Таран В.Н. Проектирование аппаратов криогенных установок. Для студентов специальности Криогенная техника и технология

Подождите немного. Документ загружается.

Одесская государственная академия холода

Кафедра криогенной техники

В.Н. Таран

Конспект лекций

по курсу

Проектирование аппаратов криогенных установок

для студентов специальности 7.090507

"Криогенная техника и технология"

Под редакцией профессора В.А. Наера

Издание второе, переработанное и дополненное

Одесса - 2004

t

Q / n

Рецензент – д.т.н., профессор Наер В.А.

Компьютерный набор и верстка – Н.М. Сигал, В.Н Таран

От автора

Разрабатывая конспект лекций курса "Проектирование аппаратов криогенных

систем", автор исходил из необходимости показать основные конструктивные

особенности аппаратов криогенных установок, особенности протекания процессов и их

расчетов. В ряде случаев упоминаются базовые технологии изготовления аппаратов

или используемые материалы. Вместе с тем, учитывая ограниченный объем издания,

автор стремился избегать повторения известных и доступных по учебной литературе

методик расчетов. По этой же причине часто отсутствует вывод формул, который

предполагается выполнять при чтении лекций, а также справочные данные, которые

могли бы составить отдельный самостоятельный том [ Д4 ].

t

Q / n

Содержание

стр.

1. Задачи проектирования.........................................................................................4

1.1. Виды работ при проектировании. Состав проектной разработки.............4

1.2. Требования к проектировщику.....................................................................5

1.3. Техника, используемая при проектировании. Рабочее место проектировщика

..................................................................................................................................5

2. Классификация и особенности аппаратов криогенных установок...................6

2.1. Теплообменные аппараты...............................................................................7

2.2. Ректификационные колонны..........................................................................9

2.3. Адсорберы........................................................................................................9

2.4. Абсорберы........................................................................................................9

2.5. Вспомогательные аппараты..........................................................................10

3. Рекуперативные теплообменные аппараты...................................................11

3.1. Конструкции теплообменников...................................................................11

3.2. Методы расчета теплообменников..............................................................16

3.3. Особенности расчета многопоточных теплообменников..........................20

3.4. Анализ работоспособности многопоточных рекуперативных теплообменников

................................................................................................................................28

4. Регенеративные теплообменные аппараты........................................................30

4.1. Приближенный тепловой и гидравлический расчеты регенератора........33

4.2. Проверочный расчет регенератора на незабиваемость.............................37

4.3. Строгий тепловой расчет регенератора.......................................................39

5. Ректификационные колонны...............................................................................43

5.1. Конструкции колонн и тарелок....................................................................43

5.2. Гидравлический расчет тарелки...................................................................46

6. Конденсаторы-испарители..................................................................................49

6.1. Конструкции конденсаторов-испарителей.................................................49

6.2. Циркуляция жидкости в замкнутом контуре..............................................52

7. Адсорбционные процессы и аппараты..............................................................58

7.1. Физическая сущность сорбции....................................................................58

7.2. Адсорбенты....................................................................................................59

7.3. Теории равновесной адсорбции...................................................................61

7.4. Основные уравнения равновесной адсорбции многокомпонентныx смесей

веществ..................................................................................................................65

7.5. Кинетика адсорбции......................................................................................67

7.6. Динамика адсорбции.....................................................................................70

7.7. Определение продолжительности работы адсорбера...............................71

7.8. Регенерация адсорбента................................................................................73

8. Рекомендуемая литература..................................................................................78

t

Q / n

1. Задачи проектирования

Проектирование является важнейшим этапом создания криогенной системы,

отвечающей требованиям современного рынка глобальной мировой торговой сети.

Криогенное оборудование изготавливается компаниями, осуществляющими его

поставку во все страны мира, и конкурирующими друг с другом за рынки сбыта. В

такой ситуации к проектировщику предъявляются очень жесткие требования к его

квалификации, знаниям и навыкам.

1.1. Виды работ при проектировании. Состав проектной разработки

Работа над проектом начинается с разработки технического задания (ТЗ).

Техническое задание является основным документом, в котором сформулированы

технические характеристики, возможные отклонения от заданных характеристик,

основные методы решения задачи, применяемые технологии и материалы, а также

многое другое. В разработке ТЗ принимает участие проектировщик, отстаивая свое

видение работы, свои интересы, интересы фирмы.

На основании ТЗ с учетом размеров финансирования разрабатывается план работ.

План должен учитывать глубину проработки задачи и быть конкретным во времени и

по объему подзаданий.

План обычно содержит следующие этапы работы:

 Изучение задания и подбор научно-технической литературы.

 Разработка вариантов решения поставленной задачи.

 Проведение технологических расчетов изделия (установки, аппарата или

машины, узла или детали).

 Разработка конструкторской документации – чертежей, ведомостей и

спецификаций, пояснительных записок и др.

