Расчет и выбор спирального нагревателя для нагрева этилового спирта

где — коэффициент теплоотдачи от горячей среды к стенке; — термическое сопротивление теплоотдаче от горячей среды к стенке; — толщина стенки (или слоя осадка);  — коэффициент теплопроводности   стенки   (или   слоя   осадка);   —

суммарное термическое сопротивление стенки с учетом отложений на ней; — коэффициент теплоотдачи от стенки к холодной среде; — термическое сопротивление теплоотдаче от стенки к холодной среде. 

Анализ  уравнения показывает, что коэффициент теплопередачи зависит в основном от значения наибольшего из термических сопротивлений. Поэтому для интенсификации процесса необходимо прежде всего уменьшить термическое сопротивление с той стороны, с которой оно является наибольшим.

Коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи и снижается с увеличением толщины стенки, уменьшением коэффициента ее теплопроводности, а также с увеличением толщины слоев отложений на ней.

Если  своевременно не очищать поверхность  теплообмена от загрязнений, то тепловая производительность аппарата быстро уменьшится и технологический режим нарушится. Восстановить режим можно путем увеличения расхода рабочей среды и температурного напора, однако это всегда экономически невыгодно, а часто практически невозможно.

Наименьшие  затраты труда и средств на очистку поверхностей теплообмена от загрязнений   и наилучшие условия поддержания стабильной эффективности обеспечены в разборных конструкциях теплообменных аппаратов.

На интенсивность и эффективность процесса теплообмена влияют также форма поверхности теплообмена, эквивалентный диаметр каналов, шероховатость поверхности, компоновка каналов, обеспечивающая оптимальные скорости движения рабочих сред, средний температурный напор, наличие турбулизующих элементов в каналах, оребрение и другие конструктивные особенности.

Кроме конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена, существуют режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и режима течения жидкости у поверхности теплообмена. Режимные методы включают подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульсаций потока, вдувание газов в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложение электрических или магнитных полей на поток, предотвращение отложений загрязнений на поверхности теплообмена путем турбулизирующего воздействия на поток и т. д.

Для получения оптимальных условий процесса теплообмена конструктивные и режимные методы целесообразно использовать совместно, комплексно.

Уменьшение удельных затрат материалов, труда, средств и энергии возможно путем унификации узлов и деталей при изготовлении теплообменных аппаратов широкого размерного ряда, повышения технологичности конструкции, позволяющей организовать серийное механизированное производство теплообменников с использованием наиболее эффективных технологических методов:

штамповки поверхностей теплообмена, сварки и т. д.

В стоимости теплообменных аппаратов основную долю составляет стоимость материалов, из которых изготовлен аппарат. Особенно значительно возрастает стоимость аппаратов при изготовлении поверхности теплообмена из титана, алюминия, нержавеющих сталей, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов и других дорогостоящих материалов.

Повышение экономичности конструкции теплообменника возможно поэтому путем создания более компактных конструкций, снижения удельных весовых показателей и рационального использования различных марок материалов.

Кроме того, компактность конструкции приводит к экономии производственных площадей, занимаемых теплообменной аппаратурой, и повышает экономические показатели производства в целом.

В конечном итоге технико-экономическая эффективность той или иной конструкции теплообменного   аппарата определяется стоимостью технологического процесса, осуществляемого в этих аппаратах при высоком качестве получаемого продукта.

При широком распространении теплообменных аппаратов в промышленности даже небольшое усовершенствование их конструкции дает ощутимый экономический эффект.

Классификация и номенклатура современных теплообменных аппаратов

В связи с разнообразием требований, предъявляемых в конкретных случаях к теплообменным аппаратам, и разнообразием условий теплообмена в промышленных аппаратах требуется изготовлять и применять аппараты различных типов, причем для каждого типа должен существовать широкий размерный ряд значений поверхностей теплообмена. Для наиболее распространенных типов теплообменников размерные ряды начинаются с нескольких квадратных метров поверхностей теплообмена и доходят до нескольких тысяч квадратных метров ее в одном аппарате.

Размерные ряды теплообменных аппаратов имеют градации также по допустимым давлениям и температурам рабочей среды. Для обеспечения достаточной коррозионной стойкости поверхности теплообмена по отношению к рабочим средам размерные ряды теплообменников, помимо градаций по параметрам, должны иметь градации по маркам материалов, из которых изготовлен аппарат.

Очевидно, что одной универсальной конструкции теплооб-менного аппарата, которая соответствовала бы всем требованиям различных отраслей промышленности и работала бы при этом достаточно эффективно, существовать не может.

Среди многообразия рабочих условий удается для конкретных отраслей промышленности выявить наиболее часто повторяющиеся условия эксплуатации. Для этих условий создают типовые конструкции теплообменных аппаратов так называемые теплообменные аппараты общего назначения.

Так, например, в химических и пищевых производствах до 70% теплообменников применяют для сред жидкость — жидкость и пар — жидкость при давлениях до 1 МПа (10 кгс/см²) и температурах до 200°С.

Для этих условий разработаны и серийно изготовляются теплообменные аппараты общего назначения кожухотрубчатого и спирального типов. В последнее время разрабатываются также более эффективные пластинчатые теплообменные аппараты общего назначения.

