Ім'я файлу: теплообмінник типу труба в трубі.docx
Розширення: docx
Розмір: 2935кб.
Дата: 23.06.2022
скачати
Розширення: docx
Розмір: 2935кб.
Дата: 23.06.2022
скачати
Опис та обґрунтування вибраної конструкції
Конструкція, яка проектується в даному курсовому проекті, є допоміжною у процесі отримання амінокислоти лізину шляхом мікробного синтезу із бурячної меляси. Основні вимоги, які висуваються до конструкції апарату залежать від конкретних умов перебігу процесу. Основною задачею виступає забезпечення найкращої продуктивності теплообмінника, але за мінімальних затрат енергії та матеріалу. До уваги береться також простота та компактність конструкції.
Тепловий процес - це явище переносу тепла вiд бiльш нагрiтого тiла до менш нагрiтого.
Тіла або речовини, що приймають участь в теплообмін, називаються теплоносіями. Гарячі теплоносії мають високу температуру на початку процесу, віддають свою теплову енергію більш холодному середовищу, тілу або речовині- холодному теплоносію. Взагалі, усі теплообмінні процеси стають можливими при різниці температур.
Найбільш відомі три способи передачі тепла:
Теплопровідність- це процес переходу тепла від одного тіла до іншого шляхом зіткнення їх часток.
Конвекція- процес перенесення тепла через перемішування об’ємів рідин чи газів. В залежності від впливу, конвекція може бути вільною чи вимушеною. Найчастіше конвекція залежить від різниці густин речовин, що перемішуються.
Теплове випромінювання- явище теплообміну за рахунок електро-магнітних хвиль.
Згідно з темою роботи нас більше цікавить явище теплопередачі- процес переходи теплоти від більш нагрітого тіла до менш нагрітого через стінку.
11
Для подібного процесу існують теплообмінники. Теплообмінники експлуатуються в харчовій, нафтопереробній, медичній галузях, часто використовують і в хімічній та біологічній, оскільки часто виникає потреба в нагріванні, випаровуванні, охолодженні, стерилізації, кристалізації, тощо. В залежності від потреб і від речовин, між якими має відбутися теплообмін, обираються різні теплообмінники. Теплообмінник «труба в трубі» найчастіше використовується для теплопередачі між двома рідинами [5].
Теплообмінниками називають апарати, за допомогою яких здійснюється теплообмін між теплоносіями. Їх встановлюють для нагрівання речовин або середовищ, але нерідко їх використовують і для охолодження.
Теплообмінники поділяють на контактні та рекуперативні. В контактних теплообмінниках процес теплопередачі відбувається при безпосередньому контакті середовищ. Контактні бувають барботажні та змішувальні.
Рекуперативні, як вже йшлося вище, відрізняються від контактних тим, що теплообмін відбувається через розділюючу стінку. Саме такі апарати найчастіше використовуються в харчовій, хімічних, біологічних галузях, де не можна допускати змішування середовищ. Наприклад, коли не бажано змішувати простерилізовані суміші з нестерильними теплоносіями.
Існує велика кількість теплообмінників, які використовують в різних технологічних схемах в залежності від потреб виробництва.
Нараз найбільш відомі такі теплообмінники:
Кожухотрубні теплообмінники
Пластинчасті теплообмінники
Спіральні теплообмінники
Теплообмінники «труба в трубі»
1)Кожухотрубні теплообмінники:
12
Можуть використовуватися в якості нагрівачів, холодильників, випарників, конденсаторів. Включають в себе доволі багато конструкцій: одно- і багатоходові теплообмінники (оптимальна різниця температур під час роботи становить 20-60 градусів), з лінзовими компенсаторами (такі працюють з більшими різницями температур, оскільки конструкція враховує теплову деформацію матеріалів), з плаваючою голівкою, з U-подібними трубами, тощо.
Всередині кожуха встановлюються труби, та перегородки між ними, що впливає на рух теплоносія [9].
Рис. 3 Кожухотрубний двоходовий холодильник
1-кришка розподільної камери, 2-розподільна камера, 3- кожух, 4-теплообмінні труби, 5- перегородка з сегментний вирізом, 6- лінзові компенсатори, 7-штуцер, 8- кришка [9].
