ГлавнаяСтатьи → Аппараты воздушного охлаждения повышенной эффективности и надежности

Аппараты воздушного охлаждения повышенной эффективности и надежности

Е. В. Читров, В. 3. Кантер, С. Б. Походяев, Ю. И. Аношкин

Аппараты воздушного охлаждения (АВО) традиционных конструкций — АВГ и АВЗ с теплообменной поверхностью из оребренных труб, как показал большой опыт их эксплуатации, имеют ряд существенных недостатков, обусловленных горизонтальным расположением 12-метровых труб:

  • провисание труб и образование «мертвой» зоны для слива теплоносителя при эксплуатации и размораживание труб при остановке, что в дальнейшем приводит к значительным авариям;
  • необходимость больших площадей для их размещения, а также применения вентиляторов с более тихоходными электродвигателями и рабочими колесами больших размеров;
  • снижение эффективности охлаждения при конденсационном режиме;
  • установка теплообменных секций в форме «шалашика» (зигзагообразно) приводит к неравномерному распределению) потока охлаждающего воздуха и его паразитным протечкам;
  • неравномерное расширение труб, жестко заделанных в коллекторы из-за неравномерного распределения сред по внутри- и межтрубному пространствам, вследствие чего трубы выгибаются или трещат в районе заделки; такой же эффект наблюдается при пусковых и переходных режимах.

Анализ перечисленных недостатков показал необходимость примене¬ния для вновь строящегося завода ка¬талитического крекинга (заказчик — ОАО «ТАИФ—НК», генеральный проектант — ВНИПИнефть) АВО более современных конструкций.

ООО «Анод—Теплообменный центр (ТЦ)» (г. Нижний Новгород) проектирует и изготовляет теплообменное оборудование для энергетической, нефтехимической, транспортной и других отраслей промышленности.

Это оборудование рассчитано на работу с различными средами — любыми жидкостями и газами при давлении до 20 МПа, температуре до 600°С и циклической нагрузке. Материал теплообменной поверхности выбирают с учетом условий работы, заданного ресурса и стоимостных показателей.

В основу разработок положена принципиально новая конструкции теплообменной поверхности — из змеевиков с малым радиусом изгиба (рис. 1). Такая конструкция значительно превосходит по техническим характеристикам прямотрубные, пластинчатые и обычные змеевиковые конструкции. Рассмотрим ее преимущества.

Рис. 1. Модуль теплообменной поверхности

Высокая эффективность теплообмена по внутри- и межтрубному пространствам

Охлаждаемая среда при движении в змеевиках испытывает воздействие массовых сил, направленных от стенки змеевика. Эти силы вызывают вторичные токи и увеличивают интенсивность теплообмена. В то же время воздух при движении по межтрубному пространству разбивается на множество отдельных струй, которые частично закручиваются и постоянно перемешиваются между собой. Это способствует интенсивному тепломассообмену между пограничным слоем и потоком.

Возможен выбор оптимального соотношения проходных сечений и соответственно скоростей теплоносителей, что позволяет достигать оптимальных (заданных) теплогидравлических параметров для различных сред и условий эксплуатации.

Благодаря промежуточному объединению теплообменных элементов в модули возможно использование труб небольшого типоразмера (Ø10— 18 мм), а следовательно, конструирование более компактных теплообменников по сравнению с прямотрубными.

Максимальная эффективность использования теплообменной поверхности в схеме циркуляции достигается в результате противоточного движения сред. Охлаждаемая среда движется сверху вниз внутри змеевиков, воздух, нагреваясь, — снизу вверх по межтрубному пространству.

Надежность работы

Термопластичная теплообменная поверхность в виде змеевика гарантирует самокомпенсацию расширения ее элементов при быстром разогреве и сжатия при охлаждении.

Действию давления подвержены только трубный пучок и коллекторы круглого сечения, хорошо выдерживающие давление. Все их соединения выполнены сварными с плавным переходом по толщине стенки.

Ремонтопригодность аппаратов обеспечена секционированием теплообменной поверхности и доступностью змеевиков для поиска и глушения дефектного змеевика или модуля.

Применение теплообменных элементов одного типоразмера и эффективный массообмен воздуха по сечению трубной системы способствуют выравниванию температурных полей.

Технологичность изготовления

Теплообменная поверхность состоит из отдельных элементов и модулей, что позволяет применять для изготовления АВО агрегатную технологию с организацией параллельных производственных линий.

Большое число однотипных деталей в трубной системе и минимальное число типоразмеров сборок позволяют максимально автоматизировать процесс изготовления и повысить качество сборки.

