126236 (Конструкції пластинчастих теплообмінних апаратів)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Тема реферату з дисципліни «Машини та апарати хімічних виробництв» - «Конструкції пластинчастих теплообмінних апаратів».

Теплообмінні апарати різних конструкцій широко застосовують в хімічній, нафтопереробній, харчовій та інших галузях промисловості.

Прагнення інтенсифікувати процеси конвективного теплообміну та створити найтехнологічніші у виготовленні та економічні теплообмінні апарати призвело до швидкого удосконалення їх конструкцій, виготовлених з листового прокату.

Найбільш прогресивними в цей час є пластинчасті теплообмінні апарати, складальні одиниці та деталі яких повністю уніфіковані і виготовляються переважно штампуванням та зваркою. Це створює можливості економічного масового виготовлення цих апаратів при мінімальній металоємкості.

Все більше застосування у промисловості знаходять також спіральні теплообмінні апарати, які у багатьох випадках замінюють широко відомі кожухотрубчасті теплообмінні апарати.

До теплообмінних апаратів пред’являються такі вимоги:

– забезпечення найбільш високого коефіцієнта теплопередачі при якомога меншому гідравлічному опору;

– компактність та найменша витрата матеріалів на одиницю теплової продуктивності апаратів;

– надійність та герметичність у поєднанні з розбірністю та доступністю до поверхні теплообміну для механічного очищення її від забруднень;

– уніфікація складальних одиниць та деталей та технологічність виготовлення широких рядів поверхонь теплообміну для різного діапазону робочих температур та тисків.

Із-за великої різноманітності вимог, які пред’являються до теплообмінних апаратів, економічно невигідно, а часто і взагалі неможливо обмежитись будь-якою однією з їх конструкцій.

Пластинчасті та спіральні теплообмінні апарати у багатьох випадках найбільш ефективно задовольняють потреби різноманітних виробництв.

Конструкції пластинчастих теплообмінних апаратів

1 Класифікація пластинчастих теплообмінних апаратів

Поверхня теплообміну пластинчастих теплообмінних апаратів представляє собою набір тонких штампованих теплопередавальних пластин з гофрованою поверхнею. Потік робочого середовища в каналах, які створені пластинами, піддається штучній турбулізації при порівняно невеликих витратах енергії. Оптимальні розміри каналів для робочих середовищ, а також різні варіанти компоновки цих каналів дозволяють інтенсифікувати процес теплопередачі в два–три рази порівняно з теплопередачею в кожухотрубчастих теплообмінних апаратах. В розбірних та напіврозбірних конструкціях розборку та складання апаратів при очищенні теплопередавальних поверхонь від забруднень можна здійснювати швидко і при мінімальних витратах праці. При ремонті апаратів також не потрібні великі зусилля (спрацьовані прокладки та пластини замінюють запасними).

Пластинчасті теплообмінні апарати мають різну степінь доступу до механічного очищення та огляду поверхні теплообміну: у розбірних апаратів пластини відокремлені одна від іншої прокладками, у напіврозбірних апаратів пластини попарно зварені, і доступ до поверхні теплообміну можливий лише збоку ходу одного з робочих середовищ; у нерозбірних апаратів всі пластини зварені між собою; і тому доступу в канали для їх механічного очищення немає. Очищення таких апаратів здійснюється промивкою хімічними розчинниками.

Пластинчасті теплообмінні апарати можна класифікувати таким чином:

– за конструкцією – на розбірні, напіврозбірні (зі здвоєними пластинами) та нерозбірні (зварні) апарати;

– за призначенням – на теплообмінники, холодильники, конденсатори та випарники.

Пластинчасті теплообмінні апарати призначені для передачі тепла від гарячого робочого середовища до холодного через теплопередавальну поверхню. Поверхні теплообміну в цих апаратах виготовляють з корозійностійкої сталі та титану.

Розбірні теплообмінні апарати можуть працювати при тиску від 0,002 до 1 МПа і температурі робочих середовищ від –20 до +180 °С. Площа поверхні теплообміну їх становить від 1 до 800 м².

Розбірні та апарати зі здвоєними пластинами (напіврозбірні) призначені для роботи при тиску від 0,002 до 1,6 МПа по звареній порожнині і від 0,002 до 1 МПа – по розбірній порожнині і температурі робочих середовищ від –20 до +200 °С. Площа поверхні теплообміну їх становить від 12,5 до 320 м².

Нерозбірні (зварні) апарати призначені для роботи при тиску від 0,0002 до 4 МПа і температурі робочих середовищ від –70 до +300 °С. Площа поверхні теплообміну їх становить від 100 до 500 м².

