KONTAKT
Dariusz Łukowski
Specjalista ds. mechanicznych
Remontowane wymienniki ciepła stosowane w przemyśle chemicznym:
• Podgrzewacze i chłodnice surowców i półproduktów,
• Kondensatory i skraplacze gazów i opar
• wyparki
Wymienniki stosowane w przemyśle energetycznym:
• Skraplacze i kondensatory pary,
• Podgrzewacze regeneracyjne,
• Chłodnice destylatów i powietrza,
Rodzaje remontowanych wymienników ciepła:
• Wymienniki ze stałymi ściankami sitowymi,
• Wymienniki z głowicą swobodną,
• Wymienniki z U-rurkami,
• Wymienniki o specjalnej konstrukcji
Zakres remontu lub naprawy wymienników używanych:
• Wymiana uszkodzonych rurek,
• Wymiana kompletnych wkładów rurowych,
• Wymiana rurek na rurki z innego materiału,
• Naprawa lub wymiana płaszcza – dennic,
• Renowacja zabezpieczenia antykorozyjnego
Stosowane procesy technologiczne przy remoncie wymienników ciepła.
• Zawalcowywanie lub spawanie rurek do den sitowych, gięcie blach i rur, zwijanie blach, obróbka mechaniczna den sitowychi i powierzchni uszczelniających, czyszczenie i zabezpieczenie antykorozyjne.
Miejsce wykonywania napraw/remontów .
• W obiektach i pracowniach własnych,
• Na terenach klienta.
Cena usługi jest ustalana indywidualnie w zależności od zakresu wykonania prac przygotowawczych, ważności urządzeń oraz trybu realizacji.
STREFA EKSPERTA - REMONT WYMIENNIKÓW CIEPŁA PŁASZCZOWO RUROWYCH
KONTAKT
Dariusz Łukowski
Specjalista ds. mechanicznych
KONTAKT
Dariusz Łukowski
Specjalista ds. mechanicznych
KONTAKT
Dariusz Łukowski
Specjalista ds. mechanicznych
KONTAKT
Dariusz Łukowski
Specjalista ds. mechanicznych
KONTAKT
Dariusz Łukowski
Specjalista ds. mechanicznych
KONTAKT
Dariusz Łukowski
Specjalista ds. mechanicznych
KONTAKT
Dariusz Łukowski
Specjalista ds. mechanicznych
KONTAKT
Dariusz Łukowski
Specjalista ds. mechanicznych
Ogniotrwała wymurówka płaszczy naprawianego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego daje możliwość izolowania ściany zewnętrznej od strefy wysokiej temperatury. Jednak nie da się nigdy uniknąć konieczności zastosowania pewnej ilości połączeń śrubowych. Konstrukcja ich i rozmieszczenie takie, aby pracowały w możliwie najniższej temperaturze sprawiają dużo kłopotu. Równoczesne ewentualne występowanie ciśnienia oczywiście jeszcze bardziej komplikuje sprawę.
Punkt drugi jest to uwzględnienie różnic temperatur poszczególnych części aparatu, jest często źródłem trudności konstrukcyjnej. W niektórych przypadkach zagadnienie to może wymagać tak uciążliwego projektowania szczegółów że zmusza do zarzucenia początkowej koncepcji konstrukcyjnej wymiennika ciepła płaszczowo rurowego lub wyparki.
Jak wiadomo, objętość materiałów zwiększa się przy wzroście temperatury. Wymiary płaszcza, płyt sitowych oraz każdej części wymiennika ulegają zmianie. Są to tak zwane dylatacje cieplne. Przy jednakowej temperaturze wszystkich części aparatu zjawisko to nie powodowałoby trudności. Nierównomierność temperatur, właściwa każdemu wymiennikowi ciepła, wywołuje jednak różne dylatacje. Rurki wydłużają się inaczej niż płaszcz, płyta sitowa zmienia średnicę inaczej niż ściana zewnętrzna itd. Te różnice poszczególnych wydłużeń, jeżeli nie zapewni się im dostatecznej swobody, powoduje nieraz bardzo poważne naprężenia materiału, mogące prowadzić do trwałych deformacji, a nawet do zerwania co zdecydowanie utrudni remont wymiennika ciepła płaszczowo rurowego.
Bez przesady można powiedzieć, że dylatacje są najważniejszym utrudnieniem konstruktora. Rozwiązania konstrukcyjne mające na celu zapewnienie dylatacjom wystarczającej swobody nazywa się kompensowaniem dylatacji cieplnych. Punktem wymagającym pod tym względem najwięcej ostrożności w remontowanych wymiennikach ciepła płaszczowo rurkowych są rurki i płaszcz. Płaszcz osiąga temperaturę bardzo bliską temperatury czynnika , który się z nim styka, rurki zaś mają temperaturę pośrednią pomiędzy temperaturami obu czynników. Pociąga to za sobą dużą różnicę wydłużeń cieplnych. Jeżeli nie zapewniono im wystarczającej swobody, mogą się stać powodem dużych naprężeń w materiale rurek, płaszcza i płyty sitowej w naprawianym wymienniku ciepła płaszczowo rurowym lub w wyparce.
Rozszerzenia promieniowe rurek są bez znaczenia. Naprężenia osiowe mogą w korzystnych przypadkach być niższe od naprężeń dopuszczalnych i wtedy zadowalamy się tzw. kompensacją własną układu. Jeżeli zaś naprężenia przekraczają naprężenia dopuszczalne, co możemy sprawdzić przy pomocy obliczeń, przewidujemy kompensację dodatkową, która zapewniając dylatacjom wystarczającą swobodę nie dopuściłaby do niebezpiecznego wzrostu naprężeń.
Zastosowanie głowicy swobodnej powoduje wzrost kosztów, a dostęp przy remoncie wymiennika ciepła, do jednej z głównych uszczelek między płytą sitową a głowicą jest utrudniony.
Użycie dławika podnosi również koszt budowy, przy pracy pod ciśnieniem zaś jest źródłem nieszczelności. To rozwiązanie wchodzi w rachubę tylko dla małych średnic i niskich ciśnień.
Rury gięte zajmują więcej miejsca niż pęk rur prostych. Wykonanie rur giętych jest kosztowne, trudno je oczyścić od wewnątrz. Kompensatory elastyczne są odpowiednie dla małych ciśnień, powodują jednak trudności konstrukcyjne przy ciśnieniach większych. Doskonale skompensowana konstrukcja za pomocą rur Fidela nadaje się specjalnie dla wysokich temperatur, gdzie występują duże dylatacje, a wytrzymałości materiału są małe. Należy wtedy zupełnie odciążyć materiał od wszelkich naprężeń. Temperatury poszczególnych rur w naprawianym wymienniku ciepła płaszczowo rurowym nie są nigdy idealnie jednakowe. Indywidualne jednostronne umocowanie każdej rury daje największą pewność swobodnych wydłużeń. Konstrukcja ta jest jednak kosztowna i uciążliwa przy montażu. Ustawienie jej jest zwykle pionowe. Dławiki zastosowane dla każdej z rurek z osobna, co praktykuje się głównie w budowaniu skraplaczy parowych, są również kosztowne w wykonaniu.
W skraplaczach pary wodnej ewentualna nieszczelność dławików, powodująca przeniknięcie małych ilości wody chłodzącej do przestrzeni parowej pracującej pod próżnią, nie jest niebezpieczna. Czasem stosuje się, np. w urządzeniach hutniczych dla bardzo wysokich temperatur, cały remontowany wymiennik ciepła płaszczowo rurowy z rur giętych w rozmaity sposób, umieszczonych w ogniotrwałej komorze.
Konstrukcją całkowicie odmienną są tzw. Wymienniki spiralne, które po raz pierwszy ukazały się w Szwecji. Myślą przewodnią tego rozwiązania jest zapewnienie czynnikowi dużej prędkości, a przez to dużego współczynnika wnikania ciepła. Droga jaką czynnik w wymienniku takim przepływa jest długa, gdyż biegnie po spirali.
Firma Belmar posiada uprawnienia dozoru technicznego umożliwiające remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych
Możemy więc wpływać na prędkość liniową jedynie poprzez odpowiedni dobór przekrojów jednego i drugiego czynnika w remontowanym wymienniku płaszczowo rurowym. Jeżeli np. dobierzemy ilość i średnicę rurek zgodnie z założoną w nich prędkością, to tym samym ustalamy sumaryczny obwód rurek i jedynym wymiarem, który wtedy decyduje o wielkości powierzchni jest długość pęku rur.
Przy dużej powierzchni wymiany ciepła w remontowanym wymienniku płaszczowo rurowym lub wyparce, a małym natężeniu przepływu może wyniknąć z rachunku długość pęku nie dająca się urzeczywistnić. W wymienniku rurkowym normalne odstępy między rurami określają z góry w pewnej mierze stosunek przekroju rurek do przekroju na zewnątrz rurek. W konstrukcjach zwyczajnych wewnętrzny przekrój sumaryczny rurek jest zawsze mniejszy od przekroju na zewnątrz rurek. Dlatego łatwiej jest zapewnić poprawną prędkość czynnika w rurkach niż w przestrzeni na zewnątrz rurek. Zastosowanie przegród, podrażających zresztą konstrukcję, poprawi oczywiście warunki przepływu na zewnątrz rurek, ale i ten sposób może być stosowany tylko w pewnych granicach.
Nie możemy przegród tych wprowadzać za wiele, czyli za gęsto. Stosunek przepływu gazów, wynoszący około 1:2, będzie najdogodniejszy , jeżeli rurkami doprowadzimy gaz o mniejszej objętości . Podczas remontu wymiennika ciepła płaszczowo rurowego lub wyparki, nie będzie wtedy wymagał stosowania przegród. Jeżeli jednym z czynników jest ciecz, to jest jeszcze bardziej prawdopodobne, że natkniemy się na trudności. Wprawdzie w przypadku cieczy wchodzą w rachubę prędkości dużo mniejsze, ale za to objętość cieczy w porównaniu z objętością gazu jest bardzo mała. W takich i podobnych przypadkach budowa aparatu o długiej drodze przepływu pozwala niekiedy ominąć trudności. Będą to wymienniki składane z elementów rurowych w baterie.
Albo też Wymienniki ciepła płaszczowo rurowe o jednym wspólnym pęku rur, gdzie przez wbudowanie odpowiednich przegród zmusza się czynnik do odbycia wielokrotnie dłuższej drogi. Wreszcie obydwa sposoby bywają kombinowane. Bardzo ciekawym przykładem intensywnego wymiennika o długiej drodze przepływu jest wymiennik stosowany w technice niskich temperatur. Długość rurek przekracza wymiar rurek znajdujących się w handlu, są więc złożone z części zlutowanych. Jedna warstwa rurek nawinięta jest spiralnie na drugą, przy czym spirale biegną na przemian w lewo i w prawo, co jednak utrudnia remonty wymienników ciepła płaszczowo rurowych.
Ponieważ średnica nawinięcia jest w każdej warstwie inna, warstwy bardzie zewnętrzne otrzymują większy skok linii śrubowej przy większej ilości rurek. W ten sposób długość rurek można otrzymać w przybliżeniu jednakową. Jeden gaz płynie wzdłuż rurek , drugi przepływa wzdłuż głównej osi wymiennika między rurkami. Bardzo zwarta budowa pozwala tu otrzymać dużą powierzchnię w małej objętości aparatu. Przystępując do obliczenia wymiennika projektujący musi obrać pewien typ rozwiązania konstrukcyjnego. Innych bowiem wzorów użyje do wyznaczania współczynników wnikania ciepła np. dla remontowanej chłodnicy płaszczowo rurowej, a innych dla chłodnicy ociekowej. Podobnie musi założyć, który z dwóch czynników wymieniających ciepło ma płynąć rurami, a który – na zewnątrz rur, oraz przyjąć średnicę rur i prędkość liniową.
Podobne przeliczenia przy pomocy z grubsza oszacowanych współczynników wnikania ciepła pozwalają zorientować się jaki obrać układ i sposób prowadzenia czynników, przy czym oczywiści i względy technologiczne muszą być wzięte pod uwagę. Szczególnie ważną rolę odgrywać będzie wynikające z takiego rachunku długość remontowanego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego. Przy założeniu bowiem normalnie stosowanych prędkości czynników w rurkach może się często zdarzyć, że wynikowa długość wymiennika przekroczy długość rurek znajdujących się w handlu. Staje się wtedy konieczne zastosowanie układu o podwójnej drodze przepływu.
