Спиральный теплообменник

 

 

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение

 высшего профессионального  образования

Волгоградский государственный архитектурно – строительный университет

Кафедра энергоснабжения и теплотехники

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовой на тему

Расчет «Спирального» теплообменного аппарата

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание.

 

    Введение……………………………………………………………………………3

    1. Спиральный теплообменник………………………………………………….5

1.1 Конструкция и принцип работы

1.2 Технические характеристики  спиральных теплообменников

1.3 Варианты конструкций спиральных  теплообменников

    2. Расчет спирального теплообменника……………………………………….12

2.1 Задание на проектирование

2.2 Тепловой расчет охладителя

2.3 Конструктивный расчет охладителя

      2.4 Гидромеханический расчет охладителя

 

3. Приложение 1

4. Список литературы……………………………………………………………18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                             Введение

Теплообменные аппараты – устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного тела к другому через поверхности их раздела.

Теплоносители – тела, воспринимающие и отдающие теплоту.

Процессы передачи теплоты в теплообменных аппаратах могут сопровождаться изменением температуры теплоносителя или проходит без изменения таковой (испарение, конденсация, сублимация, плавление и т.д.). Также в теплообменных аппаратах могут проходить сложные процессы: растворение, кристаллизация, сушка, химические реакции и т.д.

В промышленной технике применяется большое разнообразие теплообменных аппаратов, а их вид и конструкция зависят от области применения и экономических требований.

Классификация теплообменных аппаратов:

1. по назначению: подогреватели, холодильники, испарители, конденсаторы, пароперегреватели, генераторы;

аппарат	теплоноситель	назначение
1.колорифер газовый	топочные газы	Подогрев воздуха для сушилок
2.колорифер паровой	пар	Подогрев воздуха для сушилок, воздушных завес и др.
3.рекуператор	отходящие газы печей	Подогрев воздуха и газообразного топлива для сжигания в печах
4.регенератор	отходящие газы печей	Подогрев воздуха и газообразного топлива для сжигания в печах
5. воздухоподогреватель	отходящие газы котельных	Подогрев воздуха для сжигания топлива в топках котлов
6. экономайзер	отходящие газы котельных	Для подогрева воды, для питания парового котла
7.пароперегреватель	топочные газы котельных	Перегрев пара, получаемого в паровом котле
8.котел-утилизатор	отходящие газы печей	Подогрев воды для производственных нужд или для получения пара

2. по схеме движения теплоносителя: прямоток, противоток, смешанного типа, перекрестного хода;
3. по принципу действия:
• поверхностные теплообменные аппараты, в которых обязательно участвует поверхность теплопередачи.

Теплообмен между двумя текучими средами через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей.

• рекуперативные теплообменные аппараты, в которых передача теплоты идет непрерывно, причем период теплообмена, количество и направление теплового потока не изменяется;
• регенеративные теплообменные аппараты, в которых процесс теплообмена проходит за несколько этапов.

При соприкосновении горячего теплоносителя со стенкой он получает теплоту и аккумулирует ее, далее пропускают холодный теплоноситель, который воспринимает аккумулированную теплоту. Для осуществления непрерывного процесса в регенераторе используют две и более камер;

• смесительные (контактные) теплообменные аппараты, в которых осуществляется непрерывное соприкосновение и смешение теплоносителей.

В промышленности такого рода теплообменные аппараты используют в оросительных камерах, кондиционерах, градирнях, скруберах и т.д.

4.  по роду материала, из которого  они изготовлены: сталь, чугун, стекло, керамика, стеклокерамика, графит, свинец;

5. по виду теплопередающей поверхности: пластинчатые, спиральные, оребренные, ошипованные, трубчатые: с прямыми  трубами, с U образными трубами, спиральными, змеевиковыми.

6.  по ходу движения теплоносителя: одноходовые и многоходовые;

7.  по сборке конструкции: секционные, несекционные;

8.  по компоновке поверхности  нагрева: «труба в трубе», кожухные, смесительные;

9.  по режиму работы: непрерывного  действия, периодического действия.

 

 

 

 

 

       1. Спиральный теплообменник.

Спиральный теплообменник был изобретен в двадцатых годах прошлого века шведским инженером Розенбладом для использования в целлюлозно-бумажной промышленности. Эти теплообменники впервые позволили обеспечить надежную теплопередачу между средами, содержащими твердые включения. В начале семидесятых конструкция спиральных теплообменников была радикально изменена и улучшена, и приобрела значительные преимущества по сравнению с конструкцией Розенблада.

1.1 Конструкция и принцип работы.

Два или четыре длинных металлических листа укладываются спиралью вокруг центральной трубы, образуя два или четыре однопроточных канала. Для того, чтобы обеспечить постоянную величину зазоров к одной стороне листов привариваются разделительные шипы.

   Центральная труба при помощи  специальной перегородки разделена  на две камеры, которые образуют  входной и выходной коллектора. Скрученные спирали помещаются  в цилиндрический кожух. Внешние  концы спиральных листов привариваются  вдоль образующей обечайки. Для  выхода каналов наружу в местах  фиксации краев каналов в кожухе  просверливаются отверстия, которые  герметично закрываются входным  и выходным коллекторами с  присоединительными патрубками (рис.1).

Движение потоков в спиральных теплообменниках происходит  по криволинейным каналам близким по форме к концентрическим окружностям. Направление векторов скоростей движения потоков постоянно претерпевают изменение. Геометрия каналов и разделительные шипы создают значительную турбулентность уже при низких скоростях потоков, при этом улучшается теплопередача и уменьшается загрязнение. Все это обуславливает компактность конструкции спиральных теплообменников, которые могут быть интегрированы с любой технологической линией, что значительно сокращает затраты на установку.

