На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


курсовая работа Расчет и выбор спирального нагревателя для нагрева этилового спирта

Информация:

Тип работы: курсовая работа. Добавлен: 04.09.2012. Сдан: 2011. Страниц: 15. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


Министерство  по науке и образованию
Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования 

Санкт-Петербургский  государственный горный институт им. Г.В. Плеханова
(технический  университет) 
 

Кафедра автоматизации технологических  процессов и производств 
 
 
 

Курсовая  работа 
 

По дисциплине:                                  Тепломассообмен
 
 
 
 
 
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 

Тема:                                       Расчет и выбор спирального нагревателя
                                              для нагрева этилового спирта
 
 
Автор: студент гр.   ОНГ-07-1       /Соколов М.А./
 
 
 
ОЦЕНКА:  
 
Дата:  
ПРОВЕРИЛ 

Руководитель  проекта   ассистент       /Иванов П.В./
 
 
 
 
Санкт-Петербург
2010
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский  государственный горный институт им. Г.В. Плеханова
(технический  университет) 

              УТВЕРЖДАЮ
              Заведующий  кафедрой
               
                / Белоглазов И.Н. /
               
                  2010г.
 
 
Кафедра автоматизации технологических процессов и производств 

Курсовая  работа 

По дисциплине Тепломассообмен
 
 
ЗАДАНИЕ 

Студенту  группы   ОНГ-07-1   Соколову М.А.
 
1. Тема  работы Расчет теплообменного аппарата
                             2. Исходные  данные к проекту: Рассчитать и выбрать спиральный нагреватель
    для нагрева 30000 кг/ч  этилового спитра от 40 до 90 градусов.
 
3. Содержание пояснительной записки:  Аннотация. Оглавление. Введение.
Тепловой расчёт теплообменника. Геометрический расчёт теплообменника.
Список использованной литературы.
4. Срок сдачи законченного проекта 
 
 
 
 
Руководитель  проекта
   
 
 
 
ассистент
       
 
 
 
/Иванов  П.В./
 
Дата  выдачи задания: 25 сентября 2010 г.

Аннотация

 
     В данном курсовом проекте осуществляется расчет и выбор спирального теплообменника для нагрева от 400С до 900С этилового спирта в количестве 30000 кг/ч. Пояснительная записка состоит из 53 страниц, имеет 21 рисунок и 2 таб.

The summary

In this course project is carried out calculation and choice of the spiral heat exchanger to hit from 400С to 900С С2Н5ОH in an amount of 30000 kg / h. This document contains on 53 pages and has 21 picture and 2 tab.

                                          

 

Содержание

                                                  

 

Введение.

 
     Спиральный  теплообменник – устройство, в  котором осуществляется передача теплоты  от горячего теплоносителя холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой, энергетике и других отраслей 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.
     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.
 

Пластинчатые  и спиральные теплообменные  аппараты в современной  технике

Теплообменные аппараты и требования к ним

Процессы  теплообмена происходят всюду, где  приходится нагревать или охлаждать  ту или иную среду с целью ее обработки или для утилизации тепла. Для передачи тепла от среды с высокой температурой к среде с низкой используют теплообменные аппараты разнообразных конструкций.
По способу  передачи тепла теплообменные аппараты (их часто называют теплообменниками) можно разделить на две основные группы: поверхностные теплообменники и теплообменники смешения.
В поверхностных  теплообменных аппаратах передача тепла от одной среды к другой происходит обычно через металлическую стенку, которую условно принято называть поверхностью теплообмена.
В теплообменниках  смешения передача тепла происходит в процессе непосредственного соединения и перемешивания сред, что, очевидно, допустимо лишь при определенных условиях, значительно ограничивающих применение аппаратов такого типа.
В химической промышленности теплообменное оборудование составляет в среднем по весу и  стоимости 15—18% от всего оборудования.
В нефтеперерабатывающих  и нефтехимических производствах  теплообменники являются также одним  из основных видов оборудования, и их доля по весу в этих производствах достигает до 50% от всей применяемой аппаратуры.
В химической, пищевой, нефтеперерабатывающей и  других отраслях промышленности применяют  теплообменные аппараты для рабочих  сред с различным агрегатным состоянием и структурой (газ, пар, капельная однофазная жидкость, суспензия, эмульсия и т. д.), причем для удовлетворения запросов производства производительность аппаратов или расход среды должны изменяться в широких пределах.
Учитывая  большой диапазон температур и давлений рабочих сред, а также разнообразие их свойств при различных параметрах тепловой обработки, определим следующие основные требования, которым должны удовлетворять современные теплообменные аппараты.
1. Аппарат  должен обеспечивать передачу  требуемого количества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур и при возможно большей интенсивности теплообмена.
2. При  заданных термодинамических параметрах  рабочих сред (давлениях, температурах, объемах) и при различном агрегатном состоянии аппарат должен быть работоспособным и достаточно надежным в работе.
3. Аппарат  должен работать стабильно при  изменении в процессе теплообмена  физических (а возможно и химических) свойств рабочей среды: ее вязкости, плотности, теплопроводности, фазового состояния и т. д.
4. Поверхность  теплообмена и другие элементы  конструкции аппарата, омываемые  рабочей средой, должны обладать  достаточной химической стойкостью к агрессивному воздействию ее.
5. Для  сохранения продолжительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке загрязненной среды или среды, выделяющей отложения на стенках, в конструкции аппарата должна быть предусмотрена возможность осмотра поверхностей теплообмена и доступность их для периодической очистки.
6. Аппарат должен обладать достаточным запасом прочности, гарантирующим его безопасное состояние при напряжениях, возникающих как в результате давления рабочей среды, так и вследствие темпертурных деформаций различных частей теплообменника.
7. При  данной тепловой нагрузке и других рабочих параметрах аппарат должен иметь возможно меньшие габариты и возможно меньшую удельную металлоемкость.
Требования  к теплообменному аппарату не только разнообразны, но отчасти и противоречивы. Например, теплообменник всегда желательно эксплуатировать с возможно большим коэффициентом теплопередачи. Это влечет за собой повышение скорости движения рабочей среды или введение турбулизаторов в поток среды, омывающей рабочую поверхность; при этом часто недопустимо увеличение гидравлических потерь в теплообменниках. Кроме того, желательна возможность разборки рабочей части аппарата для осмотра и очистки поверхности теплообмена от загрязнений, но при этом остается требование надежной герметичности системы каналов, не допускающей даже незначительную утечку рабочей среды из аппарата или проникновение одной среды в другую. Можно привести примеры и других противоречивых требований к теплообменнику.
При создании новых, более эффективных теплообменных  аппаратов необходимо стремиться уменьшать удельные затраты материалов (в том числе дефицитных металлов), труда, средств и затрачиваемой при работе энергии по сравнению с теми же показателями теплообменников существующих образцов.
Под удельными  затратами для теплообменных  аппаратов понимают затраты, отнесенные к тепловой производительности аппарата в заданных условиях
Необходимо  также при создании новых конструкций  стремиться к повышению интенсивности работы аппарата.
Под интенсивностью процесса в теплообменном аппарате следует понимать количество тепла, передаваемое в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме. Этот же параметр можно определить как удельную тепловую производительность аппарата.
Процесс теплообмена является сложным физическим процессом, зависящим от многих факторов. При заданных значениях поверхности теплообмена аппарата и температурном напоре интенсивность процесса характеризуется коэффициентом теплопередачи, который для плоской стенки определяется формулой:
                                                                
                                                                 (1)

где — коэффициент теплоотдачи от горячей среды к стенке; — термическое сопротивление теплоотдаче от горячей среды к стенке; — толщина стенки (или слоя осадка);  — коэффициент теплопроводности   стенки   (или   слоя   осадка);  
суммарное термическое сопротивление стенки с учетом отложений на ней; — коэффициент теплоотдачи от стенки к холодной среде; — термическое сопротивление теплоотдаче от стенки к холодной среде. 

Анализ  уравнения показывает, что коэффициент теплопередачи зависит в основном от значения наибольшего из термических сопротивлений. Поэтому для интенсификации процесса необходимо прежде всего уменьшить термическое сопротивление с той стороны, с которой оно является наибольшим.
Коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи и снижается с увеличением толщины стенки, уменьшением коэффициента ее теплопроводности, а также с увеличением толщины слоев отложений на ней.
Если  своевременно не очищать поверхность  теплообмена от загрязнений, то тепловая производительность аппарата быстро уменьшится и технологический режим нарушится. Восстановить режим можно путем увеличения расхода рабочей среды и температурного напора, однако это всегда экономически невыгодно, а часто практически невозможно.
Наименьшие  затраты труда и средств на очистку поверхностей теплообмена от загрязнений   и наилучшие условия поддержания стабильной эффективности обеспечены в разборных конструкциях теплообменных аппаратов.
На интенсивность и эффективность процесса теплообмена влияют также форма поверхности теплообмена, эквивалентный диаметр каналов, шероховатость поверхности, компоновка каналов, обеспечивающая оптимальные скорости движения рабочих сред, средний температурный напор, наличие турбулизующих элементов в каналах, оребрение и другие конструктивные особенности.
Кроме конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена, существуют режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и режима течения жидкости у поверхности теплообмена. Режимные методы включают подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульсаций потока, вдувание газов в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложение электрических или магнитных полей на поток, предотвращение отложений загрязнений на поверхности теплообмена путем турбулизирующего воздействия на поток и т. д.
Для получения оптимальных условий процесса теплообмена конструктивные и режимные методы целесообразно использовать совместно, комплексно.
Уменьшение удельных затрат материалов, труда, средств и энергии возможно путем унификации узлов и деталей при изготовлении теплообменных аппаратов широкого размерного ряда, повышения технологичности конструкции, позволяющей организовать серийное механизированное производство теплообменников с использованием наиболее эффективных технологических методов:
штамповки поверхностей теплообмена, сварки и т. д.
В стоимости теплообменных аппаратов основную долю составляет стоимость материалов, из которых изготовлен аппарат. Особенно значительно возрастает стоимость аппаратов при изготовлении поверхности теплообмена из титана, алюминия, нержавеющих сталей, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов и других дорогостоящих материалов.
Повышение экономичности конструкции теплообменника возможно поэтому путем создания более компактных конструкций, снижения удельных весовых показателей и рационального использования различных марок материалов.
Кроме того, компактность конструкции приводит к экономии производственных площадей, занимаемых теплообменной аппаратурой, и повышает экономические показатели производства в целом.
В конечном итоге технико-экономическая эффективность той или иной конструкции теплообменного   аппарата определяется стоимостью технологического процесса, осуществляемого в этих аппаратах при высоком качестве получаемого продукта.
При широком распространении теплообменных аппаратов в промышленности даже небольшое усовершенствование их конструкции дает ощутимый экономический эффект.

