Расчет теплообменного аппарата. 7

Введение

В послании Президента страны народу Казахстана  отмечается что, чтобы не стать страной с  моно сырьевой ориентацией, мы должны ещё более опережающими темпами  развивать химию, машиностроение и  другие отрасли производств. [1 ,4]

Новые технологические установки отличаются большой производительностью, оборудование также имеет высокую единичную производительность. Это позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы на единицу продукции. Внедрение новых эффективных технологических процессов обычно связано с применением более современного оборудования, которое зачастую работает в условиях очень высоких или очень низких температур, больших давлений или глубокого вакуума, интенсивного механического или других видах износа. Казахстан должен войти в число эффективно развивающихся стран мира, создавая высокие стандарты жизни для своих граждан. Химическая промышленность охватывает большую часть продукции, вырабатываемой  в сложных отраслях народного хозяйства.

Сегодня основным источником экономического роста является эксплуатация сырьевого потенциала страны. По сравнению с 1985 годом мы сумели увеличить объем добычи углеводородного сырья на 225%, тогда как во всем мире добыча возросла менее чем в 1,3 раза. В экономику привлечено порядка 30млрд. долларов США прямых иностранных инвестиций. Инвесторы знают, что сегодня Казахстан – надежный партнер, гарантирующий стабильность и обеспечивающий взаимовыгодное сотрудничество.

  Дальнейшие усилия будут направлены на:

- укрепление  государственности, развитие Казахстана как современного демократического и правового государства;

- обеспечение  прочной стабильности в стране  и регионе, развитие регионального  и международного сотрудничества;

- динамическое  развитие экономики в соответствии  с требованиями глобализации  и развития новых технологий, с акцентом на развитие не сырьевых секторов;

- образование,  профессиональную подготовку и  социальную сферу на уровне XXI века;

- последовательное  развитие гражданского общества, обеспечение прав и свобод  граждан и т.д.; Казахстан должен войти в число эффективно развивающихся стран мира, создавая высокие стандарты жизни для своих граждан. Это, возможно, сделать, когда нация и экономика станут конкурентоспособными. Наша стратегическая задача занять достойное место в числе конкурентоспособных стран. Поэтому государства и частный сектор должны выстроить партнерские отношения, основанные на взаимном доверии и выгоде. Одним из видов химического оборудования является теплообменный аппарат.

Целью данного  курсового проекта является подбор спирального теплообменника, который необходим для конденсации паров. Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.

1 Технологическая часть

1. Краткая характеристика оборудования

 Теплообменными  аппаратами называются, аппараты, предназначенные  для проведения тепловых процессов,  применяемые для осуществления  теплообмена с целью нагревания или охлаждения одного из них. От условий проведения и характера протекания в них процессов, существуют разнообразные конструктивные оформления.

Теплообменники  по назначению различают на подогреватели, конденсаторы, охладители, испарители. Независимо от принципа действия теплообменные аппараты, применяющиеся в различных областях техники, как правило, имеют свои специфические названия. Эти названия определяются технологическим назначением и конструктивными особенностями. Однако с теплотехнической точки зрения все аппараты имеют одно назначение-передачу тепла от одного теплоносителя к другому или между поверхностью твердого тела и движущимся теплоносителем. Последние определяют те общие положения, которые лежат в основе теплового расчета теплообменного аппарата.[2, 312]

В качестве теплоносителей в зависимости от назначения  производственных процессов могут  применяться самые разнообразные  газообразные, жидкие и твердые вещества. В зависимости от целевого назначения теплообменные аппараты делятся  на подогревательные и холодильники. Если процесс проводится для сообщения тепла холодному теплоносителю, то участвующий в теплообмене горячий теплоноситель будет называться нагревающим агентом. Если же процесс состоит в отводе тепла от горячего теплоносителя, то холодный теплоноситель, которому сообщается отводимое тепло, будет называться охлаждающим агентом.

В ряде случаев  целевое назначение имеют оба  процесса - нагревание холодного теплоносителя  и охлаждение горячего. Тогда теплообменные  аппараты называют собственно теплообменника. Часто в теплообменных аппаратах в процессе теплообмена происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей: конденсация горячего или испарение холодного теплоносителя.

