Нагрев с помощью змеевиков и рубашек

В этом материале рассматривается непрямой нагрев жидкостей, включая компоновку, регулирование и отвод конденсата из змеевиков и рубашек, а также расчеты теплопередачи.

Сосуды можно нагревать несколькими различными способами. В этом модуле рассматривается непрямой нагрев. В таких системах тепло передается через поверхность теплообмена. Возможны следующие варианты:

Использование змеевиков в резервуарах особенно распространено в морских применениях, где в глубоких танках нагреваются грузы сырой нефти, пищевых масел, жира и мелассы. Многие из этих жидкостей трудно обрабатывать при температуре окружающей среды из-за их вязкости. Паровые змеевики используются для повышения температуры этих жидкостей, снижая их вязкость и облегчая перекачку.

Резервуарные змеевики также широко используются в гальванике и обработке металлов. Гальванопокрытие предполагает прохождение изделий через несколько технологических ванн, чтобы на их поверхности могли осаждаться металлические покрытия. Один из первых этапов этого процесса известен как травление, когда такие материалы, как сталь и медь, обрабатываются путем погружения в ванны с кислотным или щелочным раствором для удаления окалины или окислов, например ржавчины, которые могли образоваться.

#Расчет размеров парового змеевика

После определения требуемой энергии, предыдущий модуль, и при наличии данных о давлении и температуре пара в змеевике, поверхность теплообмена можно определить с помощью уравнения 2.5.3:

#Пример 2.10.1

Продолжая пример 2.9.1, определите:

• Часть 1. Средний массовый расход пара во время пуска, средняя тепловая нагрузка = 367 кВт.
• Часть 2. Требуемую площадь поверхности теплообмена.
• Часть 3. Рекомендуемую площадь поверхности змеевика.
• Часть 4. Максимальный массовый расход пара при рекомендуемой площади поверхности теплообмена.
• Часть 5. Рекомендации по монтажу, включая диаметр змеевика и его компоновку. Предоставлена следующая дополнительная информация:
• Давление пара на входе в регулирующий клапан = 2,6 бар изб., 3,6 бар абс.
• Нагрев обеспечивает паровой змеевик из нержавеющей стали.
• Коэффициент теплопередачи от пара через змеевик к жидкости U = 650 Вт/м² °C. Часть 1. Рассчитайте средний массовый расход пара во время пуска Давление пара на входе в регулирующий клапан = 2,6 бар изб., 3,6 бар абс. Во время пуска на регулирующем клапане возникнет критический перепад давления, CPD, поэтому минимальное давление пара в нагревательном змеевике следует принимать равным 58% от абсолютного давления до клапана. Объяснение этого дано в разделе 5.

#Другие схемы паровых змеевиков

Конструкция и компоновка парового змеевика будут зависеть от нагреваемой технологической жидкости. Если нагреваемая технологическая жидкость является коррозионной, обычно рекомендуется выводить входное и выходное соединения змеевика через верхний край резервуара, так как обычно не рекомендуется сверлить коррозионно-стойкое покрытие стенки резервуара. Это исключает появление слабых мест в покрытии резервуара, где возможна утечка коррозионных жидкостей. В таких случаях сам змеевик также может быть выполнен из коррозионно-стойкого материала, например стали с свинцовым покрытием, меди или сплавов, таких как титан. Однако если опасности коррозии нет, следует избегать подъемов через конструкцию резервуара, а вход и выход пара можно выводить через боковую стенку резервуара. Наличие подъема приведет к затоплению части длины змеевика водой и, возможно, к гидроудару, шуму и протечкам трубопровода. Паровые нагревательные змеевики обычно должны иметь плавный уклон от входа к выходу, чтобы конденсат стекал к выходу и не скапливался в нижней части змеевика. Если подъем неизбежен, его следует проектировать с гидрозатвором в нижней точке подъема и тонкой dip pipe, как показано на рисунке 2.10.2.

#Схема регулирующего клапана

Узел регулирующего клапана может состоять либо из одного клапана, либо из двух параллельно установленных клапанов. Один регулирующий клапан, достаточно большой, чтобы справляться с максимальным расходом во время пуска, может оказаться неспособным точно регулировать поток на минимальном ожидаемом расходе. Это может вызвать нестабильное регулирование температуры.

Альтернативой является установка двух параллельных клапанов регулирования температуры:

• один клапан, running valve, подбирается для регулирования на меньшем расходе;
• второй клапан, starting valve, пропускает разницу между пропускной способностью первого клапана и максимальным расходом. Starting valve должен иметь уставку немного ниже, чем running valve, чтобы он закрывался первым, оставляя running valve регулировать при малых нагрузках.

#Подбор регулирующего клапана

Узел регулирующего клапана, либо один клапан, либо два параллельных. Змеевик был рассчитан по средним значениям теплопередачи. Однако может быть лучше подбирать регулирующий клапан на подачу максимальной, пусковой, нагрузки. Для больших змеевиков в резервуарах это поможет поддерживать некоторое давление пара по всей длине змеевика в момент открытия подачи пара, способствуя проталкиванию конденсата через змеевик к устройству отвода. Если бы регулирующий клапан был подобран по средним значениям, давление пара в змеевике при пуске было бы ниже, и змеевик мог бы затопляться.

