Правила Конструирования Теплообменных Систем Периодического Действия

В этом практическом примере будет рассмотрена теплообменная система периодического действия. В подобных системах содержащийся в ёмкости продукт циркулируется через внешний теплообменник для охлаждения или нагрева. Правильная разработка системы требует учёта большого числа переменных величин, что легко может привести к различным ошибкам. В этой статье будут рассмотрены параметры, необходимые для правильного проектирования и компоновки систем, обеспечивающие их оптимальное функционирование.

Системы периодического нагрева или охлаждения широко применяются в современной промышленности (машиностроение, производство продуктов питания, фармацевтика и т. д.). В этих системах заполняющее ёмкость содержимое необходимо нагреть или охладить в заранее определённый период времени. Важно отличать непосредственный нагрев сосуда (с использованием рубашки или внутренней катушки) и косвенный нагрев с использованием внешнего теплообменника и рециркуляционного насоса.

Введение

Системы периодического нагрева или охлаждения широко применяются в современной промышленности (машиностроение, производство продуктов питания, фармацевтика и т. д.). В этих системах заполняющее ёмкость содержимое необходимо нагреть или охладить в заранее определённый период времени. Следует отличать непосредственный нагрев сосуда (с использованием рубашки или внутренней катушки) и косвенный нагрев с использованием внешнего теплообменника и рециркуляционного насоса. См. рисунок ниже.

 

Presentation1

Емкость с рубашкой

Presentation2

Емкость со внутренним змеевиком

 

Presentation4

Ёмкость с внешним теплообменником

 

Использование внешнего теплообменника имеет следующие преимущества:

  • Выбрав правильную мощность потока рециркуляции, можно спроектировать теплообменник с требуемой скоростью на стороне продукта. В результате будет обеспечена высокая интенсивность теплопередачи и уменьшены негативные последствия загрязнения продукта теплоносителем.
  • Проектирование установок с большой передачей тепла становится проще.
  • Возможность модернизации существующих ёмкостей без рубашки и катушки в системах периодического нагрева или охлаждения, путём подключения насоса, теплообменника и трубных соединений.

Структурная схема системы

На следующем рисунке показана подробная структура системы с внешним теплообменником периодического действия.

Presentation3

  1. На схеме сосуд заполняется продуктом до желаемого уровня. Mp – общая масса партии (кг). Tbi – начальная температура партии (°C). Tbe – желаемая конечная температура партии (°C).
  2. Запускается насос, и начинается циркуляция продукта в системе. Fp – скорость потока продукта (кг/час).
  3. Рабочая жидкость подаётся в теплообменник. Fs – расход рабочей жидкости (кг/час). Tsi – температура на входе рабочей жидкости (°C). Tso – температура на выходе рабочей жидкости (°C).
  4. Постепенно партия продукта нагревается или охлаждается (в зависимости от задачи). Tpi – это температура на входе в теплообменник (°C). Tpi равна температуре партии. Предполагается, что сосуд оснащён специальным устройством, обеспечивающим хорошее перемешивание и однородную температуру всей партии.
  5. После достижения Tbe рециркуляция продукта прекращается, и сосуд опорожняется.
  6. Различные датчики, установленные в ключевых точках системы (датчики потока (FT), температуры (TT) и уровня (LT)), позволяют контролировать параметры процесса и управлять им.
  7. Имеется возможность работать с различными типами рабочей жидкости. Изотермическая техническая среда – это жидкость, которая подвержена фазовым изменениям. Например, пар, используемый для отопления. Неизотермическая техническая среда означает работу с жидкостью, не меняющей свою фазу; например, вода для нагрева или охлаждения, которая не доводится до температуры кипения или замораживания.

 

Руководящие указания по проектированию

Техническое задание для проектирования системы периодического нагрева или охлаждения обычно формулируется следующим образом:

Обеспечить нагрев 1 м3 воды с 20 до 90 °C с использованием перегретой воды в качестве рабочей жидкости. Требуемое время нагрева партии: максимум 30 минут.

Задача разработки такой системы включает множество переменных, значения которых нужно определить. Ниже представлены наиболее важные параметры конструирования и ряд базовых правил, которые помогут инженеру-проектировщику найти оптимальное решение для системы.

Общая масса системы

В системе периодического нагрева или охлаждения материал, находящийся в сосуде, трубопроводе, насосе и теплообменнике, является частью процесса теплообмена. В приведённом выше примере эти материалы также будут нагреваться с 20 до 90 °C. Таким образом, часть тепла, выделяемого перегретой водой, будет поглощаться окружающими материалами. Обычно этот процент поглощаемого тепла намного меньше, чем поглощаемое основной массой тепло.

