Проект расчета кожухотрубного теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Башкортостан

ГАОУ СПО "Уфимский топливно-энергетический колледж"

Проект расчета кожухотрубного теплообменника



Введение

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). Теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т.д. Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т.п.

Рассмотрим один из теплообменных аппаратов - испаритель.

Испаритель - это теплообменный аппарат, в котором хладагент кипит за счет теплоты, отнимаемой от хладоносягеля.

Кожухотрубные испарители используются в торговых и промышленных установках. Кожухотрубные испарители состоят из цилиндрического стального кожуха, в котором установлены трубы. Трубы удерживаются в кожухе перегородками, расположенными по всей длине. Концы труб смонтированы на толстых стальных дисках, которые называются трубными решетками, приваренных к кожуху. Концы труб вставлены в саму трубу. У таких испарителей относительно высокая производительность, они требуют минимальной площади и высоты, легко обслуживаются и приспосабливаются почти для любого охлаждения жидкости. Благодаря этому кожухотрубные испарители применяются наиболее широко.

Существует несколько типов таких испарителей. Устройство трубы зависит от подачи хладагента и типа хладагента. Если испаритель затопленный, охлаждаемая жидкость проходит по трубе, а хладагент содержится в кожухе. Уровень жидкого хладагента в кожухе поддерживает поплавковый регулятор. Если испаритель змеевиковый, хладагент подается в трубы распределителем, а охлаждаемая жидкость проходит через кожух. В большинстве случаев охлаждаемая жидкость проходит через испаритель и соединительный трубопровод при помощи одного или более насоса центробежного типа.

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

В химических производствах до 70% теплообменных аппаратов применяют для сред жидкость -- жидкость и пар -- жидкость при давлении до 1 МПа и температуре до 200 °С. Для указанных условий разработаны и серийно изготовлены теплообменные аппараты общего назначения кожухотрубчатого и спирального типов.

В последнее время получают распространение пластинчатые теплообменные аппараты общего назначения. Одним из преимуществ трубчатых теплообменных аппаратов является простота конструкции. Однако коэффициент унификации узлов и деталей размерного ряда этих аппаратов, являющийся отношением числа узлов и деталей (размеры одинаковы для всего ряда) к общему числу узлов и деталей данного размерного ряда, составляет примерно 0,13. В то же время этот коэффициент применительно к пластинчатым теплообменным аппаратам составляет 0,9.

Достоинством кожухотрубчатого холодильника-конденсатора является возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная; недостатком - более высокий расход материала по сравнению с некоторыми современными типами теплообменных аппаратов (спиральными, пластинчатыми теплообменниками.

По оценкам экспертов на изготовление трубчатых теплообменников расходуется около трети всего металла, потребляемого машиностроением.

Поэтому разработка методов интенсификации теплообмена способствующих снижению массы теплообменников, экономии материалов, является актуальной проблемой, которой занимаются специалисты многих стран. Одним из наиболее простых и эффективных путей интенсификации теплообмена является изменение формы и режима движения теплоносителя.

При созданиях новых, более эффективных теплообменных аппаратов стремятся, во-первых, уменьшить удельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемой при работе энергии по сравнению с теми же показателями существующих теплообменников.

Удельными затратами для теплообменных аппаратов называют затраты, отнесенные к тепловой производительности в заданных условиях, во-вторых, повысить интенсивность и эффективность работы аппарата. Интенсивностью процесса или удельной тепловой производительностью теплообменного аппарата называется количество теплоты, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме.

Интенсивность процесса теплообмена характеризуется коэффициентом теплопередачи. На интенсивность и эффективность влияют также форма поверхности теплообмена: эквивалентный диаметр и компоновка каналов, обеспечивающие оптимальные скорости движения сред; средний температурный напор; наличие турбулизирующих элементов в каналах; оребрение.

Кроме конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена существует режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и режима течения жидкости у поверхности теплообмена.

Режимные методы включают: подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульсации потоков, вдувание газа в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложении электрических или магнитных полей на поток, предотвращения загрязнений поверхности теплообмена путем сильно турбулизации потока.

Общие сведенья о теплообменных аппаратах

Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяют на поверхностные, где отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой. Теплообменные аппараты поверхностного типа, кроме того классифицируются по назначению (подогреватели, холодильники и т.д.); по взаимному направлению теплоносителей (прямоток, противоток, смешанный ток и т.д.); по материалу поверхности теплообмена; по числу ходов и т.д.

