Расчёт теплообменника с плавующей головкой

     На химических и нефтеперерабатывающих заводах, имеющих хорошо оснащённые ремонтно-механические базы, некоторый объём работ по сооружению отдельных объектов (обычно носящих характер реконструкции) выполняются собственными силами – так называемым хозяйственным способом.

     Повышение эффективности теплообменных процессов, основанных на применении традиционных методов энергоотвода, связанно с большими трудностями, так как возможности уже во многом исчерпаны.

   Одним из перспективных  направлений является использование энергии излучения электромагнитного поля в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) в качестве источника тепловой энергии.

СВЧ – нагрев относится к процессам  с так называемым внутренним источником теплоты, каким является СВЧ –  волна, проникающая в объект нагрева.

     Энергия  электромагнитных колебаний преобразуется  в тепловую непосредственно внутри  продукта. Это обеспечивает высокую  скорость

нагрева, безынерционность управления процессами, исключает опасность  повреждения поверхностного слоя вещества.

     Использование СВЧ  – нагрева эффективно для размораживания  различных сред, в том числе  биологических.

     Сравнительно новым  современным тепловым техническим  устройством является – метод  тепловой трубы ( ТТ ). Тепловая  труба – испарительно – конденсатная система с двухфазным теплоносителем, в которой для возврата конденсата используются силы поверхностного натяжения. Труба состоит из герметичного корпуса, внутренние стенки которого выложены фитилём капиллярной структуры. Фитиль заполнен жидким теплоносителем, в свободном объёме внутренней поверхности находится паровая фаза теплоносителя.  Тепловой поток передаётся путём непрерывной циркуляции испаряющегося  и конденсирующегося теплоносителя. В результате испарения жидкости в зоне подвода теплоты и конденсации пара в зоне конденсации (отвод теплоты) возникает перепад давления между концами трубы, пар перемещается вдоль трубы, переносит поглощённую им теплоту. Возврат конденсата происходит по капиллярам фитиля под действием поверхностного натяжения. 

    Применение ТТ даёт существенный экономический эффект. В США и Японии разрабатываются керамические теплообменники на ТТ, в которых теплоносителями служат Na, K, Li. Керамики (SiC, Si₃N₄, MgO,Al₂O₃) используются или как материал корпуса, или как внешнее покрытие, нанесённое на металл и предохраняющее его от коррозии. Для предотвращения взаимодействия керамики со щелочными металлами на внутренние поверхности труб напыляется ниобий.

     Высокотемпературные  ТТ, работающие при температурах  до 1500 °С, используются в химической промышленности, металлургии и ядерной энергетики, где они применяются в системах отвода теплоты из активной

зоны.

 

     Теплообменные аппараты с витыми теплообменными элементами Теплообменники «ХЕЛИКСЧЕНДЖЕР» ОАО «Дзержинскхиммаш» обладает лицензией на изготовление кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, разработанных АББ  ЛУММУС ХИТ ТРАНСФЕР, запатентованных как «Хеликсченджер».

 

     Принцип работы: Теплообменник «Хеликсченджер» представляет собой кожухотрубчатый теплообменник с геликоидными перегородками в межтрубном пространстве. Каждая перегородка представляет собой приблизительно сегмент, размером в одну четверть круга, с определенным углом наклона по отношению к осевой линии теплообменника. Следующие друг за другом перегородки расположены таким образом, чтобы создать в межтрубном пространстве условия непрерывного змеевикового потока с режимом, близким к поршневому.

 

Рисунок 1 Расположение перегородок в обычном теплообменнике

 

     Теплообменник «Хеликсченджер»

 

 

Рисунок 1.1 Расположение перегородок  в теплообменнике «Хеликсченджер»

 

     По сравнению со стандартными кожухотрубчатыми теплообменниками с перпендикулярными сегментными перегородками, «Хеликсченджер» предлагает следующие преимущества:

- увеличенный коэффициент теплопередачи / сокращенный    выброс СО₂   вследствие измененного коэффициента перепада давлений;

- возможное уменьшение сумм вложений;

- сокращение загрязнения;

- уменьшенная опасность вибраций и, вследствие этого, более высокая безопасность;

- уменьшенная стоимость техобслуживания;

- увеличенная продолжительность работы.