Классификация и номенклатура современных теплообменных аппаратов

В связи с разнообразием требований, предъявляемых в конкретных случаях к теплообменным аппаратам, и разнообразием условий теплообмена в промышленных аппаратах требуется изготовлять и применять аппараты различных типов, причем для каждого типа должен существовать широкий размерный ряд значений поверхностей теплообмена. Для наиболее распространенных типов теплообменников размерные ряды начинаются с нескольких квадратных метров поверхностей теплообмена и доходят до нескольких тысяч квадратных метров ее в одном аппарате.
Размерные ряды теплообменных аппаратов имеют градации также по допустимым давлениям и температурам рабочей среды. Для обеспечения достаточной коррозионной стойкости поверхности теплообмена по отношению к рабочим средам размерные ряды теплообменников, помимо градаций по параметрам, должны иметь градации по маркам материалов, из которых изготовлен аппарат.
Очевидно, что одной универсальной конструкции теплооб-менного аппарата, которая соответствовала бы всем требованиям различных отраслей промышленности и работала бы при этом достаточно эффективно, существовать не может.
Среди многообразия рабочих условий удается для конкретных отраслей промышленности выявить наиболее часто повторяющиеся условия эксплуатации. Для этих условий создают типовые конструкции теплообменных аппаратов так называемые теплообменные аппараты общего назначения.
Так, например, в химических и пищевых производствах до 70% теплообменников применяют для сред жидкость — жидкость и пар — жидкость при давлениях до 1 МПа (10 кгс/см2) и температурах до 200°С.
Для этих условий разработаны и серийно изготовляются теплообменные аппараты общего назначения кожухотрубчатого и спирального типов. В последнее время разрабатываются также более эффективные пластинчатые теплообменные аппараты общего назначения.
Теплообменные аппараты классифицируют по различным признакам.
На рис. 1 представлена классификация и номенклатура теплообменных аппаратов УкрНИИхиммаша для химических производств, в которой за основной признак принята форма и материал поверхности теплообмена.

Приведенная классификация может быть значительно  расширена с учетом отдельных конструктивных особенностей.
Наряду  с классификацией теплообменных  апларатов по конструктивным признакам целесообразно рассматривать и классификацию по назначению аппарата и роду рабочей среды, по взаимному направлению движения рабочих сред и по характеру температурного режима.
Так, по назначению различают следующие  теплообменные аппараты.
1. Для  проведения теплопередачи без изменения агрегатного состояния рабочей среды: а) нагреватели; б) холодильники (охладители) .
2. Для  проведения теплопередачи с изменением  агрегатного состояния рабочих  сред: а) испарители (кипятильники); б) конденсаторы (дефлегматоры).
3. Для  одновременного проведения технологического  процесса и теплопередачи: а) реакторы; б) абсорберы; в) теплообменники, встроенные в установки.
По роду рабочих сред различают теплообменники:
1) паро-жидкостные;
2) жидкостно-жидкостные;
3) газо-жидкостные;
4) газо-газовые.
Могут быть и другие варианты в зависимости  от возможного сочетания используемых в процессе теплообмена рабочих сред.
По взаимному  направлению движения рабочих сред различают теплообменники:
1) прямоточные,  в которых обе среды движутся в одном направлении;
2) противоточные,  в которых обе среды движутся  в противоположных направлениях;
3) перекрестного  тока, в которых обе рабочие  среды движутся во взаимно перпендикулярных направлениях;
4) смешанного  тока, в которых направления потоков рабочих сред возможны в различных сочетаниях (прямоток и противоток) .
По характеру  температурного режима в теплообменных  аппаратах различают:
1) аппараты  с установившимся тепловым режимом,  в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности теплообмена с течением времени не изменяется; такие аппараты называются теплообменниками непрерывного действия;
2) аппараты  с неустановившимся тепловым  режимом, в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности теплообмена изменяется с течением времени; такие аппараты называются теплообменными аппаратами периодического действия.
Одним из основных условий высокого технического уровня теплообменной аппаратуры, предназначенной  для удовлетворения потребностей промышленности, является достаточно обширная номенклатура по типам, размерам, параметрам, материалам, что позволяет выбрать для конкретных условий оптимальную конструкцию теплообменника.
Наиболее  старыми, но часто применяемыми и  в настоящее время являются теплообменные  аппараты, изготовляемые из труб. Среди этих аппаратов более совершенными являются ко-жухотрубчатые различных типов. Применение аппаратов с поверхностью теплообмена из труб оправдывает себя при значительных давлениях и температурах рабочих сред: более 1 МПа (10 ат) и более 200° С.
Одним из преимуществ трубчатых теплообменных  аппаратов является простота их конструкции. Изготовление таких аппаратов возможно на универсальном оборудовании даже в условиях ремонтных мастерских.
Однако  для крупносерийного производства широкого типо-размерного ряда поверхностей теплообмена конструкция кожу-хотрубчатых аппаратов нетехнологична. Коэффициент унификации узлов и деталей размерного ряда этих аппаратов весьма низок (около 0,13), в то время как у пластинчатых на тот же ряд поверхностей он достигает 0,9.
Коэффициентом унификации деталей и узлов размерного ряда теплообменных аппаратов называют отношение количества узлов и деталей, размеры которых одинаковы для всего ряда, к общему количеству узлов деталей, необходимых для изготовления данного размерного ряда аппаратов.
Огромное  значение, которое имеет этот показатель при оценке технологичности и экономичности конструкции в условиях современного крупносерийного выпуска оборудования, достаточно очевидно.
Не менее  важен и показатель удельной металлоемкости. Если сопоставить вес (или затраты) металла на изготовление теплообменника, приходящийся на единицу его тепловой производительности в одинаковом режиме, то для кожухотрубчатых аппаратов он в 2—3 раза больше, чем для пластинчатых теплообменников новых конструкций.