Поверхностные теплообменники

Рекуперативные теплообменники

Рекуперативный теплообменник -- теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. При неизменных условиях параметры теплоносителей на входе и в любом из сечений каналов, остаются неизменными, независимыми от времени, т.е процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными. Рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

Наиболее распространённые в промышленности рекуперативные теплообменники:

- кожухотрубные теплообменники,

- элементные (секционные) теплообменники,

- двухтрубные теплообменники типа "труба в трубе",

- витые теплообменники,

- погружные теплообменники,

- оросительные теплообменники,

- ребристые теплообменники,

- спиральные теплообменники,

- пластинчатые теплообменники,

- пластинчато-ребристые теплообменники,

- графитовые теплообменники.

Регенеративные теплообменники

В регенеративных поверхностных теплообменниках теплоносители (горячий и холодный) контактируют с твердой стенкой поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным. Регенераторы являются аппаратами периодического действия.

Смесительные теплообменники

Смесительный теплообменник (контактный теплообменник) -- теплообменник, предназначенный для осуществления тепло- и массообменных процессов путем прямого смешивания сред. Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА -- теплообменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжектор. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, нежели поверхностные, более полно используют тепло. Однако, пригодны они лишь в случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

Большое применение контактные теплообменники находят в установках утилизации тепла дымовых газов, отработанного пара и т.п.

Кожухотрубный теплообменный аппарат

Наиболее широкое распространение получили кожухотрубные теплообменные аппараты (рис. 1), используемые для теплообмена между потоками в различных агрегатных состояниях (пар--жидкость, жидкость--жидкость, газ--газ, газ-- жидкость). Аппарат состоит из пучка труб, помещенного внутри цилиндрического корпуса (обечайки), сваренного из листовой стали, реже -- литого. Трубки завальцованы в двух трубных решетках или приварены к ним в зависимости от свойств конструкционных материалов. Трубки размещаются в пучке в шахматном порядке, по вершинам равностороннего треугольника, с шагом s/d = (1,25--2,20), где d -- наружный диаметр труб. Аппарат снабжен двумя съемными крышками со штуцерами для входа и выхода теплоносителя, движущегося внутри труб. Трубное и межтрубное пространства разобщены. Второй теплоноситель движется в межтрубном пространстве, снабженном входным и выходным штуцерами. По трубам движется, как правило, тот поток, который содержит взвешенные твердые частицы (для удобства чистки), находится под большим давлением (чтобы не утяжелять корпус) или обладает агрессивными свойствами (для предохранения корпуса от коррозии). Площадь проходного сечения межтрубного пространства значительно больше (иногда в 2 раза) суммарного живого сечения труб, поэтому при одинаковых объемных расходах теплоносителей коэффициент теплоотдачи со стороны межтрубного пространства оказывается более низким. Для устранения этого явления прибегают к увеличению скорости теплоносителя путем размещения различных перегородок в межтрубном пространстве. В кожухотрубных теплообменниках достигаются достаточно большие отношения теплообменной поверхности к объему и массе. Размеры поверхности теплообмена легко можно варьировать в широких пределах, конструкция имеет достаточную прочность и выдерживает нормальные нагрузки при сборке, перевозке и монтаже теплообменника, а также внутренние и внешние напряжения в обычных условиях эксплуатации. Очистка кожухотрубного теплообменника вызывает затруднений, а его элементы, наиболее подвержены коррозии, - прокладки и трубы - легко могут быть заменены. Конструктивные особенности позволяют применять этот тип почти во всех случаях, включая предельно низкие или высокие температуры и давления, большие градиенты температур, при испарении и конденсации и использовании сильно загрязненных и коррозионно-активных теплоносителей.

Трубы являются основным элементом, обеспечивающим теплопередачу между теплоносителем, протекающим внутри тубы и в межтрубном пространстве. Трубы могут быть либо гладкими, либо с невысокими ребрами снаружи. В последнем случае наружный диаметр ребра выбирается немного меньше, чем наружный диаметр неоребренных концов труб, что позволяет вставлять оребренные трубы через отверстия в трубной досках на каждом конце (за исключением U-образных труб, которые закрепляются только одной трубной доске). Трубы либо развальцовываются в трубной доске, либо привариваются к ним снаружи. В некоторых случаях при низких давлениях трубы просто вставляются в отверстия в трубных досках.

