Пример расчета горизонтального кожухотрубного испарителя затопленного типа

курсовая работа

1. История развития и современное состояние испарителей холодильных установок

Первые в отечественной истории испарители (атмосферные) были созданы в НПО «Криогенмаш» (г. Балашиха). В 1972 году это предприятие, после проведения экспериментальных исследований, успешно освоило выпуск панельных атмосферных испарителей. Результаты этой работы были отмечены государственной премией. Панели испарителей изготавливал ВИЛС (Всесоюзный институт легких сплавов, г. Москва) прокатно-сварным способом из алюминиевых листов из сплава АД1 с нанесенным на них рисунком восьми каналов (технология испарителей бытовых холодильников). Каналы формировались (раздавались изнутри) воздухом и были рассчитаны на рабочее давление 1,6 мПа. Панели собирались вертикально в теплообменные блоки. Каждый блок включал секцию подъема давления (надувную) и продукционные секции. Надувная секция предназначалась только для испарения криогенной жидкости. Образовавшийся газ, выходя из этой секции, подавался в верхнюю часть сосуда для создания в нем рабочего давления. За счет давления жидкость с заданным расходом подавалась в две последовательные продукционные секции. Продукционные секции (холодная и теплая) служили для испарения жидкости и подогрева газа до температуры, практически равной температуре окружающего воздуха. Безусловно, для того времени эти решения были пионерскими. С помощью газификаторов ГХК (ГХКЗ/1,6-200, ГХК8/1,6-500...2000, ГХК25/1,6-500...2000, ГХ-1,0-0,035/1,6) с атмосферными испарителями панельного типа предприятиями криогеники (НПО «Криогенмаш», НПО «Микрокриогенмаш», г. Омск, Свердловским заводом криогенного машиностроения) было решено множество народно-хозяйственных задач (металлургия, химия, космос, медицина и др.).

Несомненным достоинством панельных атмосферных испарителей криогенных газификаторов ГХК являлась простота периодической очистки их поверхности от десублимирующихся из воздуха кристаллов инея воды и углекислоты. Необходимо отметить, что проблема инееобразования - известная проблема снижения эффективности атмосферных испарителей с течением времени из-за увеличения их термического сопротивления. Наиболее актуальна эта проблема именно для России с ее климатом. Так в 1989 году были выполнены многодневные экспериментальные исследования с целью определения степени изменения тепловых характеристик холодного криогенного газификатора ГХК25/1,6-500 (рисунок 1.1) с течением времен.

Рисунок 1.1. Испытания панельного испарителя атмосферного газификатора на обмерзание инеем, февраль 1989 года

Испытания проводились при самых неблагоприятных условиях с точки зрения инееобразования (температура 0 -1°С, относительная влажность 90-95%). Вот только небольшой пример (рисунок 1.2,1.3,1.4). Толщина инея на панелях через десять часов эксплуатации в номинальном режиме достигала величины 20-25 мм. При этом величина недорекуперации продукта увеличивалась до 70-75°С вместо расчетных 20°С (рисунок 1.4). Удаление инея возвращало расчетные характеристики испарителя.

Рисунок 1.2. Обмерзание теплой секции

Рисунок 1.3. Обмерзание холодной секции

Проблема очистки панельных испарителей атмосферных газификаторов получила развитие в статьях и закреплена в ряде авторских свидетельств.

В настоящее время цельносварные панельные атмосферные испарители выпускаются ОАО «Криогенмаш» в небольших количествах. Их условно относят к группе атмосферных испарителей низкого давления (до 1,6 мПа).

В середине 80-х годов прошлого века перед НПО «Криогенмаш» была поставлена задача изготовления холодного криогенного газификатора (ГХК) аргона среднего давления (4,0 мПа) для сталелитейной промышленности.

Отдельная задача (кроме изготовления сосуда) состояла в разработке атмосферного испарителя на это давление.

