Зразок роботи
Вступ
Процеси харчової технології відбуваються у заданому напрямі лише при певній температурі, яка досягається шляхом підведення або відведення теплової енергії.
У технологічних процесах вимагається або якомога краща теплопередача, або, навпаки, якомога краще запобігання теплообміну. До першого випадку відноситься передача тепла у нагрівальних та холодильних пристроях, а до другого - захист від втрат тепла або ізоляція з метою уникнення термічного впливу.
Перехід тепла з однієї частини простору у другу може відбуватися дією теплопровідності, випромінюванням та конвекцією.
У теплообмінному апараті один теплоносій (тепловіддавальний) передає теплоту іншому теплоносію (теплосприймаючому). За принципом дії теплообмінники діляться на рекуперативні (теплота передається від одного теплоносія до другого крізь стінку, що їх розділяє), регенеративні (одна й та ж теплообмінна поверхня, яка акумулює тепло, обмивається поперемінно гарячим та холодним теплоносіями) та змішувальні (передача теплоти відбувається при безпосередній взаємодії теплоносіїв) - пароконтактні підігрівачі, конденсатори змішування, скрубери.
Охолодження рідин найчастіше проводять у поверхневих холодильниках, де теплообмін між рідиною, яку охолоджують, та середою, що охолоджує, протікає не при їх безпосередньому контакті, а шляхом передачі тепла крізь металеві стінки. У якості охолоджуючого агенту частіше за все використовують воду.
Різноманітність конструкцій теплообмінних апаратів пояснюється різним призначенням апаратів та умовами проведення процесів у різних галузях харчової промисловості.
Вибір конструкції теплообмінного апарату повинен ґрунтуватися на наступних критеріях:
• відповідність технологічному процесу;
• задана продуктивність;
• висока ефективність;
• надійність у роботі;
• економічність;
• низька матеріалоємність;
• раціональна технологія виготовлення;
• корозійна стійкість у робочих середовищах.
Зазвичай жодна з конструкцій теплообмінника не задовольняє повністю усім переліченим критеріям. Тому вибір обмежують конструкцією з якостями, наближеними до найбільш важливих вихідних вимог.
Теплообмінні апарати призначені для проведення процесів теплообміну при необхідності нагрівання або охолоджування технологічного середовища з метою його обробки або утилізації теплоти.
Теплообмінна апаратура складає вельми значну частину технологічного устаткування в хімічній і суміжних галузях промисловості. Питома вага на підприємствах хімічної промисловості теплообмінного устаткування складає в середньому 15--18%, в нафтохімічній і нафтопереробній промисловостях 50 %. Значний об'єм теплообмінного устаткування на хімічних підприємствах пояснюється тим, що майже всі основні процеси хімічної технології (випаровування, ректифікація, сушка і ін.) пов'язані з необхідністю підведення або відведення теплоти.
В загальному випуску теплообмінних апаратів для хімічної і суміжних галузей промисловості в Україні близько 80 % займають кожухотрубні теплообмінники. Ці теплообмінники достатньо прості у виготовленні і надійні в експлуатації і в той же час достатньо універсальні, тобто можуть бути використаний для здійснення теплообміну між газами, парами, рідинами в будь-якому поєднанні теплоносіїв і в широкому діапазоні їх тиску і температур.
Розвиток наукових основ і техніки теплообміну пов'язаний з іменами багатьох вітчизняних і зарубіжних учених і інженерів.
Сучасний стан теорії і практики хімічної технології і промислової теплотехніки характеризується, з одного боку, вдосконаленням техніки і технології (інтенсифікація процесів, розробка оригінальних конструктивних і схемних рішень, зростання одиничних потужностей устаткування), а з другого боку -- все більш широким використовуванням нової методології рішення наукових і практичних завдань. Ці тенденції характерні і для сучасного стану техніки теплообміну.
2. Технікоекономічне обґрунтування та описання переваг конструкції
Теплообмінні апарати можна класифікувати за призначенням (підігрівники і охолоджувачі) за числом ходів теплоносія, за схемами різного поєднання прямотоку, протитечійності і перехресної течії.
Незважаючи на те, що теплообмінні апарати розрізняють за принципом дії, будовою, типом теплоносіїв і призначенням, можна сформулювати ще й основні вимоги теплового, гідродинамічного, експлуатаційного, конструктивного і технічного характеру, які треба враховувати при виборі типу, розрахунку і конструктивній розробці теплообмінної апаратури.
