Проектирование теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности

/

Содержание

Введение

1. Конструкция теплообменных аппаратов

1.1 Классификация теплообменных аппаратов и предъявляемые к ним требования

1.2 Кожухотрубчатые теплообменные аппараты, типы и конструктивное исполнение

1.2.1 Кожухи и распределительные камеры

1.3 Аппараты воздушного охлаждения

1.4 Теплообменные аппараты типа - 'труба в трубе'

1.5 Погружные аппараты

1.6 Оросительные аппараты

1.7 Пластинчатые теплообменники

1.8 Спиральные теплообменные аппараты

2. Технологический расчет оборудования

2.1 Теплотехнический расчет теплообменных аппаратов

2.2 Тепловые балансы теплообменных аппаратов

2.3 Средняя разность температур теплоносителей

2.4 Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи

2.5 Теплопередача в поверхностных теплообменниках

2.6 Последовательность расчета и подбора кожухотрубчатого теплообменника

2.7 Гидравлический расчет кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

2.7.1 Расчет потери давления в трубном пространстве

2.7.2 Расчет потери давления в межтрубном пространстве

3. Механический расчёт теплообменника

3.1 Выбор конструкционных материалов

3.2 Механические свойства сталей

3.3 Определение допускаемых напряжений

3.4 Определение пробного давления испытания

3.5 Определение прибавки к расчётной толщине стенки

3.6 Расчёт на прочность цилиндрической обечайки

3.7 Определение толщины крышки

3.8 Определение толщины трубной решётки

3.9 Выбор фланцевого соединения

3.10 Расчёт температурных напряжений в трубах и корпусе

Варианты контрольных заданий

Литература

Приложение

Введение

В большинстве процессов нефтегазопереработки используется нагрев исходного сырья, а также применяемых при его переработке растворителей, реагентов, катализаторов и др. Полученные в результате того или иного технологического процесса целевые продукты или полуфабрикаты обычно требуется охлаждать до температуры, при которой возможны их хранение и транспорт.

На современном нефтеперерабатывающем заводе, где осуществляется глубокая переработка нефти, на изготовление аппаратов, предназначенных для нагрева и охлаждения, затрачивается до 30% общего расхода металла на все технологические установки. Высокая эффективность работы подобных аппаратов позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, затрачиваемой на тот или иной технологический процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели. Поэтому изучению устройства и работы этих аппаратов, а также освоению методов их расчета необходимо уделять особое внимание.

1. Конструкция теплообменных аппаратов

1.1 Классификация теплообменных аппаратов и предъявляемые к ним требования

В аппаратах, где идет нагрев или охлаждение, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, другой охлаждается. Поэтому их называют теплообменными аппаратами вне зависимости оттого, что является целевым назначением аппарата - нагрев или охлаждение, какие потоки обмениваются теплом, происходит ли при этом только нагрев и охлаждение или же теплообмен сопровождается испарением или конденсацией.

Применительно к нефтеперерабатывающей промышленности, теплообменные аппараты классифицируются по таким основным признакам, как способ передачи тепла и назначение.

1. В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы:

-- поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды;

- аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит путем их соприкосновения. Для изготовления теплообменных аппаратов смешения требуется, как правило, меньше металла; кроме того, во многих случаях они обеспечивают более эффективный теплообмен. Однако, несмотря на эти преимущества, аппараты смешения часто нельзя использовать вследствие недопустимости прямого соприкосновения потоков.

2. В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы: -- теплообменники, в которых один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в процессе и подлежащего охлаждению. В таких теплообменниках нагрев одного и охлаждение другого потока позволяет сократить расход подводимого извне тепла (сократить расход топлива, греющего водяного пара и т.д.) и охлаждающего агента. К этой группе аппаратов относятся теплообменники для нагрева нефти на установке, осуществляемого за счет использования тепла отходящих с установки дистиллятов, остатка, а также промежуточного циркуляционного орошения. Сюда относятся также котлы-утилизаторы, где получают водяной пар за счет использования тепла нефтепродуктов, дымовых газов или катализатора на установках каталитического крекинга. К этой группе относятся и регенераторы холода;

-- нагреватели, испарители, кипятильники, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляются за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей (водяной пар, пары углеводородов, специальные высококипящие жидкости и др.). В таких аппаратах нагрев или испарение одной среды является целевым процессом, тогда как охлаждение горячего потока является побочным и обусловливается необходимостью нагрева исходного холодного потока. Примером аппаратов этой группы могут служить нагреватели сырья, использующие тепло водяного пара, кипятильники, при помощи которых в низ ректификационной колонны подводится тепло, необходимое для ректификации, и т. д.;

-- холодильники и конденсаторы, предназначенные для охлаждения жидкого потока или конденсации и охлаждения паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.). Охлаждение и конденсация в этих аппаратах являются целевыми процессами, а нагрев охлаждающего агента -- побочным. К таким аппаратам относятся холодильники и конденсаторы любой нефтеперерабатывающей установки, предназначенные для охлаждения и конденсации получаемых продуктов. При регенерации тепла того или иного продукта его окончательное охлаждение до температуры, требуемой для безопасного транспорта и хранения, обычно завершается в холодильниках.

В зависимости от конкретных условий применения, к промышленным теплообменным аппаратам выдвигаются различные требования:

-- обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении;

-- компактность и наименьший расход материала;

-- надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки от загрязнения;

-- унификация узлов и деталей;

-- технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т. д.

1.2 Кожухотрубчатые теплообменные аппараты, типы и конструктивное исполнение

Кожухотрубчатые теплообменники -- наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. По ГОСТ 9929 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН -- с неподвижными трубными решетками; ТК -- с температурным компенсатором на кожухе; ТП -- с плавающей головкой; ТУ -- с U-образными трубами; ТПК -- с плавающей головкой и компенсатором на ней. В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.

Кожухотрубчатый аппарат с неподвижной трубной решеткой (типа ТН) изображен на рисунке 1а. Такие аппараты имеют цилиндрический кожух 1, в котором расположен трубный пучок 2; трубные решетки 3 с развальцованными трубками крепятся к корпусу аппарата. С обоих концов теплообменный аппарат закрыт крышками 4. Аппарат оборудован штуцерами 5 для теплообмениващихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство.

Теплообменники этой группы изготовляют на условное давление 0,6...4,0 МПа, диаметром 159...1200 мм, с поверхностью теплообмена До 960 м²; длина их до 10 м, масса до 20 т. Теплообменники этого типа применяют до температуры 350 'С.

Предусмотрены различные варианты материального исполнения конструктивных элементов теплообменных аппаратов. Корпус аппарата изготовляют из сталей ВСтЗсп, 16ГС или биметаллическим с защитным слоем из сталей 08X13,12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т. Для трубного пучка применяют трубы из сталей 10, 20 и Х8 с размерами 25x2, 25x2,5 и 20x2 мм, из высоколегированных сталей 08X13, 08Х22Н6Т, 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т с размерами 25x1,8 и 20x1,6 мм, а также трубы из алюминиевых сплавов и латуни. Трубные решетки изготовляют из сталей 16ГС, 15Х5М, 12Х18Н10Т, а также биметаллическими с наплавкой высоколегированного хромоникелевого сплава или слоя латуни толщиной до 10 мм.

Рисунок 1- Основные типы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: а) - с неподвижными решетками (ТН) или с компенсатором на кожухе (ТК); б) - с плавающей головкой; в) - с U-образными трубками

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки с корпусом. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху в стальных приведены на рисунке.

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках размещают так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха.

Рисунок 2- Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата

Рисунок 3- Способы расположения в пространстве между трубным пучком и кожухом полос (а) и заглушённых труб (б)

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоносителей: для газов 8...30 м/с, для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость теплоносителей обеспечивают при проектировании соответствующим подбором площади сечения трубного и межтрубного пространства.

Рисунок 4- Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК

Теплообменные аппараты с температурным компенсатором типа ТК (рисунок 4) имеют неподвижные трубные решетки и снабжены специальными гибкими элементами для компенсации различия в удлинении кожуха и труб, возникающего вследствие различия их температур.

Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК отличается от теплообменника типа ТН наличием вваренного между двумя частями кожуха 1 линзового компенсатора 2 и обтекателя 3 (рисунок 5). Обтекатель уменьшает гидравлическое сопротивление межтрубного пространства такого аппарата; обтекатель приваривают к кожуху со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство.

Рисунок 5- Компенсаторы: а -- однолинзовый; б -- сваренный из двух полулинз; в - двухлинзовый

При установке линзового компенсатора на горизонтальных аппаратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия с заглушками для слива воды после гидравлических испытаний аппарата.

Теплообменники с U-образными трубками типа ТУ имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба конца U-образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней поверхности труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистых продуктов.

Такие аппараты (рисунок 6) состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку 3 и U-образные трубы 1. Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце.

Рисунок 6- Теплообменник с U-образными трубами

Теплообменники этого типа могут быть в горизонтальном и вертикальном исполнении. Их изготовляют диаметром 325...1400 мм с трубами длиной 6...9 м, на условное давление до 6,4 МПа и для рабочих температур до 450 °С. Масса теплообменников до 30 т.

Для обеспечения раздельного ввода и вывода теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка 5.В аппаратах типа ТУ обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соседних труб. Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100° С. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей. Преимуществом конструкции аппарата типа ТУ является возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки.

Поскольку механическая очистка внутренней поверхности труб в аппаратах типа ТУ практически невозможна, в трубное пространство таких аппаратов следует направлять среду, не образующую отложений, которые требуют механической очистки. Внутреннюю поверхность труб в этих аппаратах очищают водой, водяным паром, горячими нефтепродуктами или химическими реагентами. Иногда используют гидромеханический способ (подача в трубное пространство потока жидкости, содержащей абразивный материал, твердые шары и др.).

Крепление фланца 4 распределительной камеры к фланцу 1 кожуха аппарата показано на рисунке 7. Специальная шпилька 3 с коническим стопорным выступом позволяет снимать распределительную камеру без нарушения соединения трубной решетки 2 с кожухом.