Трубная доска представляет собой металлический диск, в котором имеются отверстия для труб, элементов уплотнений, дистанционирующих решеток и крепежных болтов, если трубная доска привинчивается к фланцу кожуха (трубная доска может быть также приварена к кожуху).

Кожух имеет вид цилиндра, внутри которого помещены трубы и циркулирует теплоноситель. Кожух малого диаметра (до 0,6м) можно изготовить из трубы, обрезав ее до желаемой длины.

Теплоноситель поступает в кожух через входной патрубок и выходит через выходной. Чаще всего патрубки изготовляются из стандартных труб, которые привариваются к кожуху. Там, где требуются малые потери давления, равномерное распределение теплоносителя или защита от коррозии, применяются специальные конструкции. В тех случаях, когда в межтрубное пространство подается двухфазный поток или насыщенный пар, внутри кожуха за входным патрубком могут быть установлены отражающие пластины, имеющие несколько большие размеры, чем сечение патрубка.

Распределение теплоносителя по трубам осуществляется через коллекторы и патрубки. Поскольку теплоноситель, протекающий через трубы, в большей степени способствует коррозии, эти элементы могут быть изготовлены из сплавов или низкоуглеродистых сталей с наплавленным или нанесенным взрывом покрытием крышки сборного и распределительного коллектора прикрепляются таким образом, чтобы обеспечить без повреждений осмотр трубной доски и труб. Для теплоносителя, текущего по трубам, могут быть использованы вместо коллекторов завинчивающиеся крышки с боковыми патрубками.

Важным элементом большинства кожухотрубных теплообменников является набор перегородок. Они предохраняют трубы от изгиба и вибрации, а также направляют поток поперек труб для улучшения теплоотдачи(и, как следствие, увеличивают перепад давления).

Кожухотрубные теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей.

Испарители классифицируют по наиболее характерным признакам. По характеру охлаждаемой среды (по назначению) различают испарители для охлаждения жидких хладоносителей и технологических продуктов; для охлаждения воздуха и газообразных технологических продуктов, т. е. когда происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом; для охлаждения твердых технологических продуктов; испарители-конденсаторы.

В холодильной технике теплообменные аппараты, используемые для охлаждения жидких хладоносителей и жидких технологических продуктов, называют испарителями, а аппараты для охлаждения воздуха -- батареями и воздухоохладителями.

В зависимости от условий циркуляции охлаждаемой жидкости испарители могут быть закрытого или открытого типов. Испарителями закрытого типа называют испарители с закрытой системой циркуляции охлаждаемой жидкости, прокачиваемой насосом. К ним относятся кожухотрубные и кожухозмеевиковые испарители. Испарителями открытого типа называют испарители с открытым уровнем охлаждаемой жидкости, циркуляция которой создается мешалкой. К ним относятся вертикально-трубные и панельные испарители.

По характеру заполнения хладагентом испарители разделяют на затопленные и незатопленные. К последним относятся оросительный, кожухотрубный с кипением в трубах, а также змеевиковый испарители с верхней подачей жидкости.

Испарители также разделяют на группы в зависимости от того, на какой поверхности кипит хладагент: в межтрубном пространстве (кожухотрубные затопленные и оросительные) или внутри труб и каналов (кожухотрубные с кипением в трубах, вертикально-трубные и панельные). Последнее разделение важно с точки зрения выбора модели для расчета теплоотдачи кипящей жидкости. Испарители с вертикальными трубами обладают рядом положительных свойств, в частности, при намораживании льда на поверхности труб не происходит разрушений, что важно при охлаждении воды в аккумуляторах. Недостатком этих аппаратов является большая металлоемкость и сложность сварочных работ. Разновидностью испарителей с вертикальными трубами является панельный испаритель, состоящий из прямоугольного металлического или железобетонного бака, в который помещены испарительные секции панельного типа и мешалка, создающая циркуляцию хладоносителя. Использование панельных испарителей позволяет уменьшить массу на 25--30% (по сравнению с трубчатыми аппаратами), в 5--6 раз снизить расход бесшовных труб, стоимость которых почти втрое выше стоимости листового материала, уменьшить вместимость аппарата по хладагенту.