О возникновении пластинчатых теплообменных аппаратов  и совершенствовании  их конструкций

Пластинчатые  теплообменные аппараты являются разновидностью поверхностных рекуперативных теплообменных аппаратов с поверхностью теплообмена, изготовленной из тонкого листа. Наиболее широко применяются в промышленности разборные пластинчатые теплообменники. Они состоят из отдельных пластин с прокладками, приспособлены   для быстрой разборки и сборки и вся их теплообменная поверхность доступна для очистки. Полуразборные, сварные блочные и сварные неразборные теплообменники являются разновидностью аппаратов пластинчатого типа.
Пластинчатые  теплообменники появились сравнительно недавно и много позднее трубчатых.
В литературе имеются данные, свидетельствующие о том, что принципы устройства пластинчатых аппаратов для нагревания и охлаждения жидкостей в тонком слое и некоторые их конструктивные решения были предложены еще в конце прошлого столетия Драхе (1878 г.), Брейтвишем (1881 г.) и Мальвезиным (1895 г.). В 1917 г. Гаррисоном предложена теплообменная пластина с четырьмя угловыми отверстиями и зигзагообразными каналами с обеих сторон.
Однако  промышленное применение разборных  пластинчатых аппаратов началось только после 1923 г. в результате усовершенствований, внесенных Зелигманом, использовавшим при разработке конструкции разборного теплообменника принцип устройства фильтр-пресса.
Первоначально пластины для теплообменников отливали из бронзы с последующим фрезерованием  на них каналов и отверстий для рабочей среды и канавок для резиновых прокладок. На рис. 2 показана конструкция таких пластин.
Аппарат конструкции Зелигмана (рис. 3) состоит  в основном из теплообменных пластин  двух видов: толстых бронзовых с  фрезерованными каналами с обеих сторон и тонких медных. Каждая толстая пластина имеет четыре угловых отверстия. На поверхности пластины вокруг двух расположенных по диагонали угловых отверстий профрезерованы канавки для уплотнительных резиновых прокладок. По контуру всей пластины также сделана канавка для большой резиновой прокладки, охватывающей всю рабочую поверхность и два других отверстия.
 