Один из наиболее распространенных дефектов кожухотрубчатого теплообменника типа ТУ -- нарушение герметичности узла соединения труб с трубной решеткой из-за весьма значительных изгибающих напряжений, возникающих от массы труб и протекающей в них среды. В связи с этим теплообменные аппараты типа ТУ диаметром от 800 мм и более для удобства монтажа и уменьшения изгибающих напряжений в трубном пучке снабжают роликовыми опорами.

К недостаткам теплообменных аппаратов типа ТУ следует отнести относительно плохое заполнение кожуха трубами из-за ограничений, обусловленных изгибом труб. Обычно U-образные трубы изготовляют гибкой труб в холодном или нагретом состоянии.

К существенным недостаткам аппаратов типа ТУ следует отнести невозможность замены труб (за исключением наружных труб) при выходе их из строя, а также сложность размещения труб, особенно при большом их числе. Из-за указанных недостатков теплообменные аппараты этого типа не нашли широкого применения.

Теплообменные аппараты с плавающей головкой типа ТП (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом поверхностных аппаратов (рисунок 8). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возникать лишь при существенном различии температур трубок.

Рисунок 7 - Способ крепления распределительной камеры к кожуху теплообменника

Рисунок 8 - Горизонтальный двухходовой конденсатор с плавающей головкой

Теплообменники этой группы стандартизованы по условным давлениям р = 1,6...6,4 МПа, по диаметрам корпуса 325... 1400 мм и поверхностям нагрева 10...1200 м² с длиной труб 3...9 м. Масса их достигает 35 т. Теплообменники применяют при температурах до 450 °С. В теплообменных аппаратах подобного типа трубные пучки сравнительно легко могут быть удалены из корпуса, что облегчает их ремонт, чистку или замену.

Горизонтальный двухходовой конденсатор типа ТП состоит из кожуха 10 и трубного пучка. Левая трубная решетка 1 соединена фланцевым соединением с кожухом и распределительной камерой 2, снабженной перегородкой 4. Камера закрыта плоской крышкой 3. Правая, подвижная, трубная решетка установлена внутри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной к ней крышкой 8 'плавающую головку'. Со стороны плавающей головки аппарат закрыт крышкой 7. При нагревании и удлинении трубок плавающая головка перемещается внутри кожуха. Для обеспечения свободного перемещения трубного пучка внутри кожуха в аппаратах диаметром 800 мм и более трубный пучок снабжают опорной платформой 6. Верхний штуцер 9 предназначен для ввода пара и поэтому имеет большое проходное сечение; нижний штуцер 5 предназначен для вывода конденсата и имеет меньшие размеры.

Значительные коэффициенты теплоотдачи при конденсации практически не зависят от режима движения среды. Поперечные перегородки межтрубного пространства этого аппарата служат лишь для поддержания труб и придания трубному пучку жесткости. Аппараты с плавающей головкой обычно выполняют одноходовыми по межтрубному пространству, однако установкой продольных перегородок в межтрубном пространстве можно получить многоходовые конструкции. На рисунке 9 показаны двухходовые по межтрубному пространству теплообменники.

Рисунок 9- Двухходовой теплообменник типа ТП с плавающей головкой: а -- цельной; б -- разрезной

Хотя в аппаратах типа ТП обеспечивается хорошая компенсация температурных деформаций, эта компенсация не является полной, поскольку различие температурных расширений самих трубок приводит к короблению трубной решетки. В связи с этим в многоходовых теплообменниках типа ТП диаметром более 1000 мм при значительной (выше 100°С) разности температур входа и выхода среды в трубном пучке, как правило, устанавливают разрезную по диаметру плавающую головку.

Особенно часто трубные пучки с плавающей головкой используют в испарителях с паровым пространством. В этих аппаратах должна быть создана большая поверхность зеркала испарения, поэтому диаметр кожуха испарителя значительно превышает диаметр трубного пучка, а перегородки в пучке служат лишь для увеличения его жесткости.

В испарителе (рисунок 10) уровень жидкости в кожухе 11 поддерживается перегородкой 2. Для обеспечения достаточного объема парового пространства и увеличения поверхности испарения расстояние от уровня жидкости до верха корпуса составляет примерно 30 % его диаметра. Трубный пучок 3 расположен в корпусе испарителя на поперечных балках 4. Для удобства монтажа трубного пучка в перегородке 2 и левом днище предусмотрен люк 10, через который в аппарат можно завести трос от лебедки.

Рисунок 10 - Испаритель

Продукт вводится в испаритель через штуцер 5; для защиты трубного пучка от эрозии над этим штуцером установлен отбойник 6. Пары отводятся через штуцер 9, продукт -- через штуцер 1. Теплоноситель подводится в трубный пучок и отводится через штуцеры 7, 8. В таких аппаратах можно устанавливать несколько трубных пучков.

Теплообменники с плавающей головкой и компенсатором (тип ТПК) представляют собой аппараты полужесткой конструкции, в которых компенсацию температурных напряжений обеспечивает гибкий элемент -- компенсатор, установленный на плавающей головке.

Теплообменники типа ТПК выполняют одноходовыми с противоточным движением теплоносителей и используют при повышенном давлении теплообменивающихся сред (5... 10 МПа).

Теплообменник этой конструкции (рисунок 11) отличается от рассмотренных выше наличием на крышке 2 удлиненного штуцера (горловины) 3, внутри которого размещен компенсатор 4. Последний соединен одним концом с плавающей головкой 1, другим -- со штуцером на крышке теплообменника. Конструкции остальных узлов теплообменника аналогичны используемым в аппаратах типа ТП.

Рисунок 11- Теплообменник с плавающей головкой и компенсатором: 1 -- плавающая головка; 2 -- крышка; 3 -- штуцер; 4 -- компенсатор

Компенсаторы, используемые в аппаратах типа ТПК, отличаются от линзовых компенсаторов аппаратов типа ТК относительно меньшими диаметрами, большим числом волн (гофров), меньшей толщиной стенки. Такие компенсаторы можно использовать при перепаде давлений не более 2,5 МПа, поэтому аппараты типа ТПК разрешается эксплуатировать только при одновременной подаче теплоносителей в трубное и межтрубное пространства.

Пример частичной компенсации разности температурных деформаций кожуха и труб -- использование в кожухотрубчатых аппаратах сальникового уплотнения. Основные элементы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: кожух (корпус), распределительная камера и трубный пучок. Последний состоит из труб, трубных решеток и перегородок. Элементы стальных кожухотрубчатых аппаратов изготовляют из стали.

Для каждого из рассмотренных выше типов стальных кожухотрубчатых аппаратов в зависимости от их назначения материалы регламентированы соответствующими стандартами.

1.2.1 Кожухи и распределительные камеры

Кожух (корпус) теплообменного аппарата малого диаметра (менее 600 мм) чаще всего изготовляют из труб, а кожух большого диаметра вальцуют из листовой стали. В последнем случае, особенно при большой длине аппарата, кожух может быть сварным из трех обечаек: центральной и двух концевых.

Для теплообменных аппаратов, особенно аппаратов типа ТУ, ТП и ТК, должна быть обеспечена необходимая устойчивость формы кожуха; к этой характеристике обечайки предъявляют особые требования, потому что для очистки указанных аппаратов приходится периодически извлекать трубный пучок с перегородками. Так как зазор между кожухом и перегородкой невелик (несколько миллиметров), появление овальности кожуха приведет к невозможности монтажа и демонтажа трубного пучка. Для аппаратов типа ТН должна быть обеспечена способность кожуха и труб к самокомпенсации, т. е. способность противостоять напряжениям, возникающим из-за различия их температурных удлинений.

Распределительные камеры теплообменного аппарата предназначены для распределения потока теплоносителя по трубам и представляют собой обечайку с фланцами, соединенными с трубной решеткой и съемной эллиптической или плоской крышкой. В некоторых конструкциях крышка приварена к цилиндрической обечайке. Для образования ходов теплоносителя по трубам распределительную камеру снабжают продольной перегородкой. Для аппаратов небольшого диаметра (до 800 мм) крышку распределительной камеры выполняют плоской, поскольку такие крышки дешевле и проще в изготовлении. В некоторых случаях для удобства обслуживания аппарата распределительные камеры и крышки к ним навешивают в шарнирных устройствах, закрепленных на кожухе. Толщину стенок распределительной камеры принимают равной толщине стенки кожуха аппарата. Камеру и крышку обычно изготовляют из того же материала, что и кожух аппарата.

Фланцы теплообменных аппаратов выполняют с привалочной поверхностью выступ-впадина или под прокладку восьмиугольного сечения. В стальных кожухотрубчатых теплообменниках используют металлические и асбометаллические прокладки. Во всех случаях прокладку следует изготовлять цельной без сварки, пайки или склеивания. Прокладка в плавающей головке обычно металлическая.

Теплообменные трубы кожухотрубчатых стальных аппаратов - это серийно выпускаемые промышленностью трубы из углеродистых, коррозионно-стойких сталей и латуни. Диаметр теплообменных труб значительно влияет на скорость теплоносителя, коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве и габариты аппарата; чем меньше диаметр труб, тем большее их число можно разместить по окружностям в кожухе данного диаметра. Однако трубы малого диаметра быстрее засоряются при работе с загрязненными теплоносителями, определенные сложности возникают при механической очистке и закреплении таких труб развальцовкой. В связи с этим наиболее употребительны стальные трубы размером 20x2 мм, 25x2 мм, 25x2,5 мм. Трубы диаметром 38 и 57 мм применяют при работе с загрязненными или вязкими жидкостями. С увеличением длины труб и уменьшением диаметра аппарата его стоимость снижается. Наиболее дешевый теплообменный аппарат -при длине труб 5...7 м.