По принципу действия теплообменные аппараты делят  на рекуперативные (поверхностные), регенеративные и смесительные:

- рекуперативные (поверхностные),  в  которых  оба теплоносителя 
разделены стенкой, при  чем тепло передается через поверхность этой стенки;

- регенеративные, в которых процесс передачи  тепла от горячего 
теплоносителя   к   холодному   разделяется   по   времени   на   два   периода   и происходит     при     попеременном     нагревании     и     охлаждении     насадки теплообменника;  смесительные в   которых  теплообмен происходит     при непосредственном соприкосновении теплоносителей. Существенным для теплообменных аппаратов рекуперативного типа является наличие стенки из теплопроводного материала, разделяющей потоки теплоносителей. Эта стенка служат поверхностью теплообмена, через которую теплоносители обмениваются теплом. В зависимости от конструктивного выполнения поверхности теплообмена ,рекуператоры разделяют на теплообменники - кожухотрубчатые,  двухтрубчатые, змеевиковые, спиральные, оросительные, специальные - и на трубчатые выпарные аппарат.

Из всех компактных теплообменников эта конструкция  является наиболее уникальной. Типичная область их применения — это теплообмен между загрязненными потоками (пульпы, взвеси), содержащих различные механические примеси, волокна. Они с успехом  используются в тех случаях, когда пространство для размещения ограничено. Основная отличительная черта.

Рисунок 1 – Стандартный конденсатор

Спирального теплообменника заключается в его гидравлике. Постоянное изменение направления  движения потока создает значительную турбулентность, более высокую, чем в кожухотрубных теплообменниках, что ограничивает количество и скорость образования отложений и накипи. При этом в спиральных аппаратах оба канала для жидкости, сваренные отдельно друг от друга, легкодоступны для очистки после снятия крышек и извлечения спирали. Применяются спиральные теплообменники и как конденсаторы. В этом качестве их работа весьма эффективна при установке аппарата непосредственно наверху колонны, что обеспечивает использование сил гравитации в процессе конденсации. В данном случае исключается необходимость установки сливного барабана и насоса, системы напорных и сливных линий, фундамента для основания. Снижение затрат на вспомогательное оборудование позволяет в несколько раз сократить стоимость конденсатора.

Конденсация и испарение. При использовании в качестве конденсаторов спиральные теплообменники демонстрируют свою универсальность. Они являются оптимальным решением особенно в случаях конденсации смешанных паров и парогазовых смесей с инертными газами. Идеальная для этих целей геометрия плоских концентрических однопроточных каналов обеспечивает максимальное извлечение продукта.  
При конденсации возможно три варианта организации потоков: прямоток или противоток, если позволяют допустимые потери давления, поперечные потоки, а также их комбинация. Для полной конденсации пара, особенно с высокой концентрацией инертного газа, требуется достаточно большое время взаимодействия с охлаждающей средой. Это может быть реализовано в спиральном теплообменнике.

 Кроме того, конденсат  и/или инертный газ могут переохлаждаться внутри одного и того же теплообменника. Причем пар свободно проходит сквозь щелевой спиральный канал перпендикулярно плоскости спирали, а охлаждающая среда движется по полностью закрытому спиральному каналу.

Таблица1 - Области применения конденсаторов

Важным преимуществом  применения спиральных теплообменников  в качестве конденсаторов является их конструкция, позволяющая присоединять теплообменники при помощи фланцев или сварки непосредственно сверху ректификационной колонны. Такое решение часто используется при реализации многоступенчатых конденсаторов. Установка спиральных теплообменников на колонну существенно сокращает затраты на монтаж, так как сокращает до минимума работы по трубной обвязке.[9,764]

2. Назначение и краткая характеристика процессов

Процессы теплообмена  имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой  и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно. Для теплообменников наибольшее значение имеет конвективный теплообмен или теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и одновременном действии теплопроводности и конвекции. Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций.

По способу  передачи тепла теплообменные аппараты делят на: поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного материала, а в смесительных аппаратах тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В регенеративных теплообменниках теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется. Рассмотрим рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия, наиболее распространенные в промышленности.

   Спиральный  теплообменник был изобретен  в двадцатых годах прошлого  века шведским инженером Розенбладом  для использования в целлюлозно-бумажной  промышленности. Эти теплообменники  впервые позволили обеспечить  надежную теплопередачу между  средами, содержащими твердые включения. В начале семидесятых конструкция спиральных теплообменников была радикально изменена и улучшена, и приобрела значительные преимущества по сравнению с конструкцией Розенблада.

