Теплообменные аппараты

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

 

Вид и тип аппарата		Условное давление, МПа		Допустимая температура, оС	Рабочая среда, теплоноситель
		в трубном пространстве	в меж-трубном пространстве		в трубном пространстве	в межтрубном пространстве
Кожухо-трубчатые	ТН	0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0	0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0	от –30 до +350	Жидкость, газ, пар, загрязненные Коррозионные, высокого давления и температуры	Газы при низких давлениях, чистые

 

 

Продолжение таблицы 1

	ТК	0,6; 1,0; 1,6; 2,5	0,6; 1,0; 1,6			Жидкости, конденсирующиеся пары
	ТП	1,6; 2,5; 4,0; 6,4	1,6; 2,5; 4,0; 6,4	от +30 до +450		Загрязненные жидкости и газы
	ТУ	1,6; 2,5; 4,0; 6,4	1,6; 2,5; 4,0; 6,4	от –30 до +350		Чистые жидкости, кипящие жидкости
Спиральный		До 1,0		от –20 до +200	Чистые жидкости и конденсирующиеся пары
Пластинчатый		До 1,0		от +20 до +140	Жидкости с твердым осадком, растворы солей, щелочей, кислоты
Воздушного охлаждения		0,6; 2,5; 6,4		от –40 до +475	Загрязненные жидкости, конденсирующиеся пары	Атмосферный воздух

 

Таблица 2 – Сравнительная характеристика теплообменных аппаратов различных типов

Тип теплообменников	Простота и легкость изготовления	Возможность осуществления чистого противотока	Достижение высоких скоростей		Легкость очистки		Доступность для осмотра и ремонта	Поверхность нагрева на единицу объема, м2/м3	Расход металла кг/м2	Относительный расход металла на единицу передаваемой теплоты
			в трубах	в межтрубном пространстве	труб	межтрубного пространства
Кожухотрубные:   одноходовые   многоходовые   батарейные	´ – ´	+ – +	– + +	– ´ ´	+ + +	– – –	´ ´ ´	18-40 18-40 7-16	35-80 35-80 35-80	1 1 1
Типа «труба в трубе»	+	+	+	+	+	–	´	4-15	175	1,5-4,5
Погружные	+	–	+	–	–	+	+	4-12	90-120	1,0-6,5

 

Продолжение таблицы 2

 

Оросительные	+	–	+	не требуется	–	+	+	3-6	45-60	0,45-2,0
Спиральные	–	+	+	+	´	´	–	34-72	30-50	0,2-0,9
Пластинчатые:   с гладкими листами   штампованный   волнистый с ребрами	´	+	+	+	+	+	´	10-60   300-600 600-1800	5-20   5-10 2-4
Примечание. В таблице приняты обозначения: «+» – соответствие требованиям; «´» – частное соответствие требованиям; «–»– несоответствие требованиям.

 

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

z – число ходов; n – общее количество трубок; d – диаметр трубок; l – длина трубок; D – диаметр кожуха; Fнорм – поверхность нормализованного аппарата

Рисунок 29 – Схема расчета теплообменного 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 + Qпот.     (2)

Здесь Q1 – количество теплоты, отданной горячим теплоносителем, Вт; Q2 – количество теплоты, сообщенной холодному теплоносителю, Вт; Qпот – 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(t1н – t1к) = G2C2(t2к – t2н),   (3)

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

t1н; t1к – температура горячего теплоносителя на входе (начальная температура t1н) и на выходе (конечная температура t1к), град;

t2н; t2к – то же самое для холодного теплоносителя;

С1 – удельная теплоемкость горячего теплоносителя при средней температуре tср1, кДж/(кг . град);

С2 – то же самое для холодного теплоносителя при tср2.

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 = Qпер + Qконд + Qохл.    (7)

Здесь Qпер = G1Cп(t1н – tнас) – количество теплоты, отдаваемой при охлаждении перегретого пара; Qконд = G1r – количество теплоты, отдаваемой при конденсации пара; Qохл = G1Cж(tнас – t1к) – количество теплоты, отдаваемой при охлаждении конденсата; tнас – температура насыщенного пара; Сп – теплоемкость пара; Сж – теплоемкость конденсата.

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

   tср i = , i = 1, 2.     (8)

Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей определяется из уравнения

tср i = tj ± Dtср,     (9)

где tj – среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена;