МАШИНОСТРОЕНИЕ

АППАРАТЫ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Одним из путей решения вопроса сохра­нения водных ресурсов и улучшения санитар­ного состояния водоемов является использова­ние аппаратов (теплообменников) воздушного охлаждения (АВО), в которых охлаждающим агентом служит воздух. За последние десяти­летия эти аппараты получили широкое распро­странение как в нашей стране, так и за рубе­жом. Разработкой и внедрением аппаратов воздушного охлаждения занимаются ОАО «ВНИИнефтемаш», фирмы Хадсон (США), GEA (Германия), Крезо-Луар (Франция).

Изготовляемые серийно аппараты предна­значены для воздушного охлаждения и конден­сации газообразных, парообразных и жидких сред для многих отраслей промышленности.

Классификация аппаратов воздушного охлаждения. Эти аппараты классифицируют по расположению трубных пучков - на гори­зонтальные (АВГ), зигзагообразные (АВЗ); по назначению - на холодильники и конденсаторы.

Для охлаждения сред с вязкостью на вы­ходе до 5-Ю"5 м2/с предназначены аппараты типов АВГ и АВЗ, для охлаждения вязких про­дуктов (масел, гудронов и т. д.) с вязкостью на выходе до 2-Ю-4 м2/с - аппараты типа АВГ-В, а для охлаждения высоковязких продуктов типа битума или крекинг-остатка - аппараты типа АВГ-ВВП.

Конструкции аппаратов воздушного охлаждения. Аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа имеет сварную раму /, на которой размещен ряд теплообменных сек­ций 2 (рис. 4.1.25). Секции состоят из пучка поперечно оребренных труб, по которым про­качивается конденсируемая (охлаждаемая) среда. Снизу к раме прикреплены диффузор 3 и коллектор 6. По центру коллектора расположен осевой вентилятор 5, который вместе с угло­вым редуктором 9 и электродвигателем 7 смонтирован на отдельной раме 8. Воздух, нагнетаемый вентилятором, проходит через теплообменные секции, омывая наружную поверхность оребренных труб, и обеспечивает тем самым конденсацию и охлаждение прока­чиваемой по трубам среды.

Для повышения эффективности аппарата в его конструкции предусмотрены распыли - вающие водяные форсунки 4, автоматически включающиеся при повышенной температуре окружающей среды в летний период работы. При низкой температуре (зимой) можно от­ключать электродвигатель и вентилятор; при этом конденсация и охлаждение происходят за счет естественной конвекции.

Интенсивность теплосъема в аппарате можно регулировать изменением, например, расхода прокачиваемого воздуха за счет угла наклона лопастей вентилятора.

Теплообменная секция таких аппаратов со­стоит из четырех, шести или восьми рядов труб 3, размещенных по вершинам равносто­ронних треугольников в двух трубных решет­ках 1 (рис. 4Л.26). Трубы закреплены в труб­ных решетках развальцовкой или развальцов­кой со сваркой. Секции могут быть одно - и многоходовыми. В многоходовых секциях воз­душного охлаждения, где при конденсации паров объем прокачиваемой среды уменьшает­ся по мере ее движения по трубам, последова­тельно по ходам аппарата уменьшается и число труб.

Для обеспечения жесткости трубного пучка секция укреплена металлическим каркасом 4. Однако при эксплуатации гайки на шпильках 2, соединяющих решетку с каркасом, должны быть отвинчены на расстояние, превышающее возможное температурное удлинение труб.

В трубном пучке каждая труба может иметь индивидуальный прогиб. Для исключе­ния вибраций труб и контакта ребер верхнего ряда труб с ребрами труб нижнего ряда в не­скольких местах по длине трубы размещают промежуточные опоры. Для этой цели между соседними рядами труб помещены дистанци­онные прокладки 5 шириной 15 мм из алюми­ниевой ленты толщиной 2 мм.

Расстояние между промежуточными опо­рами не должно быть больше 1,8 м.

Распределительные камеры могут быть разъемной конструкции, т. е. состоять из крыш­ки б, соединенной с трубной решеткой, или неразъемной конструкции. Если секция аппа­рата многоходовая, то крышки снабжают пере­городками, которые делят трубный пучок на ходы. Съемные крышки обычно выполняют литыми из стали. Конструкции крышек и рас­пределительных камер представлены на рис. 4.1.27 и 4.1.28.

В тех случаях, когда разность температур охлаждаемого потока, поступающего в один из ходов по трубам, и выходящего потока смеж­ного хода превышает 90 °С, применяют раз­дельные или разрезные камеры, U-образные конструкции трубных пучков или другие спо­собы снижения температурных напряжений в конструкции.

В верхней и нижней точках каждой рас­пределительной камеры должны быть преду­смотрены воздушные и дренажные отверстия диаметром не менее 20 мм для слива конденса­та. В перегородках распределительных камер многоходовых секций также предусматрива­ются дренажные отверстия небольшого диа­метра (6... 10 мм) для стока жидкости в ниж­нюю точку камер.

В разборных конструкциях распредели­тельных камер плоскости разъема камеры и трубной решетки уплотняют прокладками. В качестве прокладок в отечественной практике используют паронит. Перемычки в прокладке должны выполняться как одно целое с ее на­ружной частью.

В неразъемных конструкциях особое внимание обращается на отверстия для пробок. Контактная поверхность под прокладки пробок должна находиться в гнезде во избежание за­боин и других повреждений. Диаметр отвер­стия под пробку, через которое выполняются развальцовка труб и их очистка, должен быть больше наружного диаметра трубы.

Трубы в аппаратах воздушного охлажде­ния имеют оребрение по наружной поверхно­сти. Коэффициент оребрения труб, характери­зующий отношение наружной поверхности оребренной трубы к поверхности гладкой тру­бы того же диаметра, составляет 6.. .22.

Основные типы оребрения труб - это на­витые алюминиевые или стальные ребра, на­садные алюминиевые и стальные ребра, а так­же ребра, скрепленные с несущей трубой мето­дом горячей гальванизации или с помощью пайки на твердых припоях. Минимальная тол­щина ребер 0,35 мм.

Отечественные аппараты воздушного ох­лаждения укомплектовывают осевыми венти­ляторами с диаметром колеса 0,8; 2,8; 5 и 7 м.

Количество вентиляторов, располагаемых в аппарате, зависит от длины труб: в аппаратах с длиной труб до 4 м устанавливают один вен­тилятор по длине секции, в аппаратах с длиной труб до 8 м - не менее двух. Наличие на аппа­ратах воздушного охлаждения двух вентилято­ров в сочетании с автоматическими устройст­вами позволяет упростить схему регулирова­ния воздушного потока.

Один из способов регулирования - руч­ное управление, осуществляемое через тягу 2 с помощью дистанционного механизма пово­рота лопастей (рис. 4.1.29, а). Дистанционный механизм состоит из червячно-винтового подъ­емника 5, закрепленного на ступице 7, который
сообщает поступательное движение винту 4, соединенному с водилом б. В кольцевой паз водила входят пальцы 8 рычагов 9, закреплен­ных на валах 10 лопастей У. При помощи рыча­гов поступательное движение водила преобра­зуется во вращательное, и происходит одно­временный поворот всех лопастей. Поворот лопастей вентилятора вручную позволяет не­сколько раз в течение суток изменять рабочий режим аппарата воздушного охлаждения, что обеспечивает экономию расхода электроэнер­гии до 60 %.

Регулирование с помощью пневматиче­ского механизма осуществляется следующим образом (рис. 4.1.29, б). Давление сжатого воз­духа, действующее на мембрану 73, преобразу­ется в силу, необходимую для перемещения водила б. Поступательное движение водила при помощи рычагов 9 и пальцев 8 преобразу­ется во вращательное и поворачивает лопасти У. При отсутствии в системе воздуха пружина 12 возвращает лопасти в первоначальное положе­ние, которое может соответствовать макси­мальному или минимальному углу наклона лопастей. В первом случае при отсутствии в системе сжатого воздуха аппарат воздушного охлаждения будет работать с наибольшей теп- лопроизводительностью, во втором - тепло - производительность будет минимальной, что позволит предотвратить переохлаждение среды.

При отключении двигателей охлаждение труб аппарата воздушного охлаждения проис­ходит за счет естественной конвекции воздуха. В теплое время такой теплосъем составляет только 20...30% теплоты, отбираемой при принудительном обдуве труб, но в холодное время года он может достигать 65 % теплопро - изводительности аппарата. Установлено, что при температуре воздуха ниже -25 °С может быть обеспечена полная расчетная теплопроиз - водительность аппарата и без работающих вентиляторов.

