Зміст
Вступ
1. Конструкції та принципроботи
2. Галузь застосування
3. Ущільнювання торцівканалів
4. Визначення розмірівспірального теплообмінника
Література
Вступ
Тема реферату «Спіральнітеплообмінні апарати».
Теплообмінні апарати різнихконструкцій широко застосовують в хімічній, нафтопереробній, харчовій та іншихгалузях промисловості.
Прагнення інтенсифікуватипроцеси конвективного теплообміну та створити найтехнологічніші у виготовленніта економічні теплообмінні апарати призвело до швидкого удосконалення їхконструкцій, виготовлених з листового прокату.
Найбільш прогресивними в цейчас є пластинчасті теплообмінні апарати, складальні одиниці та деталі якихповністю уніфіковані і виготовляються переважно штампуванням та зваркою. Цестворює можливості економічного масового виготовлення цих апаратів примінімальній металоємкості.
Все більше застосування упромисловості знаходять також спіральні теплообмінні апарати, які у багатьохвипадках замінюють широко відомі кожухотрубчасті теплообмінні апарати.
До теплообмінних апаратівпред’являються такі вимоги:
– забезпечення найбільшвисокого коефіцієнта теплопередачі при якомога меншому гідравлічному опору;
– компактність та найменшавитрата матеріалів на одиницю теплової продуктивності апаратів;
– надійність та герметичністьу поєднанні з розбірністю та доступністю до поверхні теплообміну длямеханічного очищення її від забруднень;
– уніфікація складальниходиниць та деталей та технологічність виготовлення широких рядів поверхоньтеплообміну для різного діапазону робочих температур та тисків.
Із-за великої різноманітностівимог, які пред’являються до теплообмінних апаратів, економічно невигідно, ачасто і взагалі неможливо обмежитись будь-якою однією з їх конструкцій.
Пластинчасті та спіральнітеплообмінні апарати у багатьох випадках найбільш ефективно задовольняютьпотреби різноманітних виробництв.
1. Конструкціїта принцип роботи
Спіральні теплообмінніапарати отримали в промисловості порівняно широке розповсюдження, щопояснюється рядом важливих переваг їх порівняно із теплообмінними апаратамиінших типів.
Спіральні теплообмінніапарати можуть виготовлятися із будь-якого рулонного матеріалу, який піддаєтьсяхолодній обробці та зварюванню. Спіральні теплообмінні апарати компактні, їхконструкція передбачає можливість повного протитоку. Площа поперечного перерізуканалів по всій довжині залишається незмінною, і потік не має різких зміннапряму, завдяки чому забруднення поверхні спіральних апаратів менше, ніжтеплообмінних апаратів інших типів. Крім того, ряд конструкцій їх дозволяєпроводити порівняно легке очищення у випадку, коли не потрібне для віддаленняосаду механічної дії. Гідравлічний опір при однаковій швидкості руху рідинименше, ніж у кожухотрубчастих.
За рубежем спіральнітеплообмінні апарати випускають фірми Альфа-Лаваль (Швеція), APV (Англія іСША), Рока аппаратенбау, Фенікс-Рейнрор, Руршіль (ФРГ), Петрогаз (Голандія) таін.
2. Галузь застосування
Спіральні теплообмінніапарати різних конструкцій знайшли застосування для систем рідина-рідина, длясистем рідина-пара як конденсатори, підігрівачі та випарники, для охолодження інагрівання парогазових сумішей. Спіральні теплообмінні апарати спеціальноїконструкції можуть компонуватися з ректифікаційними колонами та застосовуватисяяк дефлегматори.
Одно з призначень спіральнихтеплообмінних апаратів – нагрівання та охолодження високов’язких рідин. Так як в’язкарідина проходить по одному каналу, усувається проблема рівномірногорозподілення в’язкої рідини по трубам. Спіральні теплообмінні апарати можутьуспішно застосовуватися для шламів та рідин, які містять волокнисті матеріали.Застосування спіральних теплообмінних апаратів для газів обмежено малимпоперечним перерізом каналу.
Спіральні теплообмінніапарати застосовуються в гідролізній промисловості як дефлегматори,рекуператори тепла у відбілювальних відділеннях, конденсаторів терпентиновихпарів та поверхностних конденсаторів у випарних відділеннях; в хімічнійпромисловості – як теплообмінники у виробництві сірчаної, азотної та фосфорноїкислот, як конденсатори для різних органічних з’єднань; у коксогазовійпромисловості – для охолодження аміачної води, бензолу т. ін.
Спіральний теплообміннийапарат представляє собою два спіральних канали, навитих з рулонного матеріалунавколо центральної розділювальної перегородки (керна) (рисунок 1).
