Россия
В работе поставлена цель интенсификации процесса теплообмена с помощью шипования труб в теплообменном аппарате. Благодаря ошипованным трубам, значительно увеличивается площадь поверхности теплообмена, что позволяет получить более эффективный теплообмен. Шипы наносятся на трубу с помощью электрометаллизатора марки ЭМ-14М. Металлизированные поверхности позволяют добиться более высокого коэффициента теплоотдачи, в сравнении с гладкой трубой, и сократить металлоемкость теплообменного оборудования
кожухотрубный теплообменный аппарат, теплоотдача, интенсификация, электроме-таллизатор, ошипованные трубы
Теплообменные аппараты - это один из наиболее металлоемких видов оборудования. Снижение металлоемкости и уменьшение габаритных размеров является актуальной задачей на сегодняшний день. Чтобы добиться поставленной задачи, нужно повышать эффективность работы теплообменного оборудования [1, 2].
Для этого существует много различных способов: оребрение труб, нанесение алюминиевых или цинковых металлических покрытий на внутреннюю и внешнюю поверхность теплообменных труб, использование витых труб, а также шипование. Ошипованные трубы являются одной из самых перспективных разработок в области интенсификации процесса теплообмена.
В данном исследовании мы обратим внимание на кожухотрубный теплообменный аппарат с сегментными перегородками, который является частью технологической схемы установки ЭЛОУ+АВТ-6 нефтеперерабатывающего производства АО "Ангарская нефтехимическая компания".
Рисунок 1 – Общий вид теплообменного
аппарата.
Основной функцией этого аппарата является конденсация углеводородных соединений, проходящих через трубное пространство. Вода используется в качестве хладагента, которая циркулирует в межтрубном пространстве теплообменника. Теплообменный аппарат имеет следующие технические характеристики: диаметр корпуса Db=1,4 м, длина корпуса l=9 м, внешний диаметр теплообменных труб dн=0,025 м, внутренний диаметр теплообменных труб dв=0,02 м, общее количество труб n=1203 шт.
Для увеличения эффективности процесса конденсации углеводородных соединений в теплообменнике предлагается применить металлизированное покрытие в виде шипов на внешней поверхности теплообменных труб. Эти шипы имеют следующие параметры: высота - от 2,0 до 4,0 мм, шаг нанесения - 10 мм. Они наносятся при помощи электрометаллизатора марки ЭМ-14М.
Рисунок 2 – Конструктивные параметры
металлизированного покрытия.
Ошипованные трубы применяются во многих промышленных отраслях, так как использование металлизированного покрытия с шипами на поверхности теплообменных труб позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи. Это связано с тем, что шипы создают дополнительные точки контакта между газом и поверхностью труб. Площадь такой поверхности значительно больше, в сравнении с гладкой трубой, что приводит к лучшему теплообмену. Шипы на наружней поверхности труб рассеивают тепло, что способствует более эффективному охлаждению или нагреву рабочей среды.
Для проведения теплового расчета теплообменного аппарата были рассчитаны коэффициенты теплоотдачи для воды, протекающей через межтрубное пространство в трубах с металлизированным покрытием и без него. В расчетах использовались следующие параметры: расход воды V=118 м3/ч, начальная температура воды tн=20 °С и конечная температура tк=40 °С [3].
Для определения коэффициента теплоотдачи в случае отсутствия напыления на поверхности труб, рассчитывался критерий Нуссельта при движении теплоносителя в межтрубном пространстве с сегментными перегородками:
,
где: Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандтля.
Расчет скорости производился исходя из приведенного сечения потока:
,
где: Sмежтр – сечение межтрубного потока; – расстояние между перегородками;
– приведенная длина потока;
; t=32 мм – шаг труб.
Коэффициент теплоотдачи был определен с помощью уравнения:
,
где: – коэффициент теплопроводности воды.
Его значение для воды, протекающей между гладкими трубами в межтрубном пространстве, составило 1598 Вт/(м2 К)
При расчете коэффициента теплоотдачи для воды на поверхности труб с металлизированным шипованным покрытием использовалось уравнение, применимое для шахматного пучка труб:
,
где: h=2 мм – высота напыления; – шаг нанесения шипов; z=40 – число шипов.
Определяющими параметрами при этом были шаг нанесения шипов l0 и средняя температура теплоносителя. Результаты расчета показали, что коэффициент теплоотдачи для воды, протекающей между трубами с металлизированным покрытием, составил 3748 Вт/(м2 К).
