Термодинамика. Изучение теплопередачи в теплообменном аппарате типа труба в трубе
 Скачать 26.59 Kb.
|
|
По дисциплине: Термодинамика в процессе эксплуатации НиГМ Тема:Изучение теплопередачи в теплообменном аппарате типа «труба в трубе» Содержание: 1. Описательная часть 1.1 Сущность, применение процесса теплопередачи 1.2 Рекуперативные теплообменные аппараты. Их сравнительная характеристика 1.3 Теплообменник типа «труба в трубе» 1.3.1 Назначение теплообменника - «труба в трубе» 1.3.2 Область применения теплообменника 1.3.3 Обслуживание и чистка теплообменника 1.4 Техника безопасности и охрана окружающей среды 1. Описательная часть 1.1 Сущность, применение процесса теплопередачи ТЕПЛОПЕРЕДАЧА - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов - нагревание, охлаждение, конденсация паров, выпаривание - и имеют большое значение для проведения многих массообменных процессов (процессы перегонки, сушки и др.), а так же реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла. Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: путем непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносителей. При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении. При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используется для передачи тепла называются поверхностью теплообмена. Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла. Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Перенос тепла возможен в условиях естественной или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках. В условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой. Тепловое излучение - это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тепла. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения. В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей. Еще более сложным является процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку. Этот процесс носит название теплопередачи. Тепловая энергия - на сегодняшний день пока ещё незаменимый участник многих производственных процессов. Например, такие наиболее важные из них, как выплавка и обработка металлов, механическая работа двигателей, производство пищевых продуктов, химический синтез, переработка нефти, изготовление самых разных предметов - от кирпичей и посуды до автомобилей и электронных устройств. Многие промышленные производства и транспорт, а также теплоэлектростанции не могли бы работать без тепловых машин - устройств, преобразующих теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры, турбины, паровые, бензиновые и реактивные двигатели. Кроме того, очень важным источником тепловой энергии для таких целей, как производство электроэнергии и транспортные перевозки, служат ядерные реакции. В 1905 А.Эйнштейн показал, что масса и энергия связаны соотношением E = mc2, т.е. могут переходить друг в друга. Скорость света С очень велика и равна: С = 300 тыс. км/с. Это означает, что даже малое количество вещества может дать огромное количество энергии. Так, из 1 кг делящегося вещества (например, урана) теоретически можно получить энергию, которую за 1000 суток непрерывной работы дает электростанция мощностью 1 МВт.Также приведём пример, тому, что атомные реакторы Японии вырабатывают тепловую энергию для опреснительных установок, которые производят опреснение океанской солёной воды. 1.2 Рекуперативные теплообменные аппараты. Их сравнительная характеристика Теплообменные аппараты - это аппараты для проведения тепловых процессов. В зависимости от характера протекающего процесса и условий протекания процессы делятся на: Рекуперативные Регенеративные Смесительные Рекуперативный теплообменник -- теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, теплообмен происходит через стенку. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. Если параметры теплоносителей на входах в теплообменник не изменяются, то при ламинарных течениях внутри параметры теплоносителей будут независимы от времени. В этом случае, процесс теплопередачи имеет стационарный характер, и такие теплообменники называют также стационарными, в противоположность, например, от регенеративных теплообменников. 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. В зависимости от конструкции рекуперативные теплообменники делятся на: Кожухотрубчатые Двухтрубчатые Змеевиковые Спиральные Оросительные Пластинчатые Трубчатые выпарные аппараты В химической технологии применяются теплообменники, которые изготовлены из разных металлов, а так же углеродистых и легированных сталей, меди, титана, тантала, а так же из не металлических материалов. КОЖУХОТРУБНЫЕ теплообменники широко применяются в промышленном холоде, кондиционировании, а также в химической, нефтехимической, пищевой отраслях, для работы тепловых насосов в системах очистки сточных вод. В теплообменниках применяются медные трубки, которые имеют оребрение внешней и внутренней поверхностей, благодаря чему повышается уровень и эффективность теплопередачи. Кроме того, кожухотрубные теплообменники компактные, легкие, просты в обслуживании. Кожухотрубные теплообменники это емкости, находящиеся под давлением. Поэтому в их отношении применяются специальные требования по надежности и безопасности. Вся техническая документация составляется в соответствии со специальными нормами. ДВУХТРУБНЫЕ теплообменники состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена. Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания. ЗМЕЕВИКОВЫЕ теплообменники. Они отличаются простотой. Теплообменный аппарат змеевик, который представляет собой трубу согнутую каким-либо образом. Змеевик, по которому движется жидкость, пар или газ погружен в жидкость которую нужно нагреть или охладить. Скорость жидкости в корпусе незначительная. Тепло передается практическим путем свободной конвекции. Аппараты имеют большое гидравлическое сопротивление. Они работают при низких тепловых нагрузках, применяются широко т.к. дешевые и доступные для ремонта и очистки. Трудность заключается в очистке змеевиков. СПИРАЛЬНЫЕ. Поверхность теплообмена аппарата образуется двумя согнутыми в виде спиралей металлическими листами. Между листами образованы каналы прямоугольного сечения, по которым движутся теплоносители. Достоинства этих аппаратов: возможность работы при больших скоростях теплоносителей и не большое гидравлическое сопротивление. Недостаток: сложность изготовления и невозможность работать при высоких давлениях. ОРОСИТЕЛЬНЫЕ теплообменники состоят из ряда расположенных одна над другой труб, соединенных коленами. Снаружи трубы орошаются водой. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Орошаемая вода подается на верхнюю трубу, с которой стекает на нижние трубы. Достоинства аппарата: малый расход воды, простота конструкции, легкость очистки наружной поверхности труб, что является их отличительной чертой. Недостатки: аппараты громоздки, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, коррозия труб кислородом воздуха. Теплообменники устанавливаются на открытом воздухе, ограждаются деревянными перегородками. ПЛАСТИНЧАТЫЕ теплообменники. Поверхность теплообмена образуется гофрированными параллельными пластинами, с помощью которых создается система узких каналов шириной 3-6 мм с волнистыми стенками. Жидкости между которыми происходит теплообмен движутся в каналах между смежными пластинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пластины. Вследствие высокой скорости с которой движутся жидкости достигаются высокие коэффициенты теплопередачи. Такие теплообменники очень легко разбираются и очищаются от загрязнений. Недостатки: невозможность работать при высоком давлении, трудность выбора эластичных химически стойких материалов для прокладок. 1.3 Теплообменник типа «труба в трубе» Теплообменник "труба в трубе" включают несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной, внутри нее трубы меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Для возможности очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей. Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам. Преимущества теплообменников "труба в трубе": -высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей; - простота изготовления. Недостатки этих теплообменников: - громоздкость; - высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене; - трудность очистки межтрубного пространства. Теплообменники "труба в трубе" могут использоваться, как для нагревания, так и для охлаждения. Нагревание обычно производится или горячей водой или насыщенным водяным паром, который запускается в межтрубное пространство и конденсируется на поверхности внутренней трубы. Использование водяного пара в качестве греющего агента имеет следующие достоинства: - высокий коэффициент теплоотдачи; - большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара; - равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре; - легкое регулирование обогрева. При охлаждении в теплообменниках "труба в трубе" в качестве хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5-20°С применяют холодильные рассолы (водные растворы СаС12, NaCl, и др.). Однопоточный неразборный теплообменник состоит из отдельных звеньев, в каждый из которых входят трубы наружная(или кожуховая) 1 и внутренняя (или теплообменная) 2. наружная труба двумя приварными кольцами связана с внутренней трубой 2 в звено. Звенья в свою очередь собраны в вертикальный ряд и составляют теплообменную секцию. При этом внутренние трубы соединены между собой коленами 3, а наружные - штуцерами 4 на фланцах или сваркой. Звенья закреплены скобами на металлическом каркасе 5. 