Наиболее эффективны испарители с трубами, имеющими одновременно внутреннее и наружное оребрение. При проектировании аппаратов с большой плотностью теплового потока необходимо обеспечивать интенсификацию теплообмена со стороны фреонов различными методами (использование насадок, турбувизирующих поток, оребрение, режимный метод интенсификации, переход к насосной подаче хладагента), уменьшающими термическое сопротивление со стороны хладагента. Конкретный выбор типа аппарата зависит от относительной значимости отдельных факторов и назначения аппарата: стоимости изготовления аппарата (капитальные затраты), эксплуатационных расходов (особенно расходов на прокачку теплоносителя), возможности очистки аппарата, склонности к коррозии, разности рабочих давлений сред, опасностей, связанных с утечкой хладоносителя, рабочего диапазона температур, возможности возникновения вибрации труб, и появления усталостных повреждений. Кожухотрубные аппараты соответственно местным условиям располагаются вертикально или горизонтально; при необходимости удлинения пути теплоносителей они могут соединяться последовательно, а при невозможности размещения требуемого числа труб в одном корпусе их соединяют параллельно, могут быть одно- , двух- , четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали. При конструкции различают теплообменники с неподвижными трубными решетками, в которых обе решетки жестко прикреплены к корпусу и трубы не могут свободно удлиняться, и теплообменники с компенсирующими устройствами, в которых трубы могут свободно удлиняться.

В теплообменниках с неподвижными трубными решетками при различном тепловом удлинении труб и кожуха возникают температурные напряжения; поэтому такие теплообменники применяют при небольшой разности температур между трубами и кожухом.

Для одноходовых теплообменников при сравнительно небольших расходах жидкости скорость её движения в трубах низка и, следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно увеличив их высоту (длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и значительной высоты не удобны для монтажа, требуют высоких помещений и повышенного расхода металла на изготовление деталей, не участвующих непосредственно в теплообменниках.

Рис. 1. Кожухотрубный теплообменный аппарат. 1 -- корпус; 2 -- трубы; 3 -- трубные решетки; 4 -- крышки; 5 -- штуцеры для входа и выхода из трубного пространства; 6 -- штуцеры для входа и выхода из межтрубного пространства; 7 -- поперечные перегородки межтрубного пространства; 8, 9 -- опорные липы соответственно при вертикальном и горизонтальном расположениях аппарата.



1. Технологическая часть

1.1 Сущность и назначение процесса теплообмена

Теплообмен -- физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики (однако возможно передать тепло от холодного тела с помощью вспомогательных устройств, таких как холодильник). Теплопередачу невозможно остановить, возможно только замедлить её.

Всего существует три простых (элементарных) вида передачи тепла:

-теплопроводность;

-конвекция;

-тепловое излучение;

Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них:

-теплоотдача (конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела);

-теплопередача (теплообмен от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку);

-конвективно-лучистый перенос тепла (совместный перенос тепла излучением и конвекцией).

Теплопроводность - это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Конвекция -- явление переноса теплоты в жидкостях или газах путем перемешивания самого вещества (как вынужденно, так и самопроизвольно). Существует естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции, нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают вверх, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек. Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.

При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием каких-то внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

Тепловое излучение -- электромагнитное излучение со сплошным спектром, испускаемое веществом и возникающее за счёт его внутренней энергии (в отличие, например, от люминесценции, возникающей за счёт внешних источников энергии). В физике для корректного расчёта теплового излучения принята модель абсолютно чёрного тела, тепловое излучение которого описывается законом Стефана -- Больцмана.



1.2 Физико-химические свойства сырья и продуктов

Керосин -- смеси углеводородов (от C12 до C15), выкипающие в интервале температур 150--250 °C, прозрачная, бесцветная (или слегка желтоватая), слегка маслянистая на ощупь, горючая жидкость, получаемая путём прямой перегонки или ректификации нефти.

Плотность 0,78--0,85 г/смі (при 20 °C), вязкость 1,2--4,5 ммІ/с (при 20 °C), температура вспышки 28--72 °C, теплота сгорания ок. 43 МДж/кг.

В зависимости от химического состава и способа переработки нефти, из которой получен керосин, в его состав входят:

предельные алифатические углеводороды -- 20--60 %

афтеновые углеводороды 20--50 %

бициклические ароматические 5--25 %

непредельные углеводороды -- до 2 %

примеси сернистых, азотистых или кислородных соединений.