Переваги: доволі висока ефективність порівняно з іншими видами теплообмінниками, стійкість до різких змін тиску всередині трубок, можливість роботи з не чистим середовищем. В разі апарату з лінзовим компенсатором, стійкість до деформації при великій різниці температур.
Недоліки: займає великі площі і в випадку маленького виробництва може стати невиправдано дорогим апаратом; складність в очищенні. До того ж, існують обмеження по тиску всередині, особливо в теплообмінниках з лінзовим компенсатором- до 6-10 атм.
2)Пластинчасті теплообмінники
13
Це ще один з найбільш використовуваних теплообмінників в процесі теплообміну між рідинами. Поверхня теплообміну представляє собою набір гофрованих пластин. Між сусідніми пластинами стоїть прокладка, що формує своєрідний канал для проходження теплоносіїв. Групи пластин, скріплені (зварені) між собою, утворюють пакети. В них теплоносії рухаються переважно лише в одному напрямку. Загалом, апарати можуть бути нерозбірні, напіврозбірні та розбірні. Кріпляться пластини між рухомою та нерухомою плитами за допомогою спеціальної рами, штуцери приєднують трубопровід [9].
Рис. 4 Розбірний пластинчастий теплообмінний апарат
а) схема теплопередаючого елемента пластинчастого теплообмінника; б) схема сучасного пластинчастого апарату; 1,2,11,12 – штуцера; 3 – передня стійка; 4 – верхній кутовий отвір; 5 – кільцева резинова прокладка; 6 – гранична пластина; 7 – штанга; 8 – плита; 9 – задня стійка; 10 – гвинт; 13 – велика резинова прокладка; 14 – нижній кутовий отвір; 15 – теплообмінна пластина [9].
14
Пластинчасті теплообмінники мають широке застосування через ряд переваг: турбулізація потоку забезпечує дуже високу ефективність теплообміну; висока швидкість потоків сприяє мінімальному забрудненню поверхонь розбірного пластинчастого теплообмінника; ефективна регуляція температури в системі забезпечується невеликою кількістю рідини в системі; легкість зміни потужності системи шляхом установки / зняття пластин; легкість ремонту завдяки простоті розбирання пластинчастого теплообмінника; легкість монтажу і використання розбірного пластинчастого теплообмінника; компактні розміри і невелика вага теплообмінника даного виду полегшують процес його установки; завдяки наявності унікального ущільнення, виключений перетік рідин; матеріал, з якого виконані пластини, високостійкий до дії корозії.
До недоліків пластинчатих теплообмінників варто віднести те, що вони мають великий гідравлічний опір, велику кількість ущільнень, що ускладнює їх експлуатацію, а також вони важко очищуються від забруднень під час експлуатації[9].
3)Спіральні теплообмінники
Використовується для нагріву рідин, парів і паро-газових систем.
Поверхня теплообміну в даних теплообмінниках утворюється парою тонких металевих листів, зігнутих у вигляді спіралей, що кріпляться до розділової перегородки і утворюють два канали. Виготовляються вертикальними та горизонтальними, внутрішні кінці спіралей поєднуються розділовою перегородкою. Діапазон температур становить -20…+200, максимальний тиск – 1 МПа [9].
Рис. 5 Спіральний теплообмінник
1, 2 – листи, згорнуті в спіралі; 3 - перетинка, 4, 5 – кришки.
Переваги: Компактність, висока інтенсивність теплообміну, нижчий, ніж у кожухотрубних теплообмінників, гідравлічний опір.
Недоліки: не завжди досягається герметичність, обмеження роботи по тиску, складність конструкції і чистки після використання.
15
4) Теплообмінники «труба в трубі»
Теплообмінники «труба в трубі» можна використовувати в разі невеликої поверхні теплообміну (до 30 м2), також в разі великого тиску- понад 10 МПа. Використовуються в хімічній, нафтохімічній, газовій галузях промисловості. Бувають розбірні та нерозбірні.
Гарячий носій подається всередину трубного простору під великим тиском та віддає тепло холодному теплоносію, в якості якого частіш за все виступає вода. Теплоносії можуть подаватися як прямотоком (паралельно один одному), так і протитоком, що вважається найбільш ефективним [10].