Основна вимога, з точки зору теплопередачі та гідродинаміки, є досягнення в теплообміннику максимального коефіцієнта теплопередачі при мінімальному гідравлічному опорі. Підвищення коефіцієнта теплопередачі дає можливість зменшити габарити, вагу, вартість теплообмінників та витрати металу. Зменшення гідравлічного опору апарата призводить до зниження витрат енергії на прокачування теплоносіїв. Проте обидві ці вимоги звичайно перебувають у взаємній суперечності. Тому, конструюючи теплообмінники, доводиться шукати оптимальне розв'язання цієї суперечливості.
При виборі типу теплообмінного апарата і конструюванні його окремих вузлів часто вирішальним фактором служать експлуатаційні вимоги:
а) мала забрудненість поверхні теплообміну, зручність очищення, огляду і ремонту;
б) герметичність поверхні теплообміну, що дає можливість уникнути змішування обох теплоносіїв;
в) надійність у роботі.
Конструктивні вимоги до теплообмінних апаратів:
а) надійна компенсація неоднакових температурних навантажень корпуса і поводжень корпуса і поверхні теплообміну;
б) компактність, що визначає його масові і геометричні дані
в) загальна простота і технологічність конструкції теплообмінного апарата [2].
Схему одноходового теплообмінника показано на рис. 1.
Рис.2.1. Кожухотрубний одноходовий теплообмінник: 1 – корпус; 2 трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки
Одноходовий кожухотрубний теплообмінник жорсткої конструкції має корпус або кожух 1 з привареними до нього трубними решітками 2, в яких закріплений пучок труб 3. До трубних решіток на болтах і прокладках кріпляться кришки 4. Один теплоносій рухається трубним простором, а інший - міжтрубним . Теплоносії здебільшого рухаються протитоком один до другого. Вибір напряму руху кожного із теплоносіїв обумовлений напрямом, у якому вони прагнуть рухатися під впливом зміни їх густин під час нагрівання або охолодження. Тобто середовище, яке підлягає нагріванню направляють знизу вверх, а те що віддає тепло – у протилежному напряму. За таких умов досягають більш рівномірного розподілу швидкостей. Інакше, більш нагріта частина рідини, як більш легка буде накопичуватись у верхній частині апарату, утворюючи застійні зони.
Труби в решітках рівномірно розміщені по периметрах правильних шестикутників (рис.2.а), по концентричних колах (рис. 2.б) або по периметрах прямокутників (рис 2.в), коли необхідно забезпечити зручну очистку зовнішньої поверхні труб. Найбільша компактність розміщення необхідної поверхні теплообміну в середині апарата досягається у разі розміщення труб по периметрах правильних шестикутників.
Рис.2.2. Способи розміщення труб у теплообміннику:
а – по периметрах правильних шестикутників; б – по концентричних колах; в – по периметрах прямокутників (коридорне розміщення).
Труби закріпляють в решітках найчастіше розвальцьовуванням (рис 3а, б). Для роботи апарату за підвищених тисків необхідно забезпечити особливо міцне з‘єднання, що досягається у разі розміщення у трубних решітках отворів з кільцевими каналами, які заповнюють металом труби під час її розвальцьовування (рис.3.б). Якщо матеріал труби не піддається витягуванню чи припустиме жорстке з‘єднання труб з трубною решіткою, то їх закріплення здійснюють зварюванням (рис.3. в). Для з‘єднання мідних та латунних труб використовують припаювання (рис 3.г). За необхідності зменшення температурної деформації труб а також для можливості їхнього поздовжнього переміщення і швидкої заміни труби з‘єднують з решіткою сальниками (рис 2.3д). Однак таке з‘єднання є складним дорогим та ненадійним, тому використовується рідко.
У разі невеликих витрат рідини, її швидкість в трубах одноходових теплообмінників є низькою, а коефіцієнти тепловіддачі – невеликі. Цього можна уникнути зменшенням діаметра труб і збільшенням їх довжини. У цьому випадку збільшується швидкість руху теплоносія і інтенсивність теплообміну.
Рис.2.3. Кріплення труб в трубних решітках: а – розвальцьовуванням; б – розвальцьовування з каналами; в – зварюванням; г – припаюванням; д – сальниковими пристроями
Схема багатоходового теплообмінника показана на рис.4. Від одноходового теплообмінника ця конструкція відрізняється тим, що труби розділені на секції поперечними перегородками 5, встановленими в кришках теплообмінника. Розбиття на ходи, якими послідовно рухається рідина, що протікає у трубному просторі теплообмінника здійснюють таким чином, щоб у всіх секціях знаходилась приблизно однакова кількість труб. Через те, що площа сумарного поперечного перерізу труб розміщених у одній секції є меншою ніж поперечний переріз всього пучка труб, швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника зростає (відносно до швидкості у одноходовому теплообміннику ) в кількість разів, що дорівнює кількості ходів. Для збільшення швидкості і подовження шляху руху середовища у між трубному просторі призначені сегментні перегородки 6, які в горизонтальних теплообмінниках одночасно є й проміжними опорами для пучка труб.