Керосин применяют как реактивное топливо, горючий компонент жидкого ракетного топлива, горючее при обжиге стеклянных и фарфоровых изделий, для бытовых нагревательных и осветительных приборов, в аппаратах для резки металлов, как растворитель (например для нанесения пестицидов), сырьё для нефтеперерабатывающей промышленности. Керосин может использоваться как заменитель зимнего и арктического дизтоплива для дизельных двигателей, однако необходимо добавить противоизносные и цетаноповышающие присадки; цетановое число керосина около 40, ГОСТ требует не менее 45. Для многотопливных двигателей (на основе дизельного двигателя) возможно кратковременное применение чистого керосина и даже бензина АИ-80. Зимой допускается добавление до 20 % керосина в летнее дизельное топливо для снижения температуры застывания, при этом не ухудшаются эксплуатационные характеристики. Также керосин -- основное топливо для проведения фаер-шоу (огненных представлений), из-за хорошей впитываемости и относительно низкой температуры горения. Применяется также для промывки механизмов, для удаления ржавчины.

Характеристики осветительного керосина

Нормы характеристик осветительных керосинов в России задаются стандартами ГОСТ 11128-65 "Керосин осветительный из сернистых нефтей" и ГОСТ 4753-68 "Керосин осветительный", по последнему стандарту показатели следующие:

Показатель	КО-30	КО-25	КО-22	КО-20
Плотн., (при 20 °C), г/см3, не более	0,790	0,805	0,805	0,830
Фракционный состав, °C	выкипает, % по объему, не менее
20	200	--	--	--
25	200	--	200	--
80	--	--	--	270
Конец кипения, не выше	280	300	280	310
Т. вспышки, °C, не ниже	48	40	40	40
Т. помутнения, °C, не выше	?15	?15	?15	?12
Содержание S, % по массе, не более	0,003	0,003	0,003	0,003
Кислотное число, не более	1,3	1,3	1,3	1,3

Вода обладает рядом необычных особенностей:

-при таянии льда его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/смі). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.

-при нагревании от 0 °C до 4 °C (точнее, 3,98 °C) вода сжимается. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.

-высокая температура и удельная теплота плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.

Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода -- каждый в одной, а атом кислорода -- в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные -- атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Чистая (не содержащая примесей) вода -- хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O+) и гидроксильных ионов HO- составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода -- хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение. [2, 5]

2Na + 2 H2O >H2 + 2NaOH

2K + 2 H2O > H2 + 2KOH

3Fe + 4 H2O> 4H2 + Fe3O4

SO3 +H2O> H2SO4

CaO + H2O>Ca(OH)2

6n CO2 + 5n H2O > (C6H10O5)n + 6n O2

1.3 Сравнительная характеристика теплообменных аппаратов

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники-рекуператоры, в которых тепло передаётся через поверхность нагрева - твёрдую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

а) жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

б) парожидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

в) газожидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха) и др.

По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

Многотрубный кожухотрубчатый теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки вальцованы в трубные решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и отвода второго рабочего тела.

Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях.

Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра.

Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклёпаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и решеткой.

Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.

Удельная металлоемкость кожухотрубчатых аппаратов в 2 -- 3 раза больше металлоемкости новых пластинчатых аппаратов.

Режим работы теплообменного аппарата и скорость движения теплоносителей необходимо выбирать таким образом, чтобы отложение загрязнений на стенках происходило возможно медленнее. Например, если охлаждающая вода отводится при температуре 45 - 50єС, то на стенках теплообменного аппарата интенсивно осаждаются растворенные в воде соли.

При конструировании следует обоснованно решать вопрос о направлении теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. Например, теплоносители, загрязненные и находящиеся под давлением, обычно направляют в трубное пространство. Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче удалить конденсат. Чистка трубного пространства, в котором вероятнее всего будут выпадать загрязнения легче, а живое сечение для прохода теплоносителя меньше. Вследствие этого в трубном пространстве можно обеспечить теплоносителю более высокие скорости и, следовательно, более высокие коэффициенты теплоотдачи. Аппараты теплообменные кожухотрубчатые достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве, применяемые в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, обозначаются индексами и классифицируются:

- по назначению (первая буква индекса): Т - теплообменники; Х - холодильники; К - конденсаторы; И - испарители;

- по конструкции (вторая буква индекса) - Н -- с неподвижными трубными решетками; К -- с температурным компенсатором на кожухе; П -- с плавающей головкой; У -- с U-образными трубами; ПК -- с плавающей головкой и компенсатором на ней;

- по расположению (третья буква индекса): Г - горизонтальные; В - вертикальные.



