Бакластов - Проектирование монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок

Бакластов А. М. и др.

Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок: Учеб. пособие для вузов/ А. М. Бакластов, В. А. Горбенко, П. Г. Удыма; Под ред. А. М. Бакластова.— М.: Энергоиздат, 1981. —336 с, ил.

В пер.: 90 к.

В книге описаны методы и конструкции типовых тепломассообменных аппаратов и установок, приведены методы их расчета, проектирования, выбора тепловых схем и их элементов. Изложены сведения о материалах, применяемых для изготовления деталей аппаратуры, трубопроводов и металлоконструкций; приведены ра1счеты на прочность узлов и деталей тепломассообменной аппаратуры, сосудов высокого давления. Рассмотрены вопросы испытания, пуска и эксплуатации.

Книга является учебным пособием для студентов вузов по специальности «Промышленная теплоэнергетика», изучающих курсы «Проектирование теплообменных установок» и «Монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок».

Энергоиздат, 1981

ПРЕДИСЛОВИЕ

В связи с развитием промышленности на базе создания высокопроизводительных установок возросло значение процессов тепло- и массообмена с точки зрения рационального использования теплоэнергетических и сырьевых ресурсов. Важнейшими техническими задачами производства являются интенсификация технологических процессов и экономия сырьевых ресурсов, особенно топлива. Единственный путь для этого — создание технологий и теплотехнологических процессов, при которых весь сырьевой поток и все энергетические ресурсы полностью или с максимальной полнотой используются в производстве полезной продукции. Такие технологические процессы называются безотходной технологией.

Некоторые отрасли промышленности характерны высокими затратами теплоты. Эти затраты в пищевой промышленности составляют до 7 ГДж/тыс. руб., в целлюлозно-бумажной — до 19 ГДж/тыс. руб., а в химической и нефтеперерабатывающей превышают 30 ГДж/тыс. руб.

Доля стоимости тепловой энергии в себестоимости готовой продукции, например в производстве этилового спирта, достигает 60%. Современные выпарные станции хлорного производства потребляют пара до 100 т/ч и более. В народном хозяйстве страны на теплопотребление расходуется около трех четвертей всей потребляемой энергии.

Эти обстоятельства требуют нового подхода к аппаратурному оформлению, технологических ^процессов и создания высокоэкономичных теплоиспользующих установок.

Среди технологического оборудования заметное место принадлежит теплообменным, выпарным, перегонным, сушильным и другим теплоиспользующим аппаратам, проектирование которых может быть успешно решено путем оптимизации и применения эффективных режимов ведения гидродинамических и тепломассообменных процессов.

Первый раздел настоящей книги — «Проектирование тепломассообменных установок» — знакомит читателя с правилами и методами выбора оборудования, используемого в теплоприготовительных и теплотехнологических процессах и установках. В нем изложены методы расчета и последовательность 'Проектирования рекуперативных теплообменников, выпарных установок, контактных и смесительных аппаратов, сушильных и ректификационных устройств и других разделительных агрегатов, даются основы проектирования пароэжекторных и абсорбционных холодильных установок, также являющихся крупными потребителями тепловой энергии, приводятся основы математического моделирования теплотехнологических процессов, методы расчета аппаратов и установок с помощью электронных вычислительных машин.

Во втором разделе книги — «Монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок» — излагаются современные методы изготовления и монтажа теплоиспользующего оборудования, содержатся основные сведения о строительных сооружениях промышленных объектов. Даются также основные сведения по эксплуатации и ремонту тепломассообменного оборудования.

Книга является пособием для студентов при изучении вопросов монтажа и эксплуатации тепломассообменных установок в период прохождения ими производственной практики, а также ори проектировании и расчетах теплоиспользующих установок.

В настоящее время более чем в пятидесяти вузах страны проводится подготовка инженеров по специальности «Промышленная теплоэнергетика» (0308). Студенты этой специальности слушают общий базовый курс «Тепломассообменные установки». Данная книга соответствует типовой учебной программе и является основным пособием по этому курсу. 

Главы I и IX написаны канд. техн. наук проф. A. М. Бакластовым, гл. VII — канд. техн. наук. В. А. Горбенко, гл. X—XIV—канд. техн. наук, доц. П. Г. Удымой, гл. III и IV — совместно А. М. Бакластовым и В. А. Горбенко, гл. II и V~^ совместно А. М. Бакластовым, B. А. Горбенко и П. Г. Удымой, гл. VI — совместно' А. М. Ёакластовьш и канд.техн. наук. доц. О. Л. Даниловым, гл. VIII — П. Г. Удымой. 

Авторы выражают глубокую благодарность доктору техн. наук Л. С. Бобе и коллективу кафедры теоретической и промышленной теплотехники Киевского политехнического института, возглавляемому доктором техн. наук, проф. А. Н. Алабовским, за ценные указания и советы при рецензировании рукописи. Авторы выражают признательность также канд. техн. наук, доц. Н. В. Калинину за труд по редактированию книги.

Замечания и предложения по книге авторы просят присылать по адресу: 113114, Москва М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоиздат.

Авторы

Раздел первый

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ УСТАНОВОК

Глава первая

ТЕПЛОНОСИТЕЛИ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Тепловые процессы протекают при взаимодействии не менее чем двух сред с различными температурами, причем теплота переходит от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой без затраты работы. Движущиеся среды, участвующие в переносе теплоты, называются теплоносителями.

Выбор теплоносителей для осуществления теплообмена в аппаратах определяется рядом условий: назначением и характером теплового процесса (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и т. д.), конструкцией теплообменного аппарата, теплофизическими, химическими и эксплуатационными свойствами теплоносителей, экономическими соображениями и т. д.

Теплоносители, используемые в теплообменных аппаратах, теплотехнологических и энергетических установках, разделяются по агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные.

