Проект розрахунку кожухотрубного теплообмінника безперервної дії (стр. 3 из 8)
1.2 Фізичні основи процесу, описування технологічної схеми
Схема однокорпусної випарної установки показана на рис. 1.7. Початковий розбавлений розчин із збірки Л відцентровим насосом К подається в теплообмінник М, де підігрівається до температури, близької до температури кипіння, а потім у випарний апарат І, з якого упарений розчин поступає в збірку Ж, звідки відцентровим насосом З подається споживачу. Випарний апарат і теплообмінник обігріваються гріючою парою, що поступає з котельної.
Вакуум у випарному апараті створюється за рахунок конденсації вторинної пари, що поступає в низ випарного апарату, при їх охолоджуванні водою в барометричному конденсаторі В і відсмоктування газів, що не конденсуються, вакуумом-насос Д. Для виключення попадання у вакуум-насос крапель води перед ним встановлюється пастка Б. Суміш охолоджуючої води і конденсату виводиться з конденсатора за допомогою барометричної труби з гидрозатвором Г. Конденсат гріючої пари з випарного апарату і теплообмінника виводиться через конденсатовідвідучі і прямує в котельну або на технологічні потреби.
Схема автоматизована. Система управління випарною установкою повинна забезпечити необхідну продуктивність установки при заданій концентрації кінцевого продукту. У зв'язку з цим основними регульованими параметрами є:
1) концентрація готового продукту;
2) температура початкового розчину після теплообмінника М перед подачею його у випарний апарат;
3) рівень у випарному апараті.
1.3 Техніко-економічне обґрунтування і описання переваг конструкції
В поверхневих теплообмінниках обидва теплоносії розділено стінкою і теплота передається через стінку від одного теплоносія до іншого.
Поверхневі теплообмінники — найпоширеніші.
Кожухотрубні теплообмінники застосовуються тоді, коли потрібна велика поверхня теплообміну, тобто для випаровування і конденсації теплоносіїв в різних технологічних процесах, а також для нагрівання і охолоджування рідин і газів. В більшості випадків пара (гарячий теплоносій) вводиться в міжтрубний простір, а рідина, що нагрівається, протікає по трубах. Забруднені потоки (наприклад, запорошені гази або суспензії) слід направляти в трубки, а не в міжтрубний простір (оскільки трубки легше очищати).
Кожухотрубчатий теплообмінник (рис. 1.7) є апаратом, що складається з пучка труб 4, жесткозакріплених в трубних гратах 3 і обмежених кожухом 1 і кришками 2 з штуцерами. Кришки і труби утворюють трубний простір, а між кожухом і зовнішньою поверхнею труб є міжтрубний простір.
Трубний і міжтрубний простори, по яких рухаються теплоносії, розділені між собою поверхнею теплообміну, причому кожне з них може бути поділений перегородками на декілька ходів (на рис. 1.8 зображений багатоходовій теплообмінник, який має два ходи по трубному простору). Перегородки встановлюються з метою збільшення швидкості руху теплоносіїв і інтенсивності теплообміну. В цих апаратах за допомогою перегородок в кришках труби діляться на секції, які послідовно проходить рідина. Число труб в секціях однаково. В багатоходовому теплообміннику в порівнянні з одноходовим тій же поверхні швидкість і коефіцієнт тепловіддачі зростають відповідно числу ходів.
1—кожух; 2 — кришка; 3 —трубні грати; 4—труби
Рисунок 1.7 - Кожухотрубний теплообмінник:
Рисунок 1.8 - Двоходовий (по трубному простору) кожухотрубний теплообмінник
Для підвищення коефіцієнта тепловіддачі з боку рідини, що рухається в міжтрубному просторі, в ньому також встановлюються перегородки. Перегородки можуть бути подовжніми (рис. 1.9) і поперечними (рис. 1.10). Розрізняють наступні поперечні перегородки (рис. 1.11): сегментні, секторні, кільцеві. Найбільше розповсюдження отримали сегментні перегородки.
Рисунок 1.9 - Двоходовий (по міжтрубному простору) кожухотрубний теплообмінник
Рисунок 1.10 - Кожухотрубний теплообмінник з поперечними перегородками в міжтрубному просторі
а— сегментні; б — секторні; в— кільця і диски;
г — сплошні диски з отворами на 1,5—2 мм більше зовнішнього діаметра труб
Рисунок 1.11 - Схеми поперечних перегородок трубного пучка
В горизонтальних теплообмінниках ці перегородки є одночасно проміжними опорами для труб.
