Проектирование, эксплуатация, обслуживание и ремонткожухотрубчатоготеплообменникаустановки гликолевой осушки

Совместный эффект от эрозии и химического воздействия среды значительно выше, чем от их воздействия по отдельности.Механические процессы, связанные с вибрацией:– фрикционный износ трубок в серединах пролетов или в области гибов при их соударениях, а также в зоне прохода через отверстия в промежуточных перегородках за счет вибрации трубок в потоке теплоносителя.Термические процессы:– перегрев металла трубок выше допустимого, вызванный, например, нарушением правил технической эксплуатации;– стесненность термических расширений теплообменных трубок и как следствие появление в материале дополнительных напряжений.Все отмеченные процессы могут усугубляться дефектами изготовления, монтажа и эксплуатации, такими как механические повреждения (задиры, царапины и т.д.) на наружной поверхности металла трубок при сборке, повреждения теплообменных трубок за счет различных инородных предметов, а также возникновением в трубках при вальцевании напряжений кручения.Вследствие различных повреждений в ходе эксплуатации в трубном пучке появляются утечки. Как правило, в таких случаях на поврежденные трубы устанавливаются заглушки, и эти теплообменные трубки выводятся из эксплуатации. С увеличением числа труб с установленными заглушками снижается эффективность установки, поскольку возрастает гидравлическое сопротивление и уменьшается поверхность теплообмена. В том случае, если заглушено более 15% труб, то, как правило, производится полная замена трубного пучка теплообменного аппарата.Однако, при повреждении трубных пучков в большинстве случаев в негодность приходит первый участок (15 мм), а большая часть длины трубного пучка остается неповрежденной. Полная замена труб в таких случаях является не самым рациональным путем, поскольку требует значительных затрат времени и средств. Однако, известна технология ремонта труб теплообменников, которая позволяет произвести локальное восстановление трубы с помощью развальцованного металлического дублера (щита)[18]. Хотя, в отдельных случаях, такой способ позволяет произвести восстановление и всей трубы путем установки вставки (лайнера) на всю длину поврежденных труб. Примеры установки щита и лайнера показаны на рис. 13.При этом способе восстановления обеспечивается герметизация поврежденных участков труб. Вставки изготавливаются из различных сплавов, в зависимости от материала трубы, функций теплообменника и механизма разрушения. Наиболее восстребованными являются вставки из медных сплавов, обычной коррозионно-стойкой стали, сверхаустенитных коррозионно-стойких сталей и сплавов на основе никеля. Такое многообразие дает возможность подобрать необходимый сплав для защиты от специфических механизмов разрушений.абРис. 13. Вставка металлических дублеров труб: щита (а) и лайнера (б)Процесс установки включает в себя несколько этапов:– чистка внутреннего диаметра трубы проволочной щеткой для герметичного уплотнения;– продувка труб сжатым воздухом;– измерение внутреннего диаметра трубы для определения требований к развальцовке;– установка щитов в концы трубы;– развальцовка внутреннего участка щита с использованием механического ограничителя;– развальцовка внешнего участка щита под профиль трубной решетки.Установка щитов возможна в установки с давлением до 30 МПа и температурой 300°С. Такой способ восстановления труб является экономически наиболее целесообразным способом ремонта.ГЛАВА 5РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКАТепловой расчет кожухотрубчатых теплообменных аппаратов основан на применении уравнения теплопередачи и уравнения теплового баланса [19]. Такой расчет в общем случае состоит из двух частей: теплового конструктивного расчета и теплового поверочного расчета [20].Цель теплового конструктивного расчета состоит в определении площади поверхности теплообмена и количества переданного тепла. Такой расчет выполняется при проектировании новых теплообменных аппаратов.Целью теплового поверочного расчета является определение конечных температур теплоносителей и количества переданного тепла. Для такого расчета должна быть известна конструкция аппарата и соответственно площадь поверхности теплообмена.Уравнение теплового баланса имеет вид:, (1)где Q1 – тепло, отдаваемое горячим теплоносителем, Вт;Q2 – тепло, принимаемое холодным теплоносителем, Вт; ΔQ – потери тепла в окружающую среду, Вт.При допущении малости тепловых потерь выражение (1) примет вид, (2)где Q – тепловая мощность теплообменника, Вт.