Расчет и выбор спирального нагревателя для нагрева этилового спирта

В СССР первые работы по проектированию, освоению производства и испытанию опытных образцов спиральных теплообменников проводились в 1935—1939 гг. в ЭКИХИММАШе и ГИП-РОАЗОТМАШе. В дальнейшем, работы по разработке новых типов спиральных теплообменников и освоению их производства проводились главным образом УкрНИИХИММАШем и Сумским машиностроительным заводом им. Фрунзе. В 1966 г. утвержден разработанный УкрНИИХИММАШем ГОСТ на стальные теплообменники, в соответствии с которым в СССР выпускаются теплообменники двух типов и семи видов исполнения.

За рубежом  спиральные теплообменники выпускают  фирмы Альфа-Лаваль (Швеция), APV (Англия и США), Рока аппаратенбау, Феникс-Рейнрор, Руршиль (ФРГ), Петрогаз (Голландия), Кокиво сайсакушо (Япония) и др.

Спиральные  теплообменники различных конструкций  нашли применение для систем жидкость — жидкость, для систем жидкость — пар в качестве конденсаторов, нагревателей и испарителей, для охлаждения и нагревания паро-газовых смесей. Спиральные   теплообменники   специальной    конструкции    могут компоноваться с ректификационными колоннами и применяться в качестве дефлегматоров.

Одно  из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей. Так как вязкая жидкость проходит по одному каналу, то устраняется проблема равномерного распределения вязкой жидкости по трубам. Нами для вязких жидкостей (прядильный раствор синтетического волокна «нитрон») испытывался спиральный теплообменник со сквозными каналами для прядильного раствора и спиральным каналом, по которому поступали пар или охлаждающая вода. Спиральные теплообменники могут успешно применяться для шламов и жидкостей, содержащих волокнистые материалы. Применение специальных теплообменников для газов ограничено малым поперечным сечением канала.

Спиральные  теплообменники применяются в гидролизной промышленности в качестве дефлегматоров, рекуператоров тепла в отбелочных отделениях, конденсаторов терпентиновых паров и поверхностных конденсаторов в выпарных отделениях; в химической промышленности — в качестве теплообменников при производстве серной, азотной и фосфорной кислот, в качестве конденсаторов для различных органических соединений; в коксогазовой промышленности — для охлаждения аммиачной воды, бензола и поглотительного масла, в алюминиевой промышленности — в качестве теплообменников для алюминатных растворов; в сахарной и пищевой промышленности—для нагрева и охлаждения раствора сахара и фруктовых соков.

Спиральный  теплообменник представляет собой  два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки (керна) (рис. 5). 

По видам  уплотнения торцов каналы делятся на три основных типа.

1. Тупиковые  каналы, каждый из которых заваривается  с противоположной стороны при  помощи вставленной ленты (см. рис. 6, а). Такой способ уплотнения исключает возможность смешения теплоносителей при прорыве прокладки. После снятия крышек оба канала легко подвергаются чистке. Этот способ уплотнения каналов наиболее распространен.

2. Глухие  каналы, в которых канал заваривается  на торцах с обеих сторон (рис. 6, б). Недостаток этого типа уплотнения заключается в невозможности чистки каналов.                    3. Сквозные каналы, открытые с торцов (рис. 6, в, г). Уплотнение достигается при помощи манжет U-образного сечения или листового прокладочного материала. Каналы такого типа легко поддаются чистке, но основной их недостаток заключается в возможности перетока теплоносителя из одного канала в другой.

В конструкциях теплообменников встречаются и различные комбинации вышеуказанных каналов.

Для придания спиральным теплообменникам жесткости, особенно при давлении выше 0,3 МПа (3 кгс/см²), в большинстветеплообменников к одной из лент перед навивкой приваривают штифты. Кроме создания жесткости, штифты фиксируют расстояние между спиралями.

 

Согласно ГОСТу 12067—66 навивка спиральных теплообменников производится из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м, поверхность нагрева теплообменников от 3,2 до 100 м², ширина канала 8 или 12 мм, давление до 1 МПа (10 кгс/см²). Толщина стенок при давлении до 0,3 МПа (3 ат) —2 мм, до 0,6 .МПа (6 ат) — 3 мм.

По ГОСТу спиральные теплообменники выпускаются двух типов; тип 1 с тупиковыми каналами (с крышами) и тип 2 с глухими каналами (без крышек). Тип 1 выпускается в четырех исполнениях: горизонтальный теплообменник па лапах для жидкостей (рис.7, а); горизонтальный теплообменник на цапфах для жидкостей (рис. 7, б); вертикальный теплообменник на цапфах для конденсации паров (рис. 8, а); вертикальный теплообменник на цапфах для паро-газовой смеси (рис. 8, б). 
 
 

Тип 2 выпускается в трех исполнениях: горизонтальный на лапах; горизонтальный на цапфах; вертикальный на лапах (рис. 9).

Спиральные теплообменники изготовляют из углеродистой стали ВМСтЗ   и из сталей Х18Н10Т, 0Х18Н10Т и Х17Н12М2Т.

Для изготовления крышек может применяться двухслойная сталь марок ВМСтЗ + Х18Н10Т и 20К + Х17Н13М2Т и др.

В качестве прокладок применяют резину, паронит, фторопласт, асбестовый картон и др.

Теплообменники спиральные для жидкости состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух плоских крышек по торцам с прокладками, четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в центральной части крышки, а два— в верхней части корпуса на коллекторах.