Рис. 6 Секційний теплообмінник типу "труба в трубі"
А - загальний вигляд; Б - жорстке кріплення труб; В - сальникове ущільнення труб. Потоки: А - гарячий теплоносій; Б - холодний теплоносій;
1 - внутрішня труба; 2 - зовнішня труба; 3 - калач; 4 - фланцеве з'єднання; 5 - опорна рама; 6 - колектор [10].
Переваги: через можливість підбору діаметру труб, створюється оптимальна швидкість руху теплоносія; можливість додати або прибрати секції; простота конструкції та догляду; робота зі значними тисками; універсальність в роботі з різними агрегатними станами теплоносіїв.
Недоліки: габаритність апарату та велика його вартість, складність обслуговування.
16
Нині відомі таки види теплообмінників виду «труба в трубі»:
Однопоточні нерозбірні теплообмінники (ТТОН)
Однопоточні розбірні теплообмінники (ТТОР)
Теплообмінник розбірний, малогабаритний (ТТРМ)
Теплообмінники труба в трубі розбірні багатопотокові (ТТБ)
1) Однопоточні нерозбірні теплообмінники (ТТОН)
Експлуатуються в разі, якщо середовище не залишає відкладень, проходячи кільцевий простір, тобто не потребують очистки зовнішньої поверхні труб.
Апарати з привареними двійниками не потребують регулярної очистки внутрішньої поверхні теплообмінних труб.
Рис. 7 ТТОН- апарат з привареними двійниками
1-труба теплообмінна, 2- труба кожухова, 3- трійник спеціальний, 4- двійник [11].
17
Апарати з двійниками, що знімаються, підходять для умов, коли потребується очистка внутрішнього середовища труб від забруднень.
Рис. 8 ТТОН- апарат зі зйомними двійниками
1-труба теплообмінна, 2- труба кожухова, 3- трійник спеціальний, 4- двійник, 5- ніпельні з'єднання (ØØ 25-57 мм)/фланцеве з'єднання (ØØ 89-159 мм) [11].
2) Однопоточні розбірні теплообмінники (ТТОР)
Ці апарати призначені для забруднених наважками середовищ, що можуть залишати осад на стінках або якщо не можна розділити робоче середовище на паралельні потоки. Забезпечується регулярна чистка зовнішньої та внутрішньої поверхні труб. Більш забруднена речовина проходить всередині труб, роблячи 4 оберти по трубному середовищу. Менш забруднена робить також 4 оберти, але в кільцевому просторі. Конструкція даних апаратів передбачує можливість температурної деформації і подовження труб, але різниця температур робочого середовища на вході та виході не має перевищувати 150 °С.
18
Рис. 9 ТТОР
1-труба теплообмінна, 2- труба кожухова, 3- опора, 4- решітка кожухових труб, 5- камера, 6- решітка теплообмінних труб, 7- фланець спеціальний - з'єднання круглих труб з решіткою теплообмінних труб, 8-фланець спеціальний [11].
3) Теплообмінник розбірний, малогабаритний (ТТРМ)
Використовуються при відносно малих витрат робочих речовин (до 15 т/ч в трубному просторі і до 30 т/ч в кільцевому просторі).
Однопотокові теплообмінники, в яких середовище робить чотири оберти в кільцевому і трубному просторі (ТТРМ1), використовуються при конвективному теплообміні.
Двопотокові ТТМ2 – середовище робить два оберти – застосовуються при випаровуванні і конденсації.
Однопотокові по кільцевому та внутрішньому просторах (ТТРМ1/2) використовують при конвективному теплообміні всередині труб, при випаровуванні або конденсації зовні, в кільцевому просторі.
Поверхня труб може бути ребриста, що робиться для інтенсифікації теплообміну у в’язких середовищах.
Рис. 10 Теплообмінник труба в трубі розбірний малогабаритний однопоточний по трубному і кільцевому простору (ТТ1)
19
1-камера розподільна, 2-камера поворотна, 3- опора, 4- труба духова, 5- труба теплообмінна, 6- решітка теплообмінних труб, 7-решітка кожухових труб, 8-перегородка поворотної камери, 9- перегородка розподільної камери [11].
Рис. 11 Теплообмінник труба в трубі розбірні малогабаритні однопотоковий по трубному і кільцевому простору (ТТ2)
1-камера розподільна, 2-камера поворотна, 3- опора, 4- труба духова, 5- труба теплообмінна, 6- решітка теплообмінних труб, 7-решітка кожухових труб, 8 - перегородка розподільної камери [11].