Для случая, когда теплоносители не изменяют агрегатного состояния, выражение (2) может быть записано следующим образом:, (3)гдеG1 – массовый расход горячего теплоносителя, кг/с; ср1 – удельная изобарная теплоемкость горячего теплоносителя, Дж/(кг К);Т1′, Т1′′ –температура горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменника, °С;G2 – массовый расход холодного теплоносителя, кг/с; ср2 – удельная изобарная теплоемкость холодного теплоносителя, Дж/(кг К);Т2′, Т2′′ –температура холодного теплоносителя на входе и выходе из теплообменника, °С.Расходы теплоносителей могут быть определены из уравнения неразрывности;(4)где ρ – плотность теплоносителя, кг/м3;w – средняя скорость движения теплоносителя, м/с;f – площадь поперечного сечения канала для прохода теплоносителя, м2.Для случая n числа круглых труб площадь поперечного сечения канала определяется из соотношения, (5)dВ – внутренний диаметр трубы, м.Внешний канал для прохода теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника с n числом трубок определяется из соотношения, (6)где D – внутренний диаметр кожуха, м;dН – наружный диаметр трубок в трубном пучке, м.Уравнение теплопередачи позволяет определить необходимую поверхность теплопередачи, (7)где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К4);F – площадь поверхности теплопередачи, м2; Δ – средний температурный напор, °С.Рассчитанная из соотношения (3) величина тепловой мощности Q позволяет определить площадь поверхности теплообмена. (8)Фактически задача расчета сводится к вычислению коэффициента теплопередачи и средней разности температур теплоносителей.Расчет средней разности температур проводится в зависимости от принятой схемы движения теплоносителей (рис. 14).Рис. 14. Основные схемы движения теплоносителей:а) прямоток; б) противоток; в) перекрёстный ток; г) сложный токДля прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей среднюю разность температур можно определить из сотношений, если ; (9), если , (10)где ΔTmaxи ΔTmin – максимальная и минимальная разности температур теплоносителей (рис. 15).Рис. 15. Изменение температуры горячего и холодного теплоносителей вдоль поверхности теплообмена: а) при прямотоке; б) при противотокеПри определении среднего температурного напора при сложном движении рассчитанную по соотношениям (9) и (10) среднюю разность температур умножают на поправочный коэффициент, учитывающий особенности теплообмена при сложном токе.Одной из основных задач расчета теплообменника является определение коэффициента теплопередачи. Для случая отсутствия загрязнений на стенках теплообменных труб круглого сечения он определяется по формуле [20]:, (11)где dС – средний диаметр теплообменных труб, м; α1 – коэффициент теплоотдачи внутри теплообменных труб, Вт/(м2 К);dВ – внутренний диаметр теплообменных труб, м. λw – коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м К); α2 – коэффициент теплоотдачи внутри теплообменных труб, Вт/(м2 К);dН – наружный диаметр теплообменных труб, м.Для тонких труб средний диаметр определяется из соотношения:. (12)Коэффициенты теплоотдачи могут быть определены по критериальным уравнениям [20] с использованием критерия Нуссельта, (13)где l – определяющий размер, м.При расчете теплоотдачи внутри трубок трубного пучка определяющим размером является dВ. При расчете теплоотдачи в межтрубном пространстве с числом трубок n определяющим размером является эквивалентный диаметр dЭКВ, который определяется из соотношения. (14)В табл. 2 представлены критериальные уравнения для случая вынужденного движения теплоносителя для различных режимов течения.Таблица 2Критериальные уравненияРежим теченияКритериальное уравнениеЛаминарныйRe < 2000Переходной2000 < Re < 104ТурбулентныйRe > 104В данной главе приведена последовательность выполнения основного для теплообменного аппарата вида расчета – теплового. Однако, этот расчет на практике может быть дополнен и другими, например, гидравлическим, механическим, технико-экономическим. Все указанные виды расчетов объединяют в проектный расчет.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ работе изложены общие сведения о кожухотрубчатых теплообменниках и показано их место в технологических установках гликолевой осушки. Описано устройство кожухотрубчатых теплообменников и их маркировка, а также подробно рассмотрены их основные конструктивные элементы.Проведен обор современного состояния и направлений модернизации кожухотрубчатых теплообменников. Приведены примеры конструктивных усовершенствований, направленных на повышение эффективности работы теплообменников.Показаны основные причины возникновения отказов теплообменного оборудования. Приведены рекомендации по техническому обслуживанию и профилактике неисправностей теплообменников. Рассмотрены современные методы ремонта основных конструктивных элементов кохужотрубчатых теплообменников.