Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола (стр. 3 из 6)
Теплообменники с U-образными трубами (рисунок 4) применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20X2 мм. Кожухотрубчатые испарители с трубными пучками из U-образных труб или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью. В этих аппаратах, всегда расположенных горизонтально, горячий теплоноситель (в качестве которого могут быть использованы газы, жидкости или пар) движется по трубам. Кожухотрубчатые испарители могут быть с коническим днищем (рисунок 5) диаметром 800—1600 мм и с эллиптическим днищем диаметром 2400—2800 мм. Последние могут иметь два или три трубных пучка. Допустимые давления в трубах составляют 1,6—4,0 МПа, в кожухе — 1,0—2,5 МПа при рабочих температурах от —30 до 450°С, т. е. выше, чем для испарителей с линзовым компенсатором.
1 — распределительная камера, 2 — кожух, 3 — теплообменные трубы, 4 — перегородка с сегментным вырезом, 5 — штуцер
Рисунок 4 – Кожухотрубчатый теплообменник с U образными трубами
Наибольшей компактностью отличаются пластинчатые теплообменные аппараты; их удельная рабочая поверхность достигает 1500 м2/м3.
В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин Эти аппараты могут быть разборными, элуразборными и неразборными (сварными) В пластинах разборных теплообменников (рисунок 6) имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных термостойких резин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом, что благодаря прокладкам между ними образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов. Неподвижная плита крепится к полу, пластины и подвижная плита закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении (сверху вниз или наоборот), составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках.
1 — кожух, 2 — трубчатая решетка плавающей головки, 3 — теплообменные трубы, 4 — неподвижная трубная решетка, 5 — распределительная камера 6 — крышка распределительной камеры, / — люк для монтажа трубного пучка, // — выход остатка продукта, /// — дренаж, IV — вход жидкого продукта V — выход газа или жидкости (теплового агента), VI — вход пара или жидкости (теплового агента), VII — выход паров продукта, VIII — люк
Рисунок 5 – Кожухотрубчатый испаритель с паровым пространством
Широкое применение получили пластинчато-ребристые теплообменные аппараты компактность которых достигает 2000 м2/м3. Большими достоинствами этих аппаратов являются: возможность осуществления теплообмена между тремя, четырьмя и более теплоносителями; наименьший вес и объем (следовательно, и стоимость) по сравнению с другими аппаратами. По своему устройству пластинчато-ребристые теплообменники представляют собой набор тонких пластин, между которыми располагаются тонкие гофрированные листы, припаянные к каждой пластине. Таким образом, образуются сребренные поверхности теплообмена, а теплоноситель разбивается на ряд мелких потоков. Аппарат может быть собран из любого числа пластин, а теплоносители могут двигаться либо прямотоком, либо перекрестным током.
1 — неподвижная плита, 2 — теплообменная пластина, 3 — прокладка, 4 — концевая пластина, 5 — подвижная плита
Рисунок 6 – Пространственная схема движения теплоносителей (а) и условная схема компоновки пластин (б) в однопакетном пластинчатом разборном теплообменнике
1.3 Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса теплообмена
Теплообмен является одним из важнейших процессов как в живой природе, так и для технологических производств. Поэтому немало было разработано и разрабатывается по сей день теплообменных установок, разнообразных методов проведения и контроля теплообменных процессов.
К современному теплообменному оборудованию относят теплообменник который был изобретён в 1998 году Плоским А.А., Банниковым Н.В., Громовым А.П., Суворовым А.П. и Федоровым Н.Н. (акционерное общество открытого типа "Чебоксарский завод промышленных тракторов"). Изобретение может быть использовано в теплообменниках для нагрева теплом газов жидкого теплоносителя. Изобретение позволяет компенсировать сердцевины теплообменников из сравнительно дешевых штампованных пакетов, обеспечивающих удобство их чистки в эксплуатации и должную турбулизацию теплоносителей.
Задачей данного изобретения является создание теплообменника, исключающего сварку при изготовлении пакетов сердцевины, а также обеспечивающего удобство чистки их в условиях эксплуатации и должную турбулизацию теплоносителей.
