ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА КОЖУХОТРУБНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЭФИРОМАСЛИЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ.

В эфиромасличной промышленности для конденсации водяного пара (с незначительным содержанием паров эфирного масла или растворителя) с переохлаждением жидкой фазы (дистиллята) до заданной температуры применяют кожухотрубные конденсаторы, называемые холодильниками, с греющими трубами из нержавеющей стали, например, диаметром 25 мм и толщиной стенки от 1,5 до 2,5 мм.. [1] В качестве охлаждающей среды используется вода, чаще всего из водоемов, расположенных вблизи предприятий. Распределение теплоносителей по трубному и межтрубному пространствам может быть различное. Однако, как показана практика, при подаче охлаждающий воды в межтрубное пространство вследствие выпадения солей временной жесткости происходит известкование наружной поверхности труб, что значительно снижает тепловую эффективность аппарата. Так как механическая чистка межтрубного пространства невозможна, а промывка раствором соляной кислоты проблематична и малоэффективна, в последнее время воду начали подавать в трубное пространство, что дает возможность периодической чистки внутренней поверхности труб. Холодильники располагают вертикально (тип ТНВ). наклонно и горизонтально (тип ТНГ).

Расчет холодильника сводится к определению его геометрических параметров (поверхности теплообмена, длины трубного пучка, диаметра кожуха), обеспечивающих реализацию заданного технологического процесса

Ориентировочная последовательность такого расчета приведена ниже и представляет следующие определения:

- теплоовои нагрузки, , включающую тепло, выделяемое при конденсации парового потока , и тепло, выделяемое при переохлаждении конденсата (дистиллята) до заданной температуры, ;

- средней разности температур между теплоносителями на концах аппарата, ;

-коэффициентов теплоотдачи от пара к стенке трубы, и от стенки трубы к охлаждающей воде, ;

- коэффициента теплопередачи, ;

-  числа греющих труб, n шт;

-  диаметра кожуха, Двн мм;

-  поверхности теплообмена, F м2 ;

-  длины трубного пучка,. Н м.

Ниже будет показано, что если коэффициент теплоотдачи от пара к стенке, рассчитанный по разным методикам, является относительно стабильной величиной, то коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей воде зависит от режима движения её в аппарате, что определяется скоростью в трубном пучке (или в межтрубном пространстве).

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке может быть рассчитан по формуле (1) [2]

, (1)

где А - коэффициент, учитывающий положение аппарата,

А=0,943 при вертикальном и наклонном расположениях;

А=0,728 при горизонтальном расположении (без sin φ);

φ - угол наклона аппарата к горизонту.

, - , Пас—физические параметры конденсата –соответственно плотность, теплопроводность и динамическая вязкость при температуре пара;

- скрытая теплота парообразования (конденсации);

Н м - предварительно принятая длина трубного пучка;

- ускорение свободного падения:

- разность температур между паром и стенкой трубы, где температура стенки определяется как средняя температура между паром и средней температурой охлаждающей воды, ; ; .

Коэффициент теплоотдачи может быть также рассчитан по методике, предполагающей пленочный режим движения конденсата по наружной (или по внутренней) поверхности греющих труб [3].

, если Reпл>2300, (2)

, если Reпл<2300, (3)

где --приведенная толщина пленки, , , где -

плотность орошения, при конденсации пара в межтрубном

пространстве (расход пара, n шт - число труб) или при подаче пара в

трубный пучок,

Н м - предварительно принятая длина трубного пучка,

, (4)

Пас, , соответственно вязкость, теплопроводность и плотность при

средней температуре конденсата (начальная температура соответствует температуре пара, конечная- заданной температуре дистиллята па выходе).

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к охлаждающей воде может быть рассчитан, например, с помощью следующих критериальных зависимостей [3]:

-при движении воды в трубном пучке

-, если Reпл>10000, (5)

, если Reпл<10000,

-при движении воды в межтрубном пространстве
, (7)
если межтрубное пространство без перегородок и

, (8)

если с перегородками,

где dэ м - эквивалентный диаметр,

, где

fм..тр. м2 проходное сечение по межтрубному пространству,

П м - омываемый периметр,

м.

--при движении среды в трубном пучке

или - при движении среды в межтрубном пространстве без перегородок

или - при движении среды в межтрубном пространстве с перегородками.

W м/с - скорость воды в аппарате.

- Пас, соответственно вязкость и плотность воды при средней температуре.

или или (9)

На основании практических данных для выполнения расчета холодильника могут быть приняты, например, два подхода:

- предварительное задание скоростью охлаждающей воды в аппарате ( W2 м/с) и температурой ее на выходе ( t2к°С) (температура на входе, t2н°С, известна).