Рисунок 1.4. Результаты экспериментального исследования процесса газификации ГХК25/1,6-500М. Изменение во времени: а) расхода газифицируемого азота, б) толщины слоя инея в теплой (тс) и холодной (хс) секциях испарителя, в) недорекуперации газифицируемого азота относительно температуры окружающей среды

Распространение имеющегося опыта изготовления панельных испарителей на давление 4,0 мПа было невозможно в силу ряда обстоятельств. Во-первых, увеличенная толщина алюминиевых пластин не позволяла в полной мере применить прокатно-сварной способ их соединения из-за расплавления поверхностных слоев, во-вторых, был велик процент брака при раздаче каналов воздухом.

В этой связи, при решении задачи создания первого отечественного атмосферного испарителя среднего давления был учтен опыт зарубежных фирм, а также появившаяся технологическая возможность - изготовление оребренных алюминиевых труб методом экструзии. В этой связи был разработан и запатентован теплообменный элемент - труба с наружным и внутренним продольным оребрением. Диаметр несущей трубы составлял 30 мм. Толщина стенки 3 мм. Диаметр окружности по концам наружных ребер 160 мм, диаметр окружности по концам внутренних ребер 12 мм. Толщина ребер у основания 2,5 мм, на концах 1,8 мм. Количество ребер 6,8 и 12. Официальное название этих элементов носило аббревиатуру ТРФ, неофициально их до настоящего времени называют «звездочки» или «снежинки».

Необходимо отметить, что «вытяжка» тонких (2 мм) высоких (65 мм) ребер в те годы было сложной технологической проблемой. Для ее решения было привлечено ведущее отечественное предприятие в области обработки легких сплавов - ВИЛС. Совместные усилия НПО «Криогенмаш» (изготовление инструментальной оснастки (рисунок 1.5,1.6) и ВИЛС (экструзия труб) позволило в конце 80-х годов двум предприятиям криогенной отрасли НПО «Криогенмаш» и НПО «Микрокриогенмаш» начать выпуск холодных криогенных газификаторов с испарителями нового типа из труб с продольным оребрением. Трубы изготавливались из алюминиевого сплава АМц.

Рисунок 1.5. Элементы оснастки. Матрица для формирования наружных ребер (6 шт.) труб с продольным оребрением методом экструзии: а) формирующая часть, б) подложка

Рисунок 1.6. Элемент оснастки. Игла для формирования внутренних ребер (6 шт.) труб с продольным оребрением методом экструзии

Конечно, выбор геометрии оребрения не был оригинален и был обусловлен стремлением к максимальной площади поверхности теплообмена на одном погонном метре трубы, а, следовательно, к наибольшей высоте ребра, тем более что высокий тепловой КПД ребра (0.97*0,98) это допускал. Однако технологические возможности ВИЛС позволяли формировать теплообменные элементы с диаметром по концам ребер не более 160 мм.

Другим параметром, увеличивающим площадь поверхности погонного метра, была вариация числа ребер. В процессе детальных исследований, проведенных на экспериментальных моделях труб с продольным оребрением, с учетом процесса инее-образования (рисунок 1.7) было выбрано оптимальное количество ребер -8.

Опытно-промышленные испытания первого промышленного образца испарителя (рисунок 1.8, 1.9) подтвердили правильность принятых конструктивных решений. Одновременно делались попытки повышения эффективности этой конструкции испарителей.

Атмосферные испарители из труб с продольным оребрением выпускаются ОАО «Криогенмаш» двух типов ИА-33 и ИА-65 (площадью наружной поверхности теплообмена, соответственно, 33 и 65 м2). Они рассчитаны на производительность, соответственно, 100 и 250 нм3/час по кислороду. испаритель холодильный установка охлаждение

Рисунок 1.7. Обмерзание опытного образца ТРФ: а - через 3 часа, б - через 24 часа

В середине 80-х годов прошлого века в НПО «Кислородмаш» г. Одессы Резниковым Л.Е. была успешно решена задача создания атмосферных испарителей высокого давления (20,0-40,0 мПа) [4, стр. 12].