1.3.1 Назначение теплообменника - «труба в трубе» Теплообменники типа «труба в трубе» используются в основном для нагрева или охлаждения теплоносителя в тех случаях, когда требуются небольшие поверхности теплообмена (обычно до 50 м2). Они также могут использоваться в процессах, сопровождающихся частичным кипением или конденсацией теплоносителя. Преимущество теплообменника «труба в трубе» заключается в разнообразии компоновок, и, кроме того, они могут быть быстро собраны из стандартных элементов на месте монтажа. При необходимости поверхность теплообмена может быть увеличена за счет установки дополнительных секций. Подходящим выбором конструкции входных и выходных патрубков можно обеспечить эффективную очистку поверхностей теплообмена по обеим сторонам. Можно просто выполнять контроль распределения потоков теплоносителя по каждому каналу теплообменника, что особенно важно при охлаждении вязких жидкостей, когда в случае необходимости один насос может быть установлен для группы теплообменников. Главными недостатками теплообменников «труба в трубе» являются большой объем и стоимость. на единицу поверхности теплообмена. 1.3.2 Область применения теплообменника Простейший вид теплообменника «труба в трубе» представляет собой U-образную трубу, помещенную внутри трубы такой же формы. Теплообменники «труба в трубе» с продольными ребрами были разработаны в конце второй мировой войны. Теплообменники «труба в трубе» используются вместо кожухотрубных теплообменников при выполнении хотя бы одного из следующих условий: низкий коэффициент теплоотдачи со стороны кожуха: Если отношение коэффициентов теплоотдачи внутри труб к коэффициентам в межтрубном пространстве больше 2:1, то следует использовать развитые поверхности. Типичным примером могут служить теплообменники с газом или вязкими жидкостями в межтрубном пространстве и водой, паром или жидкостью с низкой вязкостью в трубах. Чем больше это отношение, тем более эффективным будет применение развитых поверхностей, поскольку при этом могут быть увеличены число и размер ребер ; «пересечение» или близкие значения температур по горячей и холодной стороне. Конструкция теплообменников «труба в трубе» позволяет в точности воспроизвести режим противотока, И ситуация, при которой возникает «пересечение» температур, легко устранима. Поскольку теплообменники типа «труба в трубе» имеют модульную структуру, они могут быть смонтированы последовательно и параллельно с минимумом коммуникационных трубопроводов и на общем фундаменте; высокие давления. Для выбранной мощности теплообменники «труба в трубе» имеют меньший диаметр наружной трубы, чем диаметр кожуха в кожухотрубных теплообменниках. Наружные трубы обычно не имеют сварных швов, и их диаметр варьирует от 50 до 200 мм, хотя в особых случаях возможны и большие диаметры. Следовательно, при высоком давлении в наружной трубе требуется меньшая толщина стенок из-за малого диаметра; малые мощности. Теплообменники «труба в трубе» часто используются для небольших мощностей, при которых нет необходимости применять оребренные трубы (например, при использовании в качестве теплоносителя воды). В этом случае применяются гладкие трубы или пучки гладких труб. 1.3.3 Обслуживание и чистка теплообменника Эксплуатация: Наиболее часто отложения зависят от температуры и при фиксированной мощности теплообменник с развитой поверхностью имеет меньшую температуру металла, чем в случае применения гладких труб. Тем самым снижается скорость образования отложений. Продольный поток также не имеет застойных зон, в которых могут накапливаться отложения. Наконец, когда на поверхности накапливаются отложения (уменьшаются коэффициенты теплоотдачи), увеличивается эффективность оребрения и тем самым частично компенсируются потери в теплоотдаче. Теплообменники «труба в трубе» имеют небольшую массу и легко устанавливаются при использовании минимального количества монтажного оборудования. Они не требуют больших фундаментов и часто могут быть присоединены к существующим устройствам. Стандартные опоры имеют болтовые отверстия со всех четырех сторон. Это означает, что многосекционные аппараты легко могут быть смонтированы вместе. Трубы кожухов, соединенные последовательно, нуждаются только в прокладках, а для соединения внутренних труб можно использовать простые поворотные переходники. Простота конструкции, использование болтовых соединений, легкость оребренных труб и минимальное число узлов обеспечивают минимум стоимости. Отдельные элементы могут быть легко и быстро заменены, особенно если имеется в наличии запасной элемент такого же типа. Это позволяет производить очистку загрязненного элемента, не останавливая всего технологического процесса. Ремонт и очистку теплообменной аппаратуры от накипи и загрязнений проводят в сроки, предусмотренные инструкциями. Перед началом работ полностью освобождают теплообменную аппаратуру от нефтепродуктов, открывают крышку, промывают трубное и межтрубное пространство водой, продувают паром и только после этого приступают к механической или химической очистке. Вместо промывки аппаратов обычными углеродами - растворителями (керосином, сольвентом и т.