Теплообменники, расчет основных деталей

Теплообменники, расчет основных деталей

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями. Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим знакам.

По назначению теплообменные аппараты делятся на подогреватели, испарители, конденсаторы, холодильники и т. д.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Расчет

В первичные исходные данные для расчета теплообменного аппарата входят расходы теплоносителей, их начальные и конечные температуры. Недостающие величины определят из теплового баланса. Теплофизические и другие свойства теплоносителей, имеющие существенное значение для выбора и расчета теплообменного аппарата, предполагаются известными.

Аппарат воздушного охлаждения

Аппарат воздушного охлаждения (АВО) предназначен для охлаждения или конденсации технологических потоков газа и конденсата. Эксплуатируется на открытых технологических площадках в районах с умеренным или холодным климатом. Температура технологического потока от −40 до 300 °С, давление до 7,5 Мпа. Теплообменные трубы выполняются длиной от 1,5 до 8 м с оребрением в виде накатанной моно- или биметаллической ленты и компонуются в секции. Коэффициент оребрения (отношение полной поверхности оребренной трубы к наружной поверхности трубы по диаметру основания ребер) 9 или 14,6. Мощность установленных электродвигателей составляет 3–100 кВт, что обеспечивает скорости воздушного потока 5–15 м/с в узких сечениях секций. Количество ходов по трубному пространству от 1 до 8.

Основные преимущества АВО:

полная независимость от источников водоснабжения;

сравнительно низкая удельная металлоемкость;

низкие капитальные и эксплуатационные расходы.

Абсолютно все проекты АВО состоят из следующих компонентов:

· Секционные теплообменники.

· Узел регулировки расходования воздушного охладительного потока.

· Опорные и заградительные приспособления.

Типы аппаратов воздушного охлаждения (АВО)

Аппараты воздушного охлаждения в зависимости от расположения теплообменной секции подразделяются на следующие типы:

– горизонтальные

– вертикальные

– V-образные

– зигзагообразные

 

Основные параметры аппаратов воздушного охлаждения

Основными параметрами при выборе и проектировании АВО являются:

– производительность

– расчетное давление

– расчетная температура

– материал труб теплообменника (зависит от теплоносителя)

 

Пластинчатый теплообменник.

Пластичные теплообменники имеют щелевидные каналы, образованные параллельными пластинками. В простейшем случае пластины могут быть плоскими. Для интенсификации теплообмена и повышения компактности пластинам при изготовлении придают различные профили, а между плоскими пластинами помещают профилированные вставки. Первые профилированные пластины изготовлялись из бронзы фрезерованием и отличались повышенной металлоемкостью и стоимостью. В настоящее время пластины штампуют из листовой стали (углеродистой, оцинкованной, легированной), алюминия, мельхиора, титана и других металлов и сплавов. Толщина пластин — от 0,5 до 2 мм. Поверхность теплообмена одной пластины — от 0,15 до 1,4 м2, расстояние между пластинами — от 2 до 5 мм.

Пластинчатые аппараты высоко популярны, в сравнении с другими конструкциями. Они производительны, безопасны, надежны и относительно дешевы в изготовлении и эксплуатации. Это проточные установки. Они представляют собой пластины, собранные в пакет пластин, между которыми формируются нагревающий и нагреваемый каналы. Пакет пластин устанавливается в раму с рабочим давлением 10, 16 или 25 бар.

Расчет горения

Зная элементарный состав топлива, можно определить теоретическое количество воздуха, который необходимо подать для сжигания 1 кг топлива.

Технологический расчёт печи

Технологический расчёт печи (Qпол, ккал/ч) установки прямой перегонки нефти складывается из тепла, затраченного на нагрев и испарение нефти, на перегрев водяного пара (при наличии в печи пароперегревателя)

Принцип действия

При попадании нефтяной эмульсии в электрическое поле, частицы воды, заряженные отрицательно, перемещаются внутри капли, придавая ей грушевидную форму, острый конец которой обращен к положительно заряженному электроду. Под воздействием сил притяжения отдельные капли, стремящиеся к положительному электроду, сталкиваются друг с другом, и происходит пробой оболочки капель. В результате мелкие капли воды сливаются и укрупняются, что способствует их осаждению в электродегидраторе.