Рисунок 1. 8. Стенд промышленных испытаний первого испарителя из труб с продольным оребрением. Число теплообменных элементов -36, высота рабочей части-3 м

Благодаря этим техническим решениям, были созданы эффективные стационарные газификацион-ные установки высокого давления Г-1,6-0,28/40, Г-7,4-0,25...0,5/20 и транспортные газификационные установки высокого давления ПГ-3,2-0,63/20 [5]. Теплообменный элемент испарителей представлял собой биметаллическую трубу. Внутренняя (несущая) труба выполнена из нержавеющей стали и выдерживает высокие давления, наружная алюминиевая труба, предназначенная для развития поверхности теплообмена, выполнена из алюминиевого сплава и оребрена.

Рисунок 1.9. Первый промышленный испаритель из труб с продольным оребрением

Этот, в общем-то, простой принцип, до сих пор используется при создании атмосферных испарителей высокого давления с той лишь разницей, каким образом решена проблема контактного термического сопротивления. В работе было предусмотрено соединение нержавеющей и алюминиевой труб клеем с теплопроводным наполнителем. С этой целью на трубах были предусмотрены специальные «спирально-шлицевые замки». «Замки», при провороте сопрягаемых труб в противоположных направлениях, заклинивали трубы и обеспечивали вместе с клеем их надежный тепловой и механический контакт. Испарители высокого давления, выпускаемые ОАО «Кислородмаш» были рассчитаны на одну объемную производительность--250 нм3/час по кислороду. Увеличение производительности достигалось увеличением числа теплообменных блоков.

В настоящее время основным отечественным производителем атмосферных испарителей, входящих в состав, выпускаемых ими же холодных криогенных газификаторов являются приемники НПО «Микрокриогенмаш», г. Омск - российские фирмы ООО «НТК Криогенная техника» и ООО «КриоВап». Материал теплообменных элементов - алюминиевые сплавы 6060, 6063. Для испарителей низкого и среднего давления разработаны и изготавливаются в России высокоэффективные теплообменные элементы и высокотехнологичные связующие элементы по ГОСТ2223-2001. Трубы с продольным оребрением имеют высокие наружные ребра и за счет этого высокие показатели площади поверхности теплообмена, приходящейся на один метр длины - F =1,486 м2/п.м. По этому показателю испарители ООО «НТК Криогенная техника» и ООО «КриоВап находятся на уровне лучших зарубежных образцов («Linde», Германия (1,49 м2/п.м), «LAir Liquid», Франция (1,51 м2/п.м), «Nippon Sanso», Япония (1,39 м2/п.м)) и даже превышает их («Ferox», Чехия (1,297 м2/п.м), «VRV», Италия (1,174 м2/ п.м).

Параметры испарителей, выпускаемых «НТК Криогенная техника» и ООО «КриоВап»:

- рабочее давление - до 4,0 мПа,

- объемная производительность для продукционных испарителей от 35 до 500 нм3/час, для испарителей подъема давления от 35 до 100 нм3/час.

Увеличение производительности достигается увеличением числа теплообменных блоков.

Год назад начала выпускать атмосферные испарители российская фирма ООО «Мониторинг» (г.Москва). Параметры труб с продольным оребрением, входящих в состав испарителей этой компании, точно такие же, как у труб с продольным оребрением в испарителях, выпускаемых ОАО «Криогенмаш». В настоящее время потребности отечественной промышленности в атмосферных испарителях обеспечиваются поставками зарубежных и российских производителей примерно в равных долях.

При этом, хотя поставляемое оборудование этого типа и имеет достаточно высокий технический уровень, оно не лишено существенных недостатков (не адаптировано к российским условиям эксплуатации, зафиксированы частые выходы из строя, высокая цена). [5, стр. 58].

Делись добром ;)