Топкие  пластины гладкие, без прокладок. В  собранном виде толстые и тонкие пластины расположены поочередно и  установлены в вертикальном положении на станине, состоящей из двух горизонтальных направляющих и двух стоек. Весь набор пластин плотно сжат при помощи винтового зажимного механизма (рис. 4).
Рабочая среда входит в теплообменник  через соответствующий штуцер на нажимной плите или на основной неподвижной плите и проходит в продольный канал, выполняющий роль коллектора.
Из коллектора жидкость поступает в плоские  каналы в толстых плитах, причем заполняет только одну из систем каналов (каналы левой или правой стороны). Вторую систему каналов заполняет другая рабочая среда. Из межпластинных каналов жидкость попадает в коллектор, противоположный первому по диагонали, и выходит затем из аппарата. Рабочая среда движется через аппарат подобным же образом, омывая обратную поверхность толстых и тонких пластин.
Теплообмен происходит как через толстые, так и через тонкие пластины.Основной принцип устройства разборных пластинчатых теплообменников сохранился до настоящего времени.
Применение пластинчатых аппаратов в молочной, а затем и в других отраслях пищевой промышленности в различных конструктивных    вариантах, построенных   по описанной схеме, оправдало себя полностью.
Конструкции фрезерованных пластин «канальчатого» типа были разнообразны. Большое распространение имели не только пластины с зигзагообразными каналами, но и со спиральными, у которых вход жидкости и ее выход расположены в центре пластины и на периферии.
В 1932—1933 гг. в результате работ Фельдмейера  н   Зелигмана   были предложены и затем усовершенствованы  штампованные пластины удлиненной формы с теплопередающей стенкой из тонкого волнистого листа. Это была пластина нового типа, поверхность которой омывается одним потоком среды во всю ширину пластины.
Такие пластины можно считать прототипом современных, в конструкции которых теперь наблюдается большое разнообразие форм профиля рабочей поверхности.
Преимущества пластинчатых теплообменников перед другими типами весьма значительны, что дает возможность широко применить их не только в пищевой промышленности, но также и в химической, фармацевтической, гидролизной и металлургической, а также на транспорте.
Последующий прогресс в совершенствовании конструкции пластин выражался в следующем:
а) усовершенствование профиля поверхности пластин с целью повышения эффективности теплоотдачи и уменьшения гидравлических сопротивлений;
б) повышение жесткости тонкой штампованной пластины и пакета пластин в целом путем создания на поверхности элементов, обеспечивающих взаимную опору   пластин   по множеству равномерно расположенных точек;
в) повышение коррозионной стойкости и долговечности пластин и прокладок путем освоения листовой штамповки многих марок металлов и применения новых марок резин и резино-асбестовых материалов;
г) повышение технологичности конструкции с постепенным отказом от сварки и переходом на цельноштампованные конструкции из тонкого листа;
д) увеличение единичных размеров гофрированной пластины от 0,2 м2 в конце сороковых годов до 1,2 м2 в конце шестидесятых годов,   что было   обусловлено   необходимостью создания крупных аппаратов.
Усовершенствованию подверглись и конструкции рам теплообменников со всеми вспомогательными элементами.
В настоящее время производство пластинчатых теплообменных аппаратов имеется почти во всех крупных промышленно развитых странах мира. Наиболее крупные фирмы, изготовляющие эти аппараты, размещены в Англии, Швеции, США, ФРГ, Франции, Японии, Италии и Дании. Общее число крупных фирм-изготовителей теплообменных аппаратов около 30. В последние годы интенсивно развивается производство пластинчатых теплообменных аппаратов в Польше, Чехословакии и ГДР.
В Советском Союзе первые пластинчатые теплообменники для пищевой промышленности были изготовлены в 1940 г. на Симферопольском машиностроительном заводе.
В послевоенный период производство небольших и средних по размерам пластинчатых аппаратов успешно развивалось на предприятиях отечественного пищевого машиностроения, а с начала 60-х годов налажено производство различных по размерам пластинчатых теплообменников для отраслей химической промышленности.
Пластинчатые теплообменники большой тепловой производительности отечественного изготовления внедрены в технологические линии производства фосфорной и серной кислот, ацетилена и уксусной кислоты, соды, полупродуктов для получения пластмасс, глинозема, кормовых дрожжей и других продуктов микробиосинтеза, производства целлюлозы, спирта, при охлаждении минеральных масел и эмульсий.
Разборные пластинчатые теплообменники имеют более высокие технико-экономические показатели по сравнению с наиболее распространенными кожухотрубчатымн. Однако полная замена кожухотрубчатых теплообменников пластинчатыми во многих случаях невозможна, поскольку область применения пластинчатых теплообменников лимитируется теплостойкостью и коррозионной стойкостью применяемых прокладок.
Прокладки на основе синтетических каучуков могут надежно работать лишь при температурах от минус 20°С до 140—150°С, что недостаточно для многих процессов с газообразной и парообразной рабочими средами. Разборные пластинчатые теплообменники на рабочие давления свыше 2—2,5 МПа (20—25 ат) также пока не изготовляются.
Для расширения области применения пластинчатых теплообменников на более высокие температуры и давления разрабатываются новые виды прокладок и создаются сварные конструкции, в которых нет прокладок.
Так, еще  в 1939 г. Рамэн в Швеции предложил  оригинальную конструкцию теплообменника, у которого гладкие пластины попарно сваривались, образуя плоские трубы. Эти плоские трубы закреплялись в сварных трубных решетках и вставлялись в кожух с квадратным поперечным сечением. Такой теплообменник назвали ламельным (lamelle — пластина). Эта конструкция теплообменника является переходной от кожухотрубчатого к пластинчатому. Ламельные теплообменники нашли применение в целлюлозной промышленности и в последние годы их все шире применяют в химической и нефтехимической промышленности. Характерной особенностью этой конструкции теплообменника является возможность механической очистки поверхности теплообмена только с наружной стороны пластин, для чего пучок пластин вынимают из кожуха.
В дальнейшем конструкцию ламельных теплообменников  усовершенствовали, что позволило  расширить область применения таких аппаратов по давлениям до 4,5 МПа (45 ат), а по температурам до 400° С.
Однако  ламельные теплообменники с гладкой поверхностью теплообмена имеют более низкий коэффициент теплоотдачи, чем аппараты из гофрированных пластин, работающие в сравнимых условиях.
Стремление  сохранить высокую интенсивность  теплоотдачи в ламельных теплообменниках  и возможность механической очистки и осмотра поверхности теплообмена, хотя бы со стороны одной из рабочих сред, привело к созданию полуразборной конструкции пластинчатых теплообменников. В этой конструкции гофрированные пластины, напоминающие по внешнему виду пластины разборных теплообменников, сварены попарно. Такие пластины собирают в пакет, устанавливая между смежными парами пластин эластичные прокладки. Таким образом сохраняется разборность поверхности теплообмена на стороне одной из рабочих сред. Если горячую рабочую среду пропускать по сварным каналам, а холодную — по разборным, то температурный предел применения полуразборных пластинчатых теплообменников можно повысить до 200° С.
Стремление  увеличить температурный предел использования пластинчатых теплообменников привело к разработке сварных, неразборных теплообменников и блочных сварных пластинчатых теплообменников, работающих без прокладок.
В неразборных  пластинчатых теплообменниках отдельные  гофрированные пластины сваривают  между собой в блоки и получают две системы герметичных каналов для рабочих сред. Недостатком сварных неразборных и блочных пластинчатых теплообменников можно считать невозможность механической очистки и осмотров поверхности теплообмена. Поэтому такие теплообменники применимы для рабочих сред, не дающих труднорастворимых загрязнений поверхности теплообмена, при использовании которых не требуется механическая очистка каналов, а можно ограничиться промывкой их с применением химических средств.
Наряду  с пластинчатыми теплообменниками, изготовляемыми из листовых материалов, в технике существуют и успешно применяются пластинчато-ребристые и спиральные конструкции теплообменников.
При совершенствовании  современных типов теплообменников, изготовляемых из листовых материалов, наряду с интенсификацией процесса и повышением его энергетической эффективности, необходимо иметь в виду также повышение тепловой производительности аппаратов.
Следует отметить и необходимость использования  новых материалов, обладающих лучшими свойствами и повышающих технико-экономический уровень теплообменного оборудования.
Поскольку новые материалы такие, как сплавы цветных металлов, нержавеющие стали, мельхиор и др., значительно дороже обычно применяемой углеродистой стали, то целесообразно вспомогательные элементы, например, раму теплообменника выполнять из более дешевых, но прочных конструкционных углеродистых сталей, а поверхность теплообмена, соприкасающуюся с рабочими средами, максимально разгрузить от силовых нагрузок и тем самым ее облегчить и уменьшить расход ценных материалов для нее. При таком разделении функции элементов теплообменника для изготовления поверхности теплообмена становится экономически выгодно применять наиболее стойкие в коррозионном отношении материалы, несмотря на их высокую удельную стоимость.
Отказ от использования бесшовных труб малых диаметров для изготовления поверхностей теплообмена и замена их тонким листом также дает большой экономический эффект, поскольку стоимость 1 м2 таких труб в несколько раз выше стоимости 1 м2 тонкого листа из металла той же марки. Само изготовление листа взамен труб малых диаметров намного производительнее и разгружает металлургическую промышленность от производства наиболее трудоемких профилей проката.
В области  технологии изготовления теплообменной аппаратуры использование методов листовой штамповки и сварки повышает производительность труда и способствует созданию аппаратов интенсивного действия.
 