Нагрев самой системы составляет небольшую долю от общего количества тепла, но его все равно следует учитывать как источник потенциальных потерь тепла на элементах, отличных от содержимого ёмкости. Правильная методика расчёта должна предполагать определение/оценку массы системы и её удельной теплоёмкости. Эти данные должны учитываться при расчёте нагрева партии.

Скорость потока рециркуляции продукта, Fp

Параметр Fp крайне важен для системы. Изменение Fp оказывает прямое влияние на требуемое время обработки партии. Рекомендуется выбирать это время таким образом, чтобы вся партия продукта успевала пройти через теплообменник несколько раз. Например, для 1000 литров продукта, времени обработки 1 час и значения Fp = 1000 л/ч каждый литр продукта будет проходить через теплообменник в среднем только один раз. Изменение скорости потока на 3000 л/ч будет означать, что каждый литр материала пройдёт через теплообменник три раза. Снижение скорости потока продукта означает, что для обеспечения требуемого времени обработки будет нужна большая площадь теплообмена.

Известны случаи, когда 50-процентное уменьшение Fp требовало 30-процентного увеличения площади теплообмена. Как правило, дополнительные инвестиции в увеличение площади теплообмена больше, чем экономия на использовании насоса с меньшей пропускной способностью.

Кроме того, следует соблюдать осторожность и избегать выбора слишком больших значений Fp, поскольку это может привести к увеличению расходов на перекачку продукта. Капитальные вложения сокращаются, но эксплуатационные расходы могут оказаться намного выше.

В качестве общего правила рекомендуется в начале проектирования задаться такой величиной скорости потока, которая позволяет в течение заданного времени обработки прокачать вся партию через систему примерно три раза.

 

Расход рабочей жидкости, Fs

При анализе расхода рабочей жидкости необходимо понимать разницу между изотермическими и неизотермическими техническими средами.

Для изотермических рабочих жидкостей время обработки партии не зависит от Fs. Когда используется паровой нагрев, количество конденсированного пара зависит от теплопередачи теплообменника UxA и разности температур между потоками рабочей жидкости и продукта.

  • U = коэффициент теплопередачи (ккал/час x м² x °C)
  • A = площадь теплообмена (м²)

Поскольку на стороне входа рабочей жидкости система является изотермической, разница температур между технической средой и продуктом не изменяется при изменении скорости рабочего потока.

Для неизотермических рабочих жидкостей ситуация иная. Уменьшение Fs может вызвать большую разницу между температурой на входе и на выходе из системы, а средняя разность температур рабочей жидкости и продукта будет уменьшаться. Это влияет на производительность теплообменника, и время обработки партии увеличивается. Скорость жидкости в теплообменнике также уменьшится, что приведёт к уменьшению коэффициента теплопередачи. Чтобы компенсировать это снижение, необходимо увеличить площадь теплообмена.

Рекомендуется в начале проектирования задаться значениями Fs, в два-три раза превышающими величину Fp.

 

Температура рабочей жидкости, Ts

Обычно менять температуру рабочей жидкости невозможно. Охлаждающая или нагревающая вода подаётся из центральной системы, которая предоставляет технологическую жидкость для различных установок на заводе, и изменить температуру для одной системы не получится. Но, например, при работе с паром от котла это не так. Котлы создают пар под давлением от 6 до 8 бар, и в точке потребления пара его температуру можно регулировать путём установки устройств понижения давления и/или регулирующих клапанов. В общем случае, чем выше температура пара, тем выше разница температур между рабочей средой и продуктом и тем меньше время обработки партии.

Важно, чтобы температура рабочей среды была не слишком высокой, иначе это может привести к перегреву продукта партии. Подобные ситуации также возможны в задачах охлаждения, когда существует риск снижения температуры продукта ниже точки замерзания. Например:

1000 кг продукта водного раствора (точка кипения 100 °C) с удельной теплотой 1 ккал/кг x °C требуется нагреть с 20 до 80 °C при помощи водяного пара в течение 30 минут. Масса системы, выполненной из нержавеющей стали с удельной теплотой 0,12 ккал/кг x °C, равна 200 кг. Рециркуляционный насос обеспечивает максимальную скорость потока 3000 кг/час.

Инженер-проектировщик предложил решение с температурой пара 120 °C, площадью теплообменника 1,5 м2 и коэффициентом теплопередачи 2000 ккал/час x м² x °C. Он рассчитал время нагрева партии 29 минут и 41 секунду, но забыл рассчитать температуры выхода продукта и выхода теплообменника. В таком случае он бы получил представленную ниже таблицу температур:

Presentation5

 

Примерно через 18 минут температура на выходе продукта достигает значений >100 °C, и вода начинает испаряться (происходит быстрое испарение), если бак эксплуатируется при обычных атмосферных условиях.

В случае если продукт подводится снизу сосуда с помощью дозатора жидкости, то при его испарении будут образовываться пузырьки газа. Это может привести к таким проблемам, как нежелательное вспенивание.