Спосіб з'єднання труб в трубних гратах визначається властивостями матеріалів, вживаних для даної конструкції. Труби в трубних гратах закріплюють (рис. 1.12) розвальцьовуванням, зваркою, паянням і т.д. Частіше використовують розвальцьовування. Іноді труби кріплять за допомогою роз'ємних сальникових пристроїв, що допускають вільне подовжнє переміщення труб.
Розміщення труб в гратах здійснюється по периметрах правильних шестикутників (рис. 1.13,а), по концентричних колах (рис. 1.13,б) і по вершинах квадратів (рис. 1.13,в).
а— завальцовкою; б — сваркою; в— паянням.
Рисунок 1.12 - Закріплення труб в трубних гратах
 |
а — по периметрам правильних шестикутників; б — по концентричним колам; в — по вершинам квадратів
Рисунок 1.13 - Розміщення труб в гратах кожухотрубчатых теплообмінників
Найбільш часто труби розміщують по периметрах правильних шестикутників. Число труб в трубних гратах розраховується по рівняннях.
Діаметр труб і крок трубного пучка (відстань між осями сусідніх труб) істотно впливають на компактність і масу теплообмінника. Для стандартних труб із зовнішнім діаметром dн— 16; 20; 25; 38,5 мм, розміщені по периметрах правильних шестикутників, приймають крок, рівний при розвальцьовуванні 1,3 - 1,6 dH, при сварке — 1,25 dH.
Кожухотрубні теплообмінники розташовуються вертикально або горизонтально.
При різниці температур між теплоносіями понад 50 °С виникають температурні напруги, які можуть перевищити межу міцності матеріалу; в результаті, з'являється нещільність, порушується герметичність.
Для компенсації неоднакового подовження труб і корпусу апарату використовують теплообмінники з лінзовими компенсаторами, з плаваючою головкою, з U- образними трубами, а також теплообмінники з сальниковими пристроями (рис. 1.14).
Рисунок 1.14 - Кожухотрубний теплообмінник з сальниковим пристроєм для компенсації неоднакового подовження труб і корпусу
Найбільш поширені апарати з лінзовими компенсаторами (рис. 1.15), які застосовуються, коли температурні деформації не перевищують 10—15 мм, а умовний тиск не перевищує 2,5 МПа.
Лінзові компенсатори (рис. 1.16) ввариваются між обичайками кожуха. Розрізняють наступні види лінзових компенсаторів: тарельчаті, торові, трапецеїдальні.
Рисунок 1.15 - Кожухотрубний теплообмінник з лінзовим компенсатором
 |
а —тарельчатий; б — торовий; в— трапецеїдальний
Рисунок 1.16 - Лінзові компенсатори
Кожухотрубні теплообмінники з плаваючою головкою (рис. 1.17) застосовують для нагріву або охолоджування рідких і газоподібних середовищ в межах робочих температур від мінус 30 °С до плюс 450 °С і умовного тиску 1,6— 6,4 МПа в трубному або міжтрубному просторі. Рухомі трубні грати дозволяють трубному пучку вільно переміщатися незалежно від корпусу. Крім того, трубні пучки легко виймаються з корпусу для ремонту, чищення або заміни.
а —відкритий тип; б—закритий тип
Рисунок 1.17 - Кожухотрубний теплообмінник з плаваючою головкою
Теплообмінники з U - образними трубами (рис. 1.18) мають одні трубні грати, в які ввальцовані обидва кінці кожної U- образної труби.
Корпус теплообмінника не пов'язаний жорстко з трубами, і кожний елемент може подовжуватися, не викликаючи термічних напруг в місцях приєднання. Недоліком таких теплообмінників є трудність внутрішнього очищення труб.
Рисунок 1.18 - Кожухотрубний теплообмінник з U- образними трубами
Кожухотрубні теплообмінники мають наступні умовні позначення: конденсатори — К, випарники — И, теплообмінники — Т, холодильники — X. Друга буква умовного позначення показує наявність конструкційних пристроїв для компенсації температурних деформацій: ТН — теплообмінник з нерухомими трубними гратами; ТП — теплообмінник з плаваючою головкою; ХК — холодильник з температурним компенсатором на кожусі; ИУ — випарник з U-образними трубками.
При виборі і створенні теплообмінної апаратури необхідно враховувати такі важливі чинники, як теплове навантаження апарату, температурні умови процесу, физико-хімічні параметри робочих середовищ, умови теплообміну, характер гідравлічних опорів, вид матеріалу і його корозійну стійкість, простота пристрою та компактність, розміщення апарату, взаємний напрямок руху робочих серед, можливість очистки поверхні теплообміну від забруднень, витрати металу на одиницю відданої теплоти та інші техніко-економічні показники.