Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование конструкции и технологии изготовления корпусов аппаратов с теплообменными рубашками и каналами

Во введении обоснована актуальность работы; сформулирована цель работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлен анализ известных способов принудительного охлаждения (нагревания) корпусных деталей оборудования, отмечены их преимущества и недостатки.

Отмечено, что большой интерес представляет использование различных рубашек охлаждения (нагревания), разработанных и применяемых на ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова».

Химические и физико-химические процессы часто сопровождаются тепловыделением, поэтому емкостные аппараты снабжают теплообменными элементами. В отличие от теплообменников, которые являются самостоятельным оборудованием, теплообменные элементы аппаратов можно рассматривать как их неотъемлемую часть.

C точки зрения удобства контроля за состоянием оборудования, а также простоты конструкции и обеспечения более «мягкого» и равномерного нагрева (охлаждения) реакционного объема аппарата, следует отдать предпочтение наружным теплообменным устройствам. К ним, в первую очередь, следует отнести рубашки различного конструктивного исполнения.

Наряду с рубашками применяют также приварные теплообменные элементы, выполненные из цельных или разрезанных на две части труб, профильной стали. Располагают приварные элементы на поверхности аппарата по-разному: в виде спирали, навитой на цилиндрический корпус аппарата или зигзагообразно по образующей цилиндра; с двумя приварными кольцевыми коллекторами, которые соединяются элементами, расположенными по образующей и др.

Анализ рассмотренных работ и обобщение производственного опыта при изготовлении аппаратов с водоохлаждаемым корпусом позволяют сделать выводы о том, что для совершенствования конструкций аппаратов, снабженных системами принудительного охлаждения (нагревания) реакционной зоны, наиболее перспективным направлением является использование на наружной поверхности пуклеванной и штрипсовой рубашек.

К настоящему времени в технической литературе отсутствуют данные о теоретических и экспериментальных исследованиях, посвященных проблеме нестационарного теплообмена аппаратов с водоохлаждаемым корпусом, в частности, снабженными пуклеванной и шрипсовой рубашками. Отсутствуют методики расчета и рекомендации по проектированию этих, несомненно перспективных конструкций. С учетом проведенного анализа сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена обоснованию конструкции и аналитическому расчету штрипсовых и пуклеванных рубашек охлаждения (нагревания) корпусов аппаратов.

Разработан алгоритм теплового расчета вклющающий ряд решений задач теплопроводности в частных производных, а также балансные, критериальные и имперические соотношения.

Температурное поле потока, движущегося в режиме идеального вытеснения по каналу постоянного сечения, образованному двумя поверхностями с постоянными температурами, описывается уравнением

 (1)

где . (2)

Нестационарное температурное поле однослойной неограниченной пластины, моделирующее температурное поле плоских конструктивных элементов, является решением задачи

(3)

(4)

(5)

(6)

Методика определения коэффициента теплоотдачи внутри штрипсового канала по результатам экспериментальных исследований заключается в следующем.

Для первой центральной точки измерения температуры по ходу движения потока теплоносителя по известным температурам наружной поверхности канала и окружающей среды определяется тепловой поток через стенку канала по формуле

, (7)

где t_pc и t_oc - температуры наружной поверхности канала и окружающей среды, соответственно; _ос - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности канала к окружающей среде при свободной конвекции, определяемый по уравнению

. (8)

При известном тепловом потоке через стенку канала определяется температура внутренней поверхности канала

,(9)

где _k, _k - соответственно теплопроводность и толщина стенки канала.

Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности штрипсового канала рассчитывается по формуле

, (10)

где t_t - температура теплоносителя в точке измерения температуры, первоначально принимаемая для первой точки, равной начальной температуре теплоносителя.

Для каждой из последующих точек повторяется расчет по формулам (8) - (10), причем температура теплоносителя в точке измерения температуры t_t рассчитывается с учетом продольных тепловых потоков в стенке вне штрипсового канала.

Этот же коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по критериальным уравнениям для случаев движения теплоносителя в канале и вдоль плоской поверхности.

В литературе приводятся следующие критериальные уравнения для расчета конвективных коэффициентов теплоотдачи в производственном оборудовании.

При турбулентном режиме движения теплоносителя в каналах

. (11)

Для расчета теплоотдачи от некипящего хладагента в штрипсовых каналах использованы «классические» критериальные уравнения:

(12)

(13)

Экспериментальные и расчетные коэффициенты теплоотдачи в штрипсовых каналах

Экспериментальные и расчетные коэффициенты теплоотдачи в пуклеванной рубашке

Результаты расчета коэффициентов теплоотдачи в штрипсовом канале, полученных в ходе экспериментальных работ и по указанным критериальным уравнениям, приведены в табл. 1. Аналогично получены результаты для пуклеванной рубашки табл. 2.

По данным табл. 1 и 2 можно сделать вывод о применимости уравнения (11) для расчета коэффициентов теплоотдачи при теплообмене с плоской стенкой и уравнений (12), (13) для расчета коэффициентов теплоотдачи от теплоносителя как в штрипсовых каналах, так и в пуклеванной рубашке.

Рис. 1. Расчетные 1, 2, 3 (сплошные линии) и экспериментальные 4, 5, 6 (пунктирные линии) температуры в одной из точек измерения штрипсового образца

По предложенной методике было рассчитано температурное поле штрипсового образца во времени. В качестве примера на рис. 1 представлены расчетные 1, 2, 3 и экспериментальные 4, 5, 6 значения температур для одной из точек измерения при различной начальной температуре теплоносителя. Как видно из графиков, наблюдается их удовлетворительное совпадение.

Третья глава посвящена описанию методик проведения и анализа результатов комплексных экспериментальных исследований влияния термокинетических и конструктивно-технологических факторов на эффективность работы корпусов аппаратов с различными рубашками охлаждения (нагревания). Проведен натурный эксперимент на аппарате дображивания пива объемом 8,8 м³, с размещенной на его наружной поверхности пуклеванной рубашки.

Рис. 2. Структурная схема экспериментальной установки

С целью экспериментальной проверки методики и аналитических зависимостей для определения температуры корпусов аппаратов, имеющих различные рубашки охлаждения, была разработана экспериментальная установка (рис. 2), предназначенная для исследования процессов внутреннего и внешнего теплообмена в системе, включающей нагреваемый теплоносителем фрагмент корпуса аппарата. Установка состояла из устройства размещения исследуемого фрагмента (модуля) корпуса аппарата, системы подготовки и распределения теплоносителя, тепловизионной системы и системы управления экспериментом.

Устройство размещения исследуемого объекта представляло собой рамную конструкцию, на которой закреплялся фрагмент исследуемого корпуса аппарата, была установлена схема разводки теплоносителя, контактные и бесконтактные измерительные преобразователи температуры.

Первый исследуемый образец был выполнен в виде плоского фрагмента корпуса аппарата с размером 900 900 мм и толщиной 5 мм. На поверхности образца были выполнены каналы в виде приваренных профилей (штрипсов) с размерами 128 21,5 2,5 мм (рис. 3).

Рис. 3. Штрипсовый образец

Второй образец представлял собой цилиндрическую обечайку с внутренним диаметром D = 800 мм, высотой Н = 500 мм и толщиной стенки S = 3 мм, на поверхности которого приварена пуклеванная рубашка (толщина s = 1 мм), полученная методом гидравлического формования (рис. 4, а).

а)

б)

Рис. 4. Образцы пуклеванной рубашки:

а - полученная методом гидравлического формования; б - выполненная штамповкой

Третий образец представлял собой часть цилиндрической обечайки на наружной поверхности, которой размещена пуклеванная рубашка, выполненная штамповкой (рис. 4, б).

Система подготовки теплоносителя включала: рабочую емкость, заполненную теплоносителем (дистиллированная вода), с заданной в соответствии с программой эксперимента, температурой; систему терморегулирования, являющейся системой программного управления.

Такая конструкция системы подготовки теплоносителя позволила обеспечить поддержание температуры рабочей емкости с погрешностью ? 0,05 С при температуре 20 С и не более 0,25 % в диапазоне 30…100 С. В режиме работы с внешними устройствами в диапазоне температур 20…25 С в установившемся режиме погрешность стабилизации температуры в заданной фиксированной точке модуля не превышала 0,2 С, а в диапазоне 30…80 С - не более 0,8 С.

Два кольца циркуляции: малое (внутреннее), используемое при выходе на режим постоянной температуры носителя, и внешнее, обеспечивающее ток теплоносителя через исследуемый объект, дали возможность исследовать как статические, так и динамические характеристики исследуемого объекта.

Измерения температурных полей выполнялись тепловизионной системой «ПВТ-4», обеспечивающей разрешение по температуре 0,2 С в интервале температур 20…80 С.

Общий вид экспериментальной установки представлен на (рис. 5).

В настоящей работе приводятся результаты натурных испытаний пуклеванной рубашки, полученной методом холодной штамповки, аппарата дображивания пива.

Экспериментальная установка (рис. 6) включает исследуемый объект 1 - емкость для дображивания пива, систему подготовки теплоносителя 2-3-4, комплекс технических средств контроля и управления экспериментом, систему трубопроводов и запорную арматуру.

Рис. 6. Структурная схема экспериментальной установки

Для определения температурного поля пуклеванной рубашки емкости дображивания пива разработанная измерительная среда представляла собой многоточечную 1-Wire-net информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных.

Эксперименту предшествовал монтаж систем контроля параметров теплоносителя (установка в цепях теплоснабжения приборов контроля в соответствии с ТУ). На вводах в емкость устанавливали запорно-регулирующую арматуру. При этом обеспечивали соединения подающего и обратного трубопровода к тепловой сети предприятия.

При снятой теплоизоляции на наружной поверхности рубашки установили цифровые термометры DS18B20. Шаг сетки измерителей: по горизонтали 200 мм (7 измерителей); по окружности 200 мм (всего 10 рядов) (рис. 7). Установили изоляцию, заполнили рабочую емкость исследуемой жидкостью (вода) и выдержали до стабилизации температурного поля.

Эксперимент проводился в следующей последовательности: измерили начальное поле температур рубашки, обеспечивая циркуляцию теплоносителя в контуре рубашки, регистрировали расход теплоносителя, температуры и давления теплоносителя на вводе и выходе теплообменника. Далее определяли температурное поле рубашки с шагом дискретизации в нестационарном режиме - 10 с, в квазистационарном режиме - 300 с. Полученную информацию о температурных полях представили в виде термограммы (рис. 8).

Рис. 7. Размещение датчиков на поверхности рубашки емкости дображивания пива

По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы:

- существующая конструкция рубашки обладает низкой эффективностью теплообмена в связи с наличием застойных зон, площадь которых оценивается в 50…60 % общей поверхности;

- для повышения эффективности теплообмена необходимо распределить подачу и сток теплоносителя через горизонтальные коллекторы.

В данной работе проведены испытания на прочность образцов пуклеванной рубашки. Образцы представляли собой плоский фрагмент корпуса аппарата с размерами 500 500 мм и толщиной S_р = 3…4 мм, на поверхности которого приварена пуклеванная рубашка с различными конструктивными параметрами: шага укрепляющих точек L = 60…100 мм, толщины рубашки s_р = 1…1,5 мм и диаметра отверстия под сварку d_св = 0…6 мм. Давление создавалось ручным гидравлическим насосом. Оптимальные значения приведенных выше параметров указаны в практических рекомендациях.

В четвертой главе приведены примеры практического использования, внедренных в производство результатов исследования, новые конструктивные решения и способы изготовления элементов канальной системы охлаждения.

а) б)

Рис. 9. Примеры практического использования результатов исследования:

а - емкость-ферментатор; б - емкость буферная (форфас)

В настоящее время на ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова» созданы и нашли широкое практическое применение аппараты с пуклеванными рубашками, параметры которых были определены при выполнении экспериментальной части данной работы (глава 3). Один из примеров - вертикальная емкость-ферментатор (рис. 9, а), которая используется в пищевой промышленности для хранения биомассы при заданной температуре.

