Технологическая модернизация и расчет трубчатой пастеризационной установки марки П 8-ОПТ

       Аппараты теплообменные с прямой теплоотдачей

    Теплообменные аппараты «труба в трубе» используют главным образом для охлаждения или нагревания в системе жидкость— жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния. Иногда такие теплообменники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др.

    Двухтрубные теплообменники по ГОСТ 9930-78 изготавливаются  с площадью поверхности теплообмена  от 0.5 до 93 м . Аппараты представляют собой  набор последовательно соединенных  элементов, состоящих из концентрически расположенных труб (рис.6). 

Рис.6. Теплообменник типа "труба в трубе"

    Один  теплоноситель движется по внутренним трубам 1, другой – по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы 1 соединяются  с помощью калачей 5, а наружные – c помощью соединительных патрубков 3. Длина элемента теплообменника типа "труба в трубе" обычно составляет 3 - 6 м, диаметр наружной трубы - 76 - 159 мм, внутренней - 57 - 108 мм.

    Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках  достигаются значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что  приводит к увеличению коэффициентов  теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений  на стенках труб. Однако двухтрубные  теплообменники более громоздки, чем  кожухотрубчатые, на их изготовление требуется  больше металла на единицу поверхности  теплообмена. Двухтрубные теплообменники применяют для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соответственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров).

       В разборных конструкциях теплообменников обеспечивается компенсация деформаций теплообменных труб. На рис. 7 показана конструкция разборного многопоточного теплообменника «труба в трубе». Аппарат состоит из кожуховых труб 5, развальцованных в двух трубных решетках: средней 4 и правой 7. Внутри кожуховых труб размещены теплообменные трубы 6, один конец которых жестко связан с левой трубной решеткой 2, а другой — может перемещаться. Свободные концы теплообменных труб попарно соединены коленами 8 и закрыты камерой 9. Для распределения потока теплоносителя по теплообменным трубам служит распределительная камера 1, а для распределения теплоносителя в межтрубном пространстве — распределительная камера 3. Пластинами 11 кожуховые трубы жестко связаны с опорами 10. 

Рис. 7. Разборный двухпоточный теплообменник типа "труба в трубе" 

    Теплообменник имеет два хода по внутренним трубам и два по наружным. Узлы соединения теплообменных труб с трубной  решеткой (узел I) и с коленами (узел II) уплотнены за счет прижима и  деформации полушаровых ниппелей в  конических гнездах.

    Эти аппараты могут работать с загрязненными  теплоносителями, так как внутреннюю поверхность теплообменных труб можно подвергать механической очистке. Поскольку возможность температурных  удлинений кожуховых труб из-за жесткого соединения их с опорами ограниченна, перепад температур входа и выхода среды, текущей по кольцевому зазору, не должен превышать 150 °С.

      Ряд факторов определяет надежность работы аппарата и удобство его эксплуатации: компенсация температурных деформаций, прочность и плотность разъемных соединений, доступ для осмотра и чистки, удобство контроля за работой аппарата, удобство соединения аппарата с трубопроводами и т. д.

      Эти основные требования должны быть положены в основу конструирования и выбора теплообменных аппаратов. При этом самое большое значение имеет обеспечение заданного технологического процесса в аппарате.

     Для ориентировки при выборе теплообменников приведем следующие соображения. Из парожидкостных подогревателей наиболее рациональным является многоходовой по трубному пространству - трубчатый теплообменник жесткой конструкции (к подвижным трубным решеткам прибегают в крайнем случае). Этот же теплообменник с успехом применим в качестве газового или жидкостного при больших расходах рабочих тел и небольшом числе ходов в межтрубном пространстве. При малых расходах жидкостей или газов лучше применять элементные аппараты без подвижных трубных решеток.

      Ребристые аппараты следует применять, если условия теплоотдачи между рабочими средами и стенкой с обеих сторон поверхности нагрева существенно отличаются (в газожидкостных теплообменниках); оребрение целесообразно со стороны наименьшего коэффициента теплоотдачи.