Спиральные  теплообменные аппараты

Устройство  и принцип работы

Спиральные  теплообменники получили в промышленности сравнительно широкое распространение, что объясняется рядом важных преимуществ их по сравнению с теплообменными аппаратами других типов.
Спиральные  теплообменники могут изготовляться  из любого рулонного материала, подвергаемого  холодной обработке и свариванию. Теплообменники компактны, их конструкция предусматривает возможность полного противотока. Площадь поперечного сечения каналов по всей длине остается неизменной, и поток не имеет резких изменений направлений, благодаря чему загрязнение поверхности спиральных теплообменников меньше, чем теплообменных аппаратов других типов, кроме того, ряд конструкций их позволяет проводить сравнительно легкую очистку в случае, не требующем для удаления осадка механического воздействия. Гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников при одинаковой скорости движения жидкости меньше, чем у кожухотрубчатых.
В СССР первые работы по проектированию, освоению производства и испытанию опытных образцов спиральных теплообменников проводились в 1935—1939 гг. в ЭКИХИММАШе и ГИП-РОАЗОТМАШе. В дальнейшем, работы по разработке новых типов спиральных теплообменников и освоению их производства проводились главным образом УкрНИИХИММАШем и Сумским машиностроительным заводом им. Фрунзе. В 1966 г. утвержден разработанный УкрНИИХИММАШем ГОСТ на стальные теплообменники, в соответствии с которым в СССР выпускаются теплообменники двух типов и семи видов исполнения.
За рубежом  спиральные теплообменники выпускают  фирмы Альфа-Лаваль (Швеция), APV (Англия и США), Рока аппаратенбау, Феникс-Рейнрор, Руршиль (ФРГ), Петрогаз (Голландия), Кокиво сайсакушо (Япония) и др.
Спиральные  теплообменники различных конструкций  нашли применение для систем жидкость — жидкость, для систем жидкость — пар в качестве конденсаторов, нагревателей и испарителей, для охлаждения и нагревания паро-газовых смесей. Спиральные   теплообменники   специальной    конструкции    могут компоноваться с ректификационными колоннами и применяться в качестве дефлегматоров.
Одно  из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей. Так как вязкая жидкость проходит по одному каналу, то устраняется проблема равномерного распределения вязкой жидкости по трубам. Нами для вязких жидкостей (прядильный раствор синтетического волокна «нитрон») испытывался спиральный теплообменник со сквозными каналами для прядильного раствора и спиральным каналом, по которому поступали пар или охлаждающая вода. Спиральные теплообменники могут успешно применяться для шламов и жидкостей, содержащих волокнистые материалы. Применение специальных теплообменников для газов ограничено малым поперечным сечением канала.
Спиральные  теплообменники применяются в гидролизной промышленности в качестве дефлегматоров, рекуператоров тепла в отбелочных отделениях, конденсаторов терпентиновых паров и поверхностных конденсаторов в выпарных отделениях; в химической промышленности — в качестве теплообменников при производстве серной, азотной и фосфорной кислот, в качестве конденсаторов для различных органических соединений; в коксогазовой промышленности — для охлаждения аммиачной воды, бензола и поглотительного масла, в алюминиевой промышленности — в качестве теплообменников для алюминатных растворов; в сахарной и пищевой промышленности—для нагрева и охлаждения раствора сахара и фруктовых соков.
Спиральный  теплообменник представляет собой  два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки (керна) (рис. 5). 


