Тепловой и конструктивный расчёт секционного водо-водяного подогревателя теплосети

Если высокотемпературные теплоносители использовать при температурах ниже точки кипения, то в заполненном ими объеме теплообменного аппарата, так же как и при дымовых газах, избыточное давление может отсутствовать.

Основными требованиями, предъявляемыми к высокотемпературным теплоносителям, являются: высокая температура кипения при атмосферном давлении, высокая интенсивность теплообмена, низкая температура отвердевания, малая активность корродирующего действия на металлы, нетоксичность, невоспламеняемость, взрывобезопасность, термическая стойкость и дешевизна.[1]

 Наряду с высокотемпературными теплоносителями имеются низкотемпературные теплоносители и холодильные агенты, которые кипят при температурах ниже 0°С.

В настоящее время для охлаждения используется эффект эндотермической реакции или поглощения тепла при химическом разложении веществ.

Например, при разложении 1 кг хлористого аммония NН4С1 и НС1, которые превращаются в газ, поглощается 3 300 кДж/кг. Эта величина почти в 1,5 раза превышает теплоту парообразования воды (2260 кДж/кг).

1.2 Конструкции трубчатых, пластинчатых и спиральных аппаратов  поверхностного типа.

Первые технические теплообменные аппараты представляли собой варочные котлы с огневым или дымовым обогревом. Позднее стали делать аппараты с двухслойными стенками, в промежуток между которыми подавался теплоноситель: греющий пар или горячая вода. Такие аппараты называют рубашечными. Для повышения интенсивности теплообмена и производительности аппаратов в дальнейшем изготовлялись аппараты с поверхностью теплообмена в виде изогнутых в змеевик труб — змеевиковые теплообменники. Однако все указанные аппараты были мало производительными, трудно регулируемыми и неудобными в эксплуатации, особенно была трудной их очистка.

Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия весьма разнообразны.            Кожухотрубчатые теплообменники (рис. 1.1) представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, а, следовательно, и интенсивности теплообмена теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между различными жидкостями, между паром и жидкостями или между жидкостями и газами. Они применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена.

Трубки теплообменников изготовляются прямыми (за исключением теплообменников с U-образными трубками, рис. 1.1 г); поэтому они легко доступны для очистки и замены в случае течи.

Тепловые конструкции кожухотрубчатых теплообменников разработаны НИИХИММАШ.

В большинстве случаев пар (греющий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха. Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, предусматривается возможность свободного удлинения труб за счет различного рода компенсаторов.[1].

Особенность кожухотрубчатых теплообменников состоит в том, что проходное сечение межтрубного пространства велико по сравнению с проходным сечением трубок и может быть больше последнего в 2,5— 3 раза. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей (если теплообмен происходит без изменения их агрегатного состояния) часто получаются пониженные скорости теплоносителя и малые значения коэффициентов теплоотдачи на стороне межтрубного пространства, что значительно снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Для выравнивания проходных сечений иногда применяют усадку концов трубок при закреплении в трубной решетке. Схема такого теплообменника показана на рис. 1.1,6.

Для уменьшения засорения золой дымовые газы пропускают внутри трубок, а воздух - через межтрубное пространство.[1]

Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные аппараты имеют большое распространение, так как они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении. Для удобства монтажа и эксплуатации максимальную длину трубок для них следует брать не больше 5 м.

Рис.1-1. Типы кожухотрубчатых теплообменников.

а- с жестким креплением трубных решеток; б - с обсаженными трубками; в - с линзовым компенсатором на корпусе; г - с U-образными трубками; д - с подвижной решеткой закрытого типа; е - с подвижной решеткой открытого типа; ж - с сальником на штуцере; з - с трубками Фильда.

Во избежание резкого снижения теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке в корпусе теплообменника должны быть предусмотрены краны для выпуска воздуха как из нижней части аппарата над поверхностью конденсата, так и из верхней его части.

Регулирование производительности парожидкостного теплообменника возможно путем изменения давления (дросселированием греющего пара), изменения расхода нагреваемого теплоносителя и изменения (повышения) уровня конденсата в аппарате, т.е. уменьшения активной поверхности теплообмена .В последнем случае для контроля уровня конденсата необходимо  иметь на корпусе водоуказательное стекло.

Секционные теплообменники и теплообменники «труба в трубе».

Секционные трубчатые теплообменники (рис. 1.2) при одинаковых расходах жидкостей имеют меньшую разницу в скоростях движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве и повышенные коэффициенты теплопередачи по сравнению с обычными трубчатыми теплообменниками.

Рис. 1.2 Водоводяной подогреватель теплосети Мосэнерго.

1- линзовый компенсатор; 2-разборная (на резьбе) трубная решетка; 3-калач; 4-трубки.

Для небольших производительностей целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе», относящихся также к секционным, но конструктивно упрощенным аппаратам: в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра, отсутствуют трубные решетки и фланцы, все элементы аппарата соединены сваркой.

Недостатки секционных теплообменников: во-первых, высокая стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов аппарата— трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т. д.; во-вторых ,большая длина пути жидкости по сравнению с одноходовой трубчаткой ,что создаёт значительные гидравлические сопротивления и вызывает увеличение расхода электроэнергии на работу насоса .[1]

Спиральный теплообменник.2 листа толщиной 3-7 мм (в зависимости от рабочего давления в аппарате )свёртывают на специальном станке в спирали ,причём при помощи приваренных бобышек между ними сохраняется одинаковое по всей спирали расстояние от 5-15 мм .Таким образом ,получаются 2 канала и каждый из них имеет полуцилиндрическую часть в центре аппарата и спиральную часть ,заканчивающуюся коробкой снаружи .Каждый центральный полуцилиндр и каждая коробка имеют штуцер для входа или выхода теплоносителя .Спирали изготовляют так, что торцы листов лежат строго в одной плоскости. Затем их помещают между дисками, являющимися крышками аппарата, и стягивают болтами. Для лучшей герметизации и устранения перетекания теплоносителей между крышками и листами по всему сечению теплообменника помещают прокладку из резины, паранита, асбеста или мягкого металла. Такая конструкция обеспечивает возможность чистки поверхностей нагрева и работу без перетекания теплоносителей при давлениях до 4*105 Па. Для повышенных давлений и больших производительностей применяют спиральные теплообменники с усложненной, но более надежной конструкцией уплотнения торцов спиралей. Спиральные теплообменники бывают горизонтального и вертикального типов; их устанавливают часто блоками по два, четыре и восемь аппаратов.

Достоинствами спиральных теплообменников по сравнению с многоходовыми трубчатыми теплообменниками являются повышенная компактность (большая поверхность теплообмена в единице объема) при одинаковых коэффициентах теплопередачи и меньшее гидравлическое сопротивление для прохода теплоносителей, недостатками их являются сложность изготовления и меньшая плотность.

Пластинчатые теплообменники бывают различных конструкций; их обычно применяют, когда коэффициенты теплообмена для обоих теплоносителей одинаковы.[1].

Недостатками изготовлявшихся в прошлом конструкций теплообменников с большими расстояниями (15—40 мм) между пластинами являлась малая герметичность и применимость лишь для газов из-за незначительных допустимых перепадов давлений между теплоносителями (несколько сотен Паскалей или десятков миллиметров водяного столба).

В настоящее время разработано большое число теплообменников, поверхность теплообмена которых выполнена из гофрированных пластин с незначительным расстоянием между пластинами (6—8 мм) (рис. 1.4).

Рис.1-4 Воздухоподогреватель из гофрированных пластин, а – элемент  пакета; б – модель воздухоподогревателя.

Эти теплообменники очень компактны и по технико-экономическим, а для разборных конструкций и по эксплуатационным показателям превосходят лучшие трубчатые теплообменники. Однако они пока еще не могут работать в области высоких температур и давлений, поэтому в настоящее время их применяют при давлениях до 16*105 Па и температурах до 150°С при разборных конструкциях (между пластинами укладываются уплотнительные прокладки) и до 400 °С — при неразборных конструкциях (уплотнение пластин достигается сваркой).

