Расчет теплообменного аппарата

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

 

Среды	Жидкости, суспензии, жидкости, содержащие волокна и твердые частицы, вязкие жидкости, неньютоновские жидкости, включая различные гидросмеси, растворы полимеров и сточные воды, пары с инертными газами и без них
Задачи	Охлаждение, нагрев, рекуперация тепла, (вакуумная) конденсация, испарение, термосифон, ребойлер
Применяются в следующих отраслях промышленности	Нефтехимия, химия, пищевая и фармацевтическая промышлен- ность, производство растительного масла, водоподготовка и водоочист- ка, целлюлозно-бумажная, метал- лургическая и горнодобывающая промышленность

 

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.