#Использование одного клапана

Продолжая пример 2.10.1, максимальная паровая нагрузка составляет 850 кг/ч, и змеевик рассчитан на обеспечение этой нагрузки при давлении 1,1 бар изб. Диаграмма подбора парового клапана показала бы, что для пропуска 850 кг/ч пара при 2,6 бар изб. на входе в регулирующий клапан и при критическом перепаде давления на клапане требуется Kv около 20. Модуль 6.4 показывает, как определить размер клапана расчетом. Следовательно, для данного применения пришлось бы выбрать регулирующий клапан DN40 с более высоким Kvs = 25. Если используется один клапан, он должен обеспечивать максимальную тепловую нагрузку, одновременно поддерживая требуемое давление пара в змеевике, чтобы помогать отводу конденсата из него при пуске. Однако по ранее изложенным причинам два клапана могут быть предпочтительнее. Рабочая нагрузка составляет 52 кВт, и при работе змеевика на 1,1 бар изб. рабочая паровая нагрузка будет равна:

#Устройство отвода конденсата

Выбор и подбор размера устройства отвода конденсата во многом будут зависеть от противодавления по конденсату. Для целей этого примера предполагается, что противодавление равно атмосферному. Устройство должно быть подобрано так, чтобы удовлетворять обоим следующим условиям:

1. Пропускать 850 кг/ч конденсата при давлении в змеевике 1,1 бар изб., то есть в режиме полной нагрузки.
2. Пропускать нагрузку по конденсату, когда давление пара в змеевике равно противодавлению конденсата, то есть в режиме stall load. Если steam trap подобрать только по первому условию, возможно, что он не сможет пропускать stall load, то есть состояние, когда продукт приближается к требуемой температуре и регулирующий клапан дросселирует поток, уменьшая давление пара. Stall load может быть значительной. Что касается непроточных применений, таких как резервуары, с теплотехнической точки зрения это может быть не слишком серьезно, поскольку содержимое резервуара уже почти достигло требуемой температуры и обладает большим запасом тепла. Поэтому любое снижение теплопередачи на этой стадии нагрева может не оказать немедленного влияния на содержимое резервуара. Однако конденсат будет скапливаться в змеевике, и возникнет гидроудар со всеми сопутствующими симптомами и механическими напряжениями. Змеевики в больших цилиндрических резервуарах обычно имеют прочную конструкцию и часто способны выдерживать такие нагрузки. Однако проблемы могут возникать в прямоугольных резервуарах, которые обычно меньше, где вибрация змеевика сильнее влияет на конструкцию резервуара. Здесь энергия, рассеиваемая гидроударом, вызывает вибрацию, которая может сокращать срок службы змеевика, резервуара и steam trap, а также создавать неприятный шум. Что касается проточных применений, таких как пластинчатые теплообменники, неучет режима stall обычно имеет серьезные последствия. Это в основном связано с малым внутренним объемом теплообменника. Для теплообменников любое нежелательное уменьшение площади поверхности нагрева, например из-за накопления конденсата в паровом пространстве, может повлиять на прохождение тепла через нагревательную поверхность. Это может сделать систему регулирования нестабильной, и процессы, требующие устойчивого или точного управления, будут работать хуже. Если теплообменники завышены по размеру, достаточная площадь поверхности может сохраниться даже при накоплении конденсата в паровом пространстве, и снижение теплотехнических характеристик может происходить не всегда. Однако в теплообменниках, не рассчитанных на последствия waterlogging, это может привести к коррозии поверхности нагрева и неизбежно сократить срок службы аппарата. В некоторых применениях waterlogging может быть дорогостоящим. Достаточно представить frost coil в воздушном нагревателе, заполненный конденсатом. Холодный воздух при 4 °C, проходящий со скоростью 3 м/с, может быстро заморозить конденсат, запертый в змеевиках, что приведет к преждевременному и необоснованному выходу из строя. Правильный отвод конденсата необходим для сохранения срока службы любого теплообменника и воздушного нагревателя. Steam traps - это устройства, которые модулируют свою работу, обеспечивая отвод различного количества конденсата из оборудования в разных режимах. Поплавковые traps представляют собой steam traps, рассчитанные на модулирующий отвод конденсата при температуре, близкой к температуре пара, обеспечивая максимальную производительность оборудования, максимальный срок его службы и максимальную отдачу от вложений. Когда возникают условия stall и steam trap использовать нельзя, automatic pump-trap или комбинация pump and trap обеспечат правильный отвод конденсата в любое время, тем самым максимально повышая тепловые возможности установки и снижая совокупные затраты за срок службы.

Наиболее распространенный тип паровой рубашки представляет собой просто внешний цилиндр, окружающий сосуд, как показано на рисунке 2.10.4. Пар циркулирует во внешней рубашке и конденсируется на стенке сосуда. Сосуды с рубашкой также могут быть теплоизолированы или иметь внутренний воздушный зазор, окружающий рубашку. Это делается для того, чтобы на внешней стенке рубашки конденсировалось как можно меньше пара, а тепло передавалось внутрь сосуда.