Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Теплообменники

Теплообменником называют устройство для теплопередачи от нагретого теплоносителя, находящегося в жидком или газообразном состоянии, более холодному.

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагревания или охлаждения одного из них. В зависимости от целевого назначения теплообменные аппараты называются подогревателями или холодильниками. Если процесс проводится для сообщения тепла холодному теплоносителю, то участвующий в теплообмене горячий теплоноситель будем называть нагревающим агентом. Если же процесс состоит в отводе тепла от горячего теплоносителя, то холодный теплоноситель, которому сообщается отводимое тепло, будем называть охлаждающим агентом.

В ряде случаев целевое назначение имеют оба процесса - нагревание холодного теплоносителя и охлаждение горячего. Тогда теплообменные аппараты называют собственно теплообменниками.

Часто в теплообменных аппаратах в процессе теплообмена происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей:

Для обогрева и охлаждения реакционных и других аппаратов часто осуществляют передачу тепла непосредственно через их стенки, которые и служат поверхностью теплообмена. Для повышения коэффициента теплоотдачи со стороны находящегося в аппарате жидкого теплоносителя обычно перемешивают его с помощью мешалки.

Теплообмен осуществляется в теплообменниках разных конструкций и типов. По способу теплопередачи аппараты подразделяют на смесительные и поверхностные.

Смесительные теплообменники проще, чем поверхностные по конструкции: тепло используется в таких аппаратах эффективнее. Однако их применяют лишь тогда, когда по тех условиям производства возможно смешение сред.

В поверхностных теплообменникам рабочие среды обмениваются между собой теплом через стенки, в смесительных теплопередача осуществляется при перемешивании сред. Поверхностные теплообменники разделяют на регенеративные и рекуперативные.

В рекуперативных обмен теплом между разными теплоносителями производится через стенки теплообменника, поток тепла в каждой ее точке сохраняет одно направление.

Регенеративные теплообменники основаны на попеременном соприкосновении теплоносителя с одной поверхностью нагрева, направление потока тепла в каждой из точек стенки меняется.

Теоретическая часть

Спиральный теплообменник

Этот теплообменник отличается стабильностью и надежностью в работе. регенеративный теплообменник спиральный сопротивление

Спиральный теплообменник широко используется в пищевой, спиртовой, фармацевтической, химической, нефтяной и других областях промышленности. Он, как и теплообменник пластинчатый, обладает большим перечнем преимуществ, главным из которых является высокоэффективность процесса теплообмена. Немаловажным фактором можно также назвать экономичность такого агрегата. Например, теплообменник спиральный на спиртовом предприятии в разы позволяет снизить объем потребляемой воды.

Конструктивные особенности, которыми отличается спиральным теплообменником.

Данный вид агрегата состоит из двух стальных параллельных листов, скрученных в спираль. Укрепляют конструкцию крепежные стержни, которые привариваются между листами. Спиральный теплообменник может быть разборный и неразборный.

В зависимости от области применения теплообменник спиральный бывает вертикального и горизонтального расположения. Первый используется для конденсации пара, второй - охлаждения.

Теплообменник спирального типа, как и теплообменник пластинчатый, имеет очень высокий КПД, который в несколько раз выше, чем у кожухотрубного агрегата.

Теплообменник спиральный обладает свойством самоочистки

Процесс теплообмена эффективен и при большойразнице температур встречных потоков, и при маленькой.В нем исключается вероятность смешивания встречных потоков благодаря отличной герметизации каждого прохода.

Теплообменник спиральный занимает гораздо меньше места, нежели кожухотрубный (этой же особенностью отличается и теплообменник пластинчатый).

Доступность материалов, из которых изготовлен теплообменник спирального типа, а также простота обработки делают его гораздо дешевле других типов теплообменного оборудования.

Исключительные эксплуатационные качества спиральных теплообменников - высокая эффективность и простой и быстрый доступ к поверхности теплообмена - предоставляют отличную возможность рекуперировать тепло в жидких неоднородных средах. На рисунке показана муниципальная пастеризационная установка для обработки осадка сточных вод.

Особенности эксплуатации

Срок работы любого вида технического устройства зависит от определенных правил, которые необходимо соблюдать в процессе его эксплуатации. Так, инженеры компании «АСТЕРА» (официального представителя Sondex - датской фирмы по производству теплообменного оборудования, лидера в данной области) советуют:

Систематически следить за тем, чтобы в агрегате не оставалось посторонних продуктов.

Периодически производить замену потоков, по которым движутся среды, в установленное время чистить теплообменник спиральный.

В случае повышения давления производить осмотр агрегата на наличие повреждений.

После каждого открытия устройства производить замену уплотнителя.

При работе с газами перед началом работы и по ее окончании, чтобы избежать нарушения режима процесса теплообмена, очищать теплообменник от конденсата.

Периодически подтягивать болты, которыми скручен теплообменник спиральный разборный, для сохранения герметичности. При этом протягивать болты следует крестом - это поможет избежать перекоса крышки.

И главное - категорически нельзя заставлять работать теплообменник спиральный в режимах, которые превышают его паспортные данные.