Возможные конфигурации потоков:

1. противоток (наиболее часто);
2. перекрестные потоки (обычно в конденсаторах и испарителях);
3. параллельные потоки (редко);
4. комбинации вышеназванных.

 

Рис. 1 Конструкция и принцип работы

Благодаря прочной и жесткой цельносварной конструкции, а так же тому, что спиральные теплообменники мало подвержены загрязнению, затраты на их обслуживание сведены до минимума. Спиральные теплообменники часто  являются наиболее оптимальным и экономичным решением задач теплообмена.

   Поскольку геометрия каналов  может быть изменена в широких  пределах, спиральные теплообменники  действительно оптимально адаптируются  к требованиям Заказчика. Несмотря  на изменяющиеся массовые расходы  и различия в требуемых температурах, спиральный теплообменник зачастую  позволяет осуществлять теплопередачу  в одном и том же устройстве  на разных режимах и неполной  нагрузке. По сути, спиральные теплообменники  представляют собой длинные щелевые  однопроточные каналы, свернутые  в спираль. Таким образом, в спиральных  теплообменниках может быть достигнута  практически любая тепловая длина  взаимодействия двух сред, а значит  и разность температур потоков  меньше 3°С. При этом, в спиральных  теплообменниках возможен нагрев  или охлаждение "проблемных" технологических  сред, для которых недопустимы  резкие повороты потоков, провоцирующие  блокировку каналов. В спиральных  теплообменниках существует большое  разнообразие вариантов изготовления  разделительных перегородок центральной  трубы. Каждый адаптирован к выполнению  определенных задач и позволяет  выбрать оптимальное решение  для любого применения.

   Важная особенность конструкции  предлагаемых спиральных теплообменников  — это использование непрерывных (цельных) металлических листов от  центральной трубы до кожуха, что позволяет практически полностью  исключить сварные швы и внутри, и в труднодоступных местах  теплообменников.

Преимущества спиральных теплообменников:

1. широкий диапазон рабочих температур и давлений;
2. компактная конструкция (например, 700 м2 в 6 м3);
3. широкий рабочий диапазон (10 – 100% от расчетной нагрузки);
4. высокие коэффициенты теплопередачи;
5. высокая турбулентность;
6. пониженная загрязняемость;
7. меньшее количество остановок на обслуживание;
8. высокий самоочищающий эффект при применении сильно загрязненных жидкостей;
9. легкая очистка механическим и химическим способом;
10. отсутствие ограничений при выборе величины зазора канала;
11. массовые расходы по обеим сторонам могут значительно отличаться;
12. низкие потери давления;
13. большой выбор материалов уплотнений.

1.2 Технические характеристики спиральных теплообменников.

Монтаж и установка.

Как правило, спиральные теплообменники поставляются с опорной рамой,  в которой теплообменник может свободно поворачиваться, что обеспечивает: легкий дренаж; простой доступ с целью осмотра или чистки; простоту установки и снятия крышек и уплотнений.

Стандартное исполнение патрубков спиральных теплообменников и их ориентация упрощают и удешевляют трубную обвязку, а также обеспечивает простоту выпуска воздуха из обоих каналов (с возможностью автоматизации этого процесса).

Спиральные теплообменники в применениях с суспензиями и шламами, которые требуют частого открывания, обычно  оснащаются специальными поддерживающими крышки петлями.

Обслуживание и чистка.

   Спиральные теплообменники практически  не нуждаются в обслуживании, кроме случаев, обусловленных свойствами (характеристиками) сред и рабочими условиями. Периодически требуется выполнение следующих мероприятий (периодичность определяется применением: от раза в месяц до раза в несколько лет):

• химическая чистка (без разборки) – эффективна при одноходовой конструкции;
• механическая чистка – легко осуществляется благодаря относительно небольшой ширине каналов;
• замена уплотнений.

Эти операции могут быть выполнены персоналом заказчика без привлечения специалистов.

Экономичность спиральных теплообменников:

• низкие затраты на установку;
• небольшие площади для размещения;
• возможность интегрирования с другим оборудованием;
• простота монтажа и перемещения;
• низкие расходы на обслуживание.

Области применения спиральных теплообменников:

• нефтепереработка (тяжелые масла, промывочные масла);
• химическая промышленность (ПВХ, латекс, акрилацетат, TiO2 и.т.д.);
• отработанные сульфатные и сульфитные растворы, водные растворы SO2, дезодорация при конденсировании);
• очистка муниципальных и химических сточных вод (сброженный ил, термическая стерилизация, сточные и сбросные воды);
• горнодобывающая промышленность (алюминатные щелоки, бокситные суспензии, окислы магния);
• сталелитейные, газоперерабатывающие и коксовые заводы (бензол, промывные масла, раствор NH3, оросительный конденсаторы);
• текстильная промышленность (рекуперация тепла красителей и промывочных жидкостей);
• сахарная и пищевая промышленность, пивоварение (прессовая вода, сырой сок, сточные воды, растительное масло, спирт, картофельные, зерновые или кукурузные пасты);
• фармацевтика;
• конденсирование (вакуумное и при нормальных условиях).

Задачи, решаемые  помощью спиральных теплообменников: охлаждение; нагрев; рекуперация тепла; конденсация; испарение; термосифон; ребойлер.

Рабочие среды спиральных теплообменников: жидкости; суспензии; жидкости, содержащие волокна и твердые частицы; вязкие жидкости; неньютоновские жидкости, включая различные гидросмеси, растворы полимеров; сточные воды; пары с инертными газами и без них; прочее.