п.), целесообразно применять пожаробезопасные моющие средства. Одной из причин ухудшения работы теплообменной аппаратуры является нарушение работы системы оборотного водоснабжения, в том числе повышение надёжности и экономичности процессов конденсации и охлаждения дистиллятов в нефтеперерабатывающей промышленности стали широко применять теплообменные аппараты воздушного охлаждения. Следует, однако, отметить, что аппараты воздушного охлаждения обладают специфической опасностью, обусловленной наличием мощного вентиляционного агрегата. Уже отмечен случай, когда отрыв лопасти вызвал повреждение теплообменной системы, выхода горючих жидкостей и газов наружу, возникновение крупного пожара на блоке теплообменной аппаратуры. 1.4 Техника безопасности и охрана окружающей среды Теплообменник труба теплопередача. Теплообменные аппараты, как и многие другие технологические аппараты нефтепереработки, создают пожарную опасность двойке рода: во-первых, они сами, могут послужить местом возникновения развития пожара; во-вторых, они существенно влияют на пожарную опасность связанных с ними технологических аппаратов и установок в целом. Пожары и загорания на теплообменных аппаратах возникают главным образом в результате образования неплотностей и повреждений при чрезмерном повышении давления, температурных деформациях и коррозии. Повышенное давление в теплообменном аппарате может образовываться при отсутствии контроля и регулирования подачи нагреваемого продукта, образовании пробок в трубках или в линии за теплообменником из-за отложений, неправильной регулировке подачи теплоносителя. Опасность потери герметичности особенно велика при пусках остановках теплообменных аппаратов. При этом наиболее вероятны две причины повреждения аппарата: в результате теплового расширения несжимаемой жидкости элементов и неравномерных температурных деформаций аппарата. В теплообменном аппарате (например, в кожухотрубчатом теплообменнике), предназначенном для подогрева жидких продуктов, опасен горячий (т. е. с подогревом) пуск при случайно оставленных, закрытыми задвижках на концах теплообменных труб, заполненных жидким продуктом. Находящаяся внутри отключенных труб жидкость при нагревании значительно увеличивается в объеме. Неравномерные температурные деформации в теплообменном аппарате возникают в результате разности температур нагрева конструктивных элементов, жёстко связанных между собой. Для предотвращения опасных температурных деформаций ограничивают длину теплообменников, а при превышении безопасной длины в конструкции теплообменников предусматривают температурные компенсаторы (плавающая головка, сальниковое устройство, изогнутые трубки, линза). В случае прохода через теплообменники высоковязких жидкостей с высокой температурой нагрева (например гудроновые теплообменники типа «труба в трубе») наружные поверхности теплообменных аппаратов, нагретые выше температуры самовоспламенения нефти и нефтепродуктов, могут послужить источниками зажигания при утечке жидкостей, паров и газов в атмосферу. Тепловая изоляция не устраняет эту опасность, если фланцевые соединения или другие фасонные детали теплообменников оставлены неизолированными. Компактное расположение большого количества теплообменных аппаратов в блоках, наличие фланцевых соединений и задвижек, быстро теряющих герметичность во время пожара, а так же наличие тепловой изоляции, пропитанной нефтепродуктами, способствует быстрому развитию пожара. Фундаменты для теплообменных аппаратов выполняют из негорючих и огнестойких материалов. Если теплообменники размещают на металлических конструкциях, то их защищают термоизоляцией или обкладывают у основания бетоном. Теплообменники ограждают у основания сплошной негорючей стеной высотой не менее 0,3 м, или кольцевым кюветом на расстоянии 0,5 м от выступающих частей аппаратуры. Поверх теплоизоляции теплообменника рекомендуется надевать кожух из листвой стали, окрашенной в светлый цвет. Периодически кожухи очищают от загрязнений, а при износе отдельных листов - заменяют новыми на работающем аппарате. На пожарную опасность других технологических аппаратов и установок в целом теплообменные аппараты влияют прежде всего при ухудшении условий теплообмена. В результате уменьшения теплоотвода и степени конденсации в технологических аппаратах и трубопроводах, связанных с теплообменниками, конденсаторами и холодильниками, значительно возрастает давление, что означает пожароопасное нарушение технологического режима. Нормальной работы установки необходимо выполнять все требования Федерального Закона «Об основах охраны труд в РФ» и Федерального Закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». Основные правила безопасности ведения технологического процесса. Безопасная работа зависит от квалификации и внимательности работающего персонала, а также от строгого соблюдения производственных инструкций и требований настоящего регламента. К работе допускаются только те лица, которые прошли необходимую подготовку, сдали экзамены на допуск к рабочему месту и прошли инструктаж по охране труда и промышленной безопасности, стажировку не менее 10 смен, а так же не допускаются к работе с теплообменниками лица не достигшие 18 лет. |