     Основные способы увеличения интенсивности теплообмена в подогревателях:

а) уменьшение толщины гидродинамического пограничного слоя в результате повышения скорости движения рабочих тел или другого  вида воздействия; это достигается, например, разбивкой пучка трубок на ходы и установкой межтрубных перегородок;

б) улучшение  условий отвода неконденсирующихся газов и конденсата при паровом  обогреве;

 в)  создание благоприятных условий  для обтекания рабочими телами  поверхности нагрева, при которых  вся поверхность активно участвует  в теплообмене;    

г) обеспечение  оптимальных значений прочих определяющих факторов: температур, дополнительных термических сопротивлении и  т. д.

      Путем анализа частных термических сопротивлений можно выбрать наилучший способ повышения интенсивности теплообмена в зависимости от типа теплообменника и характера рабочих тел. Так, например, в жидкостных теплообменниках поперечные перегородки имеет смысл устанавливать только при нескольких ходах в трубном пространстве. Перегородки не всегда необходимы; при вертикальном расположении трубок и нагреве паром последний подается в межтрубное пространство; поперечные перегородки будут мешать стеканию конденсата. При теплообмене газа с газом или жидкости с жидкостью количество протекающей через межтрубное пространство жидкости может оказаться настолько большим, что скорость ее достигнет тех же значений, что и внутри трубок; следовательно, установка перегородок теряет смысл.

      Интенсификация теплообмена является одним из основных направлений развития и усовершенствования тепловой аппаратуры пищевых производств. При этом широко используются положительные эффекты в интенсификации теплообмена, обнаруженные и исследованные в других областях. За последние годы выполнен ряд работ по промышленному испытанию активных «режимных» методов интенсификации теплообмена в аппаратах химических и пищевых производств. К ним относятся изменение режимных характеристик течения, дополнительная турбу- лизация потока за счет пульсации, вдувания воздуха и др. Намечены пути комплексной интенсификации теплообмена, достигаемой при совместном воздействии различных эффектов. Ведется ускоренная разработка новых типов поверхностей нагрева компактных теплообменников, эффективность которых оценивается промышленными данными о связи теплоотдачи с гидродинамическим сопротивлением. Найдены способы передачи значительных тепловых потоков между рабочими средами с помощью тепловых труб. 

Рис. 8. – Схема трубчатого теплообменника: 1-крышка; 2-гайка; 3-уплотнительное кольцо; 4-фланец; 5-цилиндр; 6-теплообменные  трубки; 7-теплоизоляция; 8-кожух; 9-патрубок для подвода теплоносителя;10- прижимные планки; 11-фланец; 12-стойка; 13-патрубок для отвода теплоносителя.

      Установка теплообменная трубчатая  П8-ОПТ (рис.8) предназначена для подогрева жидких, маловязких, пищевых продуктов. Может быть использована как пастеризатор для нагрева молока от +10 до +80...90 град. С при производительности 2000...3500 л в час. Нагрев молока осуществляется и до более высокой температуры при соответствующем уменьшении производительности. При необходимости аппарат служит охладителем молока. Изготовлена на базе унифицированного теплообменного цилиндра, применяемого для трубчатых пастеризационных установок. В процессе нагрева молоко насосом подается в цилиндр и последовательно проходит по 24 трубкам длиной 1,2 м каждая с внутренним диаметром 27 мм. Нагрев молока осуществляется паром, который подается в межтрубное пространство, подача его регулируется вентилем. При нормальной работе аппарата, вследствие обильной конденсации, давление в цилиндре несколько меньше атмосферного. Применяется на маслодельных, сыродельных заводах и крупных сепараторных пунктах.  Трубчатый теплообменник представляет собой пучок герметичных медных труб с алюминиевым оребрением заполненных хладагентом. Теплообмен осуществляется благодаря испарению хладагента в теплоотдающей среде и конденсации хладагента в среде, принимающей теплоту. Циркуляция промежуточного теплоносителя в трубчатом теплообменнике осуществляется под действием естественной конвекции или сил капиллярного давления. Трубы отдельно полностью закрыты и установлены вертикально или с наклоном в разделительной перегородке, и каждая ее сторона выступает в каналы, по которым движутся потоки, имеющие различную температуру. Трубы в трубчатом теплообменнике никогда не укладываются горизонтально, так как принцип работы зависит от силы тяжести. При вертикальной установке трубчатого теплообменника канал удаляемого воздуха находится снизу. Одна сторона трубки омывается потоком с высокой температурой и образует зону отвода теплоты. Образовавшиеся пары хладагента перемещаются в зону низкого давления, которая омывается потоком с более низкой температурой и образует зону отвода теплоты. Сконденсировавшийся в этой зоне хладагент в виде жидкости перемещается из зоны конденсации в зону испарения, где снова превращается в пар.