Другой пример - емкость буферная (форфас) (рис. 9, б), внутренним объемом V = 10 м³, применяемая для хранения пива. Емкость представляет собой вертикально выполненную конструкцию на четырех опорах-стойках.

В случае, когда условия проведения технологического процесса внутри аппарата требуют дополнительной защиты корпуса, используется биметаллический вариант его исполнения. При этом целесообразно применять каналы охлаждения (нагревания) расположенные непосредственно под плакирующим слоем металла (рис. 10).

Для такой схемы расположения каналов были выполнены тепловые расчеты по методике, используемой в работе. Сравнения полученных результатов с ранее проведенными экспериментальными исследованиями подтвердили правомерность расчета по предлагаемой методике биметаллических аппаратов с внутренними каналами охлаждения (нагревания).

Рис. 10. Биметаллический корпус сосуда с теплообменными каналами

Нами предложена новая форма теплообменного канала 1, выполненного в основном слое металла 2, представляющая собой равнобокую трапецию, обращенную меньшим основанием к плакирующему слою 3. (Патент № 53422).

Такая форма и размеры поперечного сечения каналов и их расположение относительно плакирующего слоя позволяют значительно увеличить площадь поперечного сечения, что обеспечивает увеличение объема теплоносителя в канале.

При этом исключается проседание плакирующего слоя при диффузионной сварке, увеличивается интенсивность теплообмена между теплоносителем и основным слоем металла корпуса из-за активного рассеивания теплового потока по толщине.

Нами также предложен новый конструктивный вариант расположения охлаждающих каналов 1, выполненных в основном материале кристаллизатора (сталь), плакированном медной плитой 2 (рис. 11) (патент № 56840). Данное конструктивное решение позволяет не только обеспечить необходимые условия для осуществления вакуумно-диффузионной сварки основного и плакирующего слоев биметалла, но и обеспечить эффективное распределение тепловых потоков на рабочих поверхностях кристаллизатора, что установлено расчетным путем.

Рис. 11. Кристаллизатор для непрерывной разливки стали

Проведенные исследования позволили сформулировать практические рекомендации для проектирования рассмотренных аппаратов с принудительным охлаждением (нагреванием) корпуса:

- необходимо устанавливать распределяющие коллекторы на входе в рубашку и выходе из нее при использовании пуклеванной рубашки шириной В_р > 500 мм при горизонтальном исполнении аппарата;

- допустимо вместо коллекторов использовать штуцера входа и выхода, расположенные по середине рубашки, если ширина рубашки горизонтального аппарата В_р ? 500 мм;

- необходимо использовать распределяющие коллекторы для вертикального аппарата с пуклеванной рубашкой независимо от ширины рубашки;

- при использовании в рубашке в качестве теплоносителя аммиака или водяного пара при давлении Р 1,3 МПа и толщине стенки аппарата S_ап 4 мм толщина рубашки должна быть 2,5 > s_р 1,5 мм, шаг укрепляющих точек L 70 мм, а диаметр отверстий под сварку d_св = 5 1 мм.

- в той же конструкции, но при использовании в качестве теплоносителя жидкости (гликоля) при давлении Р 0,6 МПа и толщине стенки аппарата S_ап 3 мм, толщина рубашки должна быть 2,5 > s_р 1мм, шаг укрепляющих точек L 100 мм, а диаметр отверстия под сварку d_св = 4 1 мм.

- оптимальным расположением укрепляющих точек рубашки является их размещение по вершинам квадрата.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Определены конструктивные параметры пуклеванной рубашки, обеспечивающие снижение металлоемкости. По результатам комплексных экспериментальных исследований даны практические рекомендации по проектированию аппаратов с пуклеванной рубашкой, позволяющие снизить металлоемкость и повысить прочностные характеристики. Например, при использовании в качестве теплоносителя аммиака или водяного пара под давлением Р 1,3 МПа: толщина стенки аппарата S_ап 4 мм, толщина рубашки 2,5 > s_р 1,5 мм, шаг укрепляющих точек L 70 мм, а диаметр отверстий под сварку d_св = 5 1 мм.

Разработан способ изготовления пуклеванной рубашки методом холодной штамповки, обеспечивающий высокую технологичность.

