Спиральный теплообменный аппарат

Министерство образования и науки Украины

Сумской государственный университет

Факультет технических систем и энергоэффективных технологий

Реферат

по дисциплине "Тепломассообмен"

тема: «Спиральный теплообменный аппарат»

Сумы 2009

Введение

Спиральный теплообменник - устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой, энергетике и других отраслей промышленности.

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.

Из всех компактных теплообменников эта конструкция является наиболее уникальной. Типичная область их применения - это теплообмен между загрязненными потоками (пульпы, взвеси), содержащих различные механические примеси, волокна. Они с успехом используются в тех случаях, когда пространство для размещения ограничено. Основная отличительная черта спирального теплообменника заключается в его гидравлике. Постоянное изменение направления движения потока создает значительную турбулентность, более высокую, чем в кожухотрубных теплообменниках, что ограничивает количество и скорость образования отложений и накипи. При этом в спиральных аппаратах оба канала для жидкости, сваренные отдельно друг от друга, легкодоступны для очистки после снятия крышек и извлечения спирали. Применяются спиральные теплообменники и как конденсаторы.

Конструкция и принцип работы

Варианты конструкций спиральных теплообменников. Спиральные теплообменники с противотоком или параллельным движением сред.

В общем случае этот тип теплообменников применяется для взаимодействия сред «жидкость-жидкость». Например, греющая жидкость поступает в аппарат через патрубок С, протекает по спирали и покидает аппарат через осевой патрубок D, а нагреваемая жидкость поступает в аппарат через осевой патрубок А и покидает его после протекания через спираль в противотоке греющей среде через патрубок В.

Для организации параллельного движения потоков, нагреваемая среда должна поступать через патрубок В и покидать аппарат через патрубок А.

Конструкция А-1

Это самая распространённая конструкция. Герметизацию спиралей называют при этом переменной, поскольку плоские крышки герметизируют каналы каждая со своей стороны. Доступ к обоим каналам в каждом случае возможен после демонтажа соответствующей крышки.

Конструкция А-2

Для определённых целей один из обоих каналов полностью закрывается, другой, напротив, постоянно открыт. Выбор этой конструкции оправдан, например, в том случае, когда одна из сред создаёт значительные проблемы при выборе уплотнительных прокладок, или когда использование одной среды требует частое проведение чистки с помощью механических средств или агрессивных чистящих средств. Закрытый канал недоступен для механической чистки, он может очищаться только химическими средствами.

Спиральные теплообменники с перекрёстным движением сред

Эта конструкция применяется в конденсаторах, в основном при пониженном давлении, при этом значительный объём потока пара пускают через большие поперечные сечения спиралей (вдоль осей спиралей). За счёт этого достигается быстрое охлаждение пара при избежании большой потери давления.

Конструкция В-1

Охлаждающая жидкость движется по закрытому спиральному каналу. Пар подается через спираль вдоль оси спирали и охлаждается. Чистка очень простая, поскольку канал с обеих сторон доступен, если аппарат снабжён люками для чистки или съемными крышками.

Конструкция В-2

В некоторых случаях требуется приведение теплообменника в горизонтальное положение, в особенности, при использовании жидкостей, содержащих твердые частицы, волокна и т.п. во избежание их скапливания в нижней части теплообменника под действием силы тяжести. Эта конструкция дает возможность проводить механическую чистку спиралей с обеих сторон.

При горизонтальном расположении, внутри кожуха спиральные теплообменники в который поступает пар, устанавливается горизонтальная перегородка приблизительно на 2/3 ширины спирали. В результате поступающий через верхнюю половину спирали пар вынужден выходить через её нижнюю половину.

Охлаждающая жидкость поступает через боковой патрубок и покидает спиральный теплообменник через осевой патрубок.

Конструкция С

Эта конструкция применяется в качестве конденсатора в верхней части колонн, аппарата с фланцем, посаженного прямо на колонну, что минимизирует потери давления и значительно упрощает монтаж.

Существуют две различные конструкции конденсаторов для переохлаждения конденсата, инертного газа или одновременно этих двух сред. Переохлаждение возможно за счёт формирования дополнительного контура охлаждения путем герметизации в верхней части двух последних витков спирали (см. рисунок ниже). Пар поступает в теплообменник перпендикулярно плоскости спирали, конденсат и / или инертный газ вынуждены вытекать через последние спиральные витки. Поперечные сечения сильно сужаются, что приводит к незначительной потере давления в конце конденсации. В то же время повышаются параметры теплообмена за счёт повышения скорости течения.