     Сфера применения:

     Теплообменники « Хеликсченджер» находят лучшее применение в сферах, где решающую роль играет коэффициент теплопередачи в межтрубном пространстве, а также в условиях, где особое внимание уделяется загрязнению межтрубной зоны теплообменника и перепаду давлений.

     В качестве среды  для межтрубной зоны в виде  однофазного или двухфазного  потока могут выступать вещества  от газа, обогащенного водородом,  до воды или вязких жидкостей,  обладающих высокой тенденцией  к засорению межтрубного пространства.

     Возможна разработка теплообменников «Хеликсченджер» с кожухами по стандарту ТЕМА Е, J или специальными многоходовыми кожухами с многоходовыми трубными пучками.

 

 

     Данные теплообменники используются  в нефтеперерабатывающей, нефтехимической  и энергетической промышленности, для целлюлозно-бумажной и пищевой отраслей промышленности, к примеру:

- масляные теплообменники;

- газовые теплообменники;

- водоохладители;

- компрессорные добавочные охладители;

- газожидкостные теплообменники;

- сырьевые теплообменники реактора;

- конденсаторы;

- ребойлеры

Рисунок 1.2 Движение потоков в теплообменнике

 

      Теплообменники « Хеликсченджер» можно использовать как при разработке совершенно новых проектов, так и для модернизации существующих производств. В зависимости от предполагаемого уменьшения производственной площади и энергозатрат, более низкого перепада давлений и соответствующих вложений, будут оптимизированы новые конструкции.

     По требованию можно провести сравнение с обычными (стандартными) конструкциями HTRI/HTFS. В целях реконструкции можно использовать имеющиеся кожухи, но заменить лишь трубный пучок, в результате увеличивая теплообменную способность и /или термический кпд с последующим снижением частоты проведения работ по техобслуживанию и ремонту, а в некоторых случаях и времени простоя оборудования. 

     Потенциальные преимущества  теплообменника                           «Хеликсченджер» в отношении  производительности межтрубного пространства в теплообмене типа "вода-вода":

- увеличение теплопередачи в 1, 8 раз

- снижение перепада давлений в 4, 5 раз

    2 Расчётная часть

    2.1 Выбор материалов  узлов, деталей аппарата по  данным технологических   условий

 

     Исходя из условий, в которых работает различное оборудование нефтеперерабатывающих заводов, к конструктивным материалам, применяе -

мым для его изготовления, могут быть предъявлены следующие  требования:

1. высокая механическая  прочность;

2. высокая коррозионная стойкость;

3. жаростойкость;

4. жаропрочность;

5. стойкость к высоким  и низким температурам;

6. стойкость к знакопеременным  нагрузкам.

     Требования  к эксплуатационным свойствам  аппарата определяются агрегатным  состояния перерабатываемого или  хранимого вещества (твёрдое, жидкое, газообразное), его агрессивностью по отношению к выбранному конструкционному материалу, токсичностью, температурой, давлением, при которых осуществляются процессы. В то же время конструкция аппарата должна обеспечить требуемую производительность, установленную для того технологического узла, составной частью которого он является.

     На основании  технических требований, предъявляемых  к узлам и деталям этого  аппарата, сначала выбирают конструкционный  материал, обеспечивающий необходимые: стойкость и прочность. Необходимо учитывать также стоимость материала, его технологичность, т.е. податливость к обработке и сварке, и необходимость максимального облегчения операций, связанных с монтажом и ремонтом оборудования в целом и отдельных узлов и деталей. При конструировании оборудования необходимо максимально использовать стандартизованные и нормализованные детали, и целые узлы.

     Аппараты  для нефтехимических производств  изготавливают главным образом  сваркой; исключения составляют  кованые аппараты, работающие при очень высоких давлениях. Поэтому применяемый конструкционный материал должен обладать хорошей свариваемостью.