Трубные решетки кожухотрубчатых теплообменников изготовляют из цельных стальных листов или поковок. Для аппаратов большого диаметра используют сварные трубные решетки. В этом случае сварные швы не должны пересекаться, а расстояние от кромки сварного шва до отверстий должно быть не менее 0,8 диаметра отверстия. Схема расположения труб в трубных решетках и шаг отверстий для труб регламентируются ГОСТ 9929. Для теплообменников типов ТН и ТК трубы размещают в трубных решетках по вершинам равносторонних треугольников (рисунке 12а), а для теплообменников типов ТП, ТУ и ТПК - по вершинам квадратов (рисунке 126) или равносторонних треугольников. При размещении труб определенного диаметра по вершинам равносторонних треугольников обеспечивается более компактное расположение труб в трубной решетке, чем при размещении их по вершинам квадратов при одинаковом шаге.

Рисунок 12- Схема размещения труб в трубной решетке: а -- по вершинам равностороннего треугольника; б -- по вершинам квадратов; в -- по окружности

Однако последняя схема имеет важное эксплуатационное преимущество: она позволяет очищать трубки снаружи механическим способом, поскольку между трубами образуются сквозные ряды. При размещении по вершинам треугольников такие ряды можно получить, только увеличив шаг. По окружностям (рисунок 12в) трубы располагают лишь в кислородной аппаратуре. Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой (рисунок 13а, б) причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки (рисунок 136). Кроме того, используют закрепление труб сваркой (рисунок 13в), если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой (рисунок 13г), применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников (рисунок 13), допускающих свободное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным. Наиболее распространенный способ крепления труб в решетке -- развальцовка. Трубы вставляют в отверстия решетки с некоторым зазором, а затем обкатывают изнутри специальным инструментом, снабженным роликами (вальцовкой). При этом в стенках трубы создаются остаточные пластические деформации, а в трубной решетке -- упругие деформации, благодаря чему материал решетки после развальцовки плотно сжимает концы труб. Однако при этом материал труб подвергается наклепу (металл упрочняется с частичной потерей пластичности), что может привести к растрескиванию труб. С уменьшением начального зазора между трубой и отверстием в решетке наклеп уменьшается, поэтому обычно принимают зазор 0,25 мм. Кроме этого для обеспечения качественной развальцовки и возможности замены труб необходимо, чтобы твердость материала трубной решетки превышала твердость материала труб. Крепление труб сваркой с развальцовкой применяют без ограничений давления и температуры теплоносителей. В этом случае сначала выполняют сварку, а затем развальцовку трубы.

Рисунок 13 - Закрепление труб в трубных решетках: а - развальцовкой, б - развальцовкой с канавками, в - сваркой, г - пайкой, д - сальниковыми устройствами

В кожухотрубчатых теплообменниках устанавливают поперечные и продольные перегородки. Поперечные перегородки (рисунок 14), размещаемые в межтрубном пространстве теплообменников, предназначены для организации движения теплоносителя в направлении, перпендикулярном оси труб, и увеличения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве. В обоих случаях возрастает коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности труб.

Рисунок 14- Поперечные перегородки: а -- сплошные; б -- с секторным вырезом; в -- с щелевым вырезом; г -- с сегментным вырезом; д -- кольцевые

Поперечные перегородки устанавливают и в межтрубном пространстве конденсаторов и испарителей, в которых коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности труб на порядок выше коэффициента на их внутренней поверхности. В этом случае перегородки выполняют роль опор трубного пучка, фиксируя трубы на заданном расстоянии одна от другой, а также уменьшают вибрацию труб. Интенсификация теплообмена поперечными перегородками может значительно снижаться из-за утечек теплоносителя в зазорах между корпусом и перегородками. Для уменьшения утечек устанавливают следующие ограничения: при наружном диаметре кожуха аппарата, не более 600 мм зазор между корпусом и перегородкой не должен превышать 1,5 мм. В остальных случаях диаметр поперечных перегородок выбирают по соответствующим нормативным документам.

Пространство для движения теплоносителей в теплообменнике любого типа выбирают так, чтобы улучшить теплоотдачу того потока, коэффициент теплоотдачи которого меньше. Поэтому жидкость (или газ), расход которой меньше или которая обладает большей вязкостью, рекомендуется направлять в трубное пространство. Через него пропускают также более загрязненные потоки, чтобы облегчить очистку поверхности теплообмена, теплоносители, находящиеся под избыточным давлением, а также химически активные вещества, так как в этом случае для изготовления корпуса аппарата не требуется дорогого коррозионно-стойкого материала.

Теплообмен значительно улучшается при ликвидации застойных зон в межтрубном пространстве. Особенно часто такие зоны образуются вблизи трубных решеток, поскольку штуцера ввода и вывода теплоносителя из межтрубного пространства расположены на некотором расстоянии от них. Наиболее радикальный способ исключения образования таких зон - установка распределительных камер на входе и выходе теплоносителя из межтрубного пространства.

Для интенсификации теплообмена иногда используют турбулизаторы -- элементы, турбулизирующие или разрушающие пограничный слой теплоносителя на наружной поверхности труб. Эффект теплоотдачи на наружной поверхности труб существенно повышают кольцевые канавки, интенсифицирующие теплообмен в межтрубном пространстве примерно в 2 раза турбулизацией потока в пограничном слое.

Естественно, что применение гладких труб в таких теплообменниках приводит к резкому увеличению их массы и размеров. Стремление интенсифицировать теплоотдачу со стороны малоэффективного теплоносителя (газы, вязкие жидкости) привело к разработке различных конструкций оребренных труб. Установлено, что оребрение увеличивает не только теплообменную поверхность, но и коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности к теплоносителю вследствие турбулизации потока ребрами. При этом, однако, надо учитывать возрастание затрат на прокачивание теплоносителя. Применяют трубы с продольными (рисунок 15а) и разрезными (рисунок 156) ребрами, с поперечными ребрами различного профиля (рисунок 15в). Оребрение на трубах можно выполнить в виде спиральных ребер (рисунок 15г), иголок различной толщины и др.

Эффективность ребра, которую можно характеризовать коэффициентом теплоотдачи, зависит от его формы, высоты и материала. Если требуется невысокий коэффициент теплоотдачи, необходимую эффективность могут обеспечить стальные ребра, при необходимости достижения больших коэффициентов целесообразно применение медных или алюминиевых ребер. Эффективность ребра резко снижается, если оно не изготовлено за одно целое с трубой, не приварено или не припаяно к ней.

Рисунок 15 -Трубы с оребрением

Кроме вставок и насадок теплообмен в трубах можно интенсифицировать применением шероховатых поверхностей, накаткой упомянутых кольцевых канавок, изменением поперечного сечения трубы ее сжатием. В этом случае даже при ламинарном режиме течения теплоносителя теплоотдача в трубах на 20...100% выше, чем в гладких трубах.

Если коэффициент теплоотдачи от среды, проходящей в трубах, на порядок ниже, чем коэффициент для наружной стороны труб, весьма выгодно использование в теплообменниках труб с внутренним оребрением. Примером является конструкция, показанная на рисунке 2.45а.

При теплообмене в системе газ-газ рационально в качестве теплообменной поверхности использовать пучки труб с внешними и внутренними ребрами. Для обеспечения направленного потока газа между наружными ребрами труб помещены треугольные вставки (рис. 2.456).

Кроме перечисленных методов, в отечественной и зарубежной практике делают попытки интенсифицировать теплопередачу и другими способами, например использованием вращающихся турбулизаторов.

1.3 Аппараты воздушного охлаждения

Широкое распространение в промышленности получили аппараты воздушного охлаждения (АВО), в которых в качестве охлаждающего агента используется поток атмосферного воздуха, нагнетаемый специально установленными вентиляторами. Использование аппаратов этого типа позволяет осуществить значительную экономию охлаждающей воды, уменьшить количество сточных вод, исключает необходимость очистки наружной поверхности теплообменных труб. Такие аппараты используются в качестве конденсаторов и холодильников. Сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи со стороны потока воздуха, характерный для этих аппаратов, компенсируется значительным оребрением наружной поверхности труб, а также сравнительно высокими скоростями движения потока воздуха.

Аппараты воздушного охлаждения различного типа изготовляются по соответствующим стандартам, в которых предусмотрены большие диапазоны по величине поверхности, степени оребрения и виду конструкционного материала, используемого для их изготовления (сталь различных марок, латунь, алюминиевые сплавы, биметалл). Аппараты воздушного охлаждения (АВО) подразделяются на следующие типы: горизонтальные АВГ, зигзагообразные АВЗ, малопоточные АВМ, для вязких продуктов АВГ-В, для высоковязких продуктов АВГ-ВВ. На рисунке 16 приведен аппарат горизонтального типа, в котором оребренные пучки теплообменных труб расположены горизонтально, а на рисунке 17 -- аппараты, где пучки труб расположены в виде шатра и зигзагообразно. Размещение пучков оребренных труб в виде шатра и зигзагообразное позволяет иметь большую поверхность теплообмена при той же занятой площади.

Для повышения эффективности аппарата в его конструкции предусмотрен коллектор впрыски очищенной воды 4, автоматически включающийся при повышенной температуре окружающей среды в летний период работы. При низких температурах (зимой) можно отключать электродвигатель и вентилятор; при этом конденсация и охлаждение происходят естественной конвекцией.

Рисунок 16- Схема горизонтального аппарата воздушного охлаждения: 1 -- секция оребренных труб; 2 -- колесо вентилятора; 3 -- электродвигатель; 4 -- коллектор впрыска очищенной воды; 5 -- жалюзи

Кроме этого интенсивность теплосъема можно регулировать, меняя расход прокачиваемого воздуха изменением угла наклона лопастей вентилятора. Для этого в аппаратах воздушного охлаждения предусмотрены механизм дистанционного поворота лопастей с ручным или пневматическим приводом и жалюзи, установленные над теплообменными секциями. Жалюзийные заслонки можно поворачивать вручную или автоматически с помощью пневмопривода.