 Анализ разработки с точки зрения технологичности решений деталей, узлов и

изделия в целом, доступности материалов и покупных комплектующих.

 Анализ технико-экономической целесообразности предлагаемых решений.

 Передача комплекта документации изготовителю, согласование вопросов

авторского надзора и консультирования.

 Участие в испытаниях, оценке результатов

t

Q / n

 Доводка изделия – устранение неточностей и недоработок, изменение чертежей,

документации и т.д.

 Разработка эксплутационной документации.

 Сбор и обобщение отзывов опытной и промышленной эксплуатации.

 Разработка предложений по совершенствованию изделия.

Проектировщик, как основной автор и носитель созидающей идеи, должен

принимать участие во всех перечисленных этапах работы.

1.2. Требования к проектировщику

Из перечисленных выше положений вытекают основные требования к

проектировщику криогенного оборудования.

Проектировщик должен:

 Знать научно-техническую литературу по специальности и, в частности,

состояние, уровень развития и наиболее современные схемные и конструктивные

решения задач, в которых будет осуществляться дальнейшая деятельность.

 Уметь выполнять расчеты схем, аппаратов, машин, их узлов и деталей. При

необходимости проектировщик должен уметь разработать методику расчета

необходимого элемента схемы.

 Уметь составить программу экспериментальных исследований и

проанализировать результаты экспериментов, сопоставить их с расчетными.

 Знать производство и технологию изготовления криогенного оборудования.

Применять эти знания в процессе разработки конструкций.

 Владеть методами выработки новых идей, конструкций и решений. Стремиться

избегать неосмысленного копирования стереотипных конструкций и решений.

 Владеть методами технико-экономического анализа результатов проектной

деятельности.

 Уметь применять электронно-вычислительную технику. Уметь работать в

Интернете.

1.3. Техника, используемая при проектировании. Рабочее место

проектировщика

Высокие результаты при проектировании могут быть получены только при условии

оснащения рабочего места проектировщика современным оборудованием. К нему

t

Q / n

относятся персональная ЭВМ и калькулятор для инженерных расчетов, кульман и

плоттер, персональная библиотека научной, справочной и специальной литературы.

Проектировщик должен иметь возможность общения с руководством, коллегами и

заказчиком по телефону и электронной почте.

Рабочее место должно быть хорошо освещено, иметь вентиляцию и

кондиционирование.

2. Классификация и особенности аппаратов криогенных установок

В криогенных установках используются аппараты различного назначения и

принципа действия. Наиболее важными, принципиально необходимыми являются:

1. Теплообменные аппараты (ТОА) . Низкие температуры производятся при

помощи тепловых процессов, для реализации которых необходимы ТОА –

теплообменники. Теплообменники могут быть рекуперативного или регенеративного

типа, аппаратами для конденсации или испарения потока или иного специального

назначения.

2. Ректификационные колонны , в которых осуществляется разделение смесей на

компоненты путем процесса ректификации. Этот метод является термодинамически и

экономически весьма эффективным. Он получил большое распространение в технике.

Обычно используются тарельчатые ректификационные колонны. В некоторых случаях

применяют насадочные колонны и механические ректификаторы.

3. Адсорберы и абсорберы используют процесс избирательного поглощения

компонента смеси. Их применяют для очистки рабочего тела от нежелательных

примесей, извлечения одного или группы компонентов из смеси. В некоторых случаях

с помощью адсорбции создают глубокий вакуум или используют термические эффекты

для охлаждения объекта или потока.

4. Аппараты испарительного охлаждения чаще всего используют большую

скрытую теплоту испарения воды. Они позволяют охлаждать поток до температуры

мокрого термометра (теоретически) и используются для снижения температуры

рабочего тела, поступающего в криогенную установку.

t

Q / n

5. Значительную группу аппаратов мы отнесем к вспомогательным. Процессы,

которые протекают в них, не являются составными частями цикла, но обеспечивают его

работоспособность. К таким аппаратам относятся фильтры, каплеотделители,

отстойники и т.д.

Классификация аппаратов базируется на виде осуществляемого процесса

(процессов), способе его реализации, конструктивных особенностях выполнения

аппарата, которые сказываются на протекании процесса или принципиальных

характеристиках аппарата.

2.1. Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты по способу прохождения потоков через рабочий объем

делятся на:

 рекуперативные теплообменные аппараты;

 регенеративные теплообменные аппараты (регенераторы);

 контактные теплообменные аппараты.

В рекуперативных теплообменниках два и более потока движутся по

самостоятельным каналам (полостям) без смешения. В регенераторах потоки проходят

через одну и ту же полость попеременно, т.е. потоки разделены во времени (а в

рекуператорах – пространственно!). В регенераторах, как правило, обмениваются

теплом газовые потоки.