1.4 Теплообменники с неподвижными трубными решетками

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники -- для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред.

Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников -- также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой -- в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб.

Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха.

Двухходовой горизонтальный теплообменник типа Н состоит из цилиндрического сварного кожуха, распределительной камеры и двух крышек. Трубный пучок образован трубами, закрепленными в двух трубных решетках. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного и межтрубного пространств. Перегородка в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка уложенная в паз решетки.

Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками поперечные перегородки, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник -- круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121, конденсаторы могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. От холодильников они отличаются большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство.

Для отвода конденсата и предотвращения проскока пара в линию отвода конденсата теплообменные аппараты, обогреваемые насыщенным водяным паром, должны снабжаться конденсатоотводчиками.



1.5 Теплообменники с температурным компенсатором на кожухе

Если температурные напряжения, возникающие в стенках теплообменника или трубках, оказываются большими, то необходимо предусматривать температурную компенсацию.

Теплообменник типа К - с линзовым компенсатором на корпусе. В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 13-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0.5 МПа).

Теплообменники с плавающей головкой, предназначенной для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения агрегатного состояния. Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Эти теплообменники, нормализованные в соответствии с ГОСТ 14246, могут быть двух- или четырехходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м.

Кожухотрубнатые конденсаторы с плавающей головкой (ГОСТ 14247) отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром щтуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве -- от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м.

Теплообменники с постоянным диаметром по всей длине удобны при сборке. Сборка теплообменников с переменным по длине диаметром затруднена, так как плавающую головку (по габаритным размерам) в собранном виде невозможно поместить в кожух без трубчатки.

Теплообменники с постоянным диаметром не имеют этого недостатка, так как плавающую головку можно собирать и разбирать вне и внутри кожуха. Кроме того, теплообменники с постоянным диаметром по длине предпочтительнее теплообменников с переменным диаметром потому, что при очистке их межтрубного пространства не приходится разбирать плавающую головку.

Для эффективной работы теплообменника желательно, чтобы средняя часть была выполнена с наименьшим диаметром; при этом обеспечивается наибольшая скорость продукта и, следовательно, создаются оптимальные условия для теплопередачи. Это и является причиной изготовления теплообменников с переменным диаметром по длине. Однако уменьшать диаметр средней части аппарата имеет смысл лишь при значительных размерах плавающей головки. При применении малогабаритной плавающей головки отпадает необходимость в изготовлении теплообменников переменного диаметра. Малогабаритная плавающая головка свободно располагается и в наименьшем сечении кожуха.

Теплообменники с U-образными трубами (тип У). В кожухотрубчатых аппаратах этой конструкции обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений.

Такие аппараты состоят из кожуха и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку и U-образные трубы. Трубная решетка вместе с распределительной камерой крепится к кожуху аппарата на фланце.

Для обеспечения раздельного ввода и вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка.

Теплообменники типа У являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству. В последнем случае в аппарате установлена продольная перегородка, извлекаемая из кожуха вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата и перегородкой у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины или прокладку из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки.

В аппаратах типа У обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соседних труб.

Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100 °С. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей.

Преимущество конструкции аппарата типа У -- возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки.

Поскольку механическая очистка внутренней поверхности труб в аппаратах типа У практически невозможна, в трубное пространство таких аппаратов следует направлять среду, не образующую отложений, которые требуют механической очистки.

Теплообменники с U-образными трубами применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их. Агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20Х2 мм. Поверхности теплообмена и основные параметры этих теплообменников приведены в ГОСТ 44245.



1.6 Техника безопасности при обслуживании теплообменников

Безопасность при эксплуатации теплообменников обеспечивается их конструкцией при условии соблюдения потребителем требований ГОСТ 12.1.007, ГОСТ 12.1.018, ГОСТ 12.2.003, а также норм по технике безопасности и промышленной санитарии, действующих на конкретных производствах.