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.

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.

Благодаря прочной и жесткой цельносварной конструкции, а так же тому, что спиральные теплообменники мало подвержены загрязнению, затраты на их обслуживание сведены до минимума.

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.

Возможные конфигурации потоков:

1. Противоток (наиболее часто);

2. Перекрестные потоки (обычно в конденсаторах и испарителях);

3. Параллельные потоки (редко);

4. Комбинации вышеназванных.

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.

Назначение

Спиральные теплообменники используются в спиртовой, пищевой, фармацевтической, нефтяной, химической, ЖКХ и других отраслях промышленности, где требуется высокоэффективный теплообмен. На спиртовых предприятиях использование спиральных теплообменников позволяет резко снизить объемы потребляемой воды.

Можно использовать жидкости, которые содержат до 20% твердых примесей, а также встречные потоки газ-жидкость и газ-газ. Горизонтальные спиральные теплообменники применяют для теплообмена между двумя жидкостями. Для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью используют вертикальные спиральные теплообменники; такие теплообменники применяют в качестве конденсаторов и паровых подогревателей для жидкости

Задачи, решаемые помощью спиральных теплообменников:

1. Охлаждение;

2. Нагрев;

3. Рекуперация тепла;

4. Конденсация;

5. Испарение;

6. Термосифон;

7. Ребойлер.

Рабочие среды спиральных теплообменников:

1. жидкости;

2. суспензии;

3. жидкости, содержащие волокна и твердые частицы;

4. вязкие жидкости;

5. неньютоновские жидкости, включая различные гидросмеси, растворы полимеров;

6. сточные воды;

7. пары с инертными газами и без них;

8. прочее…

Преимущества спиральных теплообменников

1. Широкий диапазон рабочих температур (до 400 К) и давлений (до 1 МПа)

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. Высокий самоочищающий эффект при применении сильно загрязненных жидкостей;

8. Легкая очистка механическим и химическим способом;

9. Отсутствие ограничений при выборе величины зазора канала;

10. Массовые расходы по обеим сторонам могут значительно отличаться;

11. Низкие потери давления;

12. Большой выбор материалов уплотнений;

Экономичность спиральных теплообменников:

1. Низкие затраты на установку;

2. Небольшие площади для размещения;

3. Возможность интегрирования с другим оборудованием;

4. Простота монтажа и перемещения;

5. Низкие расходы на обслуживание.

Области применения спиральных теплообменников

1. Нефтепереработка

(Тяжелые масла, промывочные масла)

2. Химическая промышленность

(ПВХ, Латекс, Акрилацетат, TiO₂ и.т.д.)

3. Целлюлозно-бумажная промышленность

(Отработанные сульфатные и сульфитные растворы, водные растворы SO₂, дезодорация при конденсировании)

4. Очистка муниципальных и химических сточных вод

(Сброженный ил, термическая стерилизация, сточные и сбросные воды)

5. Горнодобывающая промышленность

(Алюминатные щелоки, бокситные суспензии, окислы магния)

6. Сталелитейные, газоперерабатывающие и коксовые заводы

(Бензол, промывные масла, раствор NH₃, оросительный конденсаторы)

7. Текстильная промышленность

(Рекуперация тепла красителей и промывочных жидкостей)

8. Сахарная и пищевая промышленность, пивоварение

(Прессовая вода, сырой сок, сточные воды, растительное масло, спирт, картофельные, зерновые или кукурузные пасты)

9. Фармацевтика

Особенности эксплуатации

Как правило, спиральные теплообменники производятся с опорной рамой, в которой теплообменник может свободно поворачиваться, что обеспечивает:

1. Легкий дренаж;

2. Простой доступ с целью осмотра или чистки;

3. 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.

Спиральные теплообменники практически не нуждаются в обслуживании, кроме случаев, обусловленных свойствами / характеристиками сред и рабочими условиями.

Список литературы

1. http://www.mashimpeks.ru/cat/st/

2. Мартыненко О.Г. Справочник по теплообменникам. Энергоатомиздат. Том 1. 1987 г.

3. Мартыненко О.Г. Справочник по теплообменникам. Энергоатомиздат. Том 2. 1987 г.

4. http://sp-teploobmen.ru/