ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ И КОНСТРУКЦИЯМ ТЕПЛООБМЕННЫХ И ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

В перерабатывающих производствах приходится нагревать продукты, различные по своему химическому составу. В большинстве случаев они имеют кислую или щелочную реакцию. При переработке овощей и фруктов получаемые соки и другие продукты имеют кислую реакцию, поэтому для этих продуктов теплообменники изготовляют из нержавеющей стали или других антикоррозийных металлов.

В кукурузно-крахмальном и паточном производствах в качестве катализатора, ускоряющего технологический процесс, применяется серная или соляная кислота. Вследствие этого продукты производства получаются химически агрессивными по отношению к металлам. Для подогревания таких продуктов аппаратуру следует изготовлять из кислотоупорного чугуна, нержавеющей стали, меди и ее сплавов.

В молочной промышленности детали теплообменной аппаратуры, соприкасающиеся с продуктом, в большинстве случаев изготавливают из нержавеющей стали.

В свеклосахарном производстве диффузионный сок имеет слабокислую реакцию, а сатурационный сок – слабощелочную. Для этих продуктов теплообменники изготовляют из углеродистой стали.

На предприятиях перерабатывающей промышленности часто используется так называемый вторичный пар выпарных установок. В нем содержатся воздух и другие неконденсирующиеся газы (например, аммиак), способные воздействовать на материал трубок и усилить их коррозию. Поэтому аппарат должен быть сконст­руирован таким образом, чтобы из его парового пространства можно было полностью удалять неконденсирующиеся газы.

Температурный режим работы теплообменника имеет очень большое значение. Не только высокая температура, но и продолжительное нагревание продукта могут привести к его порче или разложению ценных питательных веществ. Поэтому нагревание должно происходить быстро при оптимальном температурном режиме.

В теплообменнике не должно быть зон, в которых бы продукт застаивался, пригорал или карамелизовался. По этой причине во многих случаях продукт перемещается через теплообменные аппараты с большой скоростью.

2. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В теплообменниках жесткого типа возникают температурные напряжения в корпусе и в трубках из-за разности температур их стенок. Это может нарушить плотность в местах развальцовки трубок и привести к проникновению продукта из межтрубного пространства в трубное пространство (и наоборот). Такие теплообменники рекомендуется применять в тех случаях, когда разность между температурами теплоносителей не превышает 50°С и когда по технологическим условиям не требуется чистить наружную поверхность трубок. Теплообменники жесткого типа просты по устройству, несложны в изготовлении и потому дешевле теплообменников нежесткого и полужесткого типов; этим и объясняется их широкое распространение.

Расчет основных конструктивных параметров теплообменного аппарата осуществляется после теплового расчета и поэтому конструктору известны следующие показатели конструируемого изделия: площадь поверхности теплообмена, пропускная способность (производительность), скорость движения продукта, размеры труб, все теплофизические константы участвующих в теплообмене элементов, коэффициенты и другие параметры, характеризующие данный тепловой процесс.

Длина пучка труб L' для осуществления теплообменного процесса может быть представлена зависимостью

(1.1)
где F — площадь поверхности теплообмена, м²; V— пропускная способность пучка труб, м³/с; d_в и d_p — соответственно внутренний и расчетный диаметры трубы, м; v — скорость движения продукта в трубах пучка, м/с.

Число ходов j в аппарате

(1.2)
где L — выбранная длина аппарата, м.

За расчетный диаметр принимают внутренний или наружный диаметр трубы в зависимости от того, по какой ее стороне коэффициент теплоотдачи меньше. При примерно равных условиях за расчетный принимают средний диаметр трубы.

Рис.1.1. Схема расположения труб по вершинам равносторонних треугольников

Трубы в трубной решетке размещают тремя способами: по сторонам правильных шестиугольников (по вершинам равносторонних треугольников, рис. 1.1), по сторонам квадратов и по концентрическим окружностям.

Для получения компактного теплообменника с наименьшим размером в поперечном сечении; расстояние между осями труб (шаг расположения труб) принимают минимальным. Значение шага расположения труб зависит от способа крепления труб в решетке, самым распространенным из которых является способ развальцовки. Пайка и заливка концов труб мягким припоем применяется для медных труб.

В случае вальцованных соединений с наружным диаметром труб более 19мм минимальный шаг расположения труб получают по условию

(1.3)

Причем ширина простенка (мм) должна быть, в свою очередь, связана условием

(1.4)
где d_н — наружный диаметр трубы, мм, l — принятый шаг расположения труб, мм.

Большее значение шага выбирают для труб меньшего диаметра.

