? 0, ц₁ ? р/2, б₁ = const - стрічково-поточних теплообмінників та витих теплопередаючих труб.

Порожнина між пластинами утворюється парою уніфікованих пластин. Поздовжні ряди точок контакту вершин гофрів визначають межі елементарних каналів, в яких, за умовами симетрії, рухається теплоносій. Траєкторії руху потоків теплоносіїв усередині цих каналів є двохзахідні конгруєнтності гвинтові лінії, особливостями яких є перемінні переходи теплоносія (на поздовжніх межах каналу) з однієї пластини на іншу.

Реальний потік в звивистому каналі пластинчастого теплообмінника можна представити структурно синтезованим у вигляді набору елементів його прямолінійних ділянок з плоскопараллельним рухом, сполучених між собою в місцях розміщення джерел та стоків таким чином, що стік одного елементу є джерелом для подальшого, - створюючи умови багатократного стікання та нового формування граничного шару.

Геометричне прокреслювання живих перетинів ідентифікованого осередку поздовжнього каналу виразно відображає зміни форм проточної частини (без зміни площ живих перетинів). Треба також відзначити, що з бокових сторін кожен з поздовжних каналів (окрім двох крайніх) безпосередньо межують з двома ідентичними поздовжними каналами (як за геометричними формами, так і за гідродинамічними картинами течій), що дозволяє припускати про відсутність (на достатньому віддаленні від колекторних отворів) помітних поперечних перетікань між суміжними поздовжними каналами, тобто ДW_n=0.

Описуючи стаціонарний вимушений конвективний рух та теплообмін представляється зручним скористатися законом подібності для теплопередачі, запропонованими Л.Д. Ландау та Є.М. Ліфшицем, отриманим для умов перебігу нестискуваних рідин, оточуючих тверді поверхні в діапазоні температур, при яких їх фізичні властивості можна вважати незалежними від температури, а зміною температури потоків від дисипації енергії можна нехтувати (зважаючи, що вони незначні).

Математичний опис, що включає рівняння теплопереносу разом з рівнянням Навьє-Стокса та рівнянням безперервності представлено системою (13):

(13)

де: ч - температуропровідність, - кінематична в'язкість, с - щільність.

У більшості промислових виробництв пластинчасті теплообмінники - як апарати високоінтенсивної дії штатно експлуатуються при турбулентних режимах руху теплоносія, при яких всі параметри течії, змінюються в часі та просторі, строго кажучи, не можна назвати стаціонарним. О. Рейнольдс, грунтуючись на рівняннях Навьє-Стокса, сформулював рівняння турбулентного перенесення, пов'язавши актуальні значення гідромеханічниих величин та усереднених за часом пульсацій отримав систему рівнянь, що описують конвективне перенесення усередненими значеннями параметрів течій, - рівняннями нерозривності, Рейнольдса та енергії.

Проте теоретичних рішень замикання систем отриманих рівнянь, що дозволяють повністю вирішити задачу, немає. Для рiшення більшості практичних завдань турбулентного теплообміну користуються напівемпіричними математичними моделями, заснованими на гіпотезах градієнтного перенесення. Їх концептуальні положення і методи інженерного використання розглянуті в першому розділі за умови представлення міжпластиннної порожнини у вигляді пористого середовища в щілинному об'ємі, що характеризуються визначуваними коефіцієнтами опору руху.

Розрахунок тепловіддачі та тертя для описаного плоскопаралельного перебігу нестисної рідини зводиться до рішення системи рівнянь (13) та наступних задач гідродинаміки:

1. Потенційної течії за осередком довжиною L_k плоскопаралельного потоку із швидкістю W_k, накладеного на джерело та стік за межами каналу у вигляді комплексної функції

(14)

де: щ_z - комплексна функція; ц - потенціал швидкості; ш - функція струму, а проекції швидкостей визначаються похідними комплексної функції за вісями координат

(15)

2. Поперечного підкручення потоку, яке визначається інтенсивністю вихрового шару, що вбудовується в місце розриву швидкостей потоків у ядра вихрю.

Складова швидкості у напрямку осі X від суміжної швидкості плоскопаралельного потоку W_k та швидкості поперечної підкрудки W_n

(16)

Тоді вихор швидкості, що має напрямок, перпендикулярний площині XOY, можна представити у вигляді

(17)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Усередині шару кутова швидкість обертання частинок Щ має постійне значення, відмінне від нуля, поза шаром Щ =0; за теоремою Стокса, циркуляція за замкнутим контуром дорівнює подвоєній інтенсивності вихрю за площею, що охоплюється контуром

(

Размещено на http://www.allbest.ru/

18)

Інтегрування дозволяє отримати значення швидкості поперечного підкручення потоку в каналі

Размещено на http://www.allbest.ru/

3. Додатковою поздовжньою швидкістю уздовж осередку, що індукується вихровим шаром, визначається формулою Біо-Савара

(19)

Підставляючи отриману сумарну поздовжню швидкість уздовж елементарного осередку, обчислюємо тепловіддачу б

(2

Размещено на http://www.allbest.ru/

0)

де: Z=0,037CW_k, с - щільність середовища, С - питома теплоємність середовища, А - характеристика ступеня турбулізації потоку,

W_k - серединна швидкість потоку в каналі

V - об'ємна витрата середовища через один міжпластинний канал

Pr - критерій Прандтля середовища

Х - коефіцієнт форми пластини

Загальні втрати натиску за довжиною пластини визначаються формулою

(21)

Виразивши С_х через прийняті параметри характеристики потоку, остаточно отримуємо

(22)

Отримані теоретичні рішення дозволяють використовувати можливості зниження питомих енерговитрат за рахунок формування зручнообтічних теплопередаючих поверхонь при підвищенні інтенсивності цільової передачі тепла, здійснити оптимізацію форм теплопередаючих поверхонь. Випробування показали можливість зниження енерговитрат до 50 %.