В спектр предлагаемых услуг компании «АСТЕРА» входит ремонт и текущее обслуживание теплообменного оборудования.

http://www.teplopuls.ru/images/articles/spiralnye-teploobmenniki_1.jpgНачалом эры спиральных теплообменников можно считать 20-е годы прошлого столетия. Именно тогда для нужд целлюлозно-бумажной промышленности была изобретена конструкция, позволяющая организовать эффективный теплообмен между рабочими средами, в составе которых содержаться твердые частицы. Первоначальная конструкция спиральных теплообменников претерпела ряд изменений, которые значительно повысили производительность и расшили функционал

Принцип работы спиральных теплообменников

Если заглянуть внутрь спирального теплообменника, то можно обнаружить, что площадь теплообмена образована металлическими листами, скрученными в спираль.

http://www.teplopuls.ru/images/articles/spiralnye-teploobmenniki_2.jpgПри этом, в зависимости от количества используемых листов, образуются 2 или 4 проточных канала. Для придания жесткости конструкции, а также обеспечения равномерного сечения каналов, на одной из сторон листа при помощи сварки закрепляются разделительные шипы. Внутри центральной трубы, которая также выполняет роль основания для стальных листов, устанавливается перегородка, благодаря которой образуются два не контактирующих друг с другом коллектора. Вся конструкция помещается в стальной корпус, при этом концы стальных листов привариваются к обечайке. Для подключения входного и выходного канала в стенке канала высверливаются отверстия необходимого диаметра, в которые устанавливаются присоединительные патрубки.

Благодаря особой конструкции спиральных теплообменников, движение потока осуществляется по криволинейной и скорость его при этом постоянно меняется, в зависимости от текущего положения. Встречая на своем пути различные препятствия, в частности разделительные шипы, поток претерпевает турбулентность, которая положительно сказывается на эффективности теплопередачи даже на малых скоростях движения, а также снижает степень загрязнения.

http://www.teplopuls.ru/images/articles/spiralnye-teploobmenniki_3.jpegВсе эти факторы приводят к тому, что спиральные теплообменники являются весьма производительными, несмотря на свои малые размеры. Благодаря этому они весьма активно внедряются в технологические линии, размещенные в стесненных условиях.

Направление потока может быть сконфигурировано по трем основным схемам. Наиболее популярной является противоточная. Гораздо реже встречается перекрестная и параллельная. Также возможна комбинация любых вышеперечисленных схем. Жесткая, цельносварная конструкция спирального теплообменника обеспечивает ему длительный срок эксплуатации и не требуется дорогостоящего обслуживания. На сегодняшний день его можно смело назвать самым оптимальным и экономичным устройством для решения большого круга задач, требующих эффективного теплообмена. Величина сечения канала не является фиксированной и может свободно меняться в зависимости от пожеланий конечного потребителя и исходя из условий эксплуатации. Спиральные теплообменники являются достаточно универсальными аппаратами, позволяющими в большинстве случаев решать разносторонние задачи без смены оборудования, лишь адаптируясь под каждый конкретный случай, изменяя расход и, соответственно, нагрузку. По своей конструкции спиральные теплообменники являются обычным щелевыми однопроточными каналами, но свернутыми в спираль. Разделительная перегородка, устанавливаемая в центральную трубу, может иметь несколько вариантов исполнения и индивидуально подбирается для решения конкретных задач в оптимальных условиях.

Важной особенностью спиральных теплообменников является цельность рабочих каналов, которые изготавливаются и стальных листов, имеющих сварной шов лишь в месте присоединения к центральной трубе и кожуху. Это исключает возможность любой внутренней протечки и смешения двух рабочих потоков.

Основные преимущества и особенности спиральных теплообменников

· Возможность эксплуатации в широком диапазоне давлений и температур;

· Компактные размеры. К примеру 700 м2 площади теплообмена умещаются в 6м3;

· Широкий диапазон нагрузок;

· Минимальные значения загрязненности;

· Высокая теплопередача и турбулентность;

· Высокая надежность работы и минимальные затраты наобслуживан

· При использовании загрязненных жидкостей наблюдается эффект самоочищения;

· Быстрая очистка внутренних стенок любым химическим и механическим способом;

· Расход двух рабочих поток может значительно различаться относительно друг друга;

· Возможность подобрать ширину сечения канала в индивидуальном порядке;

· Минимальные потери по давлению;

· Богатый выбор уплотнительных материалов;

В комплектацию спиральных теплообменников включается опорная рама, обеспечивающая не только надежное основание, но и возможность поворачивать конструкцию. Это, в свою очередь дает возможность в любое время получить свободный доступ для очистки, выполнения ремонтных работы, смены уплотнителей и т.д.

Патрубки в спиральных теплообменниках имеются стандартную конструкцию, что значительно упрощает процедуру подключения устройства в технологическую схему, так как используются стандартные элементы трубной арматуры. При желании на патрубках могут быть установлены универсальные устройства для выпуска воздуха, выполняющие свою работу в автоматическом режиме. В спиральных теплообменниках, в которых в качестве рабочего потока выступает суспензия или шлам крышка дополнительно оборудуется поддерживающими петлями. Объявления с текстом на нашей доске объявлений портала.