Рисунок 17- Схемы аппаратов воздушного охлаждения АВЗ: а - шатровый; б - зигзагообразный

Теплообменная секция аппарата воздушного охлаждения состоит из четырех, шести или восьми рядов труб 3, размещенных по вершинам равносторонних треугольников в двух трубных решетках 1. Трубы закреплены развальцовкой или развальцовкой со сваркой. Для обеспечения жесткости трубного пучка секция укреплена металлическим каркасом 4. Однако при эксплуатации гайки на шпильках 2, соединяющих решетку с каркасом, должны быть отвинчены на расстояние, превышающее возможное температурное удлинение труб. В трубном пучке каждая труба может иметь индивидуальный прогиб. Для исключения контакта ребер верхнего ряда труб с ребрами труб нижнего ряда между соседними рядами в нескольких местах по длине трубы помещают дистанционные прокладки 5 шириной около 15 мм из алюминиевой ленты толщиной 2 мм.

Рисунок 18- Теплообменная секция ABO

Крышки 6 крепят к трубным решеткам теплообменных секций при высоком давлении неразъемно или на шпильках. Если секция аппарата многоходовая, крышки снабжают перегородками, которые делят трубный пучок на ходы. Съемные крышки обычно выполняют литыми из стали. Как указано, трубы в аппаратах воздушного охлаждения имеют оребрение по наружной поверхности, поскольку коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности труб примерно на порядок меньше коэффициента для внутренней поверхности. В аппаратах воздушного охлаждения используют вентиляторы с диаметром колеса до 7 м. Колеса вентиляторов изготовляют сварными из алюминия или из стеклопласта, диффузор -- из листовой стали толщиной 2 мм. Электродвигатели привода могут быть одно- и двухскоростными. При использовании двухскоростных электродвигателей с понижением температуры окружающей среды можно работать при меньшей частоте вращения вентилятора.

1.4 Теплообменные аппараты типа -'труба в трубе'

Теплообменные аппараты 'труба в трубе' используют главным образом для охлаждения или нагревания в системе жидкость-жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния. Иногда такие теплообменники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др. Также их используют для загрязненных коксообразующими веществами и механическими примесями теплоносителей, в которых обеспечивается хороший теплообмен за счет больших скоростей и турбулентности потоков в трубном и межтрубном пространствах. Высокие скорости и турбулентность потока уменьшают возможность отложения на стенках труб кокса или других образований.

Рисунок 19 -Теплообменник типа 'труба в трубе': а -- общий вид; б -- вариант жесткого крепления труб; в -- вариант крепления труб с компенсирующим устройством

По сравнению с кожухотрубчатыми теплообменники 'труба в трубе' имеют меньшее гидравлическое сопротивление межтрубного пространства. Однако при равных теплообменных характеристиках они менее компактны и более металлоемки, чем кожухотрубчатые. Теплообменники 'труба в трубе' могут быть разборными или неразборными, одно- и многопоточными.

Однопоточный неразборный теплообменник (рисунок 20) состоит из отдельных звеньев, в каждый из которых входят трубы наружная (или кожуховая) 1 и внутренняя (или теплообменная) 2. Наружная труба двумя приварными кольцами связана с внутренней трубой 2 в звено. Звенья, в свою очередь, собраны в вертикальный Ряд и составляют теплообменную секцию. При этом внутренние трубы соединены между собой коленами 3, а наружные -- штуцерами 4 на фланцах или сваркой. Звенья закреплены скобами на металлическом каркасе 5.

Неразборные теплообменники являются конструкцией жесткого типа, поэтому при разности температур более 70°С их не используют. При большей разности температур труб, а также при необходимости механической очистки межтрубного пространства применяют теплообменники с компенсирующим устройством на наружной трубе. В этом случае кольцевую щель между трубами с одной стороны наглухо заваривают, а с другой -- уплотняют сальником 6.

Однопоточные неразборные теплообменники изготовляют из труб длиной 3...12 м с диаметром внутренних труб 25...159 мм и наружных соответственно 48... 219 мм на условное давление для наружных труб до 6,4 МПа и для внутренних до 16 МПа. В разборных конструкциях теплообменников обеспечивается компенсация деформаций теплообменных труб. На рис. 2.50 показана конструкция разборного многопоточного теплообменника 'труба в трубе', конструктивно напоминающего кожухотрубчатый теплообменник типа ТУ.

Аппарат состоит из кожуховых труб 5, развальцованных в двух трубных решетках: средней 4 и правой 7. Внутри кожуховых труб размещены теплообменные трубы 6, один конец которых жестко связан с левой трубной решеткой 2, а другой -- может перемещаться. Свободные концы теплообменных труб попарно соединены коленами 8 и закрыты камерой 9. Для распределения потока теплоносителя по теплообменным трубам служит распределительная камера 1, а для распределения теплоносителя в межтрубном пространстве -- распределительная камера 3. Пластинами 11 кожуховые трубы жестко связаны с опорами 10.

Теплообменник имеет два хода по внутренним трубам и два по наружным. Узлы соединения теплообменных труб с трубной решеткой (узел I) и с коленами (узел II) уплотнены за счет прижима и деформации полушаровых ниппелей в конических гнездах.

Эти аппараты могут работать с загрязненными теплоносителями, так как внутреннюю поверхность теплообменных труб можно подвергать механической очистке. Поскольку возможность температурных удлинений кожуховых труб из-за жесткого соединения их с опорами ограниченна, перепад температур входа и выхода среды, текущей по кольцевому зазору, не должен превышать 150°С.

Рисунок 20 -Разборный двухпоточный теплообменник типа 'труба в трубе'

1.5 Погружные аппараты

Специфической особенностью аппаратов этого типа является наличие емкости-ящика, в которую погружены теплообменные трубы. В ящике находится охлаждающая среда, например вода. Аппараты этого типа используют в качестве холодильников или конденсаторов-холодильников. Различают змеевиковые и секционные аппараты. Принципиальное устройство однопоточного погружного конденсатора-холодильника показано на рисунке 21. Теплообменная поверхность состоит из труб, соединенных при помощи сварки или на фланцах; переход из одной трубы в другую осуществлен при помощи двойников. Охлаждаемый поток последовательно проходит трубы, расположенные в данном горизонтальном Ряду, после чего переходит в трубы следующего ряда и т. д.

Рисунок 21- Схема однопоточного погружного змеевикового конденсатора-холодильника: І -- пары нефтепродукта; ІІ -- охлажденный нефтепродукт; ІІІ -- холодная вода; IV -- нагретая вода

При большом расходе охлаждающегося потока для уменьшения гидравлического сопротивления применяют коллекторные змеевиковые холодильники, в которых охлаждаемый поток при помощи специального коллектора разбивается на несколько параллельных потоков. Меньшее гидравлическое сопротивление коллекторного аппарата по сравнению с однопоточным достигается за счет снижения скорости потока и длины пути.

В случае использования подобного аппарата в качестве конденсатора-холодильника, когда вследствие частичной или полной конденсации объем потока резко уменьшается, можно применять коллекторные погружные аппараты с переменным числом потоков. В начале аппарата, где движутся в основном пары, объем которых значителен, число параллельных потоков может быть более высоким, чем в той части аппарата, где завершена конденсация паров и происходит охлаждение конденсата. Такое устройство полезно для повышения теплового эффекта аппарата, так как при сохранении первоначального числа потоков по всему их пути скорость движения конденсата в конечной части аппарата может оказаться небольшой, а следовательно, коэффициент теплопередачи в этой части аппарата будет низким. Следует иметь в виду, что неправильный выбор места сокращения числа потоков по пути конденсирующейся среды может привести к повышению гидравлических сопротивлений, как это имело место на некоторых действующих установках.

К недостаткам аппаратов подобного типа относится их громоздкость и повышенный расход металла. Кроме того, в ящике свободное сечение для прохода воды велико, вследствие чего скорость движения воды мала и относительно малы коэффициенты теплоотдачи от стенок змеевика к воде. Такие аппараты используются на ряде действующих нефтеперерабатывающих заводов и при строительстве новых установок, как правило, не применяют.

1.6 Оросительные аппараты

Аппараты этого типа применяются в качестве холодильников и конденсаторов. Они представляют собой змеевик, состоящий из соединенных двойниками труб, которые расположены горизонтальными и вертикальными рядами.

Рисунок 22 - Схема оросительного коллекторного конденсатора-холодильника: І -- охлаждаемый нефтепродукт; ІІ -- охлажденный нефтепродукт; ІІІ -- холодная вода; IV -- нагретая вода

Чаще всего это коллекторные змеевики. В верхней части аппарата имеется распределительное приспособление для орошения наружной поверхности змеевиков водой. Подобное распределительное устройство выполняется в виде либо желобов, либо специальных распылителей. Вследствие высокого значения скрытой теплоты испарения воды даже незначительное ее испарение сопровождается отводом большого количества тепла.

Опыт работы оросительных конденсаторов и холодильников показывает, что около 50 % тепла отводится испаряющейся водой. Таким образом, в оросительном холодильнике и конденсаторе расход воды примерно в два раза меньше, чем в обычном водяном холодильнике. К недостаткам таких аппаратов относится их громоздкость, интенсивная коррозия наружной поверхности труб вследствие воздействия кислорода воздуха и отложение накипи на поверхности труб, особенно усиливающееся при высокой температуре охлаждаемого потока, трудность эксплуатации в зимних условиях.

1.7 Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, теплообменная поверхность которых образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью. Их разделяют по степени доступности поверхности теплообмена для механической очистки и осмотра на разборные, полуразборные и неразборные (сварные). Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники, в которых пластины отделены одна от другой прокладками. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляют достаточно быстро, очистка теплообменных поверхностей требует незначительных затрат труда. Пластины полуразборных теплообменников попарно сварены, и доступ к поверхности теплообмена возможен только со стороны хода одной из рабочих сред. Пластины неразборных теплообменников сварены в блоки, соединенные на прокладках в общий пакет.