Высокотемпературные рекуператоры. Для подогрева воздуха в промышленных печах при температурах газа 800-900 °С применяются трубчатые рекуператоры из углеродистой стали и рекуператоры из игольчатых труб. При температурах 900-1000 °С используются термоблочные рекуператоры, в которых гладкие трубы находятся в профильном чугунном каркасе, имеющем каналы для дымовых газов.[1]

 Термоблочные  рекуператоры, при одинаковой теплопроизводительности имеют в 2—3 раза больший вес, чем игольчатые, но обладают лучшей газовой плотностью. При температурах газа от 1000 до 1200°С внутри трубок из легированной стали (со стороны нагреваемого воздуха) устанавливают металлические вставки, которые нагреваются за счет радиационного потока от наружных стенок и снижают их температуру.

Пленочные конденсаторы поверхностного типа. В некоторых промышленных установках (например, холодильных) большое распространение получили вертикальные пленочные конденсаторы. Пары аммиака поступают в межтрубное пространство   и   конденсируются   на внешней поверхности вертикальных труб, имеющих длину 3-6 мм. Охлаждающая вода поступает в бак, дном которого является верхняя трубная решетка, и из него равномерно распределяется по трубкам.   В   каждую трубку вставляется завихритель, обеспечивающий спиральное движение пленки воды по внутренней поверхности трубки с целью интенсификации теплообмена за счет большей скорости при небольших расходах воды.

Оросительные конденсаторы  горизонтального типа состоят из нескольких трубчатых змеевиков, внутри которых протекает конденсируемый теплоноситель. Змеевики снаружи орошаются водой. Вода стекает каскадно пленкой с горизонтальных труб змеевика в поддон, откуда насосом подается в градирню и после охлаждения в ней снова в верхние распределительные перфорированные трубы или корыта этого конденсатора. Достоинством такого конденсатора является простота,   а недостатком — громоздкость.

Испарители и парообразователи широко применяются для уменьшения и восполнения потерь конденсата. Их можно разделить на аппараты с естественной циркуляцией воды между трубками и с принудительной циркуляцией воды в кипятильных трубках.[1].

 В  качестве примера испарителя  воды с естественной циркуляцией на рис. 1.5 представлен вертикальный аппарат типа ИСВ.

Рис. 1.5. Вертикальный испаритель типа ИСВ.

1- корпус; 2 - греющая секция; 3 - перегородка; 4 - труба для отсоса воздуха  из греющей камеры в корпус  вторичного пара; 5 - поплавковый регулятор питания; 6 - трубопровод химически очищенной воды; 7 - спускной патрубок для опорожнения; 8 - пеноразмывочное устройство; 9 - лаз; 10 - конденсатоотводчик; 11 - уровень воды (зеркало испарения).

Естественная циркуляция в этом аппарате происходит вследствие того, что образующаяся в кипятильных трубках пароводяная эмульсия имеет меньшую плотность, чем вода в кольцевом зазоре между корпусом и трубной системой, где ей сообщается значительно меньшее удельное количество тепла на единицу объема. При этом в трубках устанавливается подъемное движение пароводяной эмульсии, а в кольцевом зазоре — опускное движение воды. Паровые пузырьки по выходе среды из трубок переходят в паровой объем. Уровень воды в аппарате поддерживается с помощью поплавкового регулятора питания выше верхней трубной решётки .Подача воды производится через пеноразмывочное устройство, предназначенное для того, чтобы размывать шапку пены, образующуюся над зеркалом испарения при значительной концентрации растворенных примесей в испаряемой воде. Первичный (греющий) пар поступает в межтрубное пространство греющей камеры. Для отделения влаги из вторичного пара в верхней части парового пространства встроено сепарирующее устройство.

В вертикальных испарителях типа ИСВ коэффициент теплопередачи к = 3000-4000 Вт/(м2*°С) [2500—3500 ккал/(м2*ч*°С)].

При термической обработке агрессивных жидкостей паров и газов (серная, фосфорная, соляная и др. кислоты) поверхности нагрева защищают антикоррозионными покрытиями: фенолформальдегидными или эпоксидными смолами, полимеризационными пластическими массами, стеклопластиками. В последние годы термическая обработка агрессивных сред производится также в теплообменниках из непроницаемых графитовых элементов (труб или блоков), пропитанных фенолформальдегидной смолой, или из графитопласта АТМ-1.Физико-механические свойства этих материалов приведены в табл.1-2.