Таким образом, в случае использования металлизированного покрытия коэффициент теплоотдачи со стороны воды увеличивается в 2,35 раза по сравнению с обычными гладкими трубами [4].
Одно из главных преимуществ использования ошипованных труб – защита от коррозии. Коррозия – это процесс разрушения материала под воздействием окружающей среды. В трубах коррозия может стать серьезной проблемой, так как она может привести к образованию трещин и других дефектов, что в свою очередь вызывает протечки и неполадки в системе. Важно отметить, что хорошо противостоят коррозии трубы с шипами именно из цинка. Цинк создает барьер между металлом трубы и окружающей средой, предотвращая контакт и реакцию между ними. Благодаря защите от коррозии, ошипованные трубы обладают долгим сроком службы и сохраняют свою прочность и надежность, даже при эксплуатации в агрессивных условиях. Это особенно важно в отраслях, где трубы подвержены высокой влажности, воздействию химических веществ или образованию конденсата.
Шипование труб не только повышает эффективность теплообмена, но и препятствует образованию коррозионных отложений. Шипы укрепляют структуру труб, снижая возможность деформации трубопровода. Это особенно важно в условиях высокого давления.
Также стоит отметить, что использование металлизированного покрытия с шипами может снизить образование налета на поверхности труб. Ошипованные трубы перемешивают поток, снижают его скорость. Таким образом предотвращается образование отложений, которые отрицательно влияют на производительность и повышают износ системы.
Такое металлизированное покрытие снижает вероятность образования конденсата в системе, что улучшает работу и увеличивает срок службы теплообменных аппаратов [5].
Ошипованные трубы особенно эффективно повышают теплообмен в случаях, когда жидкости имеют высокую вязкость или малую теплопроводность.
Шипование имеет ряд преимуществ, которые позволяют снизить затраты на обслуживание. Во-первых, они обладают более длительным сроком службы по сравнению с обычными трубами. Благодаря повышенной устойчивости к износу и коррозии, они реже требуют замены и ремонта. Это позволяет сократить простои и увеличить продолжительность работы оборудования. Во-вторых, ошипованные трубы имеют меньший риск прорывов и утечек. Таким образом, время, затрачиваемое на техническое обслуживание и ремонт, сокращается. Оборудование становится более эффективным и производительным. Кроме того, использование ошипованных труб помогает снизить затраты на замену трубопроводов, а также требуют меньше затрат на их очистку и устранение сопутствующих проблем, таких как накипь или отложения.
Таким образом, применение металлизированного покрытия с шипами на поверхности теплообменных труб кожухотрубного теплообменного аппарата может значительно улучшить его производительность и эффективность. Это может быть полезно для различных промышленных процессов, требующих эффективного теплообмена и конденсации углеводородных соединений [6].
Из этого можно сделать вывод о том, что ошипованные трубы более надежны и долговечны. За счет более эффективного теплообмена и лучшего функционирования оборудования повышается производительность системы, обеспечивается непрерывность ее работы. Более того, такой подход позволяет снизить габаритные размеры теплообменного оборудования и его металлоемкость. Все это приводит к значительной экономии средств и ресурсов.
1. Ульянов, Б.А. Процессы и аппараты химической технологии / Б.А. Улья-нов, В.Г. Ликучев, В.Я. Бадеников - Ан-гарск.: Изд-во АГТА, 2006. - 744с
2. Чернобыльский, И.И. Машины и аппараты химических производств / И.И. Чернобыльский - М.: Химия, 1975. - 457с.
3. Дементьев, А.И. Определение параметров математической модели тепло-вых процессов в аппаратах с напыленными теплообменными поверхностями / А.И. Дементьев, Л.И. Рыбалко, В.А. Комаров // Вестник АГТА - Ангарск: АГТА - 2009 - С. 32-35.
4. Дементьев, А.И. Математическая модель тепловых процессов в слое пори-стого металлического покрытия / А.И. Дементьев, Е.В. Подоплелов, Л.А. Антонов, Н.А. Корчевин// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование - 2015 - №2 (46) - С. 65-68
5. Дементьев, А.И. Исследование теплообмена на пористой структуре металлический покрытий / А.И. Дементьев, Е.В. Подоплелов // Сб. науч. Тр. Ангарск. гос. техн. акад. Ангарск - 2014 - Т. 1 - С. 103-105.
6. Дементьев, А.И. Исследование теплообмена на пористой структуре / А.И. Дементьев, Е.В. Подоплелов // Современные технологии и научно-технический прогресс - 2014 - Т. 1 - № 1. - С. 18.