Твердые теплоносители «в виде шариков диаметром 8—12 мм или более мелких зернистых фракций из стали, чугуна, кремнезема, карборунда, каолина, окислов алюминия, магния, циркония применяются в высокотемпературных процессах нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслей промышленности для нагрева газов, перегрева водяного пара и паров органических жидкостей до температур 1000—2000°С.

Твердые жаростойкие теплоносители получили применение в теплообменниках с неподвижным, падающим или псевдокипящим слоем.

Жидкие теплоносители очень разнообразны.

К ним относятся обычная и тяжелая вода, минеральные масла, дифенил, дифениловый эфир, дифенильная смесь (часто именуемая даутермом или ВОТ), кремнийорганические соединения (силиконы), расплавы металлов, сплавов и солей (ртуть, свинец, литий, калий, натрий, нитрит-нитратная смесь и др.).

Газовые теплоносители нашли применение в технике. К ним относятся следующие теплоносители: воздух, дымовые газы, азот, углекислый газ, двуокись серы, водород, гелий, а также пары воды и других веществ.

При температурах, превышающих гООС'С, применяются ионизированные газы — так называемая низкотемпературная плазма.

При температурах ниже окружающей среды, в том числе ниже 0°С, применяются хладоносители и хладоагенты (водные растворы солей щелочных металлов, аммиак, углеводороды, хладоны и др.), а при очень низких температурах — криогенные жидкости (жидкие азот, кислород, воздух, водород, гелий).

Свойства теплоносителей многообразны и имеют большое значение при проектировании и организации теплотехнического процесса. Поэтому при выборе теплоносителей следует учитывать наиболее важные их технологические свойства.

К теплофизическим свойствам теплоносителей относятся: плотность, теплоемкость, теплопроводность, теплота парообразования, температура кипения и температура плавления.

Теплоносители, обладающие большой плотностью, как правило, дают возможность переносить теплоту в больших количествах при малых собственных температурных перепадах. Для них не требуются большие проходные сечения каналов в аппаратах и трубопроводах, невелики емкости для их хранения. С этой точки зрения газы наименее пригодны как теплоносители.

Теплоносители с большой теплоемкостью Ср аккумулируют много теплоты в малом количестве массы, чем достигаются снижение расхода теплоносителя, экономия энергии на его транспорт, «уменьшение затрат на трубопроводы и емкости для хранения. Вода, обладающая большой теплоемкостью, выгодно отличается в этом отношении от других жидкостей, металлов и газов.

Коэффициент теплопроводности теплоносителя существенно влияет на коэффициент теплоотдачи в теплообменном аппарате. Чем выше коэффициент теплопроводности, тем больше коэффициент теплоотдачи на стороне этого теплоносителя. Поэтому жидкие металлы,- обладающие очень высокой теплопроводностью, превосходят по теплоотдаче жидкости и газы.

Теплота парообразования (испарения) имеет важное значение при теплообмене с фазовыми превращениями — кипением или конденсацией, ее величина определяет расход теплоносителя, а постоянство температуры при фазовом превращении способствует стабильности процесса в аппарате. В табл. 1.1 приведена скрытая теплота при кипении некоторых веществ.

Температура кипения теплоносителя определяет его давление в процессе передачи теплоты. Предпочтителен такой теплоноситель, у которого высокая температура кипения, и с повышением температуры кипения давление насыщения паров возрастает не резко.

Малые давления паров в теплообменнике позволяют иметь тонкостенные аппараты и трубопроводы, т. е. облегчают и удешевляют теплообменное устройство, расширяют возможность применения дешевых конструкционных материалов, упрощают поддержание герметичности в установках. Давление паров некоторых теплоносителей в зависимости от температуры приведено в табл. 1.2.

Температура плавления теплоносителя должна быть низкой, чтобы в условиях окружающей среды теплоноситель не затвердевал и при остановке теплообменника оставался в жидком состоянии. Если же температура плавления теплоносителя превышает 20^оС возможно застывание его до твердого состояния при останове всей технологической системы. Эксплуатация таких систем возможна только при сооружении специальных обогревающих устройств для аппаратов и трубопроводных коммуникаций.

Технический дифенил плавится при 67^оС, дифенил-оксид (дифенильный эфир) —при 27^оС. В обычных условиях эти вещества мало пригодны как теплоносители.

Однако их эвтектическая смесь (73,5% дифенилоксида и 26,5% дифенила), именуемая дифенильной смесью, имеет температуру плавления 12^оС, что существенно повышает ее качество как теплоносителя.

Вещества, применяемые как теплоносители, должны быть химически стойкими в широком интервале температур, не должны разлагаться, вступать в химические взаимодействия с конструкционными материалами (металлами, уплотнительными и смазочными материалами), не менять своих свойств в контакте с воздухом и водяным паром, не образовывать взрыво- и пожароопасную смесь при контакте с другими веществами.

Разложение теплоносителя может происходить в результате нагрева его до высоких температур и ионизирующего излучения, а также взаимодействия его с кислородом воздуха, водой и с поверхностью конструкционных материалов. В таком случае продукты разложения выпадают на поверхностях теплообмена аппарата и трубопроводах, снижая интенсивность теплообмена и повышая гидравлическое сопротивление канала. При растворении продуктов разложения в теплоносителе происходит изменение физико-химических свойств его, как правило, в сторону их ухудшения (-повышение вязкости,  снижение температуры кипения и т. д.).

При выборе теплоносителей для определенных технологических условий необходимо учитывать такие факторы и свойства их, как стабильность теплофизических и химических показателей, удобство хранения, транспортабельность, простота заправки в систему и опорожнение ее, пожаро- и взрывобезопасность, токсичность, а также распространенность или простота получения, т. е, экономичность в применении.