Основные размеры и параметры наиболее распространенных в промышленности пластинчатых теплообменников определены ГОСТ 15518. Их изготовляют с поверхностью теплообмена от 2 до 600 м² в зависимости от типоразмера пластин; эти теплообменники используют при давлении до 1,6 МПа и температуре рабочих сред от -30 до +180°С для теплообмена между жидкостями и парами (газами) в качестве холодильников, подогревателей и конденсаторов. Серийно выпускаемые разборные пластинчатые теплообменники могут работать с загрязненными рабочими средами при размере твердых включений не более 4 мм.

Разборные пластинчатые теплообменники изготовляют в пяти исполнениях, в том числе на консольной раме (исполнение 1), на двух-опорной раме (исполнение 2), на трехопорной раме (исполнение 3). Разборный пластинчатый теплообменник на двухопорной раме (исполнение 2) показан на рисунке 23. Аппарат состоит из ряда теплообменных пластин 4, размещенных на верхней и нижней горизонтальных штангах 3. Концы штанг закреплены в неподвижной плите 2 и на стойке 7. Нажимной плитой 11 и винтом 8 пластины сжимаются, образуя теплообменную секцию.

Рисунок 23 - Разборный пластинчатый теплообменник (исполнение 2): 1, 9, 10 и 12 -- штуцера; 2 -- неподвижная плита; 3 -- штанга; 4 -- теплообменная пластин 5 и 6 -- прокладки; 7 -- стойка; 8 -- винт; 11 -- нажимная плита; а, б, в и г -- проходные отверстия

Теплообменные пластины имеют четыре проходных отверстия (а, б, в, г), которые образуют две изолированные одна от другой системы каналов. Для уплотнения пластин и каналов имеются резиновые прокладки. Прокладка 6 уложена в паз по контуру пластины и охватывает два отверстия на пластине, через которые происходят приток и вывод теплоносителя в канал между смежными пластинами, а прокладки 5 герметизируют два других отверстия на пластине. Для ввода теплоносителей в аппарат и их вывода предназначены штуцера 1, 9, 10, 12, расположенные на неподвижной и подвижной плитах.

Теплообменные пластины различаются расположением в них отверстий для теплоносителей на пластины с диагональным расположением отверстий. И те, и друг выполняют левыми и правыми. Благодаря чередованию в пакете лев! и правых пластин образуются две изолированные системы каналов.

Рисунок 24- Пластины с диагональным (а) и односторонним (б) расположением отверстий

Пластины с односторонним расположением отверстий взаимозаменяемы. При сборке правые пластины получают поворотом их относительно левых на 180°. Левые и правые пластины с диагональным расположением отличаются расположением прокладки и поэтому не являются взаимозаменяемыми. Кроме рассмотренных теплообменных пластин в аппаратах используют граничные пластины, устанавливаемые на концах пакетов.

Серийно выпускаемые пластинчатые теплообменники комплектуют пластинами, штампованными из листового металла толщиной 1 мм. Гофры пластин обычно имеют в сечении профиль равностороннего треугольника высотой 4...7 мм и основанием длиной 14...30 мм (для вязких жидкостей до 75 мм). Гофры выполняют горизонтальными, 'в елочку', под углом к горизонтали и др. Материал пластин -- оцинкованная или коррозионно-стойкая сталь, титан, алюминий, мельхиор.

В разборных теплообменниках пластины 2 обычно крепят скобой 3 на верхней штанге 1. Нижняя штанга не несет нагрузки от массы пластин и служит лишь для фиксации их в заданном положении. Такое закрепление пластин позволяет легко извлечь их из пакета или вставить в него без снятия подвижной плиты и остальных пластин.

Рисунок 25-Узел крепления пластины на верхней штанге: 1 -- верхняя штанга; 2 -- пластины; 3 -- скоба

Прокладки пластинчатых теплообменников изготовляют из резины формованием и укрепляют в пазу пластины на клею. Стойки и прижимные плиты пластинчатых теплообменников изготовляют из углеродистых сталей толщиной 8...12 мм. К недостаткам пластинчатых теплообменников следует отнести невозможность их использования при давлении более 1,6 МПа.

1.8 Спиральные теплообменные аппараты

Спиральные теплообменники получили в промышленности сравнительно широкое распространение, что объясняется рядом важных преимуществ по сравнению с теплообменными аппаратами других типов. Спиральные теплообменники могут изготовляться из любого рулонного материала, подвергаемого холодной обработке и свариванию. Теплообменники компактны, их конструкция предусматривает возможность полного противотока. Площадь поперечного сечения каналов по всей длине остается неизменной, и поток не имеет резких изменений направлений, благодаря чему загрязнение поверхности спиральных теплообменников меньше, чем теплообменных аппаратов других типов, кроме того, ряд конструкций их позволяет проводить сравнительно легкую очистку в случае, не требующем для удаления осадка механического воздействия. Гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников при одинаковой скорости движения жидкости меньше, чем у кожухотрубчатых.

Спиральные теплообменники различных конструкций нашли применение для систем жидкость-жидкость, для систем жидкость-пар в качестве конденсаторов, нагревателей и испарителей, для охлаждения и нагревания парогазовых смесей. Спиральные теплообменники специальной конструкции могут компоноваться с ректификационными колоннами и применяться в качестве дефлегматоров. Одно из назначений спиральных теплообменников -- нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей. Так как вязкая жидкость проходит по одному каналу, то устраняется проблема равномерного распределения вязкой жидкости по трубам. Нами для вязких жидкостей (прядильный раствор синтетического волокна 'нитрон') испытывался спиральный теплообменник со сквозными каналами для прядильного раствора и спиральным каналом, по которому поступали пар или охлаждающая вода (рисунке 26). Спиральные теплообменники могут успешно применяться для шламов и жидкостей, содержащих волокнистые материалы. Применение специальных теплообменников для газов ограничено малым поперечным сечением канала.

Рисунок 26 - Схема движения жидкости в спиральном теплообменнике

Спиральные теплообменники применяются в гидролизной промышленности в качестве дефлегматоров, рекуператоров тепла в отбелочных отделениях, конденсаторов терпентиновых паров и поверхностных конденсаторов в выпарных отделениях; в химической промышленности - в качестве теплообменников при производстве серной, азотной и фосфорной кислот, в качестве конденсаторов для различных органических соединений; в коксогазовой промышленности - для охлаждения аммиачной воды, бензола и поглотительного масла, в алюминиевой промышленности -- в качестве теплообменников для алюминатных растворов; в сахарной и пищевой промышленности -- для нагрева и охлаждения раствора сахара и фруктовых соков.

Спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки -- керна.

По видам уплотнения торцов каналы делятся на три основных типа:

- тупиковые каналы, каждый из которых заваривается с противоположной стороны при помощи вставленной ленты. Такой способ уплотнения исключает возможность смешения теплоносителей при прорыве прокладки. После снятия крышек оба канала легко подвергаются чистке. Этот способ уплотнения каналов наиболее распространен;

-- глухие каналы, в которых канал заваривается на торцах с обеих сторон. Недостаток этого типа уплотнения заключается в невозможности чистки каналов;

-- сквозные каналы, открытые с торцов. Уплотнение достигается при помощи манжет U-образного сечения или листового прокладочного материала. Каналы такого типа легко поддаются чистке; основной их недостаток заключается в возможности перетока теплоносителя из одного канала в другой.

В конструкциях теплообменников встречаются и различные комбинации вышеуказанных каналов. Для придания спиральным теплообменникам жесткости, особенно при давлении выше 0,3 МПа (3 кгс/см²), в большинстве теплообменников к одной из лент перед навивкой приваривают штифты. Кроме создания жесткости, штифты фиксируют расстояние между спиралями.

Согласно ГОСТ 12067 навивка спиральных теплообменников производится из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м, поверхность нагрева теплообменников от 3,2 до 100 м², ширина канала 8 или 12 мм, давление до 1 МПа (10 кгс/см²). Толщина стенок при давлении до 0,3 МПа - 2 мм, до 0,6 МПа - 3 мм.

Спиральные теплообменники выпускаются двух типов; тип 1 с тупиковыми каналами (с крышами) и тип 2 с глухими каналами (без крышек). Тип 1 выпускается в четырех исполнениях: горизонтальный теплообменник на лапах для жидкостей (рисунок 27а); горизонтальный теплообменник на цапфах для жидкостей (рисунок 276); вертикальный теплообменник на цапфах для конденсации паров (рисунок 27в); вертикальный теплообменник на цапфах для парогазовой смеси (рисунок 27г).

Рисунок 27- Спиральные теплообменники с тупиковыми каналами (тип 1): а -- горизонтальные на лапах для жидкостей; б -- горизонтальные на цапфах для жидкостей; в -- вертикальные на цапфах для конденсации пара; г -- вертикальные на цапфах для парогазовых смесей

Тип 2 выпускается в трех исполнениях: горизонтальный на лапах; горизонтальный на цапфах; вертикальный на лапах (рисунок 28). Спиральные теплообменники изготовляют из углеродистой стали СтЗ и из легированных марок 12Х18Н10Т, 0Х18Н10Т и Х17Н12М2Т. Для изготовления крышек может применяться двухслойная сталь марок СтЗ+12Х18Н10Т и 20К + Х17Н13М2Т и др. В качестве прокладок применяют резину, паронит, фторопласт, асбестовый картон и др.

Теплообменники спиральные для жидкости состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух плоских крышек по торцам с прокладками, четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в центральной части крышки, а два -- в верхней части корпуса на коллекторах. Корпус спирали выполняется на лапах для установки непосредственно на фундаменте в горизонтальном исполнении или на цапфах для установки в любом положении: вертикальном, горизонтальном и наклонном.