Технологичность конструкции позволяет снизить трудоемкость и себестоимость изделия при обеспечении его высокой эффективности и надежности.

В ООО «Анод—ТЦ» для охлаждения и конденсации жидких сред разработан ряд конструкций АВО с теплообменной поверхностью змеевикового типа (АВО-12. АВО-16, АВО-21, АВО-25, АВО-28), объединенных в плоские модули. Рассмотрим подробнее их конструктивные особенности и преимущества по сравнению с традиционными АВГ и АВЗ.

Для подтверждения расчетных характеристик был изготовлен опытный образец АВО-28, который прошел испытания в пароконденсационном и водяном режимах. В процессе испытаний были проверены режим отключения секций и работа аппарата в режиме естественной циркуляции, а также подтверждены расчетные теплогидравлические характеристики. По результатам испытаний проведена доработка узла крепления электродвигателя с целью увеличения его жесткости и исключения колебания в горизонтальной плоскости. При испытаниях двух головных изделий АВО-25 и АВО-28 был подобран угол атаки на лопастях рабочего колеса вентилятора.

Для удобства монтажа и транспортирования конструкция АВО была разделена на два блока шириной не более 3,2 м и длиной 3,5 или 6,5 м в зависимости от компоновки. Первый блок — собственно теплообменник состоит из трубной системы с патрубками для подвода и отвода охлаждаемой среды. Второй блок включает опорную конструкцию с диффузором и вентилятором, состоящим из электродвигателя и рабочего колеса. Блоки выпускают максимальной заводской готовности и при монтаже устанавливают один на другой (рис. 2).

Рис. 2. Аппарат воздушного охлаждения в собранном виде:
1 – теплообменник;
2 — опорная конструкция.

Теплообменник выполнен из плоских модулей (см. рис. 1), разбитых на независимые секции по трубному пространству и объединенных общим кожухом по межтрубному. Число секций и расположение патрубков определяет заказчик. Число независимых секций позволяет оперативно отключать неисправную секцию или уменьшать теплообменную поверхность в зимнее время. Независимые секции можно использовать для различных продуктов.

Поочередное подключение модульных секций обеспечивает при отключении одной из них более эффективною работу другой. Опыты показали, что при отключении 50% теплообменной поверхности тепловая мощность аппарата составляет 70—75% номинальной. Это объясняется высокой турбулизацией потока и хорошим массообменом по межтрубному пространству.

Подвод и отвод среды из модуля осуществляются преимущественно по Z-схеме, что обеспечивает равномерное распределение среды по змеевикам. По требованию заказчика коллекторы подвода и отвода среды могут быть расположены с одной стороны.

В верхнем коллекторе, через который происходит ввод продуктов в модуль, возможно накопление неконденсируемых фракций. Для исключения этого эффекта последний змеевик, считая от входного патрубка, выведен из верхней «застойной» зоны коллектора и подсоединен к нижнему коллектору вблизи отводящего патрубка, где скорость среды максимальна. В результате неконденсируемые фракции постоянно отводятся из верхнего коллектора с продуктами, выходящими из теплообменника.

Для снятия пиковых нагрузок в жаркое время года предусмотрено увлажнение воздуха. Для этого в диффузоре после вентилятора установлены форсунки для впрыска воды. При попадании в поток воздуха вода испаряется, понижая его температуру на 10— 15°. Расход воды, при котором происходит полное ее испарение, выбирается минимальным.

Для вращения рабочего колеса использован асинхронный электродвигатель во взрывозащищенном исполнении с частотным регулированием. Расчеты показывают, что уже при температуре атмосферного воздуха 15°С требуемая мощность электродвигателя снижается до ~30% от номинальной.

Это вызвано эффективностью теплообмена и высоким уровнем естественной циркуляции.

Змеевики из труб Ø18x2 мм и длиной 12 м объединены коллекторами из труб Ø 89x4 мм в плоские модули, которые, в свою очередь, объединены входными и выходными коллекторами в секции. Все соединения выполнены сварными с плавным переходом по толщине деталей. Конструктивные особенности трубной системы, а также отсутствие массивных трубных решеток гарантируют надежность конструкции при высоких давлениях и циклических нагрузках.

Высокая надежность конструкции сочетается с хорошей ремонтопригодностью. При обнаружении неплотности необходимо отсечь текущую секцию с помощью запорной арматуры, произвести осмотр и слить продукт. Ремонт производится в период планово-предупредительного ремонта всей установки. Место течи определяют подачей давления в трубную систему. К каждому змеевику в районе приварки к коллекторам имеется доступ, что позволяет при необходимости отсечь его от трубной системы. На коллектор приваривают заглушку, оставляя змеевик как дистанционируюший элемент.

Одним из возможных объектов ремонта является электродвигатель вентилятора. Он имеет значительные массу и габариты. Для его демонтажа на верхней части диффузора приварены скобы для крепления балок и подъемных устройств. Методика ремонта трубной системы и демонтажа электродвигателя отработана на ранее изготовленных АВО, в том числе для ОАО «ТАИФ—НК» (г. Нижнекамск).

По заданию ОАО ВНИПИнефть такими АВО оснащены установки по производству бензина в г. Нижнекамске. Проектирование АВО проведено для всех технологических стадий крекинг-процесса с учетом замечании и пожеланий проектанта. Результаты работ сведены в табл. 1.

Таблица 1:

 
ХВ-101 Холодильник легкого газойля АВО-25 633 30 1 4 11500 Ст. 20
ХВ-102 Холодильник тяжелого газойля АВО-25 473 30 1 4 11500 10Х17Н13М2Т
ХВ-201 Конденсатор паров бензина АВО-25 10182 30 8 8 14500 10Х17Н13М2Т
ХВ-202 Воздушный холодильник АВО-25 579 30 1 2 6500 Ст. 20
ХВ-203 Воздушный холодильник 730 2 Ст. 20
ХВ-301 Холодильник жидкого газа АВО-25 2696 30 6 4 11500 Ст. 20
ХВ-302 Холодильник Легкого газойля АВО-25 378 30 1 3 6500 Ст. 20
ХВ-306 Холодильник Фракция  С4 219 7 Ст. 20
ХВ-303 Конденсатор Фракция С34 АВО-28 3552 37 4 4 14500 Ст. 20
ХВ-304 Холодильник стабильного бензина АВО-25 1669 30 1 4 11500 Ст. 20
ХВ-305 Конденсатор Фракция С3 АВО-28 1314 37 2 4 14500 Ст. 20
ХВ-401 Конденсатор кислых паров АВО-25 665 30 1 4 6500 08Х17Н15М3Т
ХВ-402 Холодильник Раствора МЭА АВО-28 3457 37 2 4 11500 Ст. 20
ХВ-501 Холодильник Бензин+водородосодержащий газ АВО-28 7680 37 6 4 14500 Ст. 20
ХВ-502 Холодильник паров верха стабилизации АВО-25 3280 30 1 4 6500 08Х18Н10Т
ХВ-503 Холодильник стабильного бензина АВО-28 1990 37 1 4 14500 Ст. 20

После года эксплуатации АВО в производственном цикле специалистами ООО «Анод-ТЦ» был проведен авторский надзор за ними. Результаты проверки приведены и табл. 2.

Таблица 2:

Технологическая позиция (см. табл. 1) Температура продукта, °С Частота вращения вентилятора (фактическая)*, мин-1 Расход продукта по трубному пространству, м3
фактическая проектная фактический проектный
на входе на выходе на входе на выходе
ХВ-101 160 70 133 60 300 23 18,1
ХВ-102 130 85 178 90 385 7,5 9,3
ХВ-201 135 54 139,5 53,9 424 65 99,3
ХВ-202/203 160 73 152 80 428 75 119,8
ХВ-301 127 37 190 40 111 - 35
ХВ-302/306 - - 110 55 - - 34,27
ХВ-303 57 46 57,9 50,1 265 - 73,6
ХВ-304 125 42 185 50 244 25 27,35
ХВ-305 45 42 46,4 44,8 - - 34
ХВ-401 102 35 106,7 40 291 1,7 0,89
ХВ-402 - 40 96 55 364 45 60,2
ХВ-501 163,7 45-70 199,9 50 385 91 71,2
ХВ-502 110 50-55 109,6 50 428 8 4,57
ХВ-503 82,4 50-60 103 50 410 72 69
* По паспорту — 428 мин-1

Все аппараты были укомплектованы частотными регуляторами оборотов электродвигателей. С февраля по октябрь 2006 г, они работали в условиях отрицательных температур зимой и высоких положительных температур (до 35°С) летом.

Результаты эксплуатации подтвердили проектные характеристики АВО, а также их надежную и устойчивую работу как в технологическом режиме, так и при циклических нагрузках. При эксплуатации было отмечено снижение мощности электродвигателей и частоты вращения вентиляторов вследствие высокой эффективности теплообмена и вклада естественной циркуляции.

По требованию заказчика базовые модели АВО могут быть укомплектованы различными дополнительными устройствами для регулирования параметров, жалюзями, устанавливаемыми на верхней плоскости теплообменника, подогревательными устройствами и различными схемами частотного регулирования.

Химия и технология топлив и масел, 5(543)’2007