Техническое обслуживание

Для поддержания теплообменника в постоянной готовности к действию и обеспечения его нормальной работы необходимо проводить техническое обслуживание теплообменника.

К техническому обслуживанию теплообменника допускаются лица, изучившие устройство, правила безопасности при его работе, требования настоящего руководства, а также инструкцию по эксплуатации циркуляционного контура штатной системы, в которой предусмотрена эксплуатация теплообменника.

Техническое обслуживание теплообменника производится в процессе эксплуатации. Своевременное и качественное выполнение мероприятий по техническому обслуживанию предупреждает появление неисправностей и отказов в работе и обеспечивает высокий уровень эксплуатационной надежности теплообменника.

Все неисправности, выявленные в процессе технического обслуживания, должны быть устранены, замечания о техническом состоянии теплообменника и его составных частей занесены в журнал учета технического обслуживания, в паспорт на теплообменник и в сервисную книжку (выдается официальным сервисным

Эксплуатационные ограничения

Подготовка теплообменника к работе, запуск в работу, остановка и обслуживание во время эксплуатации должны проводиться в совокупности с выполнением указаний соответствующих разделов руководства по эксплуатации и инструкций по эксплуатации циркуляционного контура штатной системы, в которой предусмотрена его установка.

Теплообменник предназначен для эксплуатации при заданных значениях расходов, температур, давлений, типа теплоносителя, указанных в паспорте (формуляре) на теплообменник и на табличке. Работоспособность теплообменника при иных условиях эксплуатации не гарантируется.

Запрещается использование в процессах теплообмена сред, соприкосновение которых при определенной концентрации приводит к самовоспламенению, взрыву и т.п.

Для защиты теплообменника во время запуска в работу и его эксплуатации комплектом пускозащитного оборудования системы, в которой он устанавливается, должны быть предусмотрены:

-защита от гидравлического удара;

-защита от пульсации давления;

-защита от превышения давления выше максимального значения;

-защита от повышенной вибрации теплообменника;

-защита от попадания инородных тел во внутренние полости;

- защита от воздействия солнечных лучей, источников ультрафиолетового излучения (сварки) и озона.

Теплообменник чувствителен к гидравлическому удару. Гидравлический удар может произойти при регулировании, ремонтах, запуске насосов и т.д. Для того чтобы исключить гидравлический удар, рекомендуется использовать дросселирование пневматических клапанов, устанавливать реле запаздывания в электрической сети управления, организовывать автоматический запуск насосов только при закрытой арматуре (на закрытую задвижку).

При наличии в системе поршневых, шестеренных насосов, дозирующих устройств и т.п., необходимо исключить возможность передачи пульсации давления и вибраций на пластинчатый теплообменник, так как это может вызвать усталостные трещины в пластинах, что приведет к выходу теплообменника из строя.

Защита от превышения давления должна обеспечиваться технологической схемой системы, в которой предусмотрена эксплуатация теплообменника.

При эксплуатации теплообменника необходимо защитить пакет пластин и прокладок от воздействия солнечных лучей, иных источников ультрафиолетового излучения (например, сварки) и озона установкой защитного экрана

При проведении гидравлических испытаний разница давлений между полостями теплообменника не должна превышать рабочего давления, но не более 1,2 МПа

Теплообменники не являются источником опасных и вредных производственных факторов, предусмотренных ГОСТ 12.0.003.

Теплообменники в процессе эксплуатации должны быть снабжены необходимыми контрольно-измерительными приборами.

Воздух рабочей зоны при эксплуатации теплообменников не должен содержать вредных веществ, превышающих ПДК, установленные ГОСТ 12.1.005 для веществ с классом опасности по ГОСТ 12.1.007.

Монтаж, ремонт, демонтаж теплообменника должен производиться специалистом, имеющим соответствующую форму допуска по технике безопасности.