2 Галузь застосування пластинчастих теплообмінних апаратів

Пластинчасті теплообмінні апарати характеризуються високою інтенсивністю процесів тепловіддачі та теплопередачі при помірних гідравлічних опорах. Їх можна застосовувати для рекуперації тепла між потоками робочих середовищ для нагріву, охолодження, конденсації та випарювання рідин, парів та їх сумішей. Ці апарати можуть бути двопоточними та багатопоточними, тобто можуть застосовуватися для теплообміну між трьома та більшою кількістю середовищ в одному апараті.

В цих апаратах теплообмін здійснюється між робочими середовищами: рідина-рідина, пара-рідина, пара+газ-рідина, газ-рідина, газ-газ.

Розбірні теплообмінні апарати можна застосовувати для теплової обробки суспензій з твердими частинками розміром не більше 4мм. При відкладенні забруднень на теплопередавальних поверхнях можна періодично переключати канали на робочі середовища, які очищують поверхні від забруднень без розборки апарата.

Розбірні теплообмінні апарати не призначенні для роботи з вибухонебезпечними середовищами групи 1 по ГОСТ 12.1.007-76.

Нерозбірні пластинчасті теплообмінні апарати служать для роботи з робочими середовищами, які не утворюють на теплопередавальних поверхнях труднорозчинних забруднень та піддаються хімічній промивці.

Пластинчасті теплообмінні апарати можна використовувати для теплової обробки рідин з кінематичною в’язкістю від 0,2ּ10^-6 до 6ּ10⁴ м²/с.

3 Конструкції розбірних та напіврозбірних пластинчастих теплообмінних апаратів

В теплопередавальних пластинах розбірних апаратів по їх контуру передбачено паз, у якому закріплені ущільнювальні прокладки з гум спеціальних теплостійких марок. Пластини установлюють на раму теплообмінника, яка складається з кількох штанг, рухомих та нерухомих плит із затискними гвинтами. Нерухома плита звичайно закріплена до полу, рухома – на ролику підвішена до верхньої штанги та може рухатися по ній. На плитах розміщуються штуцери для приєднання технологічних трубопроводів.

При однопакетному компонуванні пластин допускається установка усіх чотирьох штуцерів на нерухомій плиті, що полегшує експлуатацію апарата.

На апараті може бути установлено більше чотирьох штуцерів, наприклад, для відведення несконденсованих газів, зливу продуктів тощо.

Розбірні теплообмінні апарати установлюють на консольній рамі (виповнення 1), на двохопорній рамі (виповнення 2), на трьохопорній рамі або рамі з нерухомою опорою усередині (виповнення 3).

Основна деталь розбірного пластинчастого теплообмінного апарата – гофрована теплопередавальна пластина.

В каналах апарата, які складаються з пластин, передбачені точки опори гофр, що дозволяє витримувати в апараті різницю тисків з обох боків пластини, а також підвищений внутрішній тиск у каналах при збереженні герметичності.

Група платин, що утворює систему каналів, у яких робоче середовище рухається лише в одному напряму, складає пакет.

Один або кілька пакетів, стиснутих між нерухомою та рухомою плитами, створюють секцію. При складанні пакету пластини повернуті одна відносно другої на 180°, причому усі гумові прокладки розташовуються з боку рухомої плити. У кутах пластин розміщуються отвори для проходження робочих середовищ.

У проміжних і кінцевих пластинах може бути одно, два або три отвори, кількість яких визначають відповідно схемі компоновки пластин в теплообміннику.

Кожна пластина в працюючому апараті омивається двома середовищами: з одного боку – охолоджуваним, з другого – нагрівним. Середовища, які протікають поперек гофрів, турбулізуються, що сприяє інтенсифікації теплообміну. Простірна схема руху робочих середовищ в однопакетному пластинчастому теплообмінному апараті приведена на рисунку 1.

Рисунок 1 – Простірна схема руху робочих середовищ в однопакетному пластинчастому теплообмінному апараті

При формах та розмірах гофр, прийнятих для промислових пластинчастих теплообмінних апаратів, вже при Re>50–200 стабілізація потоку порушується, потік становиться турбулентним. Порушення стабілізації граничного підшару сприяє підвищенню інтенсивності тепловіддачі. При роботі на середовищах типу вода-вода коефіцієнт теплопередачі складає 3000–5000 Вт/(м²·К).

При компонуванні пластинчастих розбірних теплообмінних апаратів за схемою, визначеною розрахунком, можна отримати оптимальну кількість каналів в пакеті та пакетів в секції для кожного робочого середовища.

Компоновку теплообмінного апарата можна змінити відповідно до конкретної кількості кожного з робочих середовищ, напору та заданому тепловому режиму, завдяки чому характеристику апарата можна наблизити до оптимальної та підвищити коефіцієнт теплопередачі.