Внутренний диаметр корпуса аппарата при расположении труб по сторонам правильных шестиугольников определяют по выражению

(1.5)
где n_д — число труб, расположенных по диагоналям наибольшего шестиугольника.

Зная количество труб, расположенных на стороне наибольшего шестиугольника п_с, определяют количество труб, расположенных на его диагонали, а именно

(1.6)

Общее количество труб в аппарате

(1.7)

Диаметр аппарата, найденный по выражению (1.5), округля­ется до ближайшего из рекомендованных унифицированных размеров.

Когда общее количество труб в аппарате превышает число 127, появляется возможность размещения дополнительного числа труб на шести сегментных площадках. Это количество труб составляет 10... 18 % от числа труб, размещенных в пределах наибольшего шестиугольника.

В многоходовых аппаратах необходимо предусмотреть распределение труб по ходам и устройство соответствующих перегородок в камерах. При этом общее количество труб в пределах данного диаметра трубной решетки уменьшится, так как часть плиты окажется занятой перегородками.

Чаще всего применяются хордовые (параллельные) и радиальные перегородки.

При наличии перегородок внутренний диаметр аппарата определяется зависимостью

(1.8)
где — коэффициент заполнения трубной решетки (для одноходовых аппаратов = 0,8.-0,9; для многоходовых— = 0,6...0,8); — угол, образуемый центральными линиями трубных рядов, град.

При размещении труб по концентрическим окружностям коэффициент заполнения трубной решетки необходимо уменьшить на 5... 10%, а при размещении по сторонам квадратов — на 15%.

При конструировании многоходовых аппаратов необходимо вы­чертить трубную решетку в масштабе, нанести расположение перегородок в каждой камере, уточнить расположение труб и конструктивно определить окончательные размеры аппарата. На черте­же нужно указать общее количество труб, диаметр труб, длину аппарата и другие размеры.

Толщина трубной решетки может быть определена так же, как и толщина плоского днища, но с учетом ослабления ее отверстиями:

(1.9)
где К— коэффициент закрепления (К~= 0,162); р — перепад давлений по сторонам трубной решетки, Па; [d_и] —допускаемое напряжение при изгибе, Па; c—коэффициент ослабления трубной решетки отверстиями.

Коэффициент ослабления трубной решетки

(1.10)
Толщина трубной стальной решетки, исходя из надежной развальцовки труб, должна быть больше, чем найденная по следую­щему выражению:

(1.11)

Кроме того, рекомендуется проверить ромбический участок трубной решетки на изгиб (см. рис. 1.1) по уравнению

(1.12)
где — среднее арифметическое сторон

(1.13)

Проверяют также прочность крепления труб в трубной решетке в зависимости от способа их закрепления по уравнениям: при развальцовке труб

(1.14)

при пайке или приварке труб

(1.15)
где — усилие, приходящееся на единицу длины периметра развальцовки, Н/м (должно быть меньше 4000...7000 Н/м в зависимости от количества пазов для развальцовки); — суммарное усилие в трубах, —соответственно расчетное и допускаемое напряжения среза в сварном или паяном шве, Па; — глубина пропайки или проварки, м.

Во время работы в трубах и корпусе аппарата возникают усилия и напряжения, обусловленные разностями давлений и температур в различных его зонах.

Осевую силу, стремящуюся оторвать одну часть аппарата от другой вследствие разности давлений внутри и вне аппарата, определяют по формуле

(1.16)
где — осевые силы в трубах и корпусе аппарата, возникающие от разности давлений, — давление рабочего тела в межтрубном пространстве, Па; — давление продукта в трубном пространстве, Па.

Осевые силы в трубах и корпусе, возникающие от разности давлений в трубном и межтрубном пространствах, определяют по формулам

(1.17)

(1.18)

Осевые силы в трубах и корпусе аппарата, возникающие вследствие действия температур (трубы оказываются под воздействием более высоких температур, чем корпус), определяют по выражению

(1.19)

Эти силы одинаковы по величине, но различны по направлению. Для корпуса — сила положительна, а для труб — она отрицательна (трубы оказываются сжатыми).

Напряжения в трубах и корпусе можно определить (с учетом знаков усилий) по выражениям

(1.20)

Они не должны превышать допускаемых напряжений для соответствующих материалов.

При окончательной компоновке горизонтального трубчатого аппарата необходимо учитывать условия стекания с труб конденсата. Аппарат надо располагать так, чтобы углы, составленные одной диагональю шестиугольника с вертикалью, а другой — с горизонталью ( см. рис. 1.1), определялись по равенствам

Осевые силы в трубах и корпусе, возникающие от разности давлений в трубном и межтрубном пространствах, определяют по формулам

(1.21)