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням та аналізу отриманих результатів, розглянуто для співставлення також відомі концептуальні схеми течій.

В дослідженнях для визначення параметрів течії в пористих середовищах, умовно визначених комірчастою структурою порожнини між пластинами, що знаходиться між гладкими паралельними пластинами, як нелінійним аналогом осередку Хеле-Шоу у формі пластинчастого теплообмінника, отримана загальна картина течій з урахуванням впливу дискретності колекторних отворів та оцінки корегуючих коефіцієнтів для визначення швидкості.

Чисельним методом установлення досліджено вплив змінних коефіцієнтів опору в поздовжньому та поперечному напрямках на загальну картину течії - в міжпластинній порожнині (зокрема типу «альфа-флекс»), з метою можливого використання в практичних цілях. Інтенсивність передачі тепла при пластинах з кутом ₂ = 70 основного поля пластини майже вдвічі вище ніж при куті ₁=60 , при рівних кутах ₁ на вході та виході.

Всього досліджено 3 математичні моделі тепловіддачі та гідроопору ізентропійного перебігу однофазної нестискуємої рідини в міжпластинних просторах сітчасто-поточних теплообмінників, які описують течії в ізотропній та анізотропній структурах міжпластиних порожнин, що дозволило досліджувати поздовжні та поперечні розподіли тиску та швидкостей руху рідини.

Проведене в роботі дослідження з використанням третьої математичної моделі (14) дозволило отримати якісно нову картину течій, що утворюються при обтіканні контактуючих гофрів двох суміжних пластин в просторі між пластинами, зіставлення її з реальним перебігом струменів в прозорих моделях.

На лабораторних стендах УкрНДІхіммаш, за участю здобувача, проведені випробування дослідно-промислових зразків теплообмінників з пластинами 0,3 м² та 0,6 м² п'яти різних варіантів гофрування поверхні пластин, що мають кути нахилу прямолінійних гофрів від 15° до 75°, та одного варіанту з криволінійними гофрами S-образної форми, в яких кожен канал має кут нахилу за поздовжньої вісі пластини, що безперервно змінюється (вхід гарячої рідини розташований з боку вузьких каналів пластини, холодної рідині - з боку широких каналів).

В цьому випадку теплоенергитична ефективність для в'язких рідин може бути підвищена у декілька разів. При випробуваннях на воді, в діапазоні температур теплоносіїв від 20 °С до 80 °С, теплоенергетичний показник підвищився до 50 %, т.ч. при однакових енерговитратах кількість передаваної цільової теплової енергії збільшилася в півтора рази.

Забезпечення експлуатаційних гарантій та зменшення енерговитрат привело до необхідності розкриття механізму роботи конструкції розбірного пластинчастого теплообмінника, що знаходиться під змінним тиском, як багатокамерної пружної герметичної системи, складеної з набору пластин, прокладок та плит стисканих загальним замикаючим зусиллям.

Можливість появи зазору Дд_j між пластинами та його розміри визначаються залежністю

(23)

де: F - площа пластини, обмежена прокладкою; р_і - тиск в i-той камері; ДL - різниця термічних деформацій стислих та розтягнутих частин системи; К₁, К₂, К₃ - коефіцієнти пружної податливості елементів системи.

Для перевірки отриманих розрахункових залежностей проведені експерименти на 24-х камерному універсальному стенді, що підтвердили отриману закономірність (з погрішністю, що не перевищує 10 %).

Дослідження дозволили істотно розширити сфери застосування пластинчастої теплообмінної апаратури в хімічній, нафтогазовій та суміжних галузях промисловості, теплоенергетична ефективність якої в 2,5 3 рази вища ніж у традиційно вживаних трубчастих теплообмінних пристроїв.

Досліджено питання щодо будови високоефективних випарників плівкого типу с багатократним використанням тепла гріючої пари. Конструктивно ці апарати виконані у вигляді набору теплообмінних елементів, які розташовані у вигляді коаксальних конічних, циліндричних або вертикальних плоских пластин. На ефективність роботи теплообмінного елементу, виконаного у вигляді вертикального напівцилиндру, впливає ряд конструктивних та технологичних факторів, а саме: зменшення поперечного перетину теплообмінного элементу за рухом пари від периферії до центру та збільшення приросту товщини стікаючої плівки; зменшення товщини шару за рахунок випарювання розчинника; зміна щільності теплового потоку від гріючої пари до розчину, що повязано зі зміною товщини плівки розчину; зміною температури кіпіння розчину та його концентрації. .

...