Компоновку пластин в апараті та напрям руху робочих середовищ зображають на схемах, що складаються відповідно тепловим та гідродинамічним розрахункам. Схему найпростішого пластинчастого теплообмінного апарата (рисунок 1), який складається з п’яти пластин, що формують по два паралельних канали для кожного робочого середовища, умовно представляють дріб’ю

Сх

Теплообмінні апарати промислового призначення часто мають більш складні схеми компоновки каналів та теплопередавальних поверхонь.

На рисунку 2 наведена схема компоновки пластин у два симетричних пакети для охолоджуваного та нагрівного робочих середовищ, тобто при однакової кількості каналів у кожному пакеті для кожного робочого середовища. Для кожного робочого середовища можна застосувати різні варіанти компоновки пластин.

Робоче середовище через вхідний штуцер поступає у подовжній колектор, створений кутовими отворами та прокладками стиснутих у пакет пластин, і рухається по ньому до пластини з непросіченим місцем для кутового отвору З колектора, далі робоче середовище проходить у міжпластинчасті канали через ділянки, на яких відсутні ущільнювальні прокладки. У кожному колекторі ці ділянки розташовані через одну пластину, завдяки чому створюється система гарячих та холодних каналів. Після проходження міжпластинчастих каналів робоче середовище попадає у протилежний колектор і виводиться з апарата або проходить у наступний пакет.

Рисунок 2 – Схема компоновки пластин у два симетричних пакети

І – 1–9 – нумерація каналів; І І –1–9 –нумерація пластин; а – отвір з ущільнювальним гумовим кільцем; b – непросічене місце для отвору без ущільнювального гумового кільця; с – отвір без ущільнювального гумового кільця; d – непросічене місце для отвору з ущільнювальним гумовим кільцем

При заданій витраті рідини, яка проходить через апарат, можна розрахувати швидкість руху її по міжпластинчастим каналам. Оптимальна швидкість досягається за рахунок змінення числа каналів у пакеті.

Пакет завжди обмежено пластиною, яка має неповну кількість кутових отворів. Такі пластини називають граничними.

Робочі середовища, як правило, рухаються в апараті протитоком.

Якщо витрата одного робочого середовища значно відрізняється від другого, то для створення однакових швидкостей та гідравлічних опорів збоку руху кожного середовища та забезпечення оптимальних коефіцієнтів тепловіддачі, застосовують несиметричні схеми компоновки пластин (рисунок 3). У цих схемах кількість каналів в пакетах для кожного з робочих середовищ неоднакова.

Розрізняють пластини з діагональним та одностороннім розташуванням прохідних отворів для кожного робочого середовища.

На рисунку 4 наведено паралельне однопакетне з’єднання пластин типу 0,2 з діагональним розташуванням прохідних отворів.

Рисунок 3 – Несиметрична схема компоновки пластин І – 1–14 – нумерація каналів; ІІ – 1–14 – нумерація пластин

Рисунок 4 – Паралельне однопакетне з’єднання пластин типу 0,2 з діагональним розташуванням прохідних отворів І – 1–9 – нумерація каналів; ІІ – 1–9 – нумерація пластин

Для хода кожного робочого середовища є чотири канали. Після зборки пластин утворюються дві ізольованих одна від другої системи каналів. Кожна система з’єднується з двома кутовими отворами. Канали обох систем у пакеті чергуються. Для цього пакет необхідно набирати з лівих та правих пластин, які розрізняються розміщенням ущільнювальних прокладок. Загальний вигляд лівої та правої пластин з одностороннім направленням потоку наведено на рисунку 5.

Рисунок 5 – Загальний вигляд лівої та правої пластин з одностороннім направленням потоку л – ліва прокладка п – права прокладка; 1 – велика прокладка: 2– мала прокладка

В лівій пластині потік першого робочого середовища входить у міжпластинчастий простір через верхній або нижній лівий кутовий отвір, а виходить через інший. Праві отвори ізольовані від потоку першого робочого середовища ущільнювальною прокладкою.

Праві та ліві пластини чергуються у пакеті, а розміщення великої та малої прокладок забезпечує чергування каналів для потоків гарячого та холодного робочих середовищ. При зборці пакетів усі праві пластини повернуті відносно лівих на 180 у площині пластини; при цьому вершини гофр взаємно перетинаються.

Якщо велика ущільнювальна прокладка охоплює два кутових отвори, які розташовані по діагоналі пластини, то загальний напрям потоку при русі рідини в міжпластинчастому каналі буде діагональним.

Рівномірно розподілений значний гідравлічний опір гофрованої частини міжпластинчастого каналу сприяє вирівнюванню його швидкості по ширині каналу. Тому обидва варіанти пластин (з одностороннім та діагональним напрямом потоку) практично рівноцінні.