Рис. 12 Теплообмінник труба в трубі розбірний малогабаритний однопотоковий по трубному і двопотоковий по кільцевому простору (ТТ1/2)
1-камера розподільна, 2-камера поворотна, 3- опора, 4- труба духова, 5- труба теплообмінна, 6- решітка теплообмінних труб, 7- решітка кожухових труб, 8- перегородка розподільної камери [11].
4) Теплообмінники труба в трубі розбірні багатопотокові (ТТБ)
20
Працюють при відносно великих об’ємах витрат робочого середовища (до 200 т/ч в трубному просторі і до 300 т/ч в кільцевому просторі).
Поверхня труб з середнім діаметром може бути гладка або ребриста, що робиться для інтенсифікації теплообміну у в’язких середовищах і газах при низькому тиску. Для дуже в’язких речовин використовують ошиповані труби.
Конструкція дозволяє подовження труб внаслідок деформації, але різниця температур робочого середовища на вході і виході не має перевищувати 150° С, оскільки деформація обмежена. Перевагу також скаладає можливість виїмки труб для чистки та обслуговування (якщо це апарат з роз’ємними двійниками).
Рис. 13 Теплообмінник труба в трубі розбірний багатопотоковий з привареними двійниками
21
1-камера розподільна, 2- друга розподільна камера, 3- решітка теплоообмінних труб, 4- кожухових труб, 5- опора, 6- труба кожухова, 7- труба теплообмінна, 8- камера поворотна, 9- вивід до нижнього апарату [11].
Рис. 14 Теплообмінник труба в трубі багатопотоковий з роз’ємними двійниками
1-камера розподільна, 2- друга розподільна камера, 3- решітка теплоообмінних труб, 4- кожухових труб, 5- опора, 6- труба кожухова, 7- труба теплообмінна, 8- камера поворотна, 9- вивід до нижнього апарату [11].
Розглянувши найбільш відомі конструкції теплообмінників можна виділити один, що найбільше може підійти для охолодження робочого середовища на етапі стерилізації. По перше, він має бути стійкий до великих перепадів температур, тож, оскільки пластинчатий теплообмінник чутливий до високих температур, він не підходить. Спіральний теплообмінник частіше використовується при потребі охолодження або нагрівання газоподібних систем, в той час коли середовище на основі меляси відноситься до рідин. Нам вигідніше будуть теплообмінники, що мають труби в якості поверхні теплообміну. Можна використовувати кожухотрубні теплообмінники, проте, це доволі дорогі апарати, що мають обмеження за тиском.
22
На мою думку, найбільш підійдуть теплообмінники типу «труба в трубі». Якщо меляса в складі середовища низької якості, або якщо в витримувачі деяка частина цукру випала в осад, що потім може осісти на стінках, краще буде обрати теплообмінник, в якому можна буде проводити чистку внутрішнього середовища труб. Таким умовам відповідають майже усі види теплообмінників. Але нам навряд чи вигідні ТТРМ, оскільки по завданню ми роздивляємося процес охолодженні, коли ТТРМ реалізують в тому числі процеси випарювання і працюють з в’язкими середовищами, наприклад, мазутом. ТТМ також направлені на конденсацію і випарювання. Зазвичай, труби в таких теплообмінниках доволі великих розмірів (ТТМ призначені для обробки великих об’ємів робочих середовищ), виготовляються ребристими або ошипованими для підвищення теплообміну в в’язких середовищах. ТТОР використовують для забруднених середовищ, але навряд чи середовище на мелясі можно віднести до таких. Зробимо припущення на користь теплообмінників труба в трубі однопоточних нерозбірних (ТТОН) з роз’ємними двійниками.
Принцип дії:Гарячий носій подається всередину трубного простору під тиском та віддає тепло зовнішньому холодному теплоносію, в якості якого виступає вода. Теплоносії можуть подаватися як прямотоком (паралельно один одному), так і протитоком, що вважається найбільш ефективним [10].
Рис. 14 Теплообмінник типу "труба в трубі"
23
1 - наружна труба; 2 - внутрішня труба; З - колено; 4 - патрубок; I, II - теплоносії
1 2 3 4