- предварительно условно принимаемые следующие параметры - коэффициент

теплопередачи , длина трубного пучка (Ну м), температура охлаждающей воды на выходе(t2н0C).

При выборе одного из подходов к решению этой задачи, холодильник может быть рассчитан, например, по трем методикам:

-при определении коэффициента теплоотдачи от пара к стенке по формуле (1) с учетом переохлаждения конденсата до заданной температуры ( tд0 С );

- при определении коэффициента теплоотдачи от пара к стенке при пленочном режиме его стекания по поверхности груб ;

-при условном разделении поверхности теплообмена (длины трубного пучка) на два участка [3]: "чистой" конденсации [по формуле (1)] без учета переохлаждения конденсата и участка пленочного режима стекания конденсата с учетом его переохлаждения до заданной температуры.

В последнем случае необходимо определение промежуточной температуры, ta0C,

охлаждающей воды на стыке условно принятых участков, рис 1 по формуле (10)

t0C

tn Q1 конд tk Q2 переохл.

tд

t2k ta

t2H

1  2

F м2 (Н, м)

Рис.1. Схема теплообмена на условиых участках аппарата.

Следует отметить, что в єфиромасличной отрасли в настоящее время используется теплообменники выпускаемые для химической промышленности, в которых полное сечение трубного пучка практически составляет 40% от общего сечения аппарата , что учитывается при определении геометрических параметров холодильника.

В табл.1 приведены результаты расчетов холодильника для конденсации парового потока массовым расходом 800 кг/ч с переохлаждением конденсата до температуры tд=350С по трем вышеуказанным методикам.

Таблица1.

Результаты расчета кожухотрубного холодильника, выполненные по расчетным методикам

№	Наименование параметров	Усл. обозначения	Раз-мер-ность	Метод 1 Конденса - ция с пере-охлаждением жидкой фазы	Метод 2 Переохлаждение жидкой фазы (пленочный режим) по всей высоте трубного пучка	Метод с двумя условными участками
Участок 1, конденсация без переохлаждения жидкой фазы	Участок 2 , переохлаждение жидкой (пленочный режим)
Исходные данные
1.	Тип холодильника - ТНВ вертикальный с неподвижной трубной решеткой
2.	Характеристика греющих труб -диаметр -материал			25x1,5 Нерж. сталь	25x1,5 Нерж. сталь	25x1,5 Нерж. сталь	25x1,5 Нерж. сталь
3.	Расход пара	Gn	Кг/ч	800	800	800(конд)	800(конд)
4.	Давление пара	Pn	ат.	1	1	1	1
5.	Температура дистиллята на выходе	tд	0С	35	35	100	35
6.	Температура охлаждающей воды -на входе (принята) -на выходе (принята)	tн tк	0С 0С	20 50	20 50	ta=24(расч) 50	20 ta=24(расч)
7.	Скорость охлаждающей воды в трубном пучке (принята)	W	м/с	0,4	0,4	0,4	0,4

 

Продолжение таблицы 1.

Расчетные данные
1.	Тепловая нагрузка	Q	Вт	0,561*106	0,561*106	0,500*106	0,061*106
2.	Расход охлаждающей воды	G	м3/ч	20	20	20
3.	Количество греющих труб	n	шт.	36	36	36
4.	Полезная разность температур		0С	29	29	63	38
5.	Коэффициенты теплоотдачи -от пара к стенке -от пленки к стенке -от стенки к охлаж. воде		------------//-------- -------------//-------	3444 - 2412	- 2913 2412	3444 - 2412	- 2913 2412
6.	Коэффициент теплопередачи	К		1266	1193	1266	1193
7.	Длина трубного пучка	Н	м	5,8	5,8	2,3	0,5
2,8
8.	Диаметр кожуха	Dвн	м	0,26	0,26	0,26
9.	Поверхность теплообмена	F	м2	15,3	16,2	6,3	1,4
7,7

Вывод

Выполнен расчет кожухотрубного холодильника по трем методикам. Следует считать наиболее приемлемой методику определения коэффициента теплоотдачи от пара к стенке трубы с учетом пленочного режима движения конденсата по всей высоте трубного пучка, что наиболее реально отражает сущность процесса.

Литература

1.  Справочник технолога эфиромасличного производства. Чипига А. П.. Волченков В. Ф., Найденова В. И, и др. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1981 - 181 с.

2.  Батунер Л. М., Позии М. Е. Математические методы в химической технике. М.: «Химия»1968-824с.

3.  Плановскии Л. Н., Рамм В. Н., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: «Химия» 1968 848 с.

Волченков В. Ф., к. т.н., доцент кафедры технологии и оборудования производства жиров и эфирных масел