Для создания и поддержания температурного режима в химических, массообменных и других процессах химической технологии и защиты окружающей среды необходимо осуществлять подвод или отвод тепловой энергии от рабочей среды. В химической и смежных с ней отраслях промышленности для проведения таких процессов очень широко применяют кожухотрубчатые теплообменные аппараты, которые просты по конструкции и могут иметь поверхность теплообмена до 1000 м2.

При разработке теплообменных аппаратов необходимо, как правило, решать задачи:

- определение тепловой нагрузки на аппарат;

- обоснованный выбор теплоносителя, который будет двигаться по трубному пространству;

- предварительный проектный расчет необходимой поверхности теплообмена;

- выбор стандартного теплообменного аппарата и схемы движения теплоносителей через него;

- расчет кинетики теплопередачи в выбранном аппарате и проверка наличия необходимого запаса поверхности;

- гидравлический расчет теплообменника;

РАСЧЁТ

Рассчитать спиральный теплообменник для нагрева 10 % раствора Cu SO₄ водяном конденсатом.

G=17,5 т/ч, t₁=30⁰ С, t₂=70⁰ С,

Количество нагревающего агента (конденсат водяного пара) его начальная температура при давлении, Т₁=95⁰ С, T₂=58⁰ C.

Решение:

Определение тепловой нагрузки и конечной температуры конденсата. Тепловая нагрузка при удельной теплоемкости раствора:

с=3860 дж/кг•к = (0,92 ккал/кг•с)

При удельной теплоемкости конденсата с=4190 дж/кг•к.

Расход пара определим из уравнения теплового баланса:

Определение температурного напора и средних температур теплоносителей. Средний температурный напор равен:

95 > 58

70 > 30

-----------------

25 28

Средняя температура раствора:

Средняя температура конденсата:

Определение сечений каналов. Принимаем массовую скорость конденсата w₁= 1500 кг/м² •сек, тогда необходимое сечения

Пологая ширину канала b=6 мм, находим ширину спирали:

Приняв рабочую ширину спирали B = 0.58 м определяем сечения:



И массовую скорость

Для раствора принимаем такую же ширину канала, тогда массовая скорость раствора

Определение коэффициента теплопередачи эквивалентный диаметр канала:

Для конденсата константы составляют:

Вязкость………………... м = 0,373•10^-3 нсек/м²(0,373 спз)

Теплопроводность…….. л=0,67 вт/м•град (0,578 ккал/м•град)

удельная теплоемкость...с=4190 дж/кг•град (1 ккал/кг•град)

Отсюда критерии для раствора равны:



Для раствора константы составляют:

Вязкость………………... м=0,715?10^-3 н•сек/м²=(0,715 спз)

Теплопроводность…….. л=0,578 вт/м•град (0,498ккал/м•ч•град)

удельная теплоемкость...с=3860 дж/кг•град (0,92 ккал/кг•град)

Находим критерии Re и Pr для конденсата:



При толщине стальной стенки д=5 мм и тепловых сопротивлениях r'_загр=0,00009 м²•град/вт (со стороны конденсата) r''_загр=0,00027 м²•град/вт (со стороны раствора) коэффициента теплопередачи составляет:

Определение поверхности теплообмена:

Из таблицы приняв стандартный поверхность теплообмена F=63 м².

Рабочая длина спирали

Шаг спирали при толщине листа д=5 мм составляет:

Начальной диаметр спирали принимаем d=300 мм и определим число витков каждой спирали



где

Гидравлическое сопротивление спирального теплообменника

Гидравлическое сопротивление определяется по формуле

где л - коэффициент трения;

l -длина трубы м;

d-диаметр трубы м;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений;

w - массовой скорость кг/м²•сек;

с - плотность кг/м³

Коэффициент трения, находим по формуле:

Коэффициент местных сопротивлений определим

вход и выход……………………2(1,5+1)

повороты у перегородок……….52•1,5

Итого…….

Гидравлическое сопротивление трубного пространства

Заключение

В результате расчета, учитывая, что в нашем аппарате по межтрубному пространству передвигается, сулфать меды а по трубному - оборотная вода, выяснили, что необходимо применить двухходовой аппарат горизонтального размещения. Преимущество, которого состоит в том, что жидкость перемещается по трубам равномерно, нежели в вертикальных; хорошо ремонтировать в тех или иных узлах; легко эксплуатировать; простая конструкция и, следовательно, меньшая стоимость.

Однако ему присущи два крупных недостатка. Во-первых, очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрессивной, т.е. когда нет необходимости в чистке. теплообменник конденсация хлороформ

Во-вторых, существенное различие между температурами трубок и кожуха в таких аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом, что обусловливает возникновение температурных напряжений в трубной решетке, нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство не более 50° С и при сравнительно небольшой длине аппарата.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.:Химия, 2006.

2.Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: учебн. пособие/ Н.И.Савельев,П.М.Лукин. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2010. - 80 с.

3.Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химический технологии. - М.: Химия, 1968.

4.Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского.- М.: Химия, 1991.

Размещено на Allbest.ru

...