Temperatury robocze w remontowanych wymiennikach ciepła płaszczowo rurowych, wyparkach.
Temperatury pracy nie tylko nie są obojętne dla wyboru typu konstrukcyjnego, ale mogą być nieraz decydujące. Istnieją dwa zasadnicze momenty wpływu temperatury roboczej na konstrukcję.
- absolutna wysokość stosowanych temperatur
- różnice temperatur między poszczególnymi częściami aparatury.
Pierwszy moment wpływa głównie na dobór materiałów i uwzględnienie ich właściwości. Dość duża różnorodność stali chromoniklowych o bardzo małej zawartości węgla, z dodatkiem tytanu, molibdenu, wanadu lub kobaltu, pozwala przy zniżonych naprężeniach konstruować aparaturę nawet dla bardzo wysokich temperatur. O gatunku stali decyduje zawartość niklu. Jeżeli nie ma znaczniejszych naprężeń , to temperatura 900 st. Celsiusza , a nawet nieco wyższa , nie sprawia specjalnych trudności podczas remontów wymienników ciepła płaszczowo rurowych - wyparek.
Należy jednak zawsze pamiętać o aktywności chemicznej samego czynnika, która nieraz nie dopuszcza do stosowania wspomnianych materiałów. Bardzo wysoka cena stali ognioodpornych zmusza do daleko idącej oszczędności materiału. Począwszy od temperatury 350 st Celsjusza dla stali węglowej, a 400st Celsjusza dla stali chromoniklowej będziemy w obliczeniach wytrzymałościowych remontowanych wymienników ciepła płaszczowo rurowych lub wyparek, kierować się nie granicą wytrzymałości, ale granicą płynności granicą pełzania., która jest funkcją czasu. W temperaturach bardzo wysokich decydująca będzie już tylko granica pełzania.
Firma Belmar posiada uprawnienia dozoru technicznego umożliwiające remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych
Chętniej prowadzimy wtedy wodę chłodzącą rurkami niż na zewnątrz rurek, bo otwarcie dna remontowanego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego lub wyparki pozwoli je oczyścić. Jeżeli z innych względów jesteśmy zmuszeni prowadzić wodę dookoła rurek, staramy się w miarę możliwości zapewnić możliwość rozebrania aparatu. Podnosimy płaszcz lub wysuwamy system rurowy, lub odpinamy i wyjmujemy cały układ wężownic do czyszczenia, jeżeli wymiary remontowanego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego lub wyparki, czy inne względy nie pozwalają oczyścić ich na miejscu. Jeżeli chodzi o gazy zapylone, prowadzimy je raczej rurkami, możliwe z góry na dół, aby osadzić pył w dolnej komorze przewidując możliwość oczyszczenia tej komory. Przy osadach lepkich, nie odpływających zapewnimy możliwość szybkiego otwarcia dna i wyczyszczenia rurek po uprzednim wyłączeniu aparatu.
Obecność gazu szkodliwego, kondensat.
Gdy czynnik nie może się stykać z powietrzem, jak np. gazy mogące tworzyć z powietrzem mieszanki wybuchowe, konstrukcja remontowanego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego lub wyparki musi umożliwiać zupełne wyparcie powietrza z aparatu przy rozruchu. Unikanie kieszeni, martwych kątów lub zaopatrzenie aparatu w odpusty odpowietrzające jest wtedy konieczne. Podobnie przy projektowaniu aparatów do chłodzenia czy ogrzewania cieczy należy pamiętać, aby w czasie napełniania ich cieczą nie tworzyły się poduszki powietrzne, których bez manipulowania kurkami odpowietrzającymi nie można usunąć.
Przy ogrzewaniu cieczy wydzielających gaz (np. amoniakalnego roztworu mrówczanu miedzi po absorbcji CO lub ługu sodowego po absorbcji CO2) trzeba prowadzić ciecze w ten sposób, aby zapewnić ich odgazowanie bez zaburzeń równomierności ruchu, przerw, wstrząsów, oddziaływania na pompy itp.
Jeżeli w remontowanym wymienniku ciepła płaszczowo rurowym lub wyparce wydzielają się skropliny, trzeba zapewnić im odpływ we właściwym kierunku. Wadliwy spływ skroplin może powodować zaburzenia. Na przykład: skraplacz pary wodnej z gazów zawierających tlenki azotu pod ciśnieniem, zraszany wodą był zalewany od czasu do czasu kondensatem spływającym w przeciwnym kierunku. Na skutek tego zwiększał się opór przepływu gazów w wymienniku ciepła płaszczowo rurowym o około 0,1 bar, co wpływało na nagłe skoki ciśnienia o tę właśnie różnicę w całej instalacji. Oddziaływanie wstecz na turbosprężarkę powodowało wahania natężenia przepływu, wywołując w rezultacie stałe zaburzenia przepływu.
Korozja:
Działanie czynnika korodującego w remontowanych wymiennikach ciepła płaszczowo rurowych, wyparkach stawia nas przed zadaniem doboru odpowiedniego materiału konstrukcyjnego. W tych przypadkach gdzie stosujemy stal kwasoodporną – miedz czy aluminium, trudności konstrukcyjnych nie napotykamy. Jedynie koszt materiału zmusza do zastosowania konstrukcji oszczędnej. Przy cenie tych materiałów, zwykle wielokrotnie wyższej od ceny zwykłej stali, opłaci się często zwiększenie współczynników przenikania ciepła przez zwiększenie prędkości choćby nawet kosztem wzrostu oporu przepływu.
Na przykład w instalacjach do produkcji kwasu azotowego pracujących pod ciśnieniem 8 bar, decydujemy się na spadek ciśnienia aż 1,5 bar wskutek oporów przepływu, aby móc zastosować jak najtańszą aparaturę ze stali kwasoodpornej, mimo że następuje przez to strata na energii odzyskiwanej w turbinie ekspansyjnej gazów wylotowych.