Конструкция и  принцип работы

 Два или  четыре длинных металлических листа укладываются спиралью вокруг центральной трубы, образуя два или четыре однопроточных канала. Для того, чтобы обеспечить постоянную величину зазоров к одной стороне листов привариваются разделительные шипы.

   Центральная  труба при помощи специальной перегородки разделена на две камеры, которые образуют входной и выходной коллектора. Скрученные спирали помещаются в цилиндрический кожух. Внешние концы

спиральных  листов привариваются вдоль образующей обечайки. Для выхода каналов наружу в местах фиксации краев каналов в кожухе просверливаются отверстия, которые герметично закрываются входным и выходным коллекторами с присоединительными патрубками. Движение потоков в спиральных теплообменниках происходит  по криволинейным каналам близким по форме к концентрическим окружностям. Направление векторов скоростей движения потоков постоянно претерпевают изменение. Геометрия каналов и разделительные шипы создают значительную турбулентность уже при низких скоростях потоков, при этом улучшается теплопередача и уменьшается загрязнение. Все это обуславливает компактность конструкции спиральных теплообменников, которые могут быть интегрированы с любой технологической линией, что значительно сокращает затраты на установку.

  Благодаря  прочной и жесткой цельносварной конструкции, а так же тому, что спиральные теплообменники мало подвержены загрязнению, затраты на их обслуживание сведены до минимума. Спиральные теплообменники часто  являются наиболее оптимальным и экономичным решением задач теплообмена.[3, 498]

   Поскольку  геометрия каналов может быть  изменена в широких пределах, спиральные теплообменники действительно  оптимально адаптируются к требованиям  Заказчика. Несмотря на изменяющиеся  массовые расходы и различия  в требуемых температурах, спиральный теплообменник зачастую позволяет осуществлять теплопередачу в одном и том же устройстве на разных режимах и неполной нагрузке. По сути, спиральные теплообменники представляют собой длинные щелевые однопроточные каналы, свернутые в спираль. Таким образом, в спиральных теплообменниках может быть достигнута практически любая тепловая длина взаимодействия двух сред, а значит и разность температур потоков меньше 3°С. При этом, в спиральных теплообменниках возможен нагрев или охлаждение "проблемных" технологических сред, для которых недопустимы резкие повороты потоков, провоцирующие блокировку каналов.

В спиральных теплообменниках  существует большое разнообразие вариантов  изготовления разделительных перегородок  центральной трубы. Каждый адаптирован  к выполнению определенных задач и позволяет выбрать оптимальное решение для любого применения.

   Важная  особенность конструкции предлагаемых  спиральных теплообменников —  это использование непрерывных  (цельных) металлических листов  от центральной трубы до кожуха, что позволяет практически полностью исключить сварные швы и внутри, и в труднодоступных местах теплообменников.

Рисунок 3 - Спиральный теплообменник

Из всех компактных теплообменников эта конструкция  является наиболее уникальной. Типичная область их применения — это теплообмен между загрязненными потоками (пульпы, взвеси), содержащих различные механические примеси, волокна. Они с успехом используются в тех случаях, когда пространство для размещения ограничено. Основная отличительная черта спирального теплообменника заключается в его гидравлике. Постоянное изменение направления движения потока создает значительную турбулентность, более высокую, чем в кожухотрубных теплообменниках, что ограничивает количество и скорость образования отложений и накипи. При этом в спиральных аппаратах оба канала для жидкости, сваренные отдельно друг от друга, легкодоступны для очистки после снятия крышек и извлечения спирали. Применяются спиральные теплообменники и как конденсаторы. В этом качестве их работа весьма эффективна при установке аппарата непосредственно наверху колонны, что обеспечивает использование сил гравитации в процессе конденсации. В данном случае исключается необходимость установки сливного барабана и насоса, системы напорных и сливных линий, фундамента для основания. Снижение затрат на вспомогательное оборудование позволяет в несколько раз сократить стоимость конденсатора.