Поскольку соль в нефти растворена в воде, удаление соли и воды одновременно с помощью электродегидратора - это простое решение. Однако произвести обессоливание в один этап невозможно. Поэтому при высокой концентрации соли, в нефть добавляют пресную воду и промывают несколько раз в электродегидраторе. Кроме электрообработки нефтяной эмульсии, осуществляется и отстой (осаждение) деэмульгированной нефти, поскольку электродигидратор является одновременно отстойником. Существуют различные конструкции электродегидраторов, различающиеся по форме, габаритам и внутреннему устройству.
Электродегидраторы можно условно разделить на три основных типа: шаровые, вертикальные и горизонтальные электродегидраторы. Горизонтальные электродегидраторы наиболее распространены, что обусловлено их высокой производительностью, способностью работать при высоких давлениях и температурах, меньшей стоимостью при эксплуатации и простотой используемых в нем электрических схем.

Расчет

В основе расчета элетродегидратора лежит выражение определяющее скорость движения капель в электрическом поле. Для лучшего отстаивания нефти в эмульсию нефть-вода добавляют деэмульгатор, который способствует более быстрому укрупнению капель и, тем самым ускоряет процесс отстаивания (необходимо рассчитать его количество и предельную концентрацию).

Процесс электрообезвоживания и обессоливания существует уже не один десяток лет, и все основные аппараты стандартизованы.

Основными показателями являются:

- производительность по жидкости, кг/час;

- рабочее давление, МПа;

- расход реагента-деэмульгатора (дипроксамин), г/т;

- оптимальную температуру нагрева нефти, 45-50°С;

- ток внешней фазы электродегидратора 240А

 

Компенсаторы. Расчет

 

Довольно распространенным и наиболее частым способом считается естественная компенсация, происходящая за счет собственной гибкости самих труб с применением колен П-образной формы. Данный вид используется, как правило, для прокладки канальных, а так же надземных трубопроводов. С другой стороны, при строительстве надземного трубопровода необходимы специальные опоры, а для канального - специфические камеры, что, несомненно, приведет к ощутимому удорожанию работ и конструкции в целом.

Сальниковые компенсаторы

Основным плюсом использования можно назвать компенсацию практически любых осевых перемещений конструкции. Из этого вытекает необходимость постоянного обслуживания данных компенсаторов, что само собой производится только при отключенном трубопроводе.

При строительстве подземных трубопроводов с использованием сальниковых компенсаторов, потребуются специфические камеры для обслуживания, что приносит дополнительные затраты и достаточно усложняет процесс строительства и эксплуатации трубопроводов.

Линзовые компенсаторы

Как правило, используются в строительстве нефтепроводов, газовых и тепло-магистралей. Ключевой особенностью линзового компенсатора является жесткость, благодаря которой деформация конструкции маловероятна при незначительном давлении. С другой стороны есть и большой минус - довольно низкий показатель компенсации в сравнении с другими видами компенсаторов. Так же, линзовые компенсаторы имеют довольно много швов, что обуславливается технологией их производства, в свою очередь, снижая надежность данного типа.

Сильфонные компенсаторы

В наши дни, пожалуй, самый распространенный, надежный и удобный вид. Компенсатор сильфонный довольно невелик в размерах, к тому же их можно устанавливать практически в любом отрезке трубопровода, независимо от типа прокладки. Немаловажную роль играет и стоимость конструкции, по-скольку при использовании не возникает необходимости в дополнительных камерах и частого обслуживания конструкций.
Срок службы практически совпадает со сроками службы всей конструкции трубопровода. Сильфон обуспечивает хорошую и надежную защиту трубопровода от разнообразных нагрузок, вибраций и других внешних факторов. Сильфонные компенсаторы изготавливаются из нержавеющей стали, что позволяет им работать в огромном диапозоне температур, от -150и до 1000 градусов, выдерживать давления до 110 атмосфер.
Главная составляющая часть - сильфон: гофрированная металлическая оболочка, способная без труда изгибаться, сдвигаться или же растягиваться в условиях перепадов давления, температуры или других воздействий на трубопровод. В зависимости от конструкций и необходимых потребностей сильфонные компенсаторы делятся на 4 вида:

• Осевые
• Сдвиговые
• Угловые
• Универсальные

П-образные компенсаторы

Для компенсации тепловых расширений наибольшее распространение в тепловых сетях и на электростанциях находят П-образные компенсаторы. Несмотря на свои многочисленные недостатки, среди которых можно выделить: сравнительно большие габариты (необходимость устройства компенсаторных ниш в теплосетях с канальной прокладкой), значительные гидравлические потери (по сравнению с сальниковыми и сильфонными); П-образные компенсаторы имеют и ряд достоинств.

Из достоинств можно прежде всего выделить простоту и надежность. Кроме того, этот тип компенсаторов наиболее хорошо изучен и описан в учебно-методической и справочной литературе. Несмотря на это, часто у молодых инженеров, не имеющих специализированных программ, расчет компенсаторов вызывает затруднения. Связано это прежде всего с достаточно сложной теорией, с наличием большого количества поправочных коэффициентов и, к сожалению, с наличием опечаток и неточностей в некоторых источниках.