Należy unikać tworzenia ogniw lokalnych przez bezpośrednie zetknięcie dwu różnych materiałów wobec elektrolitu. Jeżeli tylko jeden z czynników wymaga użycia materiału specjalnego, kosztownego, prowadzimy raczej czynnik korodujący rurkami. Wtedy zewnętrzny płaszcz aparatu nie stykający się z czynnikiem korodującym może być wykonany ze zwykłej stali.
Materiały takie, jak kamionka, szkło, grafit, żelazokrzem, ołów, nie są materiałami dogodnymi do budowy wymienników ciepła płaszczowo rurowych. Pierwsze trzy są łamliwe i wymagają umocowania części z nich wykonanych w sposób nie dający większych naprężeń. Żelazokrzem, bardzo twardy w obróbce, nie nadaje się do żadnej obróbki poza szlifowaniem, a ponadto przy odlewaniu większych części aparatury, powstają w nim naprężenia. Ołów ma zaś tak niską wytrzymałość, zmieniającą się w dodatku bardzo znacznie wraz z podwyższeniem temperatury, że nieraz już pod wpływem własnego ciężaru ulega deformacji, jeżeli nie zapobiega temu odpowiednie zbrojenie żelazne.
Natężenie przepływu.
Żeby uzyskać odpowiednie współczynniki wnikania ciepła w remontowanym wymienniku ciepła płaszczowo rurowym, wyparce - należy czynnikom zapewnić wystarczające prędkości, zwykle dla gazu 8-30 m/sek, dla cieczy <1,5 m/ sek.
Większe prędkości cieczy stosuje się w dużych skraplaczach przewidując prędkość wody chłodzącej do 3 m/sek. Jedynie dla skraplania pod próżnią prędkość pary jest prawie obojętna a w odparowaniu sam proces wywołuje pewną cyrkulację, której nie należy utrudniać, lecz zapewnić jej jak najkorzystniejsze warunki.
Natężenie przepływów czynników wynikaja z bilansu cieplnego, stają się zatem założeniem dla projektu wymiennika ciepła płaszczowo rurowego lub wyparki.
Już dla każdego z tych rozwiązań spotkamy dziesiątki rozwiązań konstrukcyjnych.
Na przykład duży ociekowy skraplacz bateryjny amoniaku instalacji chłodniczej inaczej rozwiązuje sprawę wymiany ciepła i stanowi aparat o zupełnie innym typie konstrukcji niż ten sam skraplacz wykonany z płytami sitowymi o znacznej średnicy. Inne są w obu rozwiązaniach elementy konstrukcyjne, a w związku z tym inna technika wykonania oraz różne wymagania dotyczące wyposażenia warsztatu wykonującego aparat.
Remontowany wymiennik ciepła płaszczowo rurowy cieplnie skompensowany jest wyposażony w dodatkowe części i może być o kilkadziesiąt procent droższy od nieskompensowanego pomimo zastosowania tej samej powierzchni i tego samego materiału. Każdy z tych przykładów stanowi w proponowanym tu ujęci odrębny typ konstrukcyjny. Przy tej samej powierzchni wymiany ciepła mimo pewnego powierzchownego podobieństwa aparatów, rozwiązania konstrukcyjne mogą być różne. W żadnym jednak przypadku wybór konstrukcji nie powinien być przypadkiem, ale powinien być dokonany świadomie. Przed ustaleniem koncepcji należy rozważyć bezstronnie wszystkie argument przemawiające za danym typem konstrukcji.
Dokonanie próby obliczeń dla różnych wymienników płaszczowo rurowych może być nieraz konieczne. Często konstruktorzy mają pewne upodobania do jakiegoś typu rozwiązań, poparte nie tyle praktyką co przyzwyczajeniem. Pojęcie estetyki konstrukcji można brać również pod uwagę. Polega ona na ładzie, przejrzystości, celowości ustawienia bez zbytniej plątaniny rurociągów, na symetrii aparatury i pewnych nierażących proporcjach wymiarów.
Udane zestawienie całości nie zawsze jest możliwe, jeżeli poszczególne aparaty konstruowane były w oderwaniu od przyszłego zestawienia. Dlatego przystępując do projektowania aparatów należy mieć choćby przybliżoną wstępną koncepcję rozmieszczenia i wymiarów aparatów, rozkład króćców itp.
Należy podać szereg czynników, które należy rozpatrzyć, gdyż mogą odgrywać dużą rolę przy wyborze płaszczowo rurowego wymiennika ciepła.
Zanieczyszczenia:
Powierzchnię wymiany ciepła, która może ulegać zanieczyszczeniu należy udostępnić poprzez wybór odpowiedniej konstrukcji Wymiennika ciepła. Zwyczajna woda używana do chłodzenia zostawia pewien osad, a w temperaturach ponad 40 stopni Celcjusza tzw. Kamień kotłowy.
Najlepsze możliwości czyszczenia powierzchni od strony wody chłodzącej uzyskuje się stosując chłodnice zraszane wodą od zewnątrz. Podobnie można oczyścić w czasie ruchu aparaty ze zraszaniem rur pionowych od wewnątrz. Wyjmując wkładkę, można każdą rurę osobno przeczyścić. Wreszcie jeżeli prowadzimy wodę rurkami, to i w każdej innej chłodnicy rurkowej, otwartej i pionowej, mamy też umożliwiony dostęp do rur od góry.
Tam gdzie użycie takich układów jest niemożliwe lub gdy nie ma obawy szybkiego zanieczyszczenia, albo jeżeli dysponujemy rezerwami pozwalającymi czyścić aparat po wyłączeniu go z ruchu i rozebraniu, możemy stosować konstrukcję zamkniętą wymiennika ciepła płaszczowo rurowego.
Tymczasem projektujący aparaturę chemiczną a w szczególności wymienniki ciepła płaszczowo rurowe stanie niejednokrotnie przed zasadniczym zagadnieniem, czy ma traktować dany aparat jako wymiennik ciepła, czy też obliczać go jako wymiennik masy. Ściśle biorąc, każdy wymiennik masy jest równocześnie w pewnym stopniu wymiennikiem ciepła. Wymienianej masie towarzyszy bowiem zawsze jej entalpia. Jeżeli mimo to płuczkę CO2 czy adsorber CO nazywamy wymiennikiem masy, to po prostu dlatego, że ilości ciepła niesione z masą są tu albo bez znaczenia, albo też nas nie interesują.