Расчет аппаратов воздушного охлаж­дения. Механический расчет аппарата воз­душного охлаждения сводится к расчету кры­шек камер и трубных решеток.

Ниже рассматривается расчет наиболее распространенных в нашей стране аппаратов воздушного охлаждения с разъемными камера­ми с литой крышкой-фланцем (см. рис. 4.1.27).

Принимая во внимание, что соотношение размеров секций в плане (длины А к ширине В) А/В> 1,5 и жесткость крышек на изгиб в про­дольном направлении намного больше, чем в поперечном, при расчете конструкции в упру­гой стадии крышка считается открытой прямо­угольной коробчатой оболочкой, состоящей из донышка и боковин, сопряженных с краевыми балками (фланцами), и на продольных краях это сопряжение выполнено жестким, а на по­перечных - шарнирным.

Напряженно-деформированное состояние (НДС) прямоугольной коробчатой оболочки аналогично НДС ее развертки, нагруженной теми же силами и снабженной жесткими опо­рами в местах излома. Тогда толщина донышка крышки должна отвечать условию

Где Яр - расчетный размер решетки в попе­речном направлении, мм; Bq - внутренний размер камеры в поперечном направлении, мм; В3 - расстояние между осями болтов в попе­речном направлении, мм; Lp - расчетный раз­мер решетки в продольном направлении, мм; Lq - внутренний размер камеры в продоль­ном направлении, мм; И - глубина камеры, мм; 1\ - плечо изгибающего момента, мм; s5 - толщина фланца крышки, мм; s5 - толщина стенки крышки в месте соединения с фланцем, мм; 54 - толщина донышка крышки, мм; F - расчетная сила в болтах, Н; р - расчетное давле­ние, МПа; [а]к - допускаемое напряжение для

Материала крышки, МПа; с - прибавка на кор­розию, мм.

В формуле (4.1.5) первое выражение ис­пользуется для крышек типа а - в, второе - для крышек типа г (см. рис. 4.1.27).

Толщина стенки крышки в месте присое­динения к фланцу должна соответствовать условию

4/,

55 >0,71

Мк \Ф + Хк

Где ф - коэффициент прочности сварных швов; Хк - безразмерная характеристика нагружения

Крышки давлением, действующим на ее флан­цевую часть.

В качестве расчетной схемы трубной ре­шетки в аппарате принята прямоугольная ре­шетка, покоящаяся своей средней частью на упругом основании, моделирующем сжатый трубный пучок, и нагруженная равномерно распределенной нагрузкой и распределенными по контуру перерезывающими силами и изги­бающими моментами. По такой расчетной схе­ме толщина трубной решетки аппарата в пре­делах зоны с отверстиями должна отвечать условию

I D

S} >0,71 Вт

[фрМр

+ фр +Q) + 1,5

Коэффициенты Ар, фр, Q определяют­ся по формулам:

AFB\ 1 л ^

При Pr\<q>T[q]T;

Р2 +

^ЫтО+Фт)

При Рц > фт [q]T,

Где Вт - расчетная ширина зоны решетки с отверстиями, мм; В\ - ширина зоны решетки толщиной 5], мм; \q\T - допускаемая нагруз­ка на единицу площади трубного пучка из ус­ловия прочности труб, МПа; фт - коэффици­ент уменьшения допускаемого напряжения труб при продольном изгибе; фр - коэффици­ент ослабления решетки; Г| - вспомогательный коэффициент (см. ГОСТ 25822).

При малоцикловых нагрузках (если рас­четное число циклов нагружения находится в пределах 103... 10е) производится расчет конст­рукции на малоцикловую усталость. Макси­мальные амплитуды условных упругих напря­жений в элементах крышки и решетки, вычис­ленных, как описано выше, с учетом соответ­ствующих коэффициентов концентрации на­пряжений, не должны превышать допускаемой амплитуды приведенных упругих напряжений, определенной в соответствии с ГОСТ 25859.

Тепловой расчет аппарата воздушного охлаждения аналогичен в своей последова­тельности расчету кожухотрубчатых аппара­тов. Гидравлический расчет производят исходя из того, что гидралическое сопротивление при движении продукта внутри труб складывается из потерь на трение и местные сопротивления.

Аппараты воздушного охлаждения вы­пускаются с площадью поверхности теплооб­мена до 23 тыс. м2.