Рис.2.4. Кожухотрубний багатоходовий теплообмінник:
1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3–труби; 4–кришки;5–перегородки в кришках; 6-пегородки у міжтрубному просторі.
Одноходові та багатоходові теплообмінники можуть бути вертикальними або горизонтальними. Простішими у експлуатації і компактнішими є вертикальні апарати. Горизонтальні теплообмінники здебільшого багатоходові і забезпечують більшу швидкість середовищ, що задіяні у теплообміні, для того щоб мінімізувати розшаровування рідин внаслідок різниці їх густин і температур, а також уникнути утворення застійних зон.
Для уникнення неоднакового подовження труб і кожуха, значної напруги в трубних решітках, порушення щільності з‘єднання труб з решітками, руйнування зварних швів, змішування теплоносіїв, що є наслідком різниці температур між трубами і кожухом більшої ніж 500С, використовують кожухотрубні теплообмінники з лінзовим компенсатором 1 (рис.5. а), який піддається пружній деформації. Така конструкція придатна для експлуатації за невеликих надлишкових тисків у між трубному просторі, що не перевищують 6 атм.
За необхідності забезпечення великих зміщень труб і кожуха використовують теплообмінник з плаваючою головкою (рис. 5.б), в якому рухома нижня трубна решітка 2 дає змогу вільно переміщатись не залежно від корпуса апарата у всьому пучку труб. Однак така конструкція є складною і громіздкою. Простішою і менш металоємною конструкцією апарата є кохухотрубний теплообмінник з U- подібними трубами (рис5.в), в якому труби 3 виконують функцію компенсуючих пристроїв
Рис.2.5. Кожухотрубні теплообмінники з компенсуючими механізмами:
а – з лінзовим компенсатором; б – з плаваючою головкою; в – з U- подібними трубами;
1 – компенсатор; 2 – рухома трубна решітка; 3 - U- подібні труби
Ці теплообмінники є зручними під час обслуговування, а у двох- та багатоходових досягають інтенсивного теплообміну. До недоліків цих теплообмінників належать: складність очищення внутрішньої поверхні труб та складність розміщення великої кількості труб у трубній решітці.
Кожухотрубні теплообмінники найпоширеніші в промисловості, дають можливість створювати значні поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні і надійні в експлуатації.
Через малу швидкість руху теплоносіїв одноходові теплообмінники мають низькі коефіцієнти тепловіддачі. Переваги кожухотрубних теплообмінників:
максимально широка область застосування;
можливість періодичної чистки трубок;
знижені вимоги до якості води;
підвищена стійкість до гідроудару;
простота конструкції.
Недоліки обладнання:
температурні деформації;
відносно низький коефіцієнт теплопередачі [3].
Заглибні теплообмінники звичайно виготовляють у вигляді змійовиків. Змійовик занурений в рідину, яку нагрівають або охолоджують теплоносієм, що рухається всередині змійовика. Тепловіддача в міжтрубному просторі заглибних теплообмінників малоінтенсивна тому, що тепло передається практично шляхом вільної конвекції. Тому теплообмінники такого типу працюють при низьких теплових навантаженнях. Вони застосовуються при поверхнях нагрівання до 10—15 м2. Коефіцієнт теплопередачі в цих теплообмінниках порівняно низький, але через простоту виготовлення вони набули значного поширення [4].
Зрошувальні теплообмінники складаються із змійовиків, зрошуваних ззовні рідким теплоносієм (звичайно водою), і застосовуються переважно як холодильники. Змійовики роблять з прямих горизонтальних труб розташованих одна над одною і послідовно сполучених між собою калачами. Зверху змійовики зрошують водою, яка рівномірно розподіляється коритечком із зубчастими краями.
Найбільш ефективно використовують для охолодження й нагрівання сильно агресивних середовищ, коли необхідне застосування хімічно стійких матеріалів, з яких важко або неможливо виготовити трубчасті теплообмінники. Крім того, ці апарати придатні для процесів теплообміну, що протікають під високим тиском. Однак апарати таких конструкцій працюють лише при помірних теплових навантаженнях [5-6].
Магістр