      В установке с трубчатым теплообменником должны быть предусмотрены: каплеуловитель, поддон для сбора конденсата и обводной канал (байпас). Тепловая эффективность трубчатого теплообменника (расчетный относительный перепад температур) достигает 30-50%.

     Трубчатые теплообменники имеют существенные преимущества перед другими теплообменниками: теплообменники имеют высокий коэффициент теплопередачи; теплообменники имеют низкие теплопотери; теплообменники имеют низкие потери давления; теплообменники имеют низкие затраты при производстве монтажно-наладочных, изоляционных и ремонтных работ; теплообменники имеют возможность разборки теплообменника при очистке.

     Теплообменник трубчатый благодаря своей простоте при монтаже может устанавливаться прямо на пол в тепловом пункте или на несущую конструкцию блочного теплопункта. 

2. Обоснование направления модернизации трубчато-пастеризационной установки

       При ремонте машин и оборудования предусмотрена их модернизация. Эти работы планируют к моменту проведения капитального ремонта. Модернизацию оборудования проводят согласно технической документации специализированными организациями или соответствующими службами перерабатывающего предприятия.

      Совершенствование теплообменных аппаратов (ТА) является одной из важных задач. Ужесточение требований к массогабаритным характеристикам оборудования при одновременном росте тепловых нагрузок, скоростей рабочих сред и коррозионной активности воды, а также возможность загрязнения теплообменных поверхностей вынуждают разработчиков и изготовителей теплообменных аппаратов искать новые методы повышения их эффективности.

       На основе обобщения данных по эффективности работы  теплообменных аппаратов в условиях эксплуатации было показано, что на номинальном режиме работы опытные данные по недогреву воды до температуры насыщения в аппаратах более чем на 5ºС превышают как расчетные значения, так и данные нормативных характеристик. Возможными причинами несогласованности опытных и расчетных данных являются несовершенство конструкций аппаратов и методик их теплового расчета, а также недостаточно высокий уровень эксплуатации. В отдельных случаях это может дополнительно определяться ососбенностями тепловой схемы, например, наличием в схеме смешивающих подогревателей низкого давления.

     Известно, что основными направлениями повышения эффективности ТА является интенсификация в них процессов теплообмена, а также обеспечение высокой степени чистоты поверхности теплообмена ТА в условиях эксплуатации.

     Ранее был выполнен анализ и обобщены данные различных исследователей, а также уточнены методики расчета ТА с целью наиболее полного учета особенностей и закономерностей физических процессов, происходящих в этих аппаратах. На основе этих методик выполнено расчетное исследование по определению уровней значений коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи в конденсаторах, сетевых подогревателях и подогревателях низкого давления ПТУ мощностью 100–800 МВт. Расчеты показали, что процесс теплообмена в большинстве конденсаторов турбин в условиях их работы на технически чистой воде и при допустимых нормами содержаниях воздуха в паре лимитируется теплоотдачей с паровой стороны, уровень которой в среднем на 25–30% ниже, чем по водяной стороне аппаратов. Лимитирующей стороной теплообмена в подогревателях также является паровая сторона аппаратов; разница в уровнях теплоотдачи по водяной и паровой сторонам составляет 50-100%. В зависимости от места в схеме и типа турбины, процесс теплообмена может лимитироваться обоими теплоносителями – разница в их уровнях достигает 55-60%.