/>
Рисунок 1 – Схема рухусередовища в спіральному теплообмінному апараті
3. Ущільнювання торцівканалів
За видами ущільнення торцівканали підрозділяються на три основних типи.
– тупикові канали, коженх котрих заварюється з протилежного бокуза допомогою вставленої стрічки(рисунок 2,а). Такий спосіб ущільнення виключає можливість змішуваннятеплоносіїв при прориві прокладки. Після зняття кришок обидва канали легкопіддаються очищенню. Цей спосіб ущільнення каналів найбільш поширений;
– сліпі канали, в яких канализаварюються на торцях х обох боків (рисунок 2,б). Недолік цього типуущільнення заключається в неможливості чистки каналів;
– наскрізні канали, відкритіз торців (рисунок 2, в, г). Ущільнення досягається за допомогою манжетU-подібного профілю або листового прокладкового матеріалу. Канали такого типулегко піддаються очищенню, але основний їхній недолік заключається в можливостіперетоку теплоносія з одного каналу в другий.
/>
Рисунок 2 – Ущільнення торцівканалів: а – тупикові; б – сліпі; в – наскрізні, ущільнені листовою прокладкою;г – наскрізні, ущільнені U-подібною прокладкою
В конструкціях спіральнихтеплообмінних апаратів зустрічаються також різні комбінації вищезазначенихканалів.
Для придання жорсткості,особливо при тиску понад 0,3 МПа, до однієї зі стрічок, як правило, приварюютьштифти, які крім утворення жорсткості фіксують відстань між спіралями.
Навивка спіральних теплообміннихапаратів проводиться з рулонної сталі шириною від 0,2 до 1,5 м, поверхнянагріву складає від 3,2 до 100 м2, ширина каналу 8 або 12 мм, тиск 1МПа. Товщина стінок при тиску до 0,3 МПа – 2 мм, до 0,6 мм – 3 мм.
Спіральні апаративипускаються двох типів: тип 1 – з тупиковими каналами (з кришками) і тип 2 –зі сліпими каналами (без кришок). Тип 1 випускається у чотирьох виповненнях:горизонтальний апарат на лапах для рідин; горизонтальний теплообмінник нацапфах для рідин; вертикальний теплообмінник на цапфах для конденсації парів;вертикальний теплообмінник на цапфах для паро-газової суміші.
Тип 2 випускається у трьохвиповненнях: горизонтальний на лапах; горизонтальний на цапфах; вертикальний налапах (рисунок 3).
/>
Рисунок 3 – Вертикальнийспіральний апарат на лапах зі сліпими каналами
Спіральні теплообмінніапарати виготовляють із вуглецевої сталі Ст3сп4, а також корозійностійкихсталей марок 12Х18Н10Т, Х17Н12М2Т. Для виготовлення кришок застосовуєтьсядвошарові сталі Ст3+10Х18Н10Т та 20К+Х17Н13М2Т та ін.
Для виготовлення прокладокзастосовують гуму, пароніт, фторопласт, азбестовий картон та ін.
Спіральні теплообмінніапарати для рідини складаються із корпуса з тупиковими каналами, двох плоскихкришок по торцям із прокладками, чотирьох штуцерів для введення та виведеннятеплообмінювальних середовищ, два з яких установлені у центральній частинікришки, а два – у верхній частині корпуса на колекторах.
Корпус апарата установлюєтьсяна лапах для установки безпосередньо на фундаменті в горизонтальному виповненніабо на цапфах для установки у будь-якому виповненні.
Принцип роботи спіральнихтеплообмінних апаратів для рідин заключається у наступному: перший теплоносійподається під тиском через штуцер на одній із кришок в камеру центровика, апотім по спіральному каналу – в колекторі через штуцер виходить ізтеплообмінника. Другий теплоносій через штуцер колектора поступає у суміжнийспіральний канал протитоком відносно до першого теплоносія і виходить черезштуцер другої кришки.
Спіральні конденсаторивиготовляються лише у вертикальному варіанті і складаються з корпуса зтупиковими каналами, двох кришок (верхньої – з конусом для підведення пари доканалів та нижньої із прокладками для ущільнення каналів), чотирьох штуцерівдля введення та виведення теплоносіїв, два з яких установлені на кришках, а дваінших – у бокових колекторах, причому один із них, призначений для виведенняконденсату, установлений у нижній частині колектора.
Спіральні теплообмінніапарати для парогазових сумішей відрізняються від конденсаторів парів лише тим,що вони мають ще один штуцер для виведення газів після відокремлення від нихконденсату, на якому є штуцер для виведення конденсату.