Nawet w przypadku skraplania pary wodnej z mieszanki w remontowanym wymienniku ciepła płaszczowo rurowym, nasuną się podobne wątpliwości. Z chłodzoną ścianą stykają się skropliny i oddają jej ciepło. Transport ciepła od rdzenia mieszanki do przewodzącej warstwy skroplin odbywa się jednak nie tylko przez wnikanie, ale głównie za pośrednictwem dyfuzji masy pary przez graniczną warstwę gazową. Warstwa graniczna gazowa która wytworzy się na powierzchni skroplin, stawia opór dyfuzyjny wnikającej parze. Występuje tu szeregowo po sobie proces dyfuzyjny i proces przewodzenia ciepła.
Wybór typu konstrukcyjnego wymiennika ciepła:
Zastosowania wymiany ciepła w przemyśle są tak różnorodne że trudno mówić o jakichkolwiek standardowych wykonaniach. Różnorodność zagadnień pociąga za sobą dużą rozmaitość konstrukcji. Często nawet wymiennik ciepła płaszczowo rurowy przestaje być aparatem oddzielnym, przeznaczonym wyłącznie do przeprowadzania wymiany ciepła, a jego rola łączy się z zadaniem innego rodzaju. Wymiennik ciepła płaszczowo rurowy stanowi wtedy część takiego czy innego aparatu służącego do do przeprowadzenia pewnego procesu technologicznego. I tak np. wiele reakcji chemicznych wymaga bądź to odprowadzenia, bądź doprowadzenia ciepła w czasie procesu i to w sposób odpowiedni dla różnych stref przestrzeni reaktora. Równocześnie reaktor może zawierać katalizator, co stwarza dodatkowe wymagania co do rozwiązań konstrukcyjnych.
Charakter reakcji, jej efekt cieplny, przestrzenny rozkład ciepła reakcji stawiają wtedy projektanta przed trudnym nieraz zadaniem takiego dobrania powierzchni wymiany ciepła, zarówno co do wielkości jak i rozmieszczenia, które zapewni reakcji optymalne warunki. Konstrukcję remontowanego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego, przystosowuje się w takich przypadkach jak najbardziej do przeznaczenia reaktora i jego założeń technologicznych.
Natomiast można rozróżnić wyraźnie pewne typy konstrukcji wymienników ciepła płaszczowo rurowych gdy chodzi jedynie o wymianę ciepła, ale i tu różnorodność warunków prowadzenia procesu i własności substancji ogrzewanych czy chłodzonych, skraplanych czy odparowywanych powoduje konieczność przystosowania do nich zarówno materiału konstrukcyjnego pod względem remontów, modernizacji , jak i samego założenia projektu. Ilość zastosowań wymiany ciepła jest olbrzymia: aparat wyparny, kocioł parowy, skraplacz amoniaku instalacji chłodniczej czy ogrzewającej, to są wszystko wymienniki ciepła dostosowane do zadań które mają spełnić. Przy projektowaniu wymiennika ciepła płaszczowo rurowego, należy też uwzględnić że dany wymiennik ciepła będzie cyklicznie poddawany remontom i czyszczeniu i ewentualnym modernizacjom.
Firma Belmar posiada uprawnienia dozoru technicznego umożliwiające remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych
Jeżeli remontowany wymiennik ciepła płaszczowo rurowy pracuje w wysokich temperaturach, zaczyna odgrywać rolę promieniowanie, które w temperaturach niższych zwykle jest pomijalne jako znikomo małe.
Rozkład prędkości – profil prędkości u wlotu płynu do rury dopiero się formuje i ustala ostatecznie w pewnej odległości od wlotu. W strefie w której uwarstwiony przepływ rurą jest już ustabilizowany, rozkład prędkości daje się łatwo ująć matematycznie.
Grubość warstwy cieczy spływającej laminarnie po ścianie remontowanego wymiennika płaszczowo rurowego: na powierzchni zraszanej istnieją dwa rodzaje warstw. Warstwa nieruchoma o grubości znikomej, przylegająca do ściany dzięki siłą międzycząsteczkowym oraz warstwa spływająca po warstwie nieruchomej. Grubość warstwy ruchomej zależy od intensywności zraszania. W spokojnym ośrodku istnieje pewne minimum grubości warstwy ruchomej.
Przy mniejszej grubości (mniejszy dopływ wody) błona cieczy jest niestała i rozrywa się pod działaniem napięcia powierzchownego, po czym spływ jest kontynuowany w miejscach większej grubości błony. Zakłada się równowagę między siłami ciężkości a siłami tarcia w cieczy i rozpatruje się element cieczy w warstwie spływającej grawitacyjnie.
Chociaż nie ulega żadnej wątpliwości, że przy ścianie prędkość maleje do zera i w sąsiedztwie ściany przepływ jest uwarstwiony, trudno jest ten obszar wyraźnie odgraniczyć, gdyż przejście z przepływu laminarnego w burzliwy jest ciągłe, stopniowe, rozmyte poprzez pewną strefę przejściową, lekko tylko zaburzoną. Prandl zaproponował żeby jako grubość warstwy przyściennej przyjąć wielkość, którą otrzymuje się na przecięciu linii prędkości średniej i prostej przybliżającej profil prędkości w strefie laminarnej.
Ruch ciepła przez równoczesne wnikanie ciepła i dyfuzję masy przy remontowanym wymienniku płaszczowo rurowym:
Obydwa procesy tj. wymianę ciepła i wymianę masy traktuje się zwykle oddzielnie i niezależnie, stosując do ich liczbowego ujęcia wzory podobne ale różne. Tak jakby klasyfikacja zjawisk zachodzących w wymiennikach do pierwszej czy drugiej grupy procesów nie nastręczała nigdy trudności
Osobnym zagadnieniem jest odparowanie pełzającej w długich rurach warstwy cieczy, stosowane w wyparkach przelotowych. Przy dużych prędkościach (np. ok 20m/sek) para płynie środkiem rury a ciecz – tylko cienką warstwą po ścianie w tym samym kierunku. Wystarczy zwykle zalanie 1/6 długości rury w wymienniku ciepła płaszczowo rurowym.
Współczynniki alfa są bardzo dobre, a czas odparowania jest krótki.
Zarówno przy spływie cieczy po ścianie, jak przy przepływie swobodnym który towarzyszy konwekcji naturalnej, jak też przy spływie skroplin po ścianie ( co stanowi o wnikaniu ciepła przy skraplaniu) grubość warstwy płynącej jest wielkością zmienną, często, jak np. w przepływie swobodnym burzliwym (konwekcji naturalnej). Przed remontem wymiennika ciepła płaszczowo rurowego, współczynniki te odbiegają znacznie od normy z powodu nieszczelności oraz zabrudzeń.
Wpływ działania przegród i ich nieszczelności.
Często dla zwiększenia prędkości w przestrzeni dookoła rurek używa się przegród, które kierują czynnik prostopadle do rurek.
Czasem stosuje się zamiast przegród z wykrojnikami, które zmieniają kierunek przepływu czynnika, blachy bez wykrojów, ale zaopatrzone w otwory umieszczone koncentrycznie względem rurek o znacznie większej niż rurki średnicy.
Czynnik płynie wtedy wzdłuż wymiennika osiowo, równolegle do rurek, a przy mijaniu każdej przegrody napotyka przewężenie wolnego przekroju , zmuszony przecisnąć się przez pierścieniowe szczeliny między każdą rurką a brzegiem otworu. Powoduje to lokalny wzrost prędkości zmniejszający grubość warstwy przyściennej na powierzchni rurek w tym przekroju . Narastanie warstwy przyściennej w ten sposób przy każdej przegrodzie zostaje zredukowane. Ponadto wzmaga się burzliwość w przestrzeni między przegrodami remontowanego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego.
Ten typ przegród nazwano przegrodami sitowymi. Rozwiązanie to jest dogodne w wykonaniu i montażu gdyż zbędną staje się troska o szczelność poza zapewnieniem małego luzu między obwodem przegrody a ścianą płaszcza, przepychanie zaś rurek przez przegrody jest ułatwione, co znacznie ułatwia remont i modernizację wymiennika ciepła płaszczowo rurowego.
Firma Belmar posiada uprawnienia dozoru technicznego umożliwiające remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych
Współczynnik wnikania ciepła przy odparowaniu roztworów znacznie się zmienia. Mamy bowiem do czynienia ze zmianą stężenia bądź to w sposób ciągły, bądź stopniami zależnie od typu aparatury jaką jest remontowany wymiennik ciepła płaszczowo rurowy.
Odparowanie cieczy w rurkach pionowych, zwłaszcza długich, jest jeszcze bardziej skomplikowane. Zwykle temperatura przy wlocie do rurek jest niższa od temperatury wrzenia pod danym ciśnieniem hydrostatycznym. Właściwe wrzenie odbywa się zatem ponad wlotem. Ilość pęcherzyków wzrasta, gęstość mieszaniny i pary spada, wskutek czego prędkość przepływu zwiększa się w miarę przepływu cieczy i pary wzdłuż ku górze remontowanego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego.
I tak np. w wyparkach o rurach pionowych okazało się że współczynniki alfa w górnej partii rurek, gdzie prędkości mieszaniny i pary są większe, są bez porównania wyższe niż u dołu. Najlepsze lokalne współczynniki alfa otrzymuje się w tych częściach rurek gdzie ogromną większość objętości cyrkulującej stanowi para, a ciecz głównie pełznie po ścianie remontowanego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego.
Tym daje się wytłumaczyć znaną z obserwacji właściwość wyparek (o niezbyt długich rurkach pionowych), że najlepsze odparowanie uzyskuje się przy napełnieniu tylko około 25% do 30% wysokości rurek z cieczą. Podobnie przy rurkach poziomych (odparowanie na zewnątrz) osiąga się najlepsze wyniki przy niekompletnym zalaniu układu rur remontowanego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego. . Niepełne zalanie rur nie wchodzi w ogóle w rachubę tam, gdzie odparowaniu towarzyszy wytrącanie się soli.
Zwiększanie współczynnika alfa przez niezupełne zalanie rur wyparki jest jednak stanem bardzo wrażliwym i właściwym dla danej konstrukcji aparatu. W obszarze tym należy postępować bardzo ostrożnie, gdyż nieznaczne przekroczenie optymalnych warunków może dać w wyniku zupełnie słabe odparowanie. Natomiast odparowanie przy kompletnym zalaniu powierzchni jest bardziej stabilne i nie wykazuje tego rodzaju zmienności.
Współczynniki odparowania w remontowanych wymiennikach ciepła płaszczowo rurowych oraz aparatach aparatach przemysłowych można zwiększyć nieraz bardzo znacznie przez zastosowanie cyrkulacji wymuszonej. Używa się tego w wyparkach o bardzo dużej produkcji. Pompa przetłacza stale odparowywany czynnik przez wyparkę.
Firma Belmar posiada uprawnienia dozoru technicznego umożliwiające remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych
Firma Belmar posiada uprawnienia dozoru technicznego umożliwiające remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych
Firma Belmar posiada uprawnienia dozoru technicznego umożliwiające remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych
Firma Belmar posiada uprawnienia dozoru technicznego umożliwiające remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych
Zasadniczo spływ skroplin w jakimś rozpatrywanym miejscu chłodzonej ściany pionowej (rury pionowej) remontowanego wymiennika ciepła płaszczowo rurowego może mieć charakter uwarstwiony lub burzliwy. Grubość bowiem warstwy skroplin jest różna na rozmaitych wysokościach ściany i narasta na drodze od jej górnego brzegu do dolnego, od zera do pewnej wartości maksymalnej.