Очистка теплообменников наиболее эффективная и применяется в том случае, если степень загрязнения теплообменников оценена как сильная. Это может быть связано с тем, что каналы полностью забиты отложениями. В подобных случаях производители советуют прибегнуть к разборному методу, который гарантированно удаляет любые загрязнения.Запланированное профилактическое обслуживание является менее болезненными значительно продлевая их срок службы. Одновременно улучшается и производительность. Основными признаками необходимости проведения технического обслуживания являются: увеличение потерь давления, не обеспечение температурного графика по отношению к паспортным значениям. Заключение технических специалистов - необходима чистка теплообменников. Своевременная и регулярная процедура удаления отложений, накипи, грязи, микроорганизмов аппаратов любого типа значительно продлевает срок службы, что обходится значительно дешевле его капитального ремонта. Ничто не обходится так дорого, как незапланированные остановки производства. Однако этих издержек можно избежать, так как многое можно спланировать перед тем, как проблема станет реальностью. Необходимо всего лишь заранее наметить план профилактических мероприятий. Например, уплотнения подвергаются износу. Однако, если их вовремя заменить, то можно избежать утечек, приводящих к различным издержкам. Пластины могут загрязняться. Накипь отрицательно влияет на передачу тепла и ухудшает качество работы. В отдельных случаях возросшее падение давления может вызвать серьезные проблемы. Чистку теплообменника необходимо производить в отключенном состоянии.

Для осуществления длительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке среды, загрязненной или выделяющей отложения на стенках аппарата, необходимо производить периодические осмотры и очистку поверхностей. К работе допускаются лица не моложе 18 лет и прошедшие инструктаж. Основными профилактическими мероприятиями являются герметизация производственного оборудования, также пользоваться индивидуальными средствами защиты органов дыхания (фильтрующиеся и изолирующие противогазы).К фильтрующим относятся промышленные противогазы ДОТ-600, БКФ, респираторы. К изолирующим СИЗ относятся промышленные противогазы. К специальным средствам защиты кожи относятся пасты, мази, кремы. Для защиты глаз применяют защитные очки, щитки, маски.

Воздействие керосина на человека:

Действие сходно с бензином, сильнее раздражает слизистые оболочки и кожу. При работе с керосином наблюдались головные боли, головокружение, потеря аппетита, расстройство пищеварения, кожный зуд, жжение в глазах, бессоница, боли в области сердца, в конечностях и спине, легкий кашель и отдышка, общее чувство слабости и недомогания. При объективном исследовании - сильное похудание, учащённый пульс, значительное малокровне, небольшой лейкоцитоз, иногда некоторая эонофилия, поносы, психическое угнетение, раздражение кожи, часто фурункулы. При поподании струи керосина под давление на пальцы рук в первые часы ощущается боль и онемение, через 2-3 часа появляется резкий отек, на месте попадании струи - точечьное отверстие. Резкие боли и отек держится 8-10 дней. Возможен некроз повреждении ткани до секвестра.

- предельно допустимая концетрация 300 мг/м3

- индустриальные масла ( смазочные ) [7]

Первая помощь при потере сознания необходимо :

Не дать человеку упасть. Помутнения сознания, зачастую, приводит к летальному исходу в результате полученных травм, которые человек зарабатывает в результате падения. Оберегайте голову и спину.

Вызовите скорую помощь. Определить на все 100%, что именно привело к обмороку, может только профессионал. Если проблема не в банальной резкой нехватки крови в сосудах мозга, то стандартной первой помощи может оказаться не достаточно для того чтобы вернуть человека в чувства. В этих случаях каждая минута может оказаться решающей. Такая мера предосторожности лишней точно не будет.

При потере сознания в первую очередь страдает мозг от нехватки крови и кислорода. Этот факт так же может привести к серьезным осложнениям или даже к смерти. После вызова скорой помощи вам необходимо уложить пострадавшего на ровную горизонтальную поверхность и для большего поступления крови к мозгу опустить голову ниже уровня туловища.

Обеспечьте пострадавшему свободный доступ к кислороду. Откройте окна, снимите с него тесную одежду.

Окажите первую "психологическую помощь". Очень часто, пострадавший впадает в панику. Испуг может спровоцировать спазмы артерий в головном мозге, что значительно уменьшит поступления крови к нему.

При отсутствии дыхания немедленно приступить к проведению искусственного дыхания.



Список используемой литературы

теплообмен сырье осветительный керосин

1. Адельсон С.В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. М.: ГОСТОПТЕХИЗДАТ, 1963, -311 с.

2. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1991 ,- 496 c.

3. Касаткин А.Г. Оновные процессы и аппараты химической технологии. М.:Химия, 1971, - 753 с.

4. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987,

-576 с.

5. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии.