Способы и системы охлаждения и очистки закалочных сред

В термическом производстве используется 2 способа охлаждения закалоч­ных сред:

- местное, непосредственно в непроточном баке без очистки среды;

- специальные установки (системы) охлаждения и очистки этих сред, инди­видуальные для каждого бака или централизованные для группы баков с одина­ковой закалочной средой.

Для местного охлаждения применяются встроенные в конструкцию бака водяные рубашки (см. рис. 2.1) или погружные теплообменники типа змееви­ ков, расположенных вдоль внутренних стенок бака (см. рис. 2.2 ), или калорифе­ ры трубчатого или пластинчатого типа (см. рис. 2.3).

Централизованные и индивидуальные системы охлаждения и очистки зака­лочных сред (СОО) включают в себя (рис. 4.1) сливной (буферный) бак- отстойник 7, фильтры 6, насосы 5, теплообменники 4, в данном случае кожу- хотрубные. закалочные баки 1 и соединяющие их трубопроводы 3 с вентилями. Последние позволяют выключать из системы без ее остановки любой элемент в случае его выхода из строя, планового ремонта или очистки от загрязнений.

В централизованных системах, обслуживающих группу небольших баков или индивидуальных с общим объемом ˃ 50 м³ число фильтров и насосов уста­навливается не менее 2-х, а количество теплообменников определяется расчетом (см. кн. 4 настоящего пособия). Схема включения теплообменников при их числе ˂ 4-х - последовательная или параллельная, а при большем обычно бывает последовательно - параллельной, так как один теплообменник снижает температуру охлаждаемой закалочной среды максимум на 10...15 °С. При необ­ходимости большего снижения температуры закалочной среды принимают по­следовательную схему, а для повышения производительности надо применять параллельное включение теплообменников или их одинаковых групп.

Рис. 4.1. Схема системы охлаждения и очистки закалочных сред

В индивидуальных системах, обслуживающих только один бак с объемом до 20… 30 м³, устанавливается по одному насосу и фильтру, а бак-отстойник отсутствует.

В масляных системах с общим объемом 100 и более м³ должна быть преду­смотрена специальная емкость для аварийного слива перегретого выше крити­ческой температуры масла с объемом не менее объема самого большого зака­лочного бака, входящего в систему.

Бак-отстойник 7 (рис. 4.1) обычно имеет объем 15...20% от общей емкости системы и разделен поперечной перегородкой на 2 отделения. В левое самоте­ком из карманов 2 закалочных баков 1 сливается горячая закалочная среда и там отстаивается от крупных твердых и смолообразных загрязнений. Через пе­регородку частично отстоявшаяся жидкость переливается в правое отделение бака-отстойника, где также продолжается оседание крупных частиц загрязне­ний. Из правого отделения через сетчатый фильтр жидкость отсасывается насо­сами 5 через фильтры тонкой очистки 6.

В термических цехах применяется 2 типа фильтров тонкой очистки закалоч­ных сред: двухкамерные с попеременно работающими камерами (рис. 4.2. а) и однокамерные с вибрирующим фильтрующим элементом, называемые чаще акустическими (рис. 4.2. б).

Двухкамерный фильтр имеет два корпуса 1, закрытых крышками 2 через резиновое уплотнение 3. Фильтрующий элемент 4 представляет собой стакан, выполненный из мелкоячеистой медной сетки для масла и СЗС или из нержа­веющей стальной сетки для растворов солей и щелочей. Фланец стакана зажат между корпусом 1 и крышкой 2. Загрязненная жидкость поступает через нижний кран-переключатель 5, просасывается через фильтрующий элемент 4 и очищенная уходит через другой кран к насосу.

Рис. 4.2. Фильтры систем охлаждения и очистки: а - двухкамерный, б - акустический (вибрирующий)

 

Одна секция работает на очистке закалочной среды, а вторая в это время очищается от накопившейся в ней грязи. Для этого она разбирается, фильтрующий элемент 4 из­влекается из корпуса 1, промывается или заме­няется чистым. Из кор­пуса 1 грязь удаляется через люк 6. Эти фильтры требуют, как минимум, ежедневного обслуживания, а при большой загрязненности среды или высокой тепловой на­грузке на закалочные баки их приходится чистить через 4... 6 ч. Поэтому в по­следнее время все чаще применяют акустические фильтры (рис. 4.2. б), имеющие непрерывно или периодически вибрирующий фильтрующий эле­мент 4.

Корпус 1 заканчивается снизу конусообразным дном 7. закрытым крышкой 8. верхняя крышка 2 закреплена на корпусе 1 через резиновое уплотнение 3 и снимается только для ремонта. Фильтрующий элемент 4 представляет собой сетчатый цилиндр, посаженный на трубу 5, по которой отводится очищенная жидкость. К верхней части сетчатого элемента прикреплен шток 9 вибратора 10, установленного на крышке 2. Загрязненная жидкость подходит через патрубок 6. Под воздействием вибратора фильтрующий элемент 4 непрерывно или периодически встряхивается, и налипающие на его поверхность частицы грязи падают в коническое дно 7, крышка которого периодически открывается, и на­копившаяся в ней грязь сливается в подставленную снизу тару. Эту операцию можно выполнять автоматически через заданные промежутки времени, что и является главным достоинством акустического фильтра.

Фильтры любой конструкции установлены между баком и насосом (см. рис 4.1.) и потому работают под небольшим разряжением по отношению к атмо­сферному давлению, что требует надежного уплотнения всех соединении и вво­дов.

В акустическом фильтре (рис. 4.2, б) обе вибрирующие детали - шток 9 и труба 5 - пропускаются соответственно через крышку 2 и стенку корпуса 1 через уплотнения 11 специальной конструкции, имеющие высокую надежность и достаточно длительный срок службы.

Рис. 4.3. Влияние вязкости жидкостей (в условных единицах °ВУ) на выбор типа насоса [17]

 

Для перекачки охлаждаемых жидко­стей применяются насосы центробежные, поршневые и, реже, шестереноч­ные. Для масел пониженной и нормаль­ной вязкости (см. табл. 1.4) и СЗС ис­пользуют обычно центробежные насосы (рис. 4.3), а для высоковязких сред - поршневые или шестереночные.

Материалы для изготовления всех элементов системы, включая трубопро­вода и вентили, выбираются в зависи­мости от агрессивности охлаждаемой закалочной среды. Для растворов щелочей и солей применяют коррозионно-стойкие материалы, а для масел и СЗС обычные стали и чугуны и некоторые медные сплавы.

 

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Основой систем охлаждения закалочных сред являются теплообменные аппараты рекуперативного типа [17, 18], то есть непрерывно передающие тепло от более горячей среды через металлическую стенку к более холодной, в качестве которой обычно применяется вода.

 

4.2.1. Теплотехнические аспекты работы теплообменников

 

Поскольку в термическом производстве до сих пор охлаждению чаще всего подвергаются закалочные масла, то рассмотрим особенности процесса на при­мере передачи тепла от горячего масла к охлаждающей воде. Он определяется многими факторами и, в первую очередь, закономерностями конвективного теплообмена. Для чистых поверхностей металлической стенки плотность тепло­вого потока от горячего масла к охлаждающей воде рассчитывается:

 

(4.1)

 

где q - плотность теплового потока. Вт/м²;

        t₁ и t₂ - температуры охлаждаемой и охлаждающей сред °С;

         a₁ и а₂ - коэффициенты теплоотдачи соответственно от охлаждаемой среды к стенке и от стенки к охлаждающей среде, Вт (м²·К);

       S_M - толщина металлической стенки, м;

λ _м- коэффициент теплопроводности материала стенки. Вт/(м·К).

 

Суммарный коэффициент теплопередачи k от среды 1 (масла) через стенку к среде 2 (воде) определяется выражением:

(4.2)

 

Входящие в формулы (4.1) и (4.2) а₁ я а₂ для условий конвективного теп­лообмена определяются в общем виде зависимостью:

     (4.3)

 

где  - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м·К);

  ρ - плотносп, жидкости, г/см³;

  µ - кинематическая вязкость жидкости, сОm;

  w - скорость движения жидкости, м/с;

  d  - приведенный диаметр канала, м;

  t - температура жидкости, °С.

На коэффициент теплоотдачи a существенно влияют все входящие в зави­симость (4.3) величины. С повышением  и ρ коэффициент а возрастает. Вы­сокая вязкость µ затрудняет перемешивание жидкости и снижает скорость w ее потока. Температура t существенно снижает вязкость масел и концентрирован­ных водных растворов солей и щелочей, увеличивая тем самым а. Однако, в процессе теплообмена участвуют 2 жидкости, а чем выше разность их темпера­тур Δ t=t₁-t₂, тем выше q. Повышение скорости w однозначно приводит к уве­личению а.

Большое влияние на величину коэффициента теплопередачи k имеет отно­сительное значение коэффициентов теплоотдачи обеих жидкостей a₁ и а₂. Ве­личина k в основном обусловливается значением наименьшего из них – а_мин, при этом всегда k а_мин как бы не было велико значение другого a. Поэтому для интенсификации теплообмена необходимо обращать внимание на величину a_мин, обычно это охлаждаемая вязкая жидкость, и принимать меры к его увеличению, что проще всего сделать путем увеличения скорости w. В случае, если a_мин= а_2, то k= a_мин. При одинаково малом значении коэффициентов теплоот­дачи обеих жидкостей (a₁= а₂) увеличить их для повышения k можно лишь возрастанием скоростей движения обеих жидкостей.

Надо особо отметить, что роль скорости потока w применительно к теплообменным аппаратам проявляется также через механизмы отложения на по­верхностях теплообмена накипи, смол, асфальтенов и прочих загрязнений. На­личие отложений приходится учитывать, так как их теплопроводность λ на по рядок и более ниже, чем у нержавеющей стали, и в 100 с лишним раз, чем у меди и латуни. Это и учитывается введением дополнительных тепловых сопро­тивлений при расчете k [17]:

 

(4.4)

 

где    S₁ и S₂ - толщина отложений соответственно со стороны охлаждаемой и охлаждающей сред, м;

      λ ₁ и λ ₂ - теплопроводность отложений, Вт/(м·К).

В расчетах можно принимать значения тепловых сопротивлений отложе­ний для воды различной загрязненности, приведенные в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Тепловые сопротивления отложений со стороны воды [17]

 

Качество и загрязненность воды	Тепловое сопротивление S/λ, (м2*К)/Вт при скорости потока, м/с
	ДО 0, 9	свыше 0, 9
Водопроводная	0, 00009...0, 00018	0.00009...0, 00018
Техническая очищенная	0, 00035...0, 00053	0, 00018...0, 00035
Техническая загрязненная	0, 00053...0, 00071	0, 00035...0, 00053

 

Большим тепловым сопротивлением обладают накипь, масляные и жировые пленки, имеющие низкие коэффициенты теплопроводности порядка 1, 2… 2, 4 Вт/(м·К). Для вязких водных растворов характерными загрязнениями на по­верхностях теплообмена являются отложения солей и механических взвесей, а для масел - смоляные, парафин истые и асфальтеновые отложения.

Тепловое сопротивление отложений в полости прохода вязких жидкостей растет как с увеличением его толщины, так и с повышением содержания в них взвешенных частиц асфальтенов, парафинов и смол, а также с увеличением плотности жидкости. Уменьшение