Выполнены экспериментальные исследования процесса нестационарного теплообмена в емкостных аппаратах, которые позволили получить значения коэффициентов теплоотдачи в каналах штрипсовых и пуклеванных рубашек.

Разработаны алгоритм и расчетная программа тепловых расчетов емкостных аппаратов со штрипсовыми и пуклеванными рубашками, которая совместно с уравнениями теплового баланса и критериальными уравнениями позволяет определить рациональные размеры рубашек и их место расположения на корпусе аппарата.

Произведены испытания на прочность образцов пуклеванной рубашки, которые позволили выявить оптимальное расположение укрепляющих точек сварных соединений.

Разработаны новые конструкции элементов канальных систем охлаждения биметаллических корпусов аппаратов (патенты № 53422, 56840), обеспечивающие эффективную работу теплообменных устройств и технологичность конструкции.

Рекомендации по конструированию и изготовлению аппаратов со штрипсовыми, пуклеванными рубашками и биметаллических корпусов с внутренними каналами внедрены на ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова».

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

x - пространственная координата, м; ф - время, с; t(x, ф) - температурное поле пластины; -коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); а - коэффициент температуропроводности пластины, м²/с; _{1, 2} - коэффициенты конвективной теплоотдачи от внешних поверхностей пластины в окружающую среду и от стенок канала к жидкости, Вт/(м²К); R, h - толщина пластины, м; Т(x) - текущая температура жидкости, ^оС; G - массовый расход жидкости, кг/с; с - теплоемкость жидкости, Дж/(кгК); П_i - омываемый периметр i-й стенки канала, м; t_Fi - температура i-й стенки канала, ^оС; t₁, t₂ - температуры окружающей среды, ^оС.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

аппарат конструкция тепловой емкостный

1. Богуш, В.А. Особенности теплового расчета биметаллических корпусов с внутренними каналами охлаждения / В.А. Богуш, Д.А. Ильичев, А.Г. Ткачев // VIII научная конференция ТГТУ : пленарные докл. и краткие тез. - Тамбов, 2003. - С. 104-105.

2. Ильичев, Д.А. Исследования термокинетических процессов в водоохлаждаемых корпусах аппаратов / Д.А. Ильичев, А.Г. Ткачев, В.А. Богуш // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. - Вып. 15. - Тамбов, 2004. - С. 23-27.

3. Ильичев, Д.А. Экспериментальные исследования влияния термокинетических факторов на эффективность работы с каналами охлаждения (нагревания) / Д.А. Ильичев, А.Г. Ткачев, В.А. Богуш // Достижения ученых XXI века : сб. материалов междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2005. - C. 76-80.

4. Экспериментальные исследования тепловых процессов в корпусе аппарата с рубашками охлаждения / Д.А. Ильичев, В.А. Богуш, Е.Н. Туголуков, А.Г. Ткачев // Вопросы современной науки и практики / Университет им. В.И. Вернадского.- Тамбов, 2006. - № 3 (5). - С. 70-75.

5. Ильичев, Д.А. Разработка математической модели и методики теплового расчета корпусов аппаратов с различными рубашками охлаждениями / Д.А. Ильичев, Е.Н. Туголуков, А.Г. Ткачев // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов, 2006. - Т. 12. - № 3 А. - С. 745-750.

6. Патент № 56840 (Россия). Кристаллизатор для непрерывной разливки стали / Артемов В.Н., Богуш В.А., Ткачев А.Г., Ильичев Д.А. - Опубл. 27.09.2006.

7. Патент № 53422 (Россия). Биметаллический корпус сосуда с теплообменными каналами / Артемов В.Н., Богуш В.А., Ткачев А.Г., Ильи- чев Д.А. - Опубл. 10.05.2006.

8. Ткачев, А.Г. Экспериментальные исследования тепловых процессов в корпусе аппарата с каналами охлаждения / А.Г. Ткачев, Д.А. Ильичев, Е.Н. Туголуков // Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования : сб. тр. VII междунар. науч. конф. - Иваново, 2005. - С. 175-181.

Размещено на Allbest.ru