Вертикальне розташуванняканалів конденсаторів виключає утворення пробок конденсату та гідравлічніудари. Пара або парогазова суміш поступає в апарат через штуцер великогодіаметра одночасно у більшість каналів, окрім кількох крайніх зовнішніх.Конденсат, який утворюється, стікає по вертикальним стінкам каналів, збираєтьсяу їхніх нижніх частинах і стікає по спіралі в штуцер для конденсату,розташований у нижньому боку каналу. Залишки несконденсованої пари абопарогазової суміші проходять декілька зовнішніх витків каналу по спіралі і післяохолодження відводяться через штуцер на колекторі тупикових каналів.
Гідравлічний опір каналів попаровому боку невелике внаслідок достатньо великого поперечного перерізуканалів, включених на вході пари паралельно. Охолоджувальне середовищеподається через зовнішній колектор і рухається по спіральному каналу до центру,звідки виводиться через штуцер на нижній кришці.
Спіральні теплообмінніапарати можуть виконуватися для руху теплоносіїв по спіральному потоку, попоперечному, який перетинає спіраль потоку і по комбінованому потоку, якийсполучає поперечний та спіральний потоки. Конструктивне оформлення такихтеплообмінників може бути різноманітним.
Закордонні фірми навивкуспіральних теплообмінних апаратів проводять з рулонного матеріалу шириною від0,1 до 1,8 м і товщиною від 2 до 8 мм. Діаметр сердечника (керна) складає від200 до 300 мм, ширина каналу – від 5 до 25 мм, поверхня нагріву – від 0,5 до160 м2. Для отримання великих поверхонь теплообмінники можуть бутиз’єднані в блоки.
За кордоном спіральнітеплообмінні апарати виготовляють із вуглецевих та корозійностійких мароксталей, хастелою, нікелю і нікелевих сплавів, алюмінієвих сплавів та титану.
При відносно високих тисках вканалах деякі закордонні фірми з метою зниження металоємкості та приданнядостатньої міцності навивку теплообмінних апаратів здійснюють з матеріалурізної товщини. Внутрішні витки меншого радіусу навиваються з більш тонкогоматеріалу, а зовнішні більшого радіусу – з металу більшої товщини. Листи різноїтовщини зварюються під кутом, щоб шов не заважав навивці спіралі.
В деяких випадках спіральнітеплообмінні апарати конструюють з врахуванням на застосування анодногоантикорозійного захисту або захисних покрить.
4. Визначення розмірівспірального теплообмінника
спіральнийтеплообмінний апарат конденсатор
Для визначення геометричнихрозмірів спіральних апаратів після теплового розрахунку і визначення величиниробочої поверхні виходять із розмірів внутрішнього радіуса спіралей (длястандартних апаратів радіус дорівнює 150 мм), ширини каналу, тобто відстані міжлистами, і ширини стрічки, з якої проводиться навивка.
Поверхня нагріву спіральногоапарата, отримана на основі теплового розрахунку, зв’язана з розмірами спіралейспіввідношенням
/> (1)де
/> –
ефективна довжина спіралі від точок /> і /> до точок />і /> (рисунок 4 );
/>– ефективна спіралі, яка дорівнює ширині металевої стрічки за вирахунком товщини металевих стрічок або металевих стрічок або прокладок, які входять усередину спіралі.
/>=/>-20 мм,де
/>– ширина стрічки.
/>
Рисунок 4 – Схема дорозрахунку довжини каналу теплообмінника: 1 – зовнішній канал; 2 – внутрішнійканал
Ефективну довжину спіралівизначають з урахуванням того, що зовнішній виток спіралі не бере участь впередачі тепла.
Кожний виток будується подвом радіусам: перший виток – по радіусам
/> />,де
/>– крок спіралі;
/> – ширина каналу (зазор між спіралями);
/>– товщина листа.
/>
Довжина першого виткавизначається за формулою
/>.
Довжина другого витка
/>
Довжина />-го витка
/>
Сумуючи, отримаємо довжинуспіралі
/> (2)
звідки число витків,необхідне для отримання ефективної довжини, визначаємо за рівнянням
/> (3)
Число витків спіралейвизначається за формулою
/> (3)де
/>– внутрішній діаметр спірального апарата.
/>
Зовнішній діаметр спіралі зурахуванням товщини листа визначається за формулою
/> (4)
Дійсна довжина листівспіралей між точками /> і />для спіралі І і між точками/> і />для спіралі ІІ(рисунок 13 ) визначається співвідношеннями:
/> (5)
/> (6)
Література
1 Барановский Н.В., КоваленкоЛ.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.,«Машиностроение», 1973. – 288 с.
2 Пластинчатые теплообменныеаппараты. Каталог. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1990. – 52 с.
3 Стальные спиральныетеплообменники. Каталог. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1974. – 21 с.