Изложены основы теплового расчета кожухотрубчатых теплообменников и даны рекомендации по выбору и определению основных проектных параметров.В целом, необходимо отметить, что качество проектирования, изготовления, монтажа и наладки теплообменного оборудования оказывает существенное влияние на дальнейшую эксплуатацию и реализацию заложенных технико-экономических показателей.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Инжиниринговая компания «ГазСёрф» [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - Режим доступа: http://gazsurf.com/ru, свободный.2. Арнольд К., Стюарт М. Справочник по оборудованию для комплексной подготовки газа. Промысловая подготовка углеводородов / Перевод с английского. – М.: ООО «Премиум Инжиниринг», 2009. – 630 с.3. Дмитриев Е.А., Моргунова Е.П., Комляшёв Р.Б. Теплообменные аппараты химических производств: учеб.пособие. – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013. – 88 с.4. Шишкин Б.В. Прочность и вибрации кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: учеб.пособие. – Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2013. – 142 с.5. Нефтяная и газовая промышленность. Кожухотрубчатые теплообменники. Технические требования: ГОСТ Р 53677–2009; введ. 01.01.2011.6. Теплообменники энергетических установок: учебное электронное издание / Ю.М. Бродов, К.Э. Аронсон, С.Н. Блинков и др. – Екатеринбург: УрФУ, 2015. – [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - Режим доступа: http://openedu.urfu.ru, свободный.7. Кожухотрубный теплообменник с плавающей головкой: а. с. 531991 СССР: F28D7/00 / В.А. Хоружий, Н.А. Шкиндель (СССР). – № 1199122/06; заявл. 25.11.67; опубл. 15.10.76, Бюл. № 28.8. Кожухотрубчатый теплообменник: а. с. 1067338 СССР: Кл. F28D7/00 / Г.С. Круглова, В.И. Петровых (СССР). – № 3508807/24-06; заявл. 02.11.82; опубл. 15.01.84, Бюл. № 2.9. Многоходовой кожухотрубный теплообменник: патент BY 5755 U2009.12.30Республика Беларусь: МПК (2006) F28D7/00; F28F1/00 / Кортинский В.А., Михадюк А.В., Гаркуша К.Э., Синяков А.Л. (BY); заявитель Учреждение образования «Белорусский государственный аграрный технический университет» (BY). – № 2000108705/28; заявл. 21.05.2009; опубл. 30.12.2009.10. Shell-and-TubeHeatExchanger: патент WO2019066388 (А1)Республика Корея: МПКF24H1/36; F24H9/00; F28D7/00; F28F13/06 / ParkJ.K., AhnS.J., LimH.M.(KR); заявитель KYUNGDONGNAVIENCOLTD(KR). – № WO2018KR11154; заявл. 20.09.2018; опубл. 04.04.2019.11. HeatExchanger: патентWO2019073880 (А1) Япония: МПКB60H1/32; F25B39/00; F25B39/02; F25B39/04; F25B41/04; F25B5/04; F25B6/04 / Sugimura R., Kawakubo M., Kato D., Ito T., Mieda H. (JP); заявительDENSO CORP (JP). – № WO2018JP37044; заявл.03.10.2018; опубл. 18.04.2019.12. Кожухотрубный теплообменник с оребренными трубками: пат. 2352885 Рос. Федерация: МПКF28F9/22 / Лесниченко А.Я., Ермоленко Д.И., Гусев А.А. (RU); заявитель и патентообладатель ЗАО «Уральский турбинный завод» (RU). – № 2007137283/06; заявл. 08.10.2007; опубл. 20.04.2009, Бюл. № 11.13. Кожухотрубный теплообменник: пат. 2494329 Рос. Федерация: МПКF28D7/16, F28F9/22 / Гладков Н.Г., Головин Я.В., Трофимов В.К., Демина О.В. (RU); заявитель и патентообладатель Гладков Н.Г., Головин Я.В., Трофимов В.К., Демина О.В. (RU). – № 2012104364/06; заявл. 09.02.2012; опубл. 27.09.2013, Бюл. № 27.14. Кожухотрубный теплообменник: пат. 2516998 Рос. Федерация: МПКF28D7/16, F28F9/013 / Гуреев В.М., Гортышов Ю.Ф., Нуруллин Р.Г., Низамиев И.Л., Юнусов Р.Р., Гуреев М.В., Низамиев Л.Б. (RU); заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический универсистет им. А.Н. Туполева-КАИ» (RU). – № 2012113326/06; заявл. 05.04.2012; опубл. 27.05.2014, Бюл. № 15.15. Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения: ГОСТ 18322–78; введ. 01.01.1980.16. Надежность в технике. Основные понятия: ГОСТ 27.002–89; введ. 01.07.1990.17. ЧерепашкинС.Е., Латыпов О.Р., Кравцов В.В.Методы исследования коррозии оборудования нефтегазового комплекса. – Уфа: ООО «Монография», 2016. – 104 с.18. СедельниковА.В.Технология ремонта и модернизации АВО и кожухотрубныхТОА при помощи металлических трубных вставок // Химическая техника. – 2017. – № 1. – С. 28–30.19. Шишкин Б.В. Теплотехнический расчет и оформление заказа на теплообменный аппарат: учеб.пособие. – Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2014. – 55 с.20. Тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата / В.В. Бухмиров, Д.В. Ракутина, Ю.С. Солнышкова, М.В. Прокова. – Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2014. – 124 с.