По видам  уплотнения торцов каналы делятся на три основных типа.
1. Тупиковые  каналы, каждый из которых заваривается  с противоположной стороны при  помощи вставленной ленты (см. рис. 6, а). Такой способ уплотнения исключает возможность смешения теплоносителей при прорыве прокладки. После снятия крышек оба канала легко подвергаются чистке. Этот способ уплотнения каналов наиболее распространен.
2. Глухие  каналы, в которых канал заваривается  на торцах с обеих сторон (рис. 6, б). Недостаток этого типа уплотнения заключается в невозможности чистки каналов.                    3. Сквозные каналы, открытые с торцов (рис. 6, в, г). Уплотнение достигается при помощи манжет U-образного сечения или листового прокладочного материала. Каналы такого типа легко поддаются чистке, но основной их недостаток заключается в возможности перетока теплоносителя из одного канала в другой.
В конструкциях теплообменников встречаются и различные комбинации вышеуказанных каналов.
Для придания спиральным теплообменникам жесткости, особенно при давлении выше 0,3 МПа (3 кгс/см2), в большинстветеплообменников к одной из лент перед навивкой приваривают штифты. Кроме создания жесткости, штифты фиксируют расстояние между спиралями.
 
Согласно ГОСТу 12067—66 навивка спиральных теплообменников производится из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м, поверхность нагрева теплообменников от 3,2 до 100 м2, ширина канала 8 или 12 мм, давление до 1 МПа (10 кгс/см2). Толщина стенок при давлении до 0,3 МПа (3 ат) —2 мм, до 0,6 .МПа (6 ат) — 3 мм.
По ГОСТу спиральные теплообменники выпускаются двух типов; тип 1 с тупиковыми каналами (с крышами) и тип 2 с глухими каналами (без крышек). Тип 1 выпускается в четырех исполнениях: горизонтальный теплообменник па лапах для жидкостей (рис.7, а); горизонтальный теплообменник на цапфах для жидкостей (рис. 7, б); вертикальный теплообменник на цапфах для конденсации паров (рис. 8, а); вертикальный теплообменник на цапфах для паро-газовой смеси (рис. 8, б). 
 
 


Тип 2 выпускается в трех исполнениях: горизонтальный на лапах; горизонтальный на цапфах; вертикальный на лапах (рис. 9).

Спиральные теплообменники изготовляют из углеродистой стали ВМСтЗ   и из сталей Х18Н10Т, 0Х18Н10Т и Х17Н12М2Т.
Для изготовления крышек может применяться двухслойная сталь марок ВМСтЗ + Х18Н10Т и 20К + Х17Н13М2Т и др.
В качестве прокладок применяют резину, паронит, фторопласт, асбестовый картон и др.
Теплообменники спиральные для жидкости состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух плоских крышек по торцам с прокладками, четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в центральной части крышки, а два— в верхней части корпуса на коллекторах.
Корпус спирали выполняется на лапах для установки непосредственно па фундаменте в горизонтальном исполнении или на цапфах для установки в любом положении: вертикальном, горизонтальном и наклонном.
Принцип работы спиральных теплообменников для жидкостей заключается в следующем: первый теплоноситель поступает под давлением через штуцер на одной из крышек в камеру центровика, а затем по каналу спирали — в коллектор и через штуцер выходит из теплообменника. Второй теплоноситель через штуцер коллектора поступает в смежный канал спирали противотоком по отношению к первому теплоносителю и выходит через штуцер второй крышки.
Спиральные теплообменники для конденсации паров изготовляются только в вертикальном варианте и состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух крышек (верхней — с конусом для подвода пара к каналам и нижней с прокладками для уплотнения каналов), четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два   из которых   установлены   в крышках, а два — в боковых коллекторах, причем один из них для вывода конденсата установлен в нижней части коллектора.
Спиральные  теплообменники для парогазовой  смеси отличаются от теплообменников для конденсации паров только тем, что они имеют еще штуцер для выхода газов после отделения от них конденсата, который установлен в середине коллектора, на котором имеется штуцер для выхода конденсата.
Вертикальное  расположение каналов конденсаторов исключает образование пробок конденсата и гидравлические удары. Пар или паро-газовая смесь поступает в аппарат через штуцер большого диаметра одновременно в большинство каналов, кроме нескольких крайних наружных. Образующийся конденсат стекает по вертикальной стенке каналов, собирается в нижней части каналов теплообменника и стекает по спирали в штуцер для конденсата, расположенный у нижней стороны канала. Остатки неконденсировавшегося пара или паро-газовой смеси проходят несколько наружных витков канала по спирали и после охлаждения отводятся через штуцер на коллекторе тупиковых каналов.
Гидравлическое  сопротивление каналов по паровой  стороне невелико вследствие достаточно большого поперечного сечения каналов, включенных на входе пара параллельно. Охлаждающая среда подается через наружный коллектор и движется по спиральному каналу к центру, откуда выводится через штуцер на нижней крышке.
Спиральные  теплообменники могут выполняться  для движения теплоносителей по спиральному потоку, по поперечному, пересекающему спираль потоку и по комбинированному потоку, сочетающему поперечный и спиральный поток. Конструктивное оформление таких теплообменников может быть разнообразным.
Зарубежные  фирмы навивку спиральных теплообменников  производят из рулонного материала шириной от 0,1 до 1,8 м и толщиной от 2 до 8 мм. Диаметр сердечника (керна) 200— 300 мм. Ширина канала от 5 до 25 мм, поверхность нагрева выпускаемых теплообменников от 0,5 до 160 м2. Для получения больших поверхностей теплообменники могут быть соединены в блоки.
За рубежом  спиральные теплообменники изготовляют  из углеродистой и коррозионностойкой сталей, хастеллоя В и С, никеля и никелевых сплавов, алюминиевых сплавов и титана.
При относительно высоких давлениях в каналах  часть зарубежных фирм в целях снижения веса и придания достаточной прочности навивку теплообменников производят из стали разной толщины. Внутренние витки с меньшим радиусом навиваются из более тонкого материала, а наружные витки с большим радиусом — из металла большей толщины. Полотнища разной толщины свариваются под углом, для того чтобы более жесткий шов не мешал навивке спирали.
В ряде случаев спиральные теплообменники конструируют с расчетом на применение анодной антикоррозионной защиты или защитных покрытий.
Определение размеров спирального теплообменника. Для определения геометрических размеров спирального теплообменника после теплового расчета   и определения   величины   рабочей
поверхности исходят из размеров внутреннего радиуса спиралей (по ГОСТу 12067—66 радиус равен 150 мм), ширины канала, т. е. расстояния между листами, и ширины ленты, из которой производится навивка.
Рис. 10. Схема к расчету длины канала теплообменника:
1 — наружный   канал;   2 — внутренний канал 

Поверхность нагрева спирального теплообменника, полученная па основании теплового расчета, связана с размерами спиралей соотношением:
                                   F = 2Lbe,                       (2)
где L — эффективная длина спирали от точек т и n до точек М и N (рис. 10); be — эффективная ширина спирали, равная ширине навиваемой лепты за вычетом толщины входящих внутрь спирали металлических лент или прокладок
         (3)

где b— ширина полосы.
Эффективную длину спирали определяют с учетом того, что наружный виток спирали не участвует в передаче тепла.
Каждый виток строится по двум радиусам: первый виток по радиусам
      (4)

где — шаг спирали;
— ширина канала (зазор  между   спиралями); — толщина листа. Длина первого витка

Длина второго витка  . Длина n-го витка
Суммируя, получим длину одной спирали
            (5)
откуда  число витков, необходимое для  получения эффективной длины, определяем по уравнению
   (6)

Число витков обеих спиралей
   (7)

где d = 2r + t — внутренний диаметр спирального теплообменника.
Наружный  диаметр спирали с учетом толщины  листа определяется по формуле
       (8)

Действительная  длина листов спиралей между точками  т и т' для спирали l и между точками п и п' для спирали ll (рис. 10) определяется по соотношениям:
    (9)

   (10)

Характеристика  гидравлических сопротивлений спиральных каналов

Экспериментально  установлено, что соотношения для  падения давления в стабилизированном турбулентном потоке, справедливые для круглых труб, можно использовать и для труб некруглого сечения, если при вычислении коэффициента сопротивления трения и критерия Рейнольдса подставлять в качестве определяющего размера эквивалентный диаметр, равный 4f/II.
Определяя коэффициенты трения при турбулентном изотермическом движении жидкости в прямоугольных каналах при различном соотношении сторон, Харнет, Кох и Мак-Комас показали, что в интервале значений критерия Рейнольдса от 6*103 до 5*105 зависимости для определения коэффициента трения для круглых труб пригодны для прямоугольных труб с любым соотношением сторон при подстановке в эту зависимость эквивалентного диаметра.

Сравнение экспериментальных данных для каналов прямоугольного сечения с зависимостью для круглой трубы по данным ряда авторов показано на рис. 11. Однако, несмотря на наличие большого количества работ, посвященных движению жидкости в прямоугольных каналах, гидродинамика потока в спиральных теплообменниках изучена недостаточно.
Различие в движении жидкости в прямом плоском канале и в канале спирального теплообменника состоит, в частности, в том, что на жидкость, движущуюся в криволинейном канале, действует центробежная сила инерции, тем большая, чем больше ее окружная скорость. Следовательно, ближе к оси канала центробежные силы больше, чем у стенок, и это вызывает явление поперечной циркуляции.
Поперечная (вторичная) циркуляция может наблюдаться как при турбулентном, так и при ламинарном движении. В случае ламинарного потока имеет место упорядоченное движение жидкости со сложными траекториями не смешивающихся между собой струек.
В качестве первого приближения к рассмотрению вопроса о гидродинамике движения в криволинейных прямоугольных каналах рассмотрим характер движения жидкости в круглой изогнутой трубе.
При ламинарном движении жидкости внутри змеевика фактором, определяющим влияние кривизны, является введенный Дином параметр Kd, зависящий от числа Рейнольдса:
   (11)
где d — внутренний диаметр трубы; D = 2R, здесь R — радиус кривизны змеевика, .
При Kd < 13,5 в потоке отсутствует поперечная циркуляция. При Kd > 13,5 , хотя течение остается ламинарным, в потоке появляется поперечная циркуляция. Следовательно, значение Renp ,
при котором  отсутствует поперечная циркуляция, определяется так:
   (12)

Мори  и Накаяма провели тщательное изучение гидродинамики потока в змеевике канала. Исследование проводилось на установке, состоящей из вентилятора для подачи воздуха, трубы с диафрагмой, струевыпрямителя длиной 1,6 м, прямого участка медной трубы диаметром 38 X 1,2 мм, длиной 8,5 м и, наконец, горизонтального витка с отношением радиусов, равным 40.
Профиль скоростей по горизонтальной и вертикальной оси змеевиковой трубы при  значениях Re = 4000 показан на рис. 12. Как видно из рисунка, влияние кривизны на характер распределения скоростей в трубе имеет большое значение.
Для определения  коэффициента сопротивления в изогнутой  трубе получена зависимость
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.