Главная | Обратная связь

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛООБМЕННИКОВ

В промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в теплообменниках. Они должны отвечать определённым общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью, обеспечивать заданные технологические условия процесса, быть просты по конструкции, компактны, обладать современным техническим и эстетическим дизайном, иметь длительный срок службы. Особые требования предъявляются к обеспечению надёжности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования режимно-технологических параметров и аварийного отклонения.

В химической технологии теплообменные аппараты довольно широко распространены, применяются в различных производствах легкой и тяжелой промышленности. Для обеспечения того или иного технологического процесса применяются различные типы теплообменных аппаратов. Основную группу теплообменных аппаратов, применяемых в промышленности, составляют поверхностные теплообменники, в которых теплота от горячего теплоносителя передается холодному теплоносителю через разделяющую их стенку. Другую группу составляют теплообменники смешения, в которых теплота передается при непосредственном соприкосновении горячего и холодного теплоносителей.

 

Теплообменные аппараты классифицируются:

1. По назначению:

а) холодильники;

б) испарители;

в) конденсаторы;

2. По конструкции:

- изготовленные из труб:

а) теплообменники «труба в трубе»;

б) оросительные теплообменники;

в) погружные змеевиковые;

г) теплообменники воздушного охлаждения;

д) из оребренных труб;

е) кожухотрубчатые теплообменники.

- с неподвижной трубной решеткой;

- с линзовым компенсатором;

- с плавающей головкой;

- с U-образными трубами.

3. По направлению движения теплоносителя:

а) прямоточные;

б) противоточные;

в) с перекрестным движением.

 

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты используются для практической реализации таких процессов, как нагревание (охлаждение), конденсация и испарение. Соответственно аппараты называются теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями.

Теплообменники предназначены для проведения процесса теплообмена между теплоносителями, которые не изменяют своего агрегатного состояния в процессе теплообмена: это газо-жидкостные и жидкостно-жидкостные аппараты для проведения процессов охлаждения и нагревания.

Холодильники предназначены для охлаждения водой или другими нетоксичными, не пожаро- и не взрывоопасными хладагентами жидких и газообразных сред. Работают, как правило, в области минусовых температур.

Конденсаторы предназначены для конденсации насыщенных паров. Обычно конденсацию осуществляют на наружной поверхности пучка труб в межтрубном пространстве. В химической промышленности для нагревания жидкостей и газов за счёт теплоты конденсации насыщенных паров чаще всего используется насыщенный водяной пар.

 

Испарители предназначены для проведения процессов испарения жидкости при кипении. При этом жидкость кипит в трубах, а в межтрубное пространство подаётся греющий агент. В соответствии со стандартом, кожухотрубчатые испарители в этом случае могут быть только одноходовыми и вертикального исполнения.

 

ХОЛОДИЛЬНИК

1. Описание конструкции и принцип работы холодильника

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники — для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред.

Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников - также и из латуни. Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали.

Рис. 1: Общая схема теплообменников

В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5, Кожух и камеры соединены фланцами.

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить 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. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции. Теплообменники жесткой конструкции применяются при сравнительно небольшой разности температур между корпусом и трубами (примерно 25–30° С) и при условии изготовления корпуса и труб из материалов с близкими значениями их коэффициентов удлинения.

Рис. 2 : двухходовой горизонтальный теплообменник с неподвижными решетками

Двухходовой горизонтальный теплообменник состоит из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1, 12) и межтрубного (штуцера 2, 10) пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.

Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды вмежтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 — круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

2. Области применения теплообменник – холодильника

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов и холодильников, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

· однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением

· диапазон давления от вакуума до высоких значений

· в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов

· удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата

· размеры от малых до предельно больших (5000 м2)

· возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта

Кожухотрубные теплообменники применяются в промышленных морозильных установках, в нефтехимической, химической и пищевой отраслях, для тепловых насосов в системах водоочистки и канализации. Ещё, они находят применение в химической и тепловой промышленности для теплообмена между жидкостными, газо- и парообразными теплоносителями в термохимических процессах, и сегодня являются наиболее широко распространенными аппаратами.

3. Преимущества и недостатки теплообменник – холодильников

Как и любой аппарат, теплообменник обладает рядами преимуществ и недостатков.

Основным, и наиболее весомым достоинством является высокая стойкость данного типа агрегатов к гидроударам. Большинство производимых сегодня видов теплообменников таким качеством не обладают.

Вторым преимуществом является то, что кожухотрубные агрегаты не нуждаются в чистой среде. Большинство приборов в агрессивных средах работают нестабильно.

А так же, кожухотрубчатые теплообменники обладают рядом другие преимуществ: надежностью кожухотрубных теплообменников в эксплуатации; кожухотрубные теплообменные аппараты с легкостью выдерживают резкие изменения температуры и давления; слабая загрезняемость аппаратов; трубы этого типа теплообменников загрязняются мало и их можно довольно легко очистить кавитационно-ударным методом, химическим, или – для разборных аппаратов- механическим способами; длительный срок службы (до 30 лет); кожухотрубные теплообменники, применяемые сегодня в промышленности, адаптированы к самым различным технологическим средам, в том числе морской и речной воде, нефтепродуктам, маслам, химически активным средам, и которые практически не снижают надежность теплообменных аппаратов.

Недостатками кожухотрубчатого теплообменника являются :

Первый, и наиболее значительный недостаток – большие размеры. В некоторых случаях от использования таких агрегатов приходится отказываться именно из-за крупных габаритов.

Второй недостаток – высокая металлоемкость, которая является причиной высокой цены кожухотрубных теплообменников.

 

ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКОВ И СПОСОБЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ

 

У теплообменников, как и у любого аппарата, есть свои неисправности. В данном случае, у кожухотрубчатого теплообменника наблюдается такие неисправности как:

1. Наличие внешней протечки.

Как правило причиной протечек теплообменников является повреждение трубок теплообменников. Он может быть обусловлен как истечением срока эксплуатации при соблюдении номинальных режимов эксплуатации, также протечки могут возникать в результате воздействия гидроударов или перегрева теплообменного оборудования.

2. Наличие внутренних перепусканий из одного контура в другой.

Причины перепусканий могут быть аналогичными указанным выше. Помимо этого неисправность может быть вызвана коррозией труб теплообменников, их механическими повреждениями. Также к подобным последствиям могут привести ошибочные действия персонал, обслуживающего теплообменное оборудование.

Так же наблюдается множество неисправностей, но основные были перечислены выше. В таблице №1 «список неисправностей и методы их устранения» приведены признаки и характеристики неисправностей, а так же пути решения проблемы.

 

ТАБЛИЦА №1: «Список неисправностей и методы их устранения»

Признак неисправности	Характеристики неисправности	Возможная причина неисправности	Способ устранения неисправности
1. Несоответствие фактических параметров теплообменника к расчетным данным	Снижение тепловой производительности и (или) увеличение гидравлического сопротивления	Фактические условия эксплуатации теплообменника не соответствуют расчетным данным	Привести фактические условия эксплуатации в соответствие с расчетными данными
Загрязнение или засорение теплообменника	Разобрать теплообменник и произвести очистку Труб
2. Видимая протечка среды из теплообменника	Видна протечка среды из теплообменника	Рабочее давление в теплообменнике больше максимально допустимого	Снизить давление до установленного рабочего значения
Потеря эластичности прокладок или их деформация	Разобрать теплообменник, выявить дефектные прокладки и их заменить. Установить и устранить причину появления дефекта прокладок.
Деформация трубы	Разобрать теплообменник, выявить дефектные трубы, произвести их правку, при невозможности правки - заменить. Установить и устранить причину деформации труб.

 

 

Продолжение таблицы № 1

Признак неисправности	Характеристики неисправности	Возможная причина неисправности	Способ устранения неисправности
3. Видимая протечка среды из теплообменника	Видна протечка среды через дренажные отверстия прокладок	Повреждение участка прокладки, входящего в дренажную полость	Разобрать теплообменник, заменить дефектные прокладки. Установить и устранить причину повреждения прокладок.
4. Невидимые течи	Смешивание сред, участвующих в теплообмене	Наличие отверстий в одной или нескольких трубах вследствие коррозии или усталостного разрушения.	Разобрать теплообменник, тщательно проверить каждую трубку. Заменить поврежденные трубки. Установить и устранить причины повреждения труб.

 

РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННИК - ХОЛОДИЛЬНИКА

Дано:

G = 20 × 10³ кг/ч

t_1н = 50 t_1к = 25

t_2н = 12 t_2к = 25

Решение:

 

Составляем схему потоков и обозначаем температуры теплоносителей:

Индекс 1 отнесем к ацетону (горячему теплоносителю), индекс 2 - к воде (холодному теплоносителю).

 

 

Определяем большую и меньшую разности температур, а также среднюю движущую силу:

 

 

Определяем средние температуры теплоносителей:

Следует заметить, что средняя температура одного из теплоносителей ищется как среднее арифметическое значение между начальной и конечной температурой только у того теплоносителя, у которого температура изменяется в теплообменнике на меньшее число градусов.

 

Тепловая нагрузка теплообменника с учетом потерь теплоты (5 %):

Q = 1,05 G₁ c₁ (t_1н - t_1к­) = 1,05 × (20000/3600) ×2262,6 × (50-25) =329962,5 Вт,

где с₁ = 0,54 × 4190 = 2262,6 Дж/(кг × К) - теплоемкость данного ацетона при средней температуре t₁ (рис. XI, [1]).

 

Расход охлаждающей воды:

,

гдес₂ = 4190 Дж/(кг × К)- теплоемкость воды при средней температуре t₂ (при температуре от 0 до 90^о С практически не изменяется).

 

Объемные расходы ацетона и воды:

 

V₁= G₁ / r₁ = 20000/(3600 × 770) = 7,215 × 10^-3 м ³/ с;

V₂ = G₂ / r₂ = 6,057/ 998 = 6,07× 10^-3 м ³/ с,

где : r₁ = 770кг/м³; r₂ = 998 кг/м³ (табл. IV, [1] );

m₁ = 0,285 ž 10 ^-3 Паžс; m₂ = 1,1ž 10 ^-3 Паžс (рис. V, [1])

(Теплофизические характеристики определяются при t₁ = 37,5 ^oC и t₂ =

= 18,5 ^oC – при средних температурах ацетона и воды соответственно).

Оценим ориентировочно значение площади теплообмена, полагая по табл. 4.8 [1] К_ор = 140 Вт/(м² ž К) (минимальное значение):

 

F_ор = = = 124m²

 

Рассмотрим кожухотрубчатый теплообменник со стальными трубами 25х2 мм.

Ацетон (1) направляем в трубное пространство, так как он дает больше загрязнений, а воду (2) - в межтрубное пространство.

Характерный линейный размер для трубного пространства - внутренний диаметр трубы, а для межтрубного пространства - наружный.