При использовании  в качестве конденсаторов спиральные теплообменники демонстрируют свою универсальность. Они являются оптимальным  решением особенно в случаях конденсации смешанных паров и парогазовых смесей с инертными газами. Идеальная для этих целей геометрия плоских концентрических однопроточных каналов обеспечивает максимальное извлечение продукта. При конденсации возможно три варианта организации потоков: прямоток или противоток, если позволяют допустимые потери давления, поперечные потоки, а также их комбинация.

Для полной конденсации  пара, особенно с высокой концентрацией  инертного газа, требуется достаточно большое время взаимодействия с охлаждающей средой. Это может быть реализовано в спиральном теплообменнике. Кроме того, конденсат и/или инертный газ могут переохлаждаться внутри одного и того же теплообменника. Причем пар свободно проходит сквозь щелевой спиральный канал перпендикулярно плоскости спирали, а охлаждающая среда движется по полностью закрытому спиральному каналу.[4, 387]

Важным преимуществом  применения спиральных теплообменников  в качестве конденсаторов является их конструкция, позволяющая присоединять теплообменники при помощи фланцев или сварки непосредственно сверху ректификационной колонны. Такое решение часто используется при реализации многоступенчатых конденсаторов. Установка

спиральных  теплообменников на колонну существенно  сокращает затраты на монтаж, так  сокращает до минимума работы по трубной обвязке.

В спиральных теплообменниках  поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных  теплообменниках осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской  прокладкой. При этом    предотвращается смешение теплоносителей, а в случае не плотности прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко чистить каналы.

Если материал прокладки разрушается одним  из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон (“глухой” канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом “глухой" канал недоступен для механической очистки. Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей. Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.

Спиральные  теплообменники отличаются компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.

Недостатки  спиральных теплообменников — сложность  изготовления и ремонта, невозможность  применения их при давлении рабочих  сред свыше 10 кгс/см2.

Рисунок 4 - Спиральный теплообменник

Достоинства спиральных теплообменников:

 Высокий  коэффициент теплообмена достигающий  3820 ккал/м2 х ч х oС, что  в 2-3 раза выше, чем у трубчатых  теплообменников.

 Надежная  конструкция, благодаря герметизации каждого из двух проходов, встречные потоки не смешиваются.

 Спиральные  таплообменники (СТ) занимают гораздо  меньшую площадь по сравнению  с трубчатыми теплообменниками.

 Спиральные  теплообменники отличаются компактностью,  малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.

 Возможность само отчистки. Их легко обслуживать.[5, 587]

1.3 Описание схемы процесса

Рисунок 5 - Схема спирального теплообменника

В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных теплообменниках осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом предотвращается смешение теплоносителей, а в случае не плотности прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко чистить каналы. Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон (“глухой” канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом “глухой" канал недоступен.  Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей.  
     Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами,

прижимаемыми, силой внутреннего давления к выступам в крышке.      Спиральные теплообменники отличаются компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей. 

Теплообменные аппараты с радиально-спиральным ходом  среды конструкции «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ»  

Теплообменный аппарат спирально-радиального типа может быть использован для проведения процессов теплообмена жидких и газообразных сред в теплоэнергетике, химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности. На схеме изображен теплообменный аппарат новой конструкции. Теплообменные поверхности формируются из попарно сваренных по контуру рифленых или плоских листов. В сечении, перпендикулярном оси аппарата, листам придается форма спирали Архимеда. Попарно сваренные листы образуют внутренние полости, которые сообщаются с входом и выходом одного из потоков среды, а внешние поверхности листов образуют внешние полости, сообщенные с входом и выходом другого потока среды. Рифленые листы, развернутые на 180°, плотно прилегают друг к другу. Гидравлическое сопротивление потоков среды в теплообменнике новой конструкции ниже, чем в традиционно применяемых теплообменниках. Конструкция аппарата позволяет создавать теплообменные аппараты на заданную потерю давления.   Такая конструкция теплообменного аппарата примерно в 2…3 раза компактнее и легче пластинчатых теплообменников и в 7…10 раз - кожухотрубных теплообменников. Теплообменники со спиралеобразными формами рифленых теплообменных поверхностей можно использовать при больших перепадах давлений и температур теплообменных сред. При формировании теплообменных поверхностей теплообменника из плоских спиралеобразных листов возможно проведение процесса теплообмена газа или жидкости, содержащей взвеси твердых частиц.[6, 150]