Принцип работы спиральных теплообменников для жидкостей заключается в следующем: первый теплоноситель поступает под давлением через штуцер на одной из крышек в камеру центровика, а затем по каналу спирали -- в коллектор и через штуцер выходит из теплообменника. Второй теплоноситель через штуцер коллектора поступает в смежный канал спирали противотоком по отношению к первому теплоносителю и выходит через штуцер второй крышки. Спиральные теплообменники для конденсации паров изготовляются только в вертикальном варианте и состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух крышек (верхней -- с конусом для подвода пара к каналам и нижней с прокладками для уплотнения каналов), четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в крышках, а два -- в боковых коллекторах, причем один из них для вывода конденсата установлен в нижней части коллектора.

Рисунок 28 - Вертикальный теплообменник на лапах с глухими каналами (тип 2)

Спиральные теплообменники для парогазовой смеси отличаются от теплообменников для конденсации паров только тем, что они имеют еще штуцер для выхода газов после отделения от них конденсата, который установлен в середине коллектора, на котором имеется штуцер для выхода конденсата. Вертикальное расположение каналов конденсаторов исключает образование пробок конденсата и гидравлические удары. Пар или парогазовая смесь поступает в аппарат через штуцер большого диаметра одновременно в большинство каналов, кроме нескольких крайних наружных. Образующийся конденсат стекает по вертикальной стенке каналов, собирается в нижней части каналов теплообменника и стекает по спирали в штуцер для конденсата, расположенный у нижней стороны канала. Остатки не конденсировавшегося пара или парогазовой смеси проходят несколько наружных витков канала по спирали и после охлаждения отводятся через штуцер на коллекторе тупиковых каналов.

Гидравлическое сопротивление каналов по паровой стороне невелико вследствие достаточно большого поперечного сечения каналов, включенных на входе пара параллельно. Охлаждающая среда подается через наружный коллектор и движется по спиральному каналу к центру, откуда выводится через штуцер на нижней крышке. Спиральные теплообменники могут выполняться для движения теплоносителей по спиральному потоку, по поперечному, пересекающему спираль потоку и по комбинированному потоку, сочетающему поперечный и спиральный поток. Конструктивное оформление таких теплообменников может быть разнообразным.

Зарубежные фирмы навивку спиральных теплообменников производят из рулонного материала шириной от 0,1 до 1,8 м и толщиной от 2 до 8 мм. Диаметр сердечника (керна) 200... 300 мм. Ширина канала от 5 до 25 мм, поверхность нагрева выпускаемых теплообменников от 0,5 до 160 м². Для получения больших поверхностей теплообменники могут быть соединены в блоки.

За рубежом спиральные теплообменники изготовляют из углеродистой и коррозионностоикой сталей, хастеллоя В и С, никеля и никелевых сплавов, алюминиевых сплавов и титана. При относительно высоких давлениях в каналах часть зарубежных фирм в целях снижения веса и придания достаточной прочности производит навивку теплообменников из стали разной толщины. Внутренние витки с меньшим радиусом навиваются из более тонкого материала, а наружные витки с большим радиусом -- из металла большей толщины. Полотнища разной толщины свариваются под углом, для того чтобы более жесткий шов не мешал навивке спирали.

В ряде случаев спиральные теплообменники конструируют с расчетом на применение анодной антикоррозионной защиты или защитных покрытий.

2. Технологический расчет оборудования

Технологический расчет установки, отделения, цеха включает:

- материальный баланс;

- тепловой баланс;

- технологический расчет основного аппарата;

- расчет и подбор вспомогательного оборудования;

- гидравлический расчет аппаратов.

Задачей материального баланса является определение расхода материальных потоков, необходимых концентраций; теплового баланса - определение расхода нагревающих и охлаждающих агентов. Технологический расчет аппаратов выполняется с целью определения их основных размеров (диаметра, высоты, площади поверхности теплопередачи и т.д.). По рассчитанным основным размерам выбирается аппарат по нормативным документам - ГОСТу, ОСТу и т.д. Далее рассчитываются или выбираются остальные элементы аппаратов (перемешивающие и контактные устройства, штуцеры, крышки и т.д.). При необходимости в этом разделе выполняется расчет тепловой изоляции. Необходимые для выполнения расчетов физико-химические свойства перерабатываемых веществ (плотность, теплопроводность, теплоемкость, вязкость и др.) находят по справочникам или рассчитывают по формулам. В этом же разделе выполняется расчет остальных аппаратов установки (теплообменников, циклонов, барометрических конденсаторов и др.) и выбор их по каталогам и ГОСТам. Расчет гидравлического сопротивления аппаратов и трубопроводов осуществляется для расчета и выбора машин, перемещающих жидкости и газы (насосов, вентиляторов, компрессоров). Емкостное оборудование для хранения сырья и продукции рассчитывается и подбирается по нормалям, каталогам или ГОСТам с учетом конкретных условий их работы. Все расчеты должны выполняться в Международной системе единиц измерений (СИ).

2.1 Теплотехнический расчет теплообменных аппаратов

При выборе типа и конструкции теплообменника учитываются следующие факторы:

- назначение аппарата и протекающие в нем процессы;

- удельная теплопроизводительность аппарата (количество теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме);

- гидравлическое сопротивление;

- химическая агрессивность теплоносителей к конструкционному материалу;

- степень загрязненности теплоносителей и характер отложений;

- термодинамические параметры (температура, давление, объемы и агрегатное состояние теплоносителей);

- физико-химические свойства;

- температурные напряжения, возникающие при различном тепловом удлинении различных частей теплообменника;

- конструктивное совершенство: простота устройства, малые масса и габаритные размеры, технологичность конструкции, высокий к.п.д.;

- себестоимость продукции.

Предварительный выбор типа теплообменника можно сделать, ориентируясь на данные, приведенные в табл. 1 и 2.

Таблица 1 - Ориентировочные условия работы теплообменных аппаратов

Таблица 2 - Сравнительная характеристика теплообменных аппаратов различных типов

Примечание. В таблице приняты обозначения: '+' - соответствие требованиям; '' - частное соответствие требованиям; '-'- несоответствие требованиям.

Теплотехнический расчет теплообменных аппаратов проводится в последовательности, приведенной на рисунке 29.

Рисунок 29 - Схема расчета теплообменного аппарата: z - число ходов; n - общее количество трубок; d - диаметр трубок; l - длина трубок; D - диаметр кожуха; F_норм - поверхность нормализованного аппарата

2.2 Тепловые балансы теплообменных аппаратов

Тепловую нагрузку теплообменного аппарата или количество теплоты, переданной от горячего теплоносителя к холодному в единицу времени, можно определить по уравнению теплового баланса.

В общем виде уравнение теплового баланса имеет вид

- для идеального теплового процесса (без учета потерь теплоты в окружающую среду)

Q = Q₁ = Q₂; (1)

- для реального теплового процесса (с учетом потерь теплоты в окружающую среду)

Q₁ = Q₂ + Q_пот. (2)

Здесь Q₁ - количество теплоты, отданной горячим теплоносителем, Вт; Q₂ - количество теплоты, сообщенной холодному теплоносителю, Вт; Q_пот - потери теплоты в окружающую среду, Вт. При наличии теплоизоляции тепловые потери незначительны, поэтому в расчете их можно не учитывать. Для теплообмена, протекающего без изменения фазового состояния теплоносителей, уравнение теплового баланса имеет вид

G₁C₁(t_1н - t_1к) = G₂C₂(t_2к - t_2н), (3)

где G₁; G₂ - массовый расход горячего и холодного теплоносителей соответственно, кг/с;

t_1н; t_1к - температура горячего теплоносителя на входе (начальная температура t_1н) и на выходе (конечная температура t_1к), град;

t_2н; t_2к - то же самое для холодного теплоносителя;

С₁ - удельная теплоемкость горячего теплоносителя при средней температуре t_ср1, кДж/(кг ^. град);

С₂ - то же самое для холодного теплоносителя при t_ср2.

Из уравнения (3) определяется неизвестный расход одного из теплоносителей или неизвестная температура одного из теплоносителей. Например

- расход холодного теплоносителя определится по выражению

; (4)

температура горячего теплоносителя на выходе из аппарата

. (5)

При изменении фазового состояния одного из теплоносителей (например, конденсация насыщенного водяного пара) уравнение теплового баланса запишется в виде

, (6)

где r₁ - удельная теплота конденсации, кДж/кг. (свойства насыщенного водяного пара приведены в таблице I приложения);

х₁ - степень сухости пара.

При конденсации перегретого пара с охлаждением конденсата тепловая нагрузка будет равна

Q = Q_пер + Q_конд + Q_охл. (7)

Здесь Q_пер = G₁C_п(t_1н - t_нас) - количество теплоты, отдаваемой при охлаждении перегретого пара; Q_конд = G₁r - количество теплоты, отдаваемой при конденсации пара; Q_охл = G₁C_ж(t_нас - t_1к) - количество теплоты, отдаваемой при охлаждении конденсата; t_нас - температура насыщенного пара; С_п - теплоемкость пара; С_ж - теплоемкость конденсата.

Средняя температура теплоносителя, фазовое состояние которого не меняется, можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами

t_{ср i} = , i = 1, 2. (8)

Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей определяется из уравнения

t_{ср i} = t_j t_ср, (9)

где t_j - среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена;

t_ср - средняя разность температур теплоносителей, град.

Уравнение (1.9) справедливо и при изменении фазового состояния теплоносителя (кипение или конденсация), когда его температура вдоль поверхности теплопередачи остается постоянной и зависит от давления и состава теплоносителя.

2.3 Средняя разность температур теплоносителей

Средняя разность температур потоков (средняя движущая сила процесса теплопередачи) зависит от относительного движения теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена различают прямоток (или параллельный ток), при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении (рисунок 30 а); противоток, при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях (рисунок 30 б); перекрестный ток (рисунок 30 в); смешанный ток (простой - рисунок 30 г и многократный - рисунок 30 д).

Рисунок 30 - Схемы относительного движения теплоносителей в теплообменниках: а - прямоток; б - противоток; в - перекрестный ток; г - простой (однократный) смешанный ток; д - многократный смешанный ток

При изменении фазового состояния теплоносителя его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации) t_s, зависящей от давления и состава теплоносителя.

В аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как средне логарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата

(10)

Если эти разности температур одинаковы или , то среднюю разность температур можно приближенно определить как среднеарифметическую между ними

. (11)

Возможное изменение температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена и расчет t_б и t_м в зависимости от относительного движения теплоносителей и при изменении фазового состояния горячего теплоносителя показано на рисунке 31.

Рисунок 31 - Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена F (м²) и расчет большей (t_б) и меньшей (t_м) разностей температур на концах аппарата при противотоке (а, b), прямотоке (с) и при изменении фазового состояния горячего теплоносителя (d; t_s - температура конденсации; t_1н=t_1к=t_s)

1 - горячий теплоноситель; 2 - холодный теплоноситель

В аппаратах с противоточным движением теплоносителей t_ср при прочих равных условиях больше, чем в случае прямотока. Это различие практически исчезает при очень малом изменении температуры одного из теплоносителей и оказывается равным нулю при изменении фазового состояния теплоносителей (либо одного из них). При сложном взаимном движении теплоносителей, например при смешанном или перекрестном токе, t_ср принимает промежуточное значение между значениями при противотоке и прямотоке. Его можно рассчитать, вводя поправку _t1 к средне логарифмической разности температур для противотока, рассчитанной по формуле

t_ср=_t t_ср.лог. (12)

Эту поправку для наиболее распространенных схем взаимного направления движения теплоносителей можно рассчитать теоретически [1, с.46], либо графически [1, с.42].

В многоходовых теплообменниках с простым смешанным током (один ход в межтрубном пространстве и четное число ходов в трубном) среднюю разность температур можно рассчитать по формуле [2]

, (13)

где t_б и t_м - бульшая и меньшая разности температур на концах теплообменника при противотоке с теми же начальными и конечными температурами теплоносителей; ; Т = t_н1 - t_к1 - изменение температуры горячего теплоносителя; t = t_к2 - t_н2 - изменение температуры холодного теплоносителя.

2.4 Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплообмена определяется по формуле

, Вт/(м²град), (14)

где ₁ и ₂ - коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м²град); r_ст - сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, (м²град)/Вт.

Это уравнение с достаточной степенью точности можно применять для расчета теплопередачи через цилиндрическую стенку, если d_н/d_вн<2 (d_н,d_вн - соответственно наружный и внутренний диаметры цилиндра), что имеет место в теплообменных аппаратах.

Для предварительных расчетов площади поверхности теплообмена можно использовать ориентировочные значения коэффициента теплопередачи К, которые приведены в таблице 1.3.

Сумма термических сопротивлений стенки определяется выражением

, (15)

где _ст - толщина стенки трубы, м;

_ст - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м^.град);

r_загр - сумма термических сопротивлений загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей.

Тепловая проводимость загрязнений на стенках (1/r_загр) зависит от рода теплоносителя, его температуры и скорости, а также от материала стенки, температуры нагревающей среды и длительности работы аппарата без очистки, т.е. в конечном счете от рода осадка или продукта коррозии. Точные данные о r_загр можно получить только опытным путем.

Ориентировочные значения тепловой проводимости загрязнений приведены в таблице 4. При редких чистках аппарата или сильной коррозии значение 1/r_загр может уменьшаться до 500 Вт/(м^2.град) и ниже.

Для расчета коэффициента теплопередачи К по уравнению (1.14) необходимо определить коэффициенты теплоотдачи ₁ и ₂.

Таблица 3 - Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи К, Вт/(м^2.град)

Таблица 4 - Тепловая проводимость загрязнений 1/r_загр, Вт/(м^2.град)

Выбор уравнений для расчета коэффициентов теплоотдачи зависит от характера теплообмена, вида выбранной поверхности теплообмена, режима движения теплоносителей. Основные виды теплоотдачи в теплообменных аппаратах приведены в таблице 5.

Таблица 5 -Возможные виды теплоотдачи в теплообменных аппаратах

В общем виде критериальная зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи имеет вид

Nu = f (Re; Pr; Gr; Г₁; Г₂; …), (16)

где - критерий Нуссельта;

- критерий Рейнольдса;

- критерий Прандтля;

Г₁, Г₂, … - симплексы геометрического подобия.

Кроме указанных в критериальные уравнения могут входить

- критерий Галилея ;

- критерий Грасгофа ;

- критерий Пекле .

Эти критерии учитывают, соответственно, влияние физических свойств теплоносителя и особенностей гидромеханики его движения на интенсивность теплоотдачи.

Величины, входящие в выражения для критериев подобия, и их единицы измерения приведены в таблице 6.

Критериальные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи указанных в таблице 5 случаев теплообмена приведены в [1, с. 49-54; 2, с. 152-168; 3, с. 70-76].

Физико-химические свойства жидкости (газа), входящие в критериальные уравнения, необходимо брать при так называемой определяющей температуре. Какая температура принимается за определяющую, указывается для каждого частного случая теплоотдачи.

Таблица 6 - Величины, входящие в критериальные уравнения конвективного теплообмена

2.5 Теплопередача в поверхностных теплообменниках

Количество теплоты, переданной в единицу времени от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку поверхностью F можно определить из основного уравнения теплопередачи

Q = K^.F^.t_ср, Вт. (17)

Уравнение (1.17) применяется для расчета необходимой площади поверхности теплопередачи при известных значениях тепловой нагрузки теплообменного аппарата Q, средней разности температур теплоносителей t_ср и коэффициента теплопередачи К

, м² (18)

По рассчитанной площади поверхности теплопередачи в зависимости от назначения подбирается теплообменный аппарат по ГОСТам: 15118-79, 15119-79, 15121-79, 15120-79, 15122-79, 14245-79, 14246-79, 14247-79, 14248-79 (параметры аппаратов в соответствии с указанными ГОСТами приведены в таблицах III - VII приложения. В приложении приведены также диаметры условного прохода штуцеров (таблица VIII, число сегментных перегородок (таблица IX) и масса кожухотрубчатых теплообменных аппаратов (таблица X)). ГОСТы на теплообменные аппараты других типов приведены в [4].

2.6 Последовательность расчета и подбора кожухотрубчатого теплообменника

Рассмотрим последовательность расчета и подбора кожухотрубчатого теплообменного аппарата для нагрева органической жидкости от начальной t_2н до конечной t_2к температуры при расходе жидкости G₂ (кг/с).

В качестве горячего теплоносителя выбираем насыщенный водяной пар давлением Р (МПа) при степени сухости х.

По таблице 1 принимаем тип аппарата, выбираем материал труб - сталь; аппарат вертикальный. Нагреваемая жидкость подается в трубы, пар - в межтрубное пространство.

По таблицам теплофизических свойств нагреваемой жидкости при t_2ср = 0,5^.( t_2н+ t_2к ) определяем плотность ₂ (кг/м³), теплоемкость С₂ (кДж/(кг^.град)), вязкость ₂ (Па^.с), теплопроводность ₂ (Вт/(м^2.град)) [1].

По таблице I приложения по давлению Р (МПа) определяем температуру насыщения пара t_1н = t_1к = t_s и удельную теплоту конденсации r (кДж/кг).

По таблице теплофизических свойств воды на линии насыщения (таблица II приложения) при t_s определяем свойства конденсата: плотность (кг/м³), теплопроводность (Вт/(м^.град)), вязкость (Па^.с) [1].

Расчет кожухотрубчатого аппарата проводится следующим образом:

1 Определяем тепловую нагрузку аппарата

Q₂ = G₂ ^. C₂ ^. ( t_2к - t_2н), кВт;

2 По уравнению теплового баланса (6) определяем расход насыщенного водяного пара

, кг/с;

3 При теплообмене между теплоносителями насыщенный водяной пар конденсируется при постоянной температуре t_s; поэтому схема движения теплоносителей не влияет на величину средней разности температур. t_ср определяем либо по уравнению (10), либо (11). Расчетная схема для определения t_б и t_м изображена на рисунке 31 d.

4 По таблице 3 принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К_ор с учетом вида теплоносителей и характера их движения (в данном примере - от конденсирующегося водяного пара к органической жидкости при ее вынужденном движении);

5 По уравнению (18) рассчитываем ориентировочную площадь поверхности нагрева

, м²;

6 Принимаем диаметр труб (202,0 мм или 252,0 мм; первая цифра обозначает наружный диаметр трубы d_н, вторая - толщину стенки . Тогда внутренний диаметр трубы d_вн = d_н - 2^., мм) и длину труб l (l = 2,0; 3,0; 4,0; 6,0 м в соответствии с ГОСТом на принятый к расчету аппарат.

7 Определяем общее число труб аппаратов, шт

;

8 Число труб n₁ (шт) на один ход определяем из условия турбулентного режима движения жидкости (Re = 10 000 - 20 000). Например, ориентировочно принимаем Re_{2 ор} = 15 000. Тогда

;

9 Рассчитываем число ходов трубного пространства аппарата

;

10 По рассчитанным величинам F_ор, n, z и выбранным размерам труб (d_вн и l) в соответствии с ГОСТом подбираем аппарат с наиболее близкими параметрами: F_норм, м²; n; z;

11 Проводим проверку выбранного аппарата, определив коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара (₁) и нагреваемой жидкости (₂) по критериальным уравнениям соответствующего вида и коэффициент теплопередачи К по уравнению (14);

12 Уточняем поверхность теплопередачи (F_расч, м²) по уравнению

;

13 Определяем запас поверхности нагрева , %

.

Если запас поверхности нагрева достаточен, то аппарат выбран правильно. В противном случае расчет повторяют, приняв другой режим движения, размеры труб и др.

При выполнении расчета (пункт 10) может оказаться, что для заданных исходных величин подходят несколько нормализованных аппаратов. В этом случае необходимо проверить возможность применения каждого из них. Сопоставление конкурентно-способных аппаратов проводят с учетом их массы (таблица X приложения) и гидравлического сопротивления.