Корпус спирали выполняется на лапах для установки непосредственно па фундаменте в горизонтальном исполнении или на цапфах для установки в любом положении: вертикальном, горизонтальном и наклонном.

Принцип работы спиральных теплообменников для жидкостей заключается в следующем: первый теплоноситель поступает под давлением через штуцер на одной из крышек в камеру центровика, а затем по каналу спирали — в коллектор и через штуцер выходит из теплообменника. Второй теплоноситель через штуцер коллектора поступает в смежный канал спирали противотоком по отношению к первому теплоносителю и выходит через штуцер второй крышки.

Спиральные теплообменники для конденсации паров изготовляются только в вертикальном варианте и состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух крышек (верхней — с конусом для подвода пара к каналам и нижней с прокладками для уплотнения каналов), четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два   из которых   установлены   в крышках, а два — в боковых коллекторах, причем один из них для вывода конденсата установлен в нижней части коллектора.

Спиральные  теплообменники для парогазовой  смеси отличаются от теплообменников для конденсации паров только тем, что они имеют еще штуцер для выхода газов после отделения от них конденсата, который установлен в середине коллектора, на котором имеется штуцер для выхода конденсата.

Вертикальное  расположение каналов конденсаторов исключает образование пробок конденсата и гидравлические удары. Пар или паро-газовая смесь поступает в аппарат через штуцер большого диаметра одновременно в большинство каналов, кроме нескольких крайних наружных. Образующийся конденсат стекает по вертикальной стенке каналов, собирается в нижней части каналов теплообменника и стекает по спирали в штуцер для конденсата, расположенный у нижней стороны канала. Остатки неконденсировавшегося пара или паро-газовой смеси проходят несколько наружных витков канала по спирали и после охлаждения отводятся через штуцер на коллекторе тупиковых каналов.

Гидравлическое  сопротивление каналов по паровой  стороне невелико вследствие достаточно большого поперечного сечения каналов, включенных на входе пара параллельно. Охлаждающая среда подается через наружный коллектор и движется по спиральному каналу к центру, откуда выводится через штуцер на нижней крышке.

Спиральные  теплообменники могут выполняться  для движения теплоносителей по спиральному потоку, по поперечному, пересекающему спираль потоку и по комбинированному потоку, сочетающему поперечный и спиральный поток. Конструктивное оформление таких теплообменников может быть разнообразным.

Зарубежные  фирмы навивку спиральных теплообменников  производят из рулонного материала шириной от 0,1 до 1,8 м и толщиной от 2 до 8 мм. Диаметр сердечника (керна) 200— 300 мм. Ширина канала от 5 до 25 мм, поверхность нагрева выпускаемых теплообменников от 0,5 до 160 м². Для получения больших поверхностей теплообменники могут быть соединены в блоки.

За рубежом  спиральные теплообменники изготовляют  из углеродистой и коррозионностойкой сталей, хастеллоя В и С, никеля и никелевых сплавов, алюминиевых сплавов и титана.

При относительно высоких давлениях в каналах  часть зарубежных фирм в целях снижения веса и придания достаточной прочности навивку теплообменников производят из стали разной толщины. Внутренние витки с меньшим радиусом навиваются из более тонкого материала, а наружные витки с большим радиусом — из металла большей толщины. Полотнища разной толщины свариваются под углом, для того чтобы более жесткий шов не мешал навивке спирали.

В ряде случаев спиральные теплообменники конструируют с расчетом на применение анодной антикоррозионной защиты или защитных покрытий.

Определение размеров спирального теплообменника. Для определения геометрических размеров спирального теплообменника после теплового расчета   и определения   величины   рабочей

поверхности исходят из размеров внутреннего радиуса спиралей (по ГОСТу 12067—66 радиус равен 150 мм), ширины канала, т. е. расстояния между листами, и ширины ленты, из которой производится навивка.

Рис. 10. Схема к расчету длины канала теплообменника:

1 — наружный   канал;   2 — внутренний канал 

Поверхность нагрева спирального теплообменника, полученная па основании теплового расчета, связана с размерами спиралей соотношением:

                                   ^{F = 2Lb_e,                       (2)}

где L — эффективная длина спирали от точек т и n до точек М и N (рис. 10); b_e — эффективная ширина спирали, равная ширине навиваемой лепты за вычетом толщины входящих внутрь спирали металлических лент или прокладок

         (3)

где b— ширина полосы.

Эффективную длину спирали определяют с учетом того, что наружный виток спирали не участвует в передаче тепла.

Каждый виток строится по двум радиусам: первый виток по радиусам

      (4)

где — шаг спирали;

— ширина канала (зазор  между   спиралями); — толщина листа. Длина первого витка

Длина второго витка  . Длина n-го витка

Суммируя, получим длину одной спирали

            (5)

откуда  число витков, необходимое для  получения эффективной длины, определяем по уравнению

   (6)

Число витков обеих спиралей

   (7)

где d = 2r + t — внутренний диаметр спирального теплообменника.

Наружный  диаметр спирали с учетом толщины  листа определяется по формуле

       (8)

Действительная  длина листов спиралей между точками  т и т' для спирали l и между точками п и п' для спирали ll (рис. 10) определяется по соотношениям:

    (9)

   (10)

Характеристика  гидравлических сопротивлений спиральных каналов

Экспериментально  установлено, что соотношения для  падения давления в стабилизированном турбулентном потоке, справедливые для круглых труб, можно использовать и для труб некруглого сечения, если при вычислении коэффициента сопротивления трения и критерия Рейнольдса подставлять в качестве определяющего размера эквивалентный диаметр, равный 4f/II.