Расчет

Компенсаторы должны иметь достаточную компенсирующую способность для восприятия температурного удлинения участка трубопровода между неподвижными опорами, при этом максимальные напряжения в радиальных компенсаторах не должны превышать допускаемых (обычно 110 МПа).

Тепловое удлинение расчетного участка трубопровода

где α - средний коэффициент линейного расширения стали,

- расчетный перепад температур, °C

L - расстояние между неподвижными опорами, м

Компенсирующую способность сальниковых компенсаторов уменьшают на величину запаса - 50 мм.

 

Классификация технологических трубопроводов. Расчет

В зависимости от назначения и территориального расположения различают магистральный и промышленный (технологический) трубопроводный транспорт.

К магистральному трубопроводному транспорту относятся газонефтепроводы, по которым транспортируются продукты от мест добычи к местам переработки и потребления - на заводы или в морские порты для перегрузки в танкеры и дальнейшей перевозки.

Технологические трубопроводы составляют свыше одной трети трубопроводов промышленных предприятий. По ним транспортируются газ, пар, жидкость, являющиеся сырьем, полуфабрикатами, готовой продукцией, отходами производства или продуктами, необходимыми для нормального течения технологического процесса. Технологические трубопроводы классифицируются по различным признакам, что представлено в следующей таблице.

 

Признак классификации	Наименование группировки	Классификационный критерий
Месторасположения	Внутрицеховые	Между отдельными видами оборудования в пределах цеха или установки
	Межцеховые	Между установками, цехами, объектами
Способ прокладки	Надземные	На эстакадах, колоннах, стойках, по стенам зданий и т.д.
	Наземные	Непосредственно на поверхности земли, в лотках, открытых траншеях, на низких опорах. подкладках или подставках
	Подземные	В проходном и непроходном каналах, тоннелях, бесканально
Внутреннее давление	Вакуумные	Абсолютное давление менее 0,1 Мега Паскаля (МПа)
	Безнапорные (самотечные)	Давление, близкое к атмосферному
	Низкого давления	Давление от 0,1 до 10,0 МПа
	Высокого давления	Давление свыше 10,0 МПа
Температура транспортируемого вещества	Криогенные	Температура ниже-153° С
	Холодные	Температура ниже температуры окружающей среды, но не ниже -153° С
	Нормальные	Температура равна температуре окружающей среды
	Теплые	Температура выше температуры окружающей среды, но не более 45° С
	Горячие	Температура выше температуры окружающей среды и более 45° С
	Перегретые	Температура более 300° С
Агрессивность транспортируемого вещества	Неагрессивные	Коррозия незначительна
	Слабоагрессивные (малоагрессивные)	Скорость коррозии до 0,1 мм/г
	Среднеагрессивные	Скорость коррозии от 0,1 до 0,5 мм/г
	Агрессивные	Скорость коррозии свыше 0,5 мм/г
Транспортируемое вещество	Паропроводы	Водяной пар
	Водопроводы	Холодная и горячая вода
	Нефтепроводы	Нефть и нефтепродукты
	Газопроводы	Горючие, токсичные и сжиженнные газы
	Кислородопроводы	Кислород и его смеси с другими газами
	Ацетиленопроводы	Ацетилен
	Аммиакопроводы и др.	Аммиак и другие вещества
Материал	Стальные	Из углеродистой, низко- и высоколегированной стали
	Стальные с внутренним или наружным покрытием	Из углеродистой и низколегированной стали с покрытиями резиной, пластмассой, стеклопластиком, эмалью, биметаллические и т.д.
	Из цветных металлов	Из меди, аллюминия, свинца, титана, других металлов и сплавов
	Из неметаллических материалов	Стеклянные, керамические, пластмассовые, камнелитные и т.д.
Способ соединения	Неразъемные	Соединяемые сваркой, пайкой, склеиванием
	Разъемные	Соединяемые на резьбе, фланцах, враструб или развальцовкой

 

Основные положения по расчету на прочность и вибрацию указаны в ГОСТ 32388-2013

 

Теплообменники, расчет основных деталей

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями. Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим знакам.

По назначению теплообменные аппараты делятся на подогреватели, испарители, конденсаторы, холодильники и т. д.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Расчет

В первичные исходные данные для расчета теплообменного аппарата входят расходы теплоносителей, их начальные и конечные температуры. Недостающие величины определят из теплового баланса. Теплофизические и другие свойства теплоносителей, имеющие существенное значение для выбора и расчета теплообменного аппарата, предполагаются известными.