2.1.1. Рекуперативные теплообменные аппараты

По виду основного процесса различают:

 Теплообменники (обычно обмениваются теплом однофазные потоки);

 Испарители, конденсаторы, переохладители;

 Конденсаторы – испарители.

По способу организации потоков различают противоточные, прямоточные и

перекрестноточные теплообменники.

t

Q / n

По числу потоков выделяют двухпоточные (обычные) теплообменники,

трехпоточные и многопоточные теплообменники.

По способу образования канала бывают трубчатые, пластинчатые и матричные

аппараты.

2.1.2. Регенераторы

По назначению регенераторы делятся на:

 Регенераторы ВРУ и других систем, где работают 2 (и более) переключаемых

аппарата;

 Регенераторы газовых криогенных машин, где имеется единственный аппарат,

через который проходит сначала прямой поток, а затем обратный.

По конструктивному исполнению теплообменной поверхности (насадки) аппараты

могут быть выполнены с насадкой из алюминиевой ленты, сетки, шариков, с

каменной (базальтовой) насадкой, со встроенным змеевиком.

2.1.3. Контактные теплообменные аппараты

В таких аппаратах происходит непосредственный контакт между собой

теплообменивающихся сред, которые должны обладать свойством взаимной

несмесимости. Обычно это газ и жидкость (например, вода и воздух). Одновременно с

теплообменом имеет место массобмен. Конструктивно такие аппараты похожи на

ректификационные колонны. Используются насадочные, тарельчатые или

распылительные колонны.

2.1.4. Примеры теплообменников разных типов

Не существует однозначной связи между назначением аппарата и его

конструктивным исполнением. Например, основной теплообменник криогенной

установки может изготавливаться трубчатым витым, пластинчатым, матричным или

труба в трубе. Применение того или иного типа аппарата зависит от значительного

числа факторов. Тем не менее, существуют устоявшиеся представления, что основной

теплообменник нужно делать витым, а концевой холодильник компрессора –

кожухотрубным. Таких примеров можно привести много. Настоящий

квалифицированный проектировщик должен рассмотреть максимально возможное

число вариантов конструкций.

t

Q / n

2.2. Ректификационные колонны

Процесс ректификации требует, кроме собственно колонн, наличия устройств для

создания паровой и жидкостной флегмы. Такими устройствами могут быть

конденсаторы (дефлегматоры) и испарители. Кроме того, колонна состоит из отгонной

и концентрационной секций или хотя бы одной из них.

По схеме осуществления процесса ректификационные колонны делятся на:

 Колонны однократной ректификации, состоящие из одной отгонной секции;

 Колонны однократной ректификации, состоящие из одной концентрационной

секции;

 Колонны однократной ректификации, состоящие из отгонной и

концентрационной секций;

 Колонны двукратной ректификации.

По типу ректификационных устройств:

 Насадочные колонны;

 Тарельчатые колонны;

 Механические ректификаторы.

2.3. Адсорберы

Адсорберы относятся к аппаратам, в которых происходят процессы сорбции.

Обычно адсорберы применяют для извлечния определенных компонентов из газовой

или жидкой смеси.

По сотоянию слоя адсорбента адсорберы делятся на аппараты с неподвижным

слоем, с движущимся слоем и с псевдоожиженным слоем.

По числу слоев адсорбента - на однослойные, двухслойные и многослойные.

По направлению движения потока – на аппараты с продольным движением потока

и с радиальным движением.

По агрегатному состоянию потока различают газовые (паровые) и жидкостные

адсорберы.

2.4. Абсорберы

Абсорберы, как и адсорберы, применяют для извлечения определенных

компонентов из смеси газов. В отличие от адсорберов, в абсорберах поглощающая

t

Q / n

среда является жидкой. Применяют абсорберы, чаще всего, для удаления примесей

агрессивных веществ. В криогенной технике абсорберы встречаются редко.

2.5. Вспомогательные аппараты

2.5.1. Каплеотделители

Каплеотделители (влаго-, маслоотделители) применяют для исключения попадания

капель жидкости в низкотемпературные технологические аппараты.

По способу отделения капель делятся на гравитационные, инерционные,

контактные.

2.5.2. Фильтры

Фильтры производят разделение компонентов потока по размерам частиц и

применяются обычно для удаления механических примесей. Отделение частиц

происходит при прохождении потока через фильтрующий элемент. В некоторых

случаях фильтрующий элемент смачивается (например, машинным маслом) для

прилипания частиц твердых примесей.

2.5.3. Ресиверы и сборники

Ресиверы представляют собою емкости высокого давления, предназначенные для

хранения сжатого газа. Сборниками обычно называют сосуды, в которых происходит

накопление сжижаемых криогенных жидкостей.

2.5.4. Газгольдеры

Газгольдеры служат для хранения газа при атмосферном давлении. Применяют

сухие газгольдеры в виде прорезиненных мешков объемом в десятки кубометров и

мокрые в виде колпаков, плавающих в затворной жидкости.

t

Q / n