Используя клапаны управления паром, можно снизить его температуру, но лучшим решением проблемы будет замена насоса и работа с более высокой скоростью рециркуляции продукта. Увеличение скорости потока в два раза до 6000 кг/час позволяет снизить площадь теплообмена до 1,1 м2 и избежать перегрева продукта. При скорости 6000 кг/ч общая масса партии будет три раза прокачиваться через теплообменник в течение периода обработки партии 30 минут. Это совпадает с рекомендацией, приведённой в предыдущем анализе для потока рециркуляции продукта.

 

Presentation7

Общее время нагрева партии составляет чуть более 30 минут, но температура выхода продукта не превышает температуру кипения.

Лучшим решением является замена насоса и работа с более высокой скоростью рециркуляции продукта. Увеличение скорости потока в два раза до 6000 кг/час позволяет снизить площадь теплообмена до 1,1 м2 и избежать перегрева продукта:

Presentation8

При скорости 6000 кг/ч общая масса партии будет три раза прокачиваться через теплообменник в течение периода обработки партии 30 минут. Это совпадает с рекомендацией, приведённой в предыдущем анализе для потока рециркуляции продукта.

Настоятельно рекомендуется всегда проверять температуру продукта на теплообменнике и следить за тем, чтобы она оставалась ниже максимально допустимых значений.

 

Коэффициент теплопередачи и площадь теплообмена, U и A

Эти два параметра тесно связаны между собой в процессе проектирования. Обычно сначала определяют скорость потока продукта и рабочей жидкости, а затем выполняется расчёт теплопередачи. Для фиксированного значения U выбирается такая величина A, которая соответствует желаемому времени обработки партии. Слишком большие значения A приведут к высокой стоимости теплообменников. Тогда следует сделать оптимальный выбор, увеличив U и уменьшив А.

Другим способом уменьшения требуемой площади теплообмена является изменение температуры рабочей среды таким образом, чтобы получить более высокую разницу температур технической жидкости и продукта. Однако, как было показано ранее, это может привести к нежелательным эффектам, поэтому необходимо соблюдать осторожность.

Для жидкостей со стабильными физическими свойствами в заданном температурном диапазоне хорошим приближением является расчёт U для средней температуры периодического процесса.

Для жидкостей с переменными значениями свойств рекомендуется вычислять U для начальных и конечных условий обработки партии, а затем рассчитывать среднее значение U для полученной пары, которое будет использоваться при вычислении времени обработки партии.

Примеры систем с изменяющимися значениями U включают в себя:

  • Нагреватели периодического действия, использующие пар, для которых характерны более высокие коэффициенты теплопередачи в конце процесса обработки партии, чем в начале.
  • В процессе охлаждения партии возможно значительное изменение вязкости продукта. Это часто наблюдается в пищевой промышленности с продуктами. Повышенная вязкость в конце процесса охлаждения приводит к уменьшению коэффициентов теплопередачи.

Ограничения по размерам и занимаемому пространству

С экономической точки зрения трубчатые теплообменники для периодических процессов лучше всего выбирать с большей длиной и меньшим диаметром оболочки, чем короткие и с большим диаметром.

Если нет ограничений по пространству для установки, следует отдавать предпочтение длинным трубчатым теплообменникам.

Для пластинчатых теплообменников ситуация отличается, поскольку они очень компактны по своей природе и могут быть смонтированы в более стеснённых условиях. Однако для некоторых задач нужны именно трубчатые теплообменники. Для случаев, когда пространство ограничено, существуют альтернативные решения:

Многоходовой теплообменник:

Многоходовые теплообменники являются хорошим решением для систем периодического действия с изотермическими рабочими жидкостями.

Для периодических систем с неизотермической рабочей средой следует максимально избегать превышений температуры.

Если многоходовые теплообменники не рассматриваются как вариант, тогда конструкция может быть реализована с использованием нескольких одноходовых теплообменников, соединённых друг с другом калачами. Такая комбинированная система способна обеспечить общую тепловую длину, необходимую для чистого противотока в меньшем пространстве. Максимальная длина одного модуля определяется ограничениями пространства.

Соединённые последовательно одноходовые модули с уменьшенной длиной – это хорошее решение для задач с превышением температуры и ограниченным пространством.

 

© 2018 HRS Heat Exchangers. All Rights Reserved

Продолжая пользоваться сайтом, вы соглашаетесь с использованием cookies-файлов. Подробнее. Подробнее

Параметры cookies-файлов на этом сайте установлены, как "разрешить cookies ", чтобы обеспечить Вам лучший просмотр сайта. Если вы будете продолжать использовать этот веб-сайт без изменения настроек cookies-файлов или нажмете кнопку "Принять", то вы соглашаетесь с этим.

Закрыть