УСТРОЙСТВО СОВРЕМЕННЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ УЗЛА ПОДОГРЕВА ГАЗА

Узел подогрева газа служит для защиты арматуры от обмерзания и предотвращения образования кристаллогидратов в газопроводных коммуникациях и арматуре. В качестве мер по предотвращению гидратообразований применяется:

• подогрев газа, с использованием теплообменных аппаратов, получил наиболее широкое применение;
• ввод метанола в газопроводные коммуникации является очень дорогостоящим, поэтому редко используется при проектировании узлов подогрева газа перед редуцированием.

Теплообменный аппарат (ТО) представляет собой набор пластин из нержавеющей стали (или других металлов), скомпонованных таким образом, что две среды участвующие в процессе теплообмена движутся по разные стороны одной пластины. Задачей любого теплообменника поверхностного типа является эффективная передача тепла от одной среды к другой без смешения сред, и с возможно наименьшими усилиями, необходимыми для прокачки жидкости через теплообменный аппарат. При этом более горячая среда остывает и передает часть своего тепла более холодной среде, которая в свою очередь нагревается. Договоримся, в дальнейшем, более горячую среду называть «горячей» (или средой 1-го контура), а более холодную – «холодной» (или средой 2-го контура).

Пакет пластин набирается для организации определенного количества параллельных каналов (обеспечение необходимого сечения для протока жидкости) и необходимой площади теплообмена.

Рисунок 1. Конструкция разборного пластинчатого теплообменника.

Рама состоит из неподвижной плиты (1) и прижимной плиты (2), задней стойки (7) которая соединена с неподвижной плитой верхней направляющей (3) и нижней направляющей (4). Рамы разборных теплообменников выпускаются разной длины для обеспечения установки в нее разного количества пластин. Между неподвижной и прижимной плитами находится расчетное количество пластин (5) с резиновыми уплотнительными прокладками. Пакет прижат к неподвижной плите прижимной плитой резьбовыми стяжками (6). Степень сжатия достаточна для уплотнения и герметизации внутренних полостей теплообменника.

Пластины изготавливаются штамповкой, обычно из нержавеющей стали аустенитного класса AISI 316, после штамповки производится электрохимическое полирование пластины. Наиболее близким российским аналогом этой стали является сталь 08Х18Н10Т. Сталь AISI 316 (как и все нержавеющие стали) не склонна к общим видам коррозии, однако при работе с высоко агрессивными средами (высокие температуры, высокое содержание хлоридов и др.) могут протекать местные виды коррозии, например язвенная (питтинговая) коррозия.

Химический состав нержавеющей стали AISI 316: углерод (0,08 % ), хром (16-18 %), никель (10 –14 %), молибден (2-3 %).

Это основная сталь для производства пластин теплообменников. Наличие молибдена (по сравнению с 08Х18Н10Т) снижает уровень язвенной коррозии.

Толщина пластины (0,4…1,0 мм) зависит от максимального рабочего давления. Для агрессивных сред (по отношению к стали AISI 316) применяют более дорогие материалы, например, 254 SMO, титан, хастеллой и т.д.

Профили пластин.

В пластинчатом теплообменнике, возможно, организовать течение жидкостей в трех различных типах каналов. Это зависит от профиля штамповки пластин. Пластины выпускаются с углами рифления 30⁰ (жесткая пластина) и 60⁰ (мягкая пластина). Соответственно компонуя их, можно получить три разных канала.

Рисунок 2. Каналы пластин.

Канал типа 1 – «мягкий» канал. Пластины с углом рифления 60⁰. Малая турбулизация потока, малый коэффициент теплопередачи, но и малое гидравлическое сопротивление.

Канал типа 2 – «средний» канал. Пластина с углом рифления 60⁰ и 30⁰. Средняя турбулизация потока, средний коэффициент теплопередачи, среднее гидравлическое сопротивление.

Канал типа 3 – «жесткий» канал. Пластины с углом рифления 30⁰. Высокая турбулизация потока, максимальный коэффициент теплопередачи, большое гидравлическое сопротивление.

Термины «мягкий», «средний», «жесткий» означают тепловую длину пластины и характеризуют разный коэффициент теплопередачи пластин одной марки при одинаковой геометрической длине (и не имеют ничего общего с прочностными характеристиками).

Таким образом, подбирая пластины с разным рифлением можно очень точно подбирать пластинчатый теплообменник под заданные тепловые и гидравлические параметры.

Прокладки обеспечивают герметичность теплообменника относительно окружающей среды и не допускают смешивание сред участвующих в процессе теплообмена. Прокладки изготавливаются из специальных полимеров, которые обеспечивают требуемые температурные параметры или химическую стойкость.

Как правило, применяется материал EPDM, который представляет собой этиленпропиленовый полимер. Он применяется в основном для горячей воды и пара. Однако на него могут губительно действовать различные жиры и масла. Рабочий диапазон температур для резины EPDM составляет от минус 35 ⁰С до плюс 160 ⁰С.

Уплотнения из материала NITRIL применяются для маслянистых жидкостей до 135 ⁰С,

Уплотнения сделанные из материала VITON работают на агрессивных средах (щелочи, кислоты) с температурой до 160 ⁰С. [1]

Пластины разборного пластинчатого теплообменника одинаковы по конструкции. Они устанавливаются одна за другой с поворотом на 180⁰. Эта компоновка создает теплообменный пакет с четырьмя коллекторами для подвода и отвода жидкостей. Первая и последняя пластины не участвуют в процессе теплообмена, задняя пластина выполняется обычно без портов.

Рисунок 3. Схема течения жидкостей.

Уплотнение портов неподвижной плиты теплообменника осуществляется либо специальными кольцами, устанавливающимися между первой пластиной и неподвижной плитой, либо специальной прокладкой первой пластины.

Рисунок 4. Ходы и каналы в теплообменном аппарате.

Различают одноходовую компоновку теплообменника и многоходовую компоновку теплообменника.

При одноходовой компоновке поток жидкости, войдя в порт теплообменника, делится сразу на заданное число каналов и расходится на параллельные потоки. Далее проходит один раз по каналам стекается снова в порт и выходит из теплообменника.

При такой схеме компоновки все присоединительные патрубки обычно расположены на неподвижной плите. Это значительно облегчает эксплуатацию и обслуживание теплообменника.

При многоходовой компоновке, жидкости совершают несколько ходов по одинаковому числу каналов. Это достигается установкой промежуточных пластин с двумя глухими портами (верхними или нижними) и позволяет в одном теплообменнике достигать очень большого теплосъема. Однако при этом появляются присоединения на прижимной плите теплообменника, что сильно ухудшает его обслуживание. Кроме того, гидравлическое сопротивление этого теплообменника заметно возрастает.

Применение теплообменного аппарата является одним из самых безопасных способов подогрева газа. Наличие этого оборудования оптимально в технологических процессах, где непозволительно смешивание сред в случае утечки. [2]

Список литературы:

1. Конструкция разборного пластинчатого теплообменника, материал изготовления уплотнений и пластин для теплообменника, каналы пластин. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://ridan.ru/ (дата обращения: 09.04.2017)
2. Ходы и каналы в теплообменном аппарате. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:http://studopedia.ru / (дата обращения: 09.04.2017)