      Основным  конструкционным материалом для  аппаратов нефтехимических производств  являются стали, поставляемые  в виде листового и сортового проката, труб, поковок или отливок. Применяют также чугун и цветные металлы. Неметаллические материалы, в том числе полимерные, в качестве конструкционных применяют редко; они служат в основном для облицовки или футеровки аппарата или отдельных узлов и деталей.

      Все  детали аппарата, учитывая условие  и параметры работы изготовлены

из стали 12Х18Н10Т.

 

 

     2.2 Исходные данные для расчёта

 

Для расчёта заданного  аппарата имеем следующие данные:

 

Внутренний диаметр  обечайки D_н = 1200 мм

 

Внутренний диаметр  днища D_в = 1158 мм

 

Давление рабочее в  трубном пучке и корпусе Р_р = 1,6 МПа

 

  Таблица 2.1 Температура рабочей среды

 

		Трубное пространство	Межтрубное пространство
Температура расчётная		150°С	150°С
Температура рабочая	Вход	40°С	125°С
Температура рабочая	Выход	105°С	60°С

 

Допускаемое напряжение материала корпуса при расчётной  температуре       [σ ] = 168 МПа [см. табл.7.33]

 

Допускаемое напряжение материала эллиптического днища  при расчётной температуре [σ ] = 168 МПа [см. табл.7.33]

 

Допускаемое напряжение материала полусферического днища  при расчётной температуре [σ ] = 168 МПа [см. табл.7.33]

 

Допускаемое напряжение материала трубного пучка при  расчётной температуре [σ ] = 168 МПа [см. табл.7.33]

 

Высота выпуклой части днища без учета цилиндрической части H_д = 146 мм

 

Прибавка на коррозию С = 2 мм

 

Коэффициент сварного шва φ = 0,9 [см. табл.7.38]

 

Среда: 15% МЭА (моноэтаноламин) жидкость, коррозионная

 

В зависимости от температуры, давления и среды в теплообменнике выбираем сталь для обечайки 12Х18Н10Т.

  

 

 

     2.3 Расчёт толщины стенки обечайки

 

     Определяем расчётную толщину стенки обечайки корпуса по формуле:

                                          

, мм                                (2.1)

где,  Р_р – расчетное давление, МПа

   С – прибавка на коррозию, принимаем с учётом округления, С = 2 мм             

   D_в – внутренний диаметр, мм

        φ = 0,9 мм

   [σ] = 168 МПа

 

Рисунок 2.1 Корпус теплообменника

  Конструктивно  принимаем S = 12 мм

     Определяем предельно допускаемое  давление по формуле:

                                         

                         (2.2)

[P] > P_р; 2,77 > 1,6 – Условие прочности выполнено.

      Определяем допускаемые  напряжения по формуле:

                                                                   (2.3)

Условие прочности  выполняется, т.к. 186,2 > 168 МПа

 

    

 

     2.4 Расчёт днища

 

 

 

Рисунок 2.2 Эллиптическая крышка теплообменника

Из типов днищ плоских  эллиптических и сферических  для данного условия

принимается эллиптическое.

     Определяем расчётную толщину днища:

, мм                                   (2.4)

 

Конструктивно принимаем S = 12 мм

     Определяем допускаемое давление для принятой толщины днища по формуле:

                                   

                                      (2.5)

[P] > P_р; 2,77 > 1,6 – Условие прочности выполнено

 

 

     2.5 Расчёт трубной решётки

 

     При расчётах на прочность трубную решётку рассматривают как перфорированную пластину, закреплённую по периметру, на которую действуют нагрузки от температурных удлинений и давления теплоноси-

телей в трубках  пучка и межтрубном пространстве.

 

     Определяем толщину трубной решётки с учётом закрепления трубок с

обваркой  торца и развальцовкой для  теплообменников с плавающей  головкой:

 

                                                                     (2.6)

 

где, D_пс – средний диаметр прокладки, D_сп = 1,25 м, (см.л.23)

      P_р = 1,6 МПа

        t – шаг отверстий в решётке, м

        ψ – коэффициент ослабления  решётки отверстиями

 

где, d_н – наружный диаметр трубки, d_н = 25 мм