Charakter spływu zależy od grubości warstwy i burzliwość może wystąpić tylko przy warstwach grubszych. Prawie regułą jest jednak spływ uwarstwiony skroplin wzdłuż całej powierzchni, warstwa kondensatu jest bardzo cienka. Na przykład przy skraplaniu pary przy temperaturze średniej kondensatu 100 stopni Celcjusza, temperaturze ściany 90 stopni Celcjusza i wysokości ściany 1 m, grubość warstwy skroplin u dołu ściany wynosi zaledwie 0,14mm. W rzadkich tylko przypadkach przy znacznej wysokości ściany może powstać na dolnej jej części tak gruba warstwa skroplin, że wystąpi spływ burzliwy, podczas gdy przed remontem wymiennika ciepła płaszczowo rurowego było to niemożliwe z powodu np. zanieczyszczeń lub nieszczelności.
Niezależenie od charakteru spływu lokalne współczynniki wnikania ciepła będą zawsze zmienne wzdłuż drogi spływu. Jeżeli u dołu ściany wystąpi burzliwość zmieni się ponadto mechanizm wnikania ciepła na tej części powierzchni.
Sam proces odparowania cieczy musi przebiegać na powierzchni międzyfazowej. Powierzchnia ta kształtuje się sama jako powierzchnia pęcherzyków.
Powstają one w pewnych tylko miejscach ogrzewanej ściany. Przy dobrze przeprowadzonym remoncie wymiennika ciepła płaszczowo rurowego, proces ten jest zdecydowanie bardziej wydajny. Następnie po osiągnięciu wielkości kilku milimetrów odrywają się i wznoszą ku wolnemu zwierciadłu cieczy powiększając po drodze objętość przez odparowanie cieczy do wnętrza. Pęcherzyki nie mogą się tworzyć w samej cieczy lecz tylko na ścianie wskutek istnienia napięcia powierzchniowego. Para zamknięta w pęcherzyku musi mieć ciśnienie wyższe od ciśnienia otaczającej cieczy. Nadwyżka ciśnienia musi bowiem pokonać napięcie powłoki pęcherzyka.
Wnikanie ciepła przy spływie grawitacyjnym skroplin (kondensacja – skraplanie) .
Podczas remontów wymienników ciepła płaszczowo rurowych należy wiedzieć że przypadek ten zachodzi wtedy, gdy temperatura ścian jest niższa od temperatury nasycenia pary przepływającej i pozostającej w kontakcie ze ścianą. Cząsteczki nie tylko są unoszone ku ścianie przez wiry przepływu burzliwego, jak to występowało w gazach ale wytwarza się przede wszystkim jednokierunkowy ruch cząsteczek ku ścianie, w jej bezpośrednim sąsiedztwie następuje skraplanie pary i gwałtowne zmniejszenie objętości. Skroplona część czynnika już nie wraca do pary, tylko pozostaje na ścianie, a na jej miejsce dopływa para świeża. Im ściana jest zimniejsza, tym wydatniejsze jest skraplanie i tym intensywniejszy ruch cząsteczek przy ścianie. Przy zmianie stanu skupienia czynnika przy ścianie wyzwalane są duże ilości ciepła ( ciepło parowania). Często stosuje się specjalne blachy odprowadzające skropliny, które przy remoncie wymiennika ciepła płaszczowo rurowego należy odtworzyć. Przy projektowaniu i remontowaniu wymienników ciepła płaszczowo rurowych - skraplaczy, należy jednak pamiętać również o innych względach, które nieraz mogą decydować o wyborze konstrukcji nawet sprzecznej z powyższymi wskazówkami. Na przykład skraplacze amoniaku pod ciśnieniem często wykonuje się poziome, z kondensacją w rurach zraszanych z zewnątrz wodą.
Wykraplanie np. amoniaku z mieszanki w instalacjach syntezy pod ciśnieniem kilkuset atmosfer trudno przeprowadzić inaczej niż przy prowadzeniu mieszanki wewnątrz rur grubościennych. Skraplanie na zewnątrz rur wymagałoby bardzo silnego płaszcza.
Przepływ uwarstwiony (laminarny) i burzliwy (turbulentny ) w wymiennikach ciepła płaszczowo rurowych.
O. Reynolds (1884) odkrył że przepływ cieczy lub gazu odbywa się według dwu różnych praw. Badania swe rozpoczął od prostego doświadczenia, a mianowicie do rury szklanej z przepływającą wodą wprowadzał w jej osi ciecz zabarwioną. Poniżej pewnej prędkości nitka zabarwionej cieczy pozostawała w osi rury na drodze przepływu, powyżej tej prędkości zabarwiała się ciecz płynąca rurą. W pierwszym przypadku było jasne, że drogo poszczególnych cząsteczek są równoległe, w drugim że czynnik się kłębi i miesza.
Pierwszy typ przepływu nazwano laminarnym, drugi przepływem burzliwym lub turbulentnym.
Z typem przepływu łączą się oczywiście różne właściwości. I tak równocześnie z przejściem od ruchu laminarnego do turbulentnego zaczyna silnie wzrastać opór i zmienia się jego zależność od prędkości.
W przepływie laminarnym opór jest funkcją prędkości w pierwszej potędze, w ruchu burzliwym w drugiej.
Wnikanie ciepła przy przepływie turbulentnym zwiększa się po remoncie wymiennika ciepła płaszczowo rurowego
Wnikanie ciepła w wymuszonym przepływie następuje kiedy średnia prędkość przepływu jest jednoznacznie określona. Na przykład jeżeli pompa tłoczy ciecz przez wymiennik ciepła płaszczowo rurowy to z charakterystyki pompy oraz przekrojów potrafimy wyznaczyć prędkość masowa panującą w rurkach wymiennika ciepła. Prędkość ta przy danym przekroju zależy tylko od urządzenia tłoczącego, natomiast nie zależy od samego procesu wymiany ciepła.
Przypadki specjalne (rury żebrowane i profilowane, mieszalniki)
Często w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła zaopatruje się ją w żebra . Takie wykonanie powierzchni komplikuje obliczenie wymiennika ciepła oraz remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych.
Wnikanie ciepła w strefie przejściowej między przepływem laminarnym a burzliwym.
Odróżniając wyraźnie zachowanie się czynników w przepływie burzliwym w rurze od zachowania się w przepływie laminarnym, należy przyjąć że przejście od jednego ruchu do drugiego zachodzi dla liczby Reynoldsa w granicach 2100-2300
Ruch ciepła przez wnikanie
Konwekcja: odbywa się w cieczach i gazach w ten sposób, że cząsteczki czynnika dążą ku powierzchni wymiany ciepła i częściowo oddają jej swoje ciepło. Ciepło jest w pewnym sensie transportowane mechanicznie. Zjawisko konwekcji przebiega tym silniej im gwałtowniejszy jest ruch samego czynnika. Wiry i kłębienie się ułatwiają konwekcyjny ruch ciepła.