Теплообменные аппараты классифицируют по различным признакам.

На рис. 1 представлена классификация и номенклатура теплообменных аппаратов УкрНИИхиммаша для химических производств, в которой за основной признак принята форма и материал поверхности теплообмена.

Приведенная классификация может быть значительно  расширена с учетом отдельных конструктивных особенностей.

Наряду  с классификацией теплообменных  апларатов по конструктивным признакам целесообразно рассматривать и классификацию по назначению аппарата и роду рабочей среды, по взаимному направлению движения рабочих сред и по характеру температурного режима.

Так, по назначению различают следующие  теплообменные аппараты.

1. Для  проведения теплопередачи без изменения агрегатного состояния рабочей среды: а) нагреватели; б) холодильники (охладители) .

2. Для  проведения теплопередачи с изменением  агрегатного состояния рабочих  сред: а) испарители (кипятильники); б) конденсаторы (дефлегматоры).

3. Для  одновременного проведения технологического  процесса и теплопередачи: а) реакторы; б) абсорберы; в) теплообменники, встроенные в установки.

По роду рабочих сред различают теплообменники:

1) паро-жидкостные;

2) жидкостно-жидкостные;

3) газо-жидкостные;

4) газо-газовые.

Могут быть и другие варианты в зависимости  от возможного сочетания используемых в процессе теплообмена рабочих сред.

По взаимному  направлению движения рабочих сред различают теплообменники:

1) прямоточные,  в которых обе среды движутся в одном направлении;

2) противоточные,  в которых обе среды движутся  в противоположных направлениях;

3) перекрестного  тока, в которых обе рабочие  среды движутся во взаимно перпендикулярных направлениях;

4) смешанного  тока, в которых направления потоков рабочих сред возможны в различных сочетаниях (прямоток и противоток) .

По характеру  температурного режима в теплообменных  аппаратах различают:

1) аппараты  с установившимся тепловым режимом,  в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности теплообмена с течением времени не изменяется; такие аппараты называются теплообменниками непрерывного действия;

2) аппараты  с неустановившимся тепловым  режимом, в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности теплообмена изменяется с течением времени; такие аппараты называются теплообменными аппаратами периодического действия.

Одним из основных условий высокого технического уровня теплообменной аппаратуры, предназначенной  для удовлетворения потребностей промышленности, является достаточно обширная номенклатура по типам, размерам, параметрам, материалам, что позволяет выбрать для конкретных условий оптимальную конструкцию теплообменника.

Наиболее  старыми, но часто применяемыми и  в настоящее время являются теплообменные  аппараты, изготовляемые из труб. Среди этих аппаратов более совершенными являются ко-жухотрубчатые различных типов. Применение аппаратов с поверхностью теплообмена из труб оправдывает себя при значительных давлениях и температурах рабочих сред: более 1 МПа (10 ат) и более 200° С.

Одним из преимуществ трубчатых теплообменных  аппаратов является простота их конструкции. Изготовление таких аппаратов возможно на универсальном оборудовании даже в условиях ремонтных мастерских.

Однако  для крупносерийного производства широкого типо-размерного ряда поверхностей теплообмена конструкция кожу-хотрубчатых аппаратов нетехнологична. Коэффициент унификации узлов и деталей размерного ряда этих аппаратов весьма низок (около 0,13), в то время как у пластинчатых на тот же ряд поверхностей он достигает 0,9.

Коэффициентом унификации деталей и узлов размерного ряда теплообменных аппаратов называют отношение количества узлов и деталей, размеры которых одинаковы для всего ряда, к общему количеству узлов деталей, необходимых для изготовления данного размерного ряда аппаратов.

Огромное  значение, которое имеет этот показатель при оценке технологичности и экономичности конструкции в условиях современного крупносерийного выпуска оборудования, достаточно очевидно.

Не менее  важен и показатель удельной металлоемкости. Если сопоставить вес (или затраты) металла на изготовление теплообменника, приходящийся на единицу его тепловой производительности в одинаковом режиме, то для кожухотрубчатых аппаратов он в 2—3 раза больше, чем для пластинчатых теплообменников новых конструкций.

О возникновении пластинчатых теплообменных аппаратов  и совершенствовании  их конструкций

Пластинчатые  теплообменные аппараты являются разновидностью поверхностных рекуперативных теплообменных аппаратов с поверхностью теплообмена, изготовленной из тонкого листа. Наиболее широко применяются в промышленности разборные пластинчатые теплообменники. Они состоят из отдельных пластин с прокладками, приспособлены   для быстрой разборки и сборки и вся их теплообменная поверхность доступна для очистки. Полуразборные, сварные блочные и сварные неразборные теплообменники являются разновидностью аппаратов пластинчатого типа.

Пластинчатые  теплообменники появились сравнительно недавно и много позднее трубчатых.

В литературе имеются данные, свидетельствующие о том, что принципы устройства пластинчатых аппаратов для нагревания и охлаждения жидкостей в тонком слое и некоторые их конструктивные решения были предложены еще в конце прошлого столетия Драхе (1878 г.), Брейтвишем (1881 г.) и Мальвезиным (1895 г.). В 1917 г. Гаррисоном предложена теплообменная пластина с четырьмя угловыми отверстиями и зигзагообразными каналами с обеих сторон.