2.7 Гидравлический расчет кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

Целью гидравлического расчета является определение величины потери давления теплоносителей при их движении через теплообменные аппараты. При этом раздельно проводится расчет потери давления при прохождении теплоносителей через трубы (Р_тр) и в межтрубном пространстве (Р_мтр).

2.7.1 Расчет потери давления в трубном пространстве

Гидравлическое сопротивление трубного пространства теплообменного аппарата определяется по уравнению

, Па (19)

где _тр - скорость теплоносителя в трубах, м/с;

- коэффициент трения;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Скорость теплоносителя в трубах

, (20)

где G_тр - массовый расход (кг/с) теплоносителя, подаваемого в трубное пространство (вопрос подачи теплоносителей в трубы и межтрубное пространство рассмотрен в 2.6).

Коэффициент трения при Re_тр > 2300 можно определить по выражению

, (21)

где - относительная шероховатость труб; - высота выступов шероховатости (для стальных труб можно принять = 0,2 мм; для труб из другого материала - по таблице XII [2, с. 519] или по таблице XI приложения).

Коэффициент трения можно определить графически (рисунок 32).

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в трубном пространстве:

Рисунок 1.4 - Зависимость коэффициента трения от критерия Re и степени

_тр1 =1,5 - входная и выходная камера;

_тр2 =2,5 - поворот между ходами;

_тр3 =1,0 - вход в трубы и выход из них.

Местные сопротивления на входе в распределительную камеру и на выходе из нее следует рассчитывать по скорости потока в штуцерах _{тр шт}. Диаметры штуцеров нормализованных кожухотрубчатых теплообменников приведены в таблице VIII приложения.

, м/с

где d_шт - диаметр штуцера, м.

С учетом изложенного уравнение (19) имеет вид

, (22)

где z - число ходов по трубам.

2.7.2 Расчет потери давления в межтрубном пространстве

В межтрубном пространстве гидравлическое сопротивление можно рассчитать по формуле

.(23)

Скорость жидкости в межтрубном пространстве определяют по формуле

, (24)

где S_мтр - наименьшее сечение потока в межтрубном пространстве (см. таблицы IV…VII приложения).

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве

_мтр1 =1,5 - вход и выход жидкости;

_мтр2 =1,5 - поворот через сегментную перегородку;

_мтр3 = - сопротивление пучка труб;

Где

;

m - число рядов труб, которое приближенно можно определить по выражению с последующим округлением полученного значения в большую сторону до целой величины.

Сопротивление входа и выхода следует также определять по скорости жидкости в штуцерах, диаметры условных проходов которых приведены в таблице VIII приложения.

Число сегментных перегородок зависит от длины и диаметра аппарата. Для нормализованных теплообменников эти числа приведены в таблице IX приложения.

Расчетная формула для определения гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве имеет вид

, (25)

где х - число сегментных перегородок;

m - число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.

Примеры теплотехнического и гидравлического расчетов поверхностных теплообменных аппаратов приведены в [1, с. 66-85; 2, с. 213-246; 3, с. 104-117; 5, с. 95-153].

3. Механический расчёт теплообменника

3.1 Выбор конструкционных материалов

Для изготовления кожуха, распределительной камеры, крышек, крышек теплообменника приняли конструкционный материал, согласно ГОСТ 14637-79

Для изготовления трубной решётки теплообменника приняли конструкционный материал согласно ГОСТ 8733-74.

Маркируем теплообменник:

800 ТНГ - 0,6 - 0,4 - М - 2

25 Г -6

3.2 Механические свойства сталей

Согласно [6, с.39, 57, 66] составим таблицу 7.

Таблица 7 - Механические свойства сталей

3.3 Определение допускаемых напряжений

Допускаемое напряжение для рабочих условий , МПа. для стали B Cm 3 Сп 5 определим по таблице:

Таблица 8 - Допускаемые напряжения для сталей

^* (22)

где n - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки

^* - нормативно допускаемое напряжение, МПа

Допускаемое напряжение из условия испытания , МПа определим по формуле

(23)

где _m20 - минимальное значение предела текучести при температуре 20 ⁰С, МПа.

Таблица 9 - Предел текущей стали

3.4 Определение пробного давления испытания

Определение пробного давления испытания согласно [2, с.9]

(24)

где P_p - расчётное давление, МПа

3.5 Определение прибавки к расчётной толщине стенки

Прибавка для компенсации коррозии и эрозии определяли согласно по формуле

(25)

где С_э - прибавка для компенсации эрозии;

П - проницаемость среды в материале ( скорость коррозии)

- срок службы аппарата.

3.6 Расчёт на прочность цилиндрической обечайки

Расчётная толщина стенки цилиндрической части корпуса, определяется по формуле:

(26)

где P_p - расчётное давление, МПа;

P_и - пробное давление, МПа;

- коэффициент прочности сварного шва;

- допускаемое напряжение при рабочих условиях, МПа;

- допускаемое напряжение из условия испытания, МПа.

Коэффициент прочности сварного шва принимали по таблице 10.

Таблица 10 - Коэффициент прочности сварных швов (ц)

Исполнительная толщина стенки S, м определяется по формуле:

S=S_p+C+C₀ (27)

где S_p - расчётная толщина стенки

C - прибавка к расчётной толщине стенки. М;

C₀ - прибавка на округление размера до стандартного размера, м

По рекомендациям ОСТ 26-91 и по соображениям жёсткости конструкции принимаем S = 6мм

3.7 Определение толщины крышки

Расчётная толщина крышки S_пр определяется по формуле:

(28)

где к - коэффициент, учитывающий тип закрепления крышки.

3.8 Определение толщины трубной решётки

Толщина трубной решётки S ,м, определяется исходя из условия закрепления труб сваркой по формуле:

(29)

где d_н - наружный диаметр трубок, м;

t - шаг трубок, м

3.9 Выбор фланцевого соединения

Согласно [ 2, с.91] приняли плоские приварные фланцы типа выступ-впадина. Материал BCm 3 Сп 3

3.10 Расчёт температурных напряжений в трубах и корпусе

Расчёт ведём по формуле

(30)

где - коэффициент линейного расширения материала и труб соответственно

t_к,t_т - средняя температура корпуса и труб;

Е_к,Е_т - модуль продольной упругости материала корпуса и труб соответственно Па;

F_т,F_к - площадь сечения труб и корпуса соответственно.

F_т=n··(d_н²-d_вн²) (31)

где n- общее число труб;

d_н- наружный диаметр труб, м;

d_вн- внутренний диаметр труб, м

Площадь сечения корпуса

F_к = (Д_н²-Д_вн²) (32)

где Д_н - наружный диаметр аппарата, м;

Д_вн - внутренний диаметр аппарата, м.

Примеры технологического, гидравлического и механического расчетов теплообменных аппаратов приведены в [8].

Варианты контрольных заданий

Рассчитать и пообобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого теплообменного аппарата при следующих данных:

Литература

1 Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1991. - 496 с.

2 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. учебное пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

3 Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.

4 Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: справочник. - Изд. 2-е, перераб. и доп. Т.2. - Калуга: Изд. Н.Бочкаревой, 2002. - 1028 с.

5 Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., Химия, 1974. - 344 с.

6 Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.- Л.: Машиностроение, 1970. - 752 с.

7 Михалев М.Ф. и др. Расчет и конструирование МАХП.- Л.: Машиностроение, 1984. - 301 с.

8 Поникаров И.И., Поникаров С.И., Рачковский С.В. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): учебное пособие. - М.: Альфа-М, 2008. - 720 с.

Приложение

Таблица I - Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от давления

Пересчет в СИ: 1 кгс/см² = 9,81^.10⁴ Па.

теплообменный нефтепромышленность кожухотрубчатый фланцевый

Таблица II - Физические свойства воды (на линии насыщения)

Пересчет в СИ: 1 кгс/см²=9,81^.10⁴ Па.

Таблица III - Параметры кожухотрубных конденсаторов и испарителей* в соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15119-79 и ГОСТ 15121-79

* Испарители могут быть только одноходовыми.

** Рассчитана по наружному диаметру труб.

Таблица IV - Параметры кожухотрубных холодильников в соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79

Таблица V - Параметры кожухотрубных холодильников с плавающей головкой в соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 14246-79 и ГОСТ 14247-79

* Трубы диаметром 252 мм должны быть изготовлены из высоколегированных сталей; допускаются трубы из углеродной стали, но диаметром 252,5 мм.

** Шесть ходов по трубам может быть только у конденсаторов.

³* Данные в правых столбцах относятся к расположению труб в трубных решетках по вершинам равносторонних треугольников, остальные - по вершинам квадратов (по ГОСТ 13202-77).

Таблица VI - Параметры кожухотрубных теплообменников с U-образными трубами (по ГОСТ 14245-79)

* Рассчитана по наружному диаметру труб.

** Данные в правых столбцах к расположению труб в трубной решетке по вершинам равносторонних треугольников, остальные - по вершинам квадратов (по ГОСТ 13203-77).

Таблица VII - Параметры кожухотрубных испарителей с паровым пространством (по ГОСТ 14248-79)

* Данные в правых столбцах относятся к трубным пучкам с плавающей головкой, остальные - с U-образными трубами.

Таблица VIII - Диаметры условного прохода штуцеров кожухотрубчатых теплообменников

Таблица IX - Число сегментных перегородок в нормализованных кожухотрубчатых теплообменниках

Примечание. Числа в скобках относятся к теплообменникам с плавающей головкой и с U-образными трубами

Таблица X - Масса кожухотрубчатых теплообменников, холодильников, испарителей и конденсаторов со стальными трубами (по ГОСТ 15119-79 - ГОСТ 15122-79)

Примечание. 1. Испарители могут быть только одноходовыми из труб 252 мм.

2. Для труб длиной 1 м теплообменников и холодильников равна 174 кг при D=159 мм и 320 кг при D=273 мм.

Таблица XI - Средние значения шероховатости стенок труб

Таблица XII - Соотношение между единицами измерения