Dlatego szybciej ogrzejemy, czy ochłodzimy ciecz w naczyniu chłodzonym przez ścianę zaopatrzonym w mieszadło niż w zbiorniku z cieczą stojącą. Konwekcja przenosi ciepło szybciej niż np.: przewodzenie. Zwłaszcza przewodnictwo gazów jest słabe, tak dalece, że właśnie przestrzeni wypełnionych gazem pozostającym w spoczynku używa się do izolacji cieplnych.
Przewodzenie ciepła i konwekcja są to dwa różne zjawiska fizyczne. Pierwsze jest według teorii kinetycznej wymianą energii przekazywanej przez cząsteczki w większej energii cząsteczkom o niższym stanie energetycznym, innymi słowy jest zjawiskiem cząsteczkowym, gdy konwekcja jest zjawiskiem makroskopowym, w którym wymianie ulegają całe warstwy czynnika o różnych temperaturach mieszane prądami czynnika w ruchu.
Ruch ciepła w wymienniku ciepła płaszczowo rurowym jest coraz mniejszy pod wpływem zabrudzeń. Powyżej zdjęcie wyczyszczonego wymiennika ciepła związany z remontem wymienników ciepła płaszczowo rurowych
KONTAKT
Dariusz Łukowski
Specjalista ds. mechanicznych
Firma Belmar posiada uprawnienia dozoru technicznego umożliwiające remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych
Promieniowanie
Ten rodzaj ruchu ciepła polega na emisji i adsorpcji energii, które jedno ciało oddaje drugiemu przez warstwę przezroczystego środowiska lub przez próżnię.
Ruch ciepła przez przewodzenie może być : ustalony i nieustalony. W pierwszym przypadku temperatura w każdym punkcie rozpatrywanego ciała jest niezmienna w czasie. W drugim przypadku pole temperatur jest funkcją tylko położenia punktu w przestrzeni.
Na przykład jeżeli ogrzewamy palnikiem jedną ścianę jakiegoś ciała mającego kształt sześcianu, to ciepło doprowadzone do niego zostaje częściowo oddane otoczeniu przez inne ściany za pomocą promieniowania i wnikania. Gdy ciało nagrzewa się, co trwa dopóki więcej ciepła dopływa niż odpływa, temperatury w każdym punkcie tego ciała nie tylko różnią się od siebie, ale równocześnie zmieniają się w czasie, przyjmując coraz większe wartości. Mamy wtedy do czynienia wewnątrz sześcianu z przewodzeniem nieustalonym. Z chwilą osiągnięcia równowagi między ilością ciepła doprowadzanego i odprowadzanego poszczególne temperatury ustalają się i przestają się podnosić. Stają się niezmienne w czasie, chociaż poszczególne punkty w przestrzeni mają różne temperatury.
Miejscem geometrycznym punktów o jednakowej temperaturze w danej chwili jest tzw. powierzchnia izotermiczna. Powierzchnie takie nigdzie się nie przecinają, gdyż ten sam punkt nie może wyrażać dwóch różnych temperatur. Ruch ciepła zachodzi zawsze w kierunku do powierzchni izotermicznych, a zatem w kierunku największego spadku temperatury. Przyrost temperatury odniesiony do przesunięcia punktu wzdłuż , nazywa się gradientem temperatury.
Firma Belmar wykonuje remonty wymienników ciepła płaszczowo rurowych objętych Dozorem Technicznym UDT.
Remont wymienników ciepła płaszczowo rurowych
Belmar Sp. z o.o.
Projekt i wykonanie K. Bielecki
47-225 Kędzierzyn - Koźle
ul. Szkolna 15
Numer KRS: 0000140223
Numer NIP: 749-15-96-111
REGON: 531221129
e-mail sekretariat: belmar@belmar.com.pl
Tel. sekretariat: +48 77 4886238
BELMAR Spółka z o.o.
W celu wyjaśnienia zagadnień związanych z remontem wymienników ciepła płaszczowo rurowych, pragniemy opisać proces wymiany ciepła.
Rozróżniamy trzy rodzaje ruchu ciepła: przewodzenie, konwekcja, promieniowanie.
Przewodzenie ciepła: zachodzi w obrębie jednego ciała, w którym istnieją różnice temperatur. Ciepło płynie od miejsca o temperaturze wyższej do miejsca o temperaturze niższej. Według teorii kinetycznej, cząsteczki o większej energii przekazują część swojej energii cząsteczkom uboższym w energię. Szybkość rozchodzenia się ciepła tą drogą wyrażamy współczynnikiem przewodzenia ciepła.
Współczynnik przewodzenia ciepła wskazuje ile ciepła przepływa przez jednostkę przekroju w ciągu jednostki czasu, przy spadku temperatury równym jedności, na drodze jednostki grubości warstwy.
Jest to jeden z wielu parametrów potrzebnych przy remontach i naprawie wymienników ciepła płaszczowo rurowych.
Konwekcja i wnikanie ciepła: Ruch ciepła przez konwekcję odbywa się w ten sposób, że cząsteczki ulegając przemieszczeniu, np. w kierunku ściany czy innej powierzchni, stykają się z nią i oddają ciepło. W ten sposób ciepło jest przenoszone mechanicznie przez prądy czynnika. W procesach rzeczywistych czysta konwekcja ściśle odpowiadająca opisanemu mechanizmowi nie zachodzi. Zjawisko komplikuje się z powodu istnienia pewnej warstwy czynnika przy ścianie w której konwekcja zanika. Dlatego proces rzeczywisty ruchu ciepła od czynnika znajdującego się w przepływie do ściany nazywamy wnikaniem ciepła.
Współczynnik wnikania ciepła określa ile ciepła wnika w ciągu jednostki czasu od czynnika do jednostki powierzchni ściany (lub odwrotnie) przy różnicy temperatury równej jedności między czynnikiem a ścianą.