Поставленная задача достигнута здесь благодаря тому, что пакеты теплообменника, содержащего корпус с состоящей из штампованных пакетов сердцевиной и патрубками для подвода теплоносителей в соответствующие полости для вывода их из тех же полостей, выполнены в виде бесшовных труб с прямоугольными торцами, соседние боковые стороны которых совмещены друг с другом, а полости теплоносителей внутри пакетов и между ними образованы волнообразными углублениями на сплющенных боковых поверхностях пакетов, крайние из которых образуют боковые стенки корпуса. Указанная совокупность отличается от прототипа и не обнаружена среди аналогичных теплообменников — аналогов в тракторной отрасли техники. Более подробное описание данного теплообменника представлено в приложении А.
Государственная морская академия им. адм. С.О. Макарова (Овсянников М.К., Петухов В.А.) в 1998 году разработала способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата. Изобретение предназначено для использования в теплотехнике и металлургии. Применение предлагаемого способа в практике эксплуатации судовых теплообменных аппаратов позволит объективно и достаточно точно оценить эффективность работы теплообменных аппаратов и определить периодичность их профилактической чистки и других работ по техобслуживанию, снизить затраты и повысить эффективность технической эксплуатации теплообменных аппаратов различного типа и назначения, более качественно выполнять работы по их совершенствованию на стадии проектирования и технологии изготовления.
Это способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата (ТА), включающий измерение входных и выходных значений температуры теплообменных сред, вычисление коэффициента тепловой эффективности ТА (теплового КПД ТА), отличающийся тем, что измеряют одновременно разности значений температур обоих теплоносителей ∆tmax и ∆tmin в установившемся режиме работы ТА, после чего вычисляют et по формуле:
et= 1 – (∆tcp/∆tmax) , (15)
где:
∆tcp= (∆tmax– ∆tmin)/(ln(∆tmax/∆tmin)), (16)
et — коэффициент тепловой эффективности ТА;
∆tmax— максимальная разница значений температур теплоносителей на входе ТА;
∆tmin — минимальная разница значений температур теплоносителей на выходе из ТА;
и сравнивают его значения с критическим, добиваясь выполнения условия
et ³ etkp,(17)
Более подробное описание данного способа контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата. представлено в приложении Б.
2 Расчет холодильника первой ступени
Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубном пространстве, которого охлаждается со 160 до 110,8 °С толуол, с заданным массовым расходом GА = 2,92 кг/с.
В качестве охлаждающего теплоносителя применяем воздух под давлением P = 0,15 МПа.
2.1 Определение тепловой нагрузки
Тепловая нагрузка со стороны толуола рассчитывается следующим образом:
QА= GА∙cА∙( TА2-TА1 ), (2.1)
где GА ─ массовый расход толуола, кг/с; cA = 1530,8 Дж/кг·К ─ теплоемкость толуола, при его температуре tA= 135,4 °С [3].
QА= 2,92∙1530,8∙(160-110,8) = 219920,85 Вт.
2.2 Определение расхода и тепловой нагрузки воздуха
Тепловую нагрузку со стороны воздуха примем равной тепловой нагрузке со стороны толуола c учетом потерь тепла в окружающую среду:
QВ = β∙QА, (2.2)
где β ─ коэффициент, учитывающий потерю тепла (примем его равным ─ 0,95).
QВ = 0,95∙219920,85 = 208924,8 Вт.
GВ = QВ/[cВ∙( TВ2-TВ1 )], (2.3)
где GB ─ массовый расход воздуха, кг/с; cВ = 1007,3 Дж/кг·К ─ теплоемкость воздуха, при его температуре tB = 42,5 °С [3].
GВ = 208924,8 /[1007,3∙(60-25)] = 5,9 кг/с.
2.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей
Принимаем схему движения теплоносителей ─ противоток.
Тогда разность температур на входе ─ Δtвх и на выходе ─ Δtвых из теплообменника соответственно равны:
Δtвх = |ТА1-ТВ2| = |160-60| = 100 °С;
Δtвых = |ТА2-ТВ1| = |110,8-25| = 85,8 °С.
Средняя разность температур теплоносителей:
Δtср = (Δtвх + Δtвых)/2, (2.4)
Δtср = (100 + 85,8)/2 = 92,9 °С.
2.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника