Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 12
1.1. Анализ известных способов принудительного охлаждения (нагревания) корпусных деталей оборудования 12
1.2. Трубчатые теплообменные аппараты (ТА) для охлаждения воздуха и охлаждаемые воздухом 33
1.3. Классификация задач теплообмена 42
1.4. Выводы и задачи исследования 48
ГЛАВА 2. Разработка математической модели и методики теплового расчета корпусов аппаратов с различными рубашками охлаждения 50
2.1. Разработка математической модели и методики теплового расчета корпусов аппаратов с различными рубашками охлаждения 50
2.2 Методика определения коэффициента теплоотдачи внутри штрипсовго канала по результатам экспериментальных исследований 55
2.3 Тепловой расчет емкости для пропагации дрожжей объемом 0,6м3 61
2.4 Тепловой расчет кристаллизатора 67
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования тепловых процессов в корпусе аппарата с рубашками охлаждения 70
3.1. Экспериментальные исследования тепловых процессов на образцах пуклеваной и штрипсовой рубашек 70
3.1.1. Программа экспериментальных исследований 70
3.1.2 Описание экспериментальной установки и объектов и иследования 71
3.1.3. Методика проведения и обработки экспериментальных данных 80
3.2. Натурный эксперимент испытания рубашки (пуклеваной) охлаждения аппарата для дображивания пива 82
3.2.1. Описание экспериментальной установки 85
3.2.2. Комплекс технических средств контроля и управления экспериментом 87
3.2.3. Измерительная среда контроля температурных полей пуклеванной рубашки 100
3.2.4. Методика проведения эксперимента 102
3.2.5. Анализ результатов 107
3.3. Результаты испытания на прочность образцов пуклеваных рубашек 109
ГЛАВА 4. Совершенствование конструкции и технологии изготовления корпусов аппаратов с рубашками охлаждения ПО
4.1. Новые конструктивные решения и способы изготовления элементов канальной системы охлаждения 110
4.2. Практические рекомендации при изготовлении аппаратов с пуклеваной рубашкой, выполняющих различные технологические функции 115
4.3. Практическое использование результатов исследования 117
Основные выводы и результаты работы 120
Список используемых источников
- Трубчатые теплообменные аппараты (ТА) для охлаждения воздуха и охлаждаемые воздухом
- Методика определения коэффициента теплоотдачи внутри штрипсовго канала по результатам экспериментальных исследований
- Описание экспериментальной установки и объектов и иследования
- Практические рекомендации при изготовлении аппаратов с пуклеваной рубашкой, выполняющих различные технологические функции
Введение к работе
Теплообменные аппараты различных типов широко используются в энергетических установках. Как и всякая техническая система, теплообменная система (теплообменный аппарат) оценивается основным показателем качества -энергетической эффективностью. Этот показатель, заложенный в стадии проектирования, характеризует также и функционирующий теплообменный аппарат.
Стремление получить наибольшую выгоду (тепловой поток) от теплообменного аппарата (системы) приводит к необходимости решения задачи экономии металла при его изготовлении, а также уменьшении эксплуатационных, прежде всего, затрат электроэнергии на прокачку теплоносителя. Поэтому в общем виде энергетическая эффективность определяется соотношением между полезным эффектом (переданным тепловым потоком) и материальными затратами (расход металла на изготовление и энергии на прокачку теплоносителя).
Основной элемент теплообменного аппарата - теплообменная поверхность. Взаимодействие потоков теплоносителя с теплообменной поверхностью характеризуется одновременным протеканием процессов переноса тепла и импульса (вязкое взаимодействие с поверхностью, вихреобразование). Эти процессы органически связаны между собой, так как имеют общий носитель энергии в направлении, перпендикулярном поверхности.
Разработка энергетически эффективных теплообменных систем, состоит в разрешении физических и технических противоречий, возникающих при проектировании и эксплуатации теплообменного оборудования. Задача эта -многофакторная, решение ее достигается оптимизацией по отдельным параметрам.
Не менее важно, с точки зрения экономии энергоресурсов и обеспечения заданных режимов работы оборудования, разработать новые конструктивные решения систем охлаждения (нагревания) корпусных деталей аппаратов.
Актуальность решения этой задачи особенно проявляется для оборудования, являющегося объектом химического машиностроения, в силу того, что оно часто эксплуатируется в условиях агрессивных сред, высокой температуры, давления или вакуума, имеет сложную форму корпусных деталей и их значительные габариты.
В этой связи большой интерес представляет использование широких возможностей для создания различных рубашек охлаждения (нагревания), разработанных, освоенных и применяемых на ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова».
Совершенствование производственных технологий и появление новых конструкционных материалов открывают реальные возможности для разработки и изготовления конкурентоспособного технологического оборудования химической промышленности, отвечающего современным требованиям энерго- и ресурсосбережения, а также экологической и аварийной безопасности.
В настоящее время в емкостном оборудовании как отечественного, так и зарубежного производства в качестве теплообменных устройств используются, как правило, традиционные рубашки и змеевики. Несмотря на многообразие вариантов конструкций, эти устройства характеризуются высокой металлоемкостью, что существенно повышает стоимость аппарата.
Разработка конструкций и технологии изготовления теплообменных устройств емкостного оборудования, отличающихся низкой металлоемкостью и высокой эффективностью, является актуальной научной и инженерной задачей. К таким конструкциям относятся штрипсовые (профильные) и пуклеванные (листовые с вмятинами) рубашки.
Цель работы - повышение эффективности работы и снижение металлоемкости штрипсовых и пуклеванных рубашек емкостных аппаратов. Работа состоит из введения четырех глав, выводов и приложений. В первой главе представлен анализ известных способов принудительного охлаждения (нагревания) корпусных деталей оборудования, отмечены их преимущества и недостатки.
Отмечено, что большой интерес представляет использование различных
-9-рубашек охлаждения (нагревания), разработанных, освоенных и применяемых на ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова».
Выводы, сделанные по содержанию рассмотренных в данной главе вопросов, позволили сформулировать цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена обоснованию конструкции и аналитическому расчету различных рубашек охлаждения корпусов аппаратов. На основании исследований и обобщения производственного опыта предложена рациональная конструкция и форма рубашек охлаждения. Получено аналитическое решение стационарного и нестационарного температурного поля однослойной неограниченной пластины. На основе этого решения разработана математическая модель теплового расчета «пуклеваной » и «штрипсовой» рубашек охлаждения.
Программа расчета для PC IBM позволила рассчитать основные конструктивные и эксплуатационные характеристики конкретного аппарата для емкости пропагации дрожжей объемом 0,6м .
Третья глава посвящена описанию методик проведения и анализа результатов комплексных экспериментальных исследований влияния термокинетических и конструктивно-технологических факторов на эффективность работы корпусов аппаратов с различными рубашками охлаждения.
Получены данные о состоянии температурного поля экспериментальных модулей в условиях имитации реальных параметров работы водоохлаждаемого корпуса аппарата. Сравнение данных эксперимента и результатов расчета позволило дать заключение об адекватности математической модели, используемой для теплового расчета конструкции.
Проведен натурный эксперимент на аппарате дображивания пива объемом 8,8м3, с размещенной на его наружной поверхности пуклеваной рубашки.
Обработка результатов экспериментов позволила дать рекомендации по рациональному конструированию элементов объекта исследования.
-10 В четвертой главе приведены примеры практического использования результатов исследования, внедренных в производство.
Выводы по работе завершают основное содержание диссертации.
В приложении приведены отзывы предприятий, эксплуатирующих оборудование, изготовленное с учетом рекомендаций и технологии, сформулированных по материалам данной работы, представлены программы тепловых расчетов.
Результаты работы использовались: при разработке конструкций и технологий изготовления емкостного оборудования с принудительным охлаждением корпуса.
Основное содержание работы изложено в 6 публикациях, 2 патентах.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на VII международной научной конференции "Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования" (Иваново, 2005.), VIII научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2003), Международной научно-практической конференции "Достижения ученых XXI века" (Тамбов, 2005).
На защиту выносятся следующие результаты работы, имеющие научную новизну и практическую ценность.
1. Экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи в практически важном диапазоне температур, а также установление применимости классических критериальных уравнений для расчета процесса теплоотдачи в аппаратах с данными рубашками. Исследование закономерностей теплообмена пуклеванных и штрипсовых рубашек и их связь с конструктивными параметрами.
2. Математическое описание процесса нестационарного теплообмена для аппаратов со штрипсовыми и пуклеванными рубашками, учитывающее
-11 распределение температур в конструктивных элементах, потоках теплоносителей в каналах сложной формы и реакционных средах.
3. Методика теплового расчета аппаратов со штрипсовыми и пуклеванными рубашками.
4. Новые конструкции элементов канальных систем охлаждения биметаллических корпусов аппаратов, обеспечивающие эффективность теплообмена и технологичность конструкции.
5. Методика, средства и результаты комплексного экспериментального исследования влияния конструктивно-технологических факторов на эффективность изготовления и эксплуатации корпусных деталей аппаратов с рубашками охлаждения.
6. Практические рекомендации по конструированию и изготовлению аппаратов с различными рубашками охлаждения.
Трубчатые теплообменные аппараты (ТА) для охлаждения воздуха и охлаждаемые воздухом
К этой группе ТА могут быть отнесены аппараты, трубные пучки которых скомпонованы из труб с высокими, соизмеримыми с радиусом трубы, ребрами. Благодаря оребрению площадь теплообменной поверхности, контактирующей с воздухом, может быть увеличена в 7...20 раз и больше, что компенсирует относительно невысокие коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха. [61]
В современных конструкциях оборудования применяют моно- и биметаллические трубы (рис. 1.15) диаметром D = 25...29 мм, а также биметаллические трубы с разрезными ребрами. Продольные разрезы на ребрах с последующим отгибом лепестков обеспечивают многократное разрушение пограничного слоя, формирующегося на ребрах, и способствуют выравниванию поля коэффициента теплоотдачи по поверхности ребра. По результатам литературных, патентных источников и анализа экспериментальных данных выявлено, что размер, радиус и направление отгиба лепестков мало влияют на интенсификацию теплообмена. Число разрезов целесообразно принимать не более 20, а их глубину - меньше 3...4 мм. Установлено увеличение значений коэффициентов теплоотдачи в пучках с разрезными ребрами на 20...35 %, а аэродинамического сопротивления - на 20...90 % по сравнению со значениями в пучках из таких же труб с неразрезными ребрами.
Следует отметить, что с ростом высоты ребра значения коэффициента теплоотдачи на поверхности ребер снижается. Так, увеличение значения коэффициента оребрения на 40 % при фор 15 сопровождается уменьшением значения коэффициента теплопередачи на 12 %. Однако интенсивность роста площади поверхности теплопередачи при повышениии фор выше, чем снижения коэффициента теплопередачи, что в итоге улучшает характеристику -аппарата. Оптимальная высота ребер составляет (0,4-0,8)d, причем меньшие значения рекомендованы для труб d 15 мм. Оптимальный шаг ребер tp = (0,2...0,4)d, однако при накатке такой шаг не всегда может быть получен. Обычно tp = 3...4 мм.
Уменьшение шага ребер приводит к снижению конвективной теплоотдачи, так как у основания ребер образуются зоны со слабой циркуляцией потока. На интенсивность теплообмена в межтрубном пространстве значительное влияние оказывают материал и толщина ребра. Чем выше теплопроводность материала ребра, тем больше коэффициент теплоотдачи. При достижении значения теплопроводности сплавов алюминия Хр = 140 Вт/(м К) темп роста а при увеличении Хр замедляется. Поэтому применение биметаллических труб с оребренной рубашкой из сплавов АМцМ или АД-1 оправдано с точки зрения теплообмена и улучшения массовых характеристик аппарата. При высоте ребра hp = 5... 16 мм оптимальная его толщина 0,5 мм. Увеличение числа заходов винтовой линии накатных ребер от одного до трех не влияет на теплоотдачу и аэродинамическое сопротивление пучков. Объясняется это малыми углами наклона винтовой линии накатных ребер, что обеспечивает практически одинаковую теплоотдачу - труб с шайбовым и накатным оребрением.
Технология изготовления биметаллических труб существенным образом влияет на термическое сопротивление в месте контакта двух металлов, которое необходимо учитывать в тепловом расчете. Установлено, что не следует добиваться большого уменьшения высоты неровностей сопрягаемых поверхностей, поскольку существенное влияние оказывает усилие выпрессовки, которое должно составлять (4...7)10 Н. Снижение термического сопротивления может быть достигнуто применением прокладок из медной, свинцовой или оловянной фольги толщиной 0,1... 0,2 мм.
Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве Cq= 20... 300 Вт/(м -К), а в трубах он зависит от физических свойств прокачиваемых теплоносителей. В тех случаях, когда воздух охлаждается водой циркулирующей в трубах, коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к воде 0 = 7...8 кВт/(м2»К). При коэффициенте оребрения фор 7 термическое сопротивление теплоотдачи в трубах и в межтрубном пространстве становится соизмеримым, следовательно, соотношение скоростей потоков теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве не может быть принято произвольным. При циркуляции в трубах более вязких и менее теплопроводных жидкостей оптимизацию скоростей следует производить при коэффициенте оребрения ф0р 4.
В ТА установок кондиционирования воздуха часто применяют трубы с коллективным оребрением (рис. 1.16.). Собирающие пластины для интенсификации теплообмена штампуют с зигзагами или волнами, перпендикулярными к потоку воздуха. Используют также перфорированные пластины и пластины с просечками, в которых наличие просеченных участков пластины, смещенных относительно ее поверхности, приводит к разрушению образующегося пограничного слоя.
В бытовых кондиционерах типа БК одиночные ребра из алюминия прямоугольной формы толщиной 0,2 мм с выштампованными воротниками надеты с натягом на медные трубы. В более мощных установках нередко применяют трубы, оребренные спиральной гофрированной лентой. Если не принять мер по уменьшению термического сопротивления в месте контакта труб с ребрами, то эффективность оребренных поверхностей может снизиться в 1,5 - 2 раза. Исследование теплоотдачи медно-алюминиевых трубчато-ребристых ТА с насадными ребрами позволило установить следующее.
Методика определения коэффициента теплоотдачи внутри штрипсовго канала по результатам экспериментальных исследований
К этой группе ТА могут быть отнесены аппараты, трубные пучки которых скомпонованы из труб с высокими, соизмеримыми с радиусом трубы, ребрами. Благодаря оребрению площадь теплообменной поверхности, контактирующей с воздухом, может быть увеличена в 7...20 раз и больше, что компенсирует относительно невысокие коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха. [61]
В современных конструкциях оборудования применяют моно- и биметаллические трубы (рис. 1.15) диаметром D = 25...29 мм, а также биметаллические трубы с разрезными ребрами. Продольные разрезы на ребрах с последующим отгибом лепестков обеспечивают многократное разрушение пограничного слоя, формирующегося на ребрах, и способствуют выравниванию поля коэффициента теплоотдачи по поверхности ребра. По результатам литературных, патентных источников и анализа экспериментальных данных выявлено, что размер, радиус и направление отгиба лепестков мало влияют на интенсификацию теплообмена. Число разрезов целесообразно принимать не более 20, а их глубину - меньше 3...4 мм. Установлено увеличение значений коэффициентов теплоотдачи в пучках с разрезными ребрами на 20...35 %, а аэродинамического сопротивления - на 20...90 % по сравнению со значениями в пучках из таких же труб с неразрезными ребрами.
Следует отметить, что с ростом высоты ребра значения коэффициента теплоотдачи на поверхности ребер снижается. Так, увеличение значения коэффициента оребрения на 40 % при фор 15 сопровождается уменьшением значения коэффициента теплопередачи на 12 %. Однако интенсивность роста площади поверхности теплопередачи при повышениии фор выше, чем снижения коэффициента теплопередачи, что в итоге улучшает характеристику -аппарата. Оптимальная высота ребер составляет (0,4-0,8)d, причем меньшие значения рекомендованы для труб d 15 мм. Оптимальный шаг ребер tp = (0,2...0,4)d, однако при накатке такой шаг не всегда может быть получен. Обычно tp = 3...4 мм.
Уменьшение шага ребер приводит к снижению конвективной теплоотдачи, так как у основания ребер образуются зоны со слабой циркуляцией потока. На интенсивность теплообмена в межтрубном пространстве значительное влияние оказывают материал и толщина ребра. Чем выше теплопроводность материала ребра, тем больше коэффициент теплоотдачи. При достижении значения теплопроводности сплавов алюминия Хр = 140 Вт/(м К) темп роста а при увеличении Хр замедляется. Поэтому применение биметаллических труб с оребренной рубашкой из сплавов АМцМ или АД-1 оправдано с точки зрения теплообмена и улучшения массовых характеристик аппарата. При высоте ребра hp = 5... 16 мм оптимальная его толщина 0,5 мм. Увеличение числа заходов винтовой линии накатных ребер от одного до трех не влияет на теплоотдачу и аэродинамическое сопротивление пучков. Объясняется это малыми углами наклона винтовой линии накатных ребер, что обеспечивает практически одинаковую теплоотдачу - труб с шайбовым и накатным оребрением.
Технология изготовления биметаллических труб существенным образом влияет на термическое сопротивление в месте контакта двух металлов, которое необходимо учитывать в тепловом расчете. Установлено, что не следует добиваться большого уменьшения высоты неровностей сопрягаемых поверхностей, поскольку существенное влияние оказывает усилие выпрессовки, которое должно составлять (4...7)10 Н. Снижение термического сопротивления может быть достигнуто применением прокладок из медной, свинцовой или оловянной фольги толщиной 0,1... 0,2 мм.
Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве Cq= 20... 300 Вт/(м -К), а в трубах он зависит от физических свойств прокачиваемых теплоносителей. В тех случаях, когда воздух охлаждается водой циркулирующей в трубах, коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к воде 0 = 7...8 кВт/(м2»К). При коэффициенте оребрения фор 7 термическое сопротивление теплоотдачи в трубах и в межтрубном пространстве становится соизмеримым, следовательно, соотношение скоростей потоков теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве не может быть принято произвольным. При циркуляции в трубах более вязких и менее теплопроводных жидкостей оптимизацию скоростей следует производить при коэффициенте оребрения ф0р 4.
В ТА установок кондиционирования воздуха часто применяют трубы с коллективным оребрением (рис. 1.16.). Собирающие пластины для интенсификации теплообмена штампуют с зигзагами или волнами, перпендикулярными к потоку воздуха. Используют также перфорированные пластины и пластины с просечками, в которых наличие просеченных участков пластины, смещенных относительно ее поверхности, приводит к разрушению образующегося пограничного слоя.
В бытовых кондиционерах типа БК одиночные ребра из алюминия прямоугольной формы толщиной 0,2 мм с выштампованными воротниками надеты с натягом на медные трубы. В более мощных установках нередко применяют трубы, оребренные спиральной гофрированной лентой. Если не принять мер по уменьшению термического сопротивления в месте контакта труб с ребрами, то эффективность оребренных поверхностей может снизиться в 1,5 - 2 раза. Исследование теплоотдачи медно-алюминиевых трубчато-ребристых ТА с насадными ребрами позволило установить следующее.
Описание экспериментальной установки и объектов и иследования
С целью экспериментальной проверки методики и аналитических зависимостей для определения температуры корпусов аппаратов, имеющих различные рубашки охлаждения, была разработана экспериментальная установка, предназначенная для исследования процессов внутреннего и внешнего теплообмена в системе, включающей нагреваемый теплоносителем фрагмент корпуса аппарата.
Установка состояла из устройства размещения исследуемого фрагмента (модуля) корпуса аппарата, системы подготовки и распределения теплоносителя, тепловизионной системы и системы управления экспериментом (рис. 3.1).
Сварка выполняется также по ГОСТ 14771-79, но плавящимся электродом в защитном газе.
Ввод и вывод теплоносителя осуществляли через штуцера, расположенные, соответственно, в нижней и верхней части образцов. Опытные образцы были изготовлены из нержавеющей стали (08Х18Н10Т). Выбор материала основывали на обеспечении максимальной наглядности результатов, что возможно при єго большом термическом сопротивлении - /іх18н10т = 17 Вт/м2 С.
Устройство размещения исследуемого объекта представляло собой рамную конструкцию, на которой закреплялся фрагмент исследуемого корпуса аппарата, была установлена схема разводки теплоносителя, контактные и безконтактные измерительные преобразователи температуры.
Система подготовки теплоносителя включает: рабочую емкость, заполненную теплоносителем (дистиллированная вода), с заданной, в соответствии с программой эксперимента температурой, систему терморегулирования являющеюся системой программного управления.
Для обеспечения стабильной работы функционирования, системы подготовки теплоносителя в ее состав была введена подпитывающая емкость, образующая с рабочей сообщающие сосуды.
В связи с необходимостью обеспечения значительного диапазона объемных расходов (0,04-1,5) л/с в состав установки вошел блок насосов. Эксперименты с расходом теплоносителя (0,01-0,04) л/с обеспечивал ультра термостат UTU-2/77. В этом диапазоне были исследованы нестационарные процессы в плоской панели со штрипсовой рубашкой.
Для исследования теплообмена в образцах (плоская панель со штрипсовой рубашкой и цилиндрическая обечайка с пуклеванной рубашкой) при рабочих значениях расходов (0,4-1,5) л/с (близких к расчетным для проектируемой системы охлаждения) применялся центробежный насос К8/18.
В области значений расходов (0,04-0,25) л/с при изучении теплообмена в системе аппарат - окружающая среда применялся насос 2Д44П «Малыш». Такая конструкция системы подготовки теплоносителя позволила обеспечить поддержание температуры рабочей емкости с погрешностью -±0,05С при температуре 20С и не более 0,25% в диапазоне (30 ч- 100)С. В режиме работы с внешними устройствами в диапазоне температур (20 4- 25)С в установившемся режиме, погрешность стабилизации температуры в заданной фиксированной точке модуля не превышала 0,2С, а в диапазоне (30 -f- 80)С не более 0,8С.
Два кольца циркуляции: малое (внутреннее), используемое при выходе на режим постоянной температуры носителя и внешнее, обеспечивающее ток теплоносителя через исследуемый объект, дали возможность исследовать как статические, так и динамические характеристики исследуемого объекта.
Задачу измерения температурных полей выполняла тепловизионная система «ПВТ-4». Принцип действия системы основан на регистрации теплового излучения объекта и восстановления по полученной информации его температурного поля.
Тепловизор ПВТ-4 относится к оптико-электронным приборам пассивного типа, использующим для своей работы естесвенное инфракрасное излучение (ИК-излучение) объектов. В качестве чувствительного элемента в приборе применена чувствительная телевизионная передающая трубка с пироэлектрической мишенью (пировидикон). Структурная схема прибора приведена на (рис. 3.4).
Конструктивно ПВТ-4 разбит на четыре блока: 1) тепловизионная камера с ИК-объективом; 2) блок запоминания информации (БЗИ); 3) блок питания; 4) видеосмотровое устройство (ВСУ).
В тепловизионной кармере осуществляется преобразование ИК-излучения, поступающего от исследуемого объекта на мишень пировидикона, в электрический сигнал, усиление этого сигнала и формирование стандартного телевизионного сигнала. Исследуемый объект проецируется на мишень пировидикона, с помощью ИК-объектива. Пироэлектрическая мишень поглощает сфокусированную тепловую энергию. В результате поглощения на поверхности мишени формируется температурный рельеф, который в свою очередь наводит электрические заряды на обратной стороне пироэлектрической мишени.
Величина образуемых зарядов оказывается пропорциональной изменению поляризации, вызванной изменением температуры. Электрические заряды в каждом элементе разрешения мишени появляются только тогда, когда температура этого элемента мишени меняется. Таким образом, пировидикон не способен формировать видеосигнал при постоянном во времени распределении ИК-излучения на поверхности мишени. Для получения сигналов изображения от неподвижных объектов необходимо произвести модуляцию теплового поля, падающего на мишень.
Практические рекомендации при изготовлении аппаратов с пуклеваной рубашкой, выполняющих различные технологические функции
Проведенные исследования позволили сформулировать практические рекомендации для проектирования рассмотренных аппаратов с принудительным охлаждением (нагреванием) корпуса: - необходимо устанавливать распределяющие коллекторы на входе в рубашку и выходе из нее при использовании пуклеванной рубашки шириной Вр 500 мм при горизонтальном исполнении аппарата; - допустимо вместо коллекторов использовать штуцера входа и выхода, расположенные по середине рубашки, если ширина рубашки горизонтального аппарата Вр 500 мм; - необходимо использовать распределяющие коллекторы для вертикального аппарата с пуклеванной рубашкой независимо от ширины рубашки; - при использовании в рубашке в качестве теплоносителя аммиака или водяного пара при давлении Р 1,3 МПа и толщине стенки аппарата San 4 мм толщина рубашки должна быть 2,5 sp 1,5 мм, шаг укрепляющих точек L 70 мм, а диаметр отверстий под сварку dCB = 5 ± 1 мм. - в той же конструкции, но при использовании в качестве теплоносителя жидкости (гликоля) при давлении Р 0,6 МПа и толщине стенки аппарата San 3 мм, толщина рубашки должна быть 2,5 sv 1мм, шаг укрепляющих точек L 100 мм, а диаметр отверстия под сварку dCB= 4 ± 1 мм. - оптимальным расположением укрепляющих точек рубашки является их размещение по вершинам квадрата.
В настоящее время техническими возможностями для выпуска аппаратов с пуклеванной рубашкой в России располагает только ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова».
Уже сейчас на названном предприятии созданы и нашли широкое практическое применение аппараты с использованием пуклеваной рубашки, параметры которой были разработаны при выполнении экспериментальной части данной работы (Глава 3).
Одним из примеров практического применения таких аппаратов является вертикальная емкость-ферментатор (рис. 4.6), которая используется в пищевой промышленности для хранения биомассы.
Данный аппарат имеет следующие технические характеристики: внутренний диаметр - 600мм, толщина стенки корпуса - Змм, высота -3830мм. На поверхности корпуса выполнена пуклеванная рубашка высотой 1500мм, вход и выход теплоносителя осуществляется через распределительные коллекторы.
Еще один вид аппаратов с пуклеванной рубашкой - емкость буферная (форфас) внутренним объемом V=10M . Аппарат применяется для хранения пива. Емкость представляет собой вертикально выполненную конструкцию на четырех опорах-стойках со следующими техническими характеристиками: внутренний диаметр - 2000мм, толщина стенки корпуса -4мм, высота - 4300мм, на поверхности корпуса выполнена пуклеванная рубашка высотой 910мм, вход и выход теплоносителя осуществляется также через распределительные коллекторы.
Выводы
1. Результаты проведенных исследований нашли практическое применение при изготовлении промышленной аппаратуры и исследовательского оборудования.
2. Разработанные конструкции и технологии изготовления рубашек охлаждения (нагревания) могут быть использованы при изготовлении оборудования различного назначения в широком диапазоне режимов их эксплуатации. Опыт эксплуатации оборудования, изготовленного с учетом изложенных в работе методик расчета и конструктивных усовершенствований, свидетельствует о его эффективности и перспективности использования в промышленности.
1. Определены конструктивные параметры пуклеванной рубашки, обеспечивающие снижение металлоемкости. По результатам комплексных экспериментальных исследований даны практические рекомендации по проектированию аппаратов с пуклеванной рубашкой, позволяющие снизить металлоемкость и повысить прочностные характеристики. Например, при использовании в качестве теплоносителя аммиака или водяного пара под давлением Р 1,3 МПа: толщина стенки аппарата Sm 4 мм, толщина рубашки 2,5 sp 1,5 мм, шаг укрепляющих точек L 70 мм, а диаметр отверстий под сварку я?св= 5 ± 1 мм.
2. Разработан способ изготовления пуклеванной рубашки методом холодной штамповки, обеспечивающий высокую технологичность.
3. Выполнены экспериментальные исследования процесса нестационарного теплообмена в емкостных аппаратах, которые позволили получить значения коэффициентов теплоотдачи в каналах штрипсовых и пуклеванных рубашек.
4. Разработаны алгоритм и расчетная программа тепловых расчетов емкостных аппаратов со штрипсовыми и пуклеванными рубашками, которая совместно с уравнениями теплового баланса и критериальными уравнениями позволяет определить рациональные размеры рубашек и их место расположения на корпусе аппарата.
5. Произведены испытания на прочность образцов пуклеванной рубашки, которые позволили выявить оптимальное расположение укрепляющих точек сварных соединений.
6. Разработаны новые конструкции элементов канальных систем охлаждения биметаллических корпусов аппаратов (патенты № 53422, 56840), обеспечивающие эффективную работу теплообменных устройств и технологичность конструкции.
7. Даны рекомендации по конструированию и изготовлению аппаратов со штрипсовыми, пуклеванными рубашками и биметаллических корпусов с внутренними каналами внедрены на ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова».