1.4 Процесс конденсации

Конденсация (от позднее лат. condensatio - уплотнение, сгущение), переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое при до критических параметрах; фазовый переход первого рода. Конденсация - экзотермический процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода - теплота конденсация Конденсированная фаза может образовываться в объеме пара или на поверхности твердого тела и жидкости, имеющих более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении . Конденсация происходит при изотермическом сжатии, адиабатическом расширении и охлаждении пара или одновременном понижении его давления и температуры, которое приводит к тому, что конденсированная фаза становится термодинамически более устойчивой, чем газообразная. Если при этом давление и температура выше, чем в тройной точке для данного вещества, образуется жидкость (сжижение), если ниже - вещество переходит в твердое состояние, минуя жидкое (десублимация).

Конденсация широко применяется  в химической технологии для разделения смесей посредством конденсации фракционной, при сушке и очистке веществ и др., в энергетике, например в конденсаторах паровых турбин, в холодильной технике для конденсация рабочего тела, в опреснительных установках и др. При конденсации паров в узких порах адсорбентов последние могут поглащать значительное кол-ва вещества из газовой фазы . Следствие конденсация водяного пара в атмосфере - дождь, снег, роса, иней.

Конденсация в жидкое состояние. В случае конденсации в объеме пара или парогазовой смеси (гомогенная конденсация) конденсированная фаза образуется в виде мелких капель жидкости (тумана) или мелких кристаллов. Для этого необходимо наличие центров конденсация, которыми могут служить очень мелкие капельки жидкости(зародыши), образующиеся в результате флуктуации плотности газовой фазы, пылинки и частицы, несущие электрические заряд (ионы). При отсутствии центров конденсация пар может в течение длительного времени находиться в так называемом метастабильном (пересыщенном) состоянии. Устойчивая гомогенная конденсация начинается при так называемом критическом пересыщении П_кp=p_к/p_н где р_к - равновесное давление, соответствующее критическому диаметру зародышей, р_н - давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости (напр., для водяного пара в воздухе. очищенном от твердых частиц или ионов. П_кр=5-8). Образование тумана наблюдается как в природе, так и в технологических аппаратах, например при охлаждении парогазовой смеси вследствие лучеиспускания, смешении влажных газов.

Конденсация на поверхности твердого тела насыщенного или перегретого пара происходит при температуре поверхности, которая меньше, чем температура насыщения пара при его равновесном давлении над ней. Наблюдается во многих промышленных аппаратах, которые служат для конденсации целевых продуктов, подогрева различных сред, разделения паровых и парогазовых смесей, охлаждения влажных газов и т.д. При сжижении пара на поверхности твердого тела, хорошо смачивающейся конденсатом, образуется сплошная пленка жидкости (пленочная конденсация); на поверхности, не смачивающейся конденсатом или смачивающейся частично, - отдельные капли (капельная конденсация); на поверхности с не однородными свойствами (например, на полированной металлической с окисленными загрязненными участками) - зоны, покрытые пленкой конденсата и каплями (смешанная конденсация).

При пленочной конденсации  чистых паров неметаллов коэффициент  теплоотдачи определяется в основном термическим сопротивлением пленки конденсата, которое зависит от режима ее течения. Последний в случае практически неподвижного пара определяется числом Рейнольдса пленки: Rе_пл=wd/v_к, где w, d - соотв. средняя по сечению скорость и толщина пленки конденсата, v_к - кинематическая вязкость конденсата. Для конденсация на вертикальной пластине или трубе при Rе_пл менее 5-8 течение пленки чисто ламинарное, при превышении этих значений Rе_пл - ламинарно-волновое, при Re_пл>>350-400 - турбулентное. На вертикальных поверхностях значительные высоты могут наблюдаться области с различными режимами течения пленки конденсата. При ламинарном течении увеличение Re_пл с возрастанием толщины пленки приводит к уменьшению коэффицент теплоотдачи, при турбулентном течении - к его увеличению. Если пар перегрет, конденсация сопровождается конвективной теплоотдачей от пара к конденсату, температура поверхности которого практически равна температуре насыщения при давлении пара. Для веществ с большой теплотой конденсация (напимер, вода, спирты) теплота перегрева обычно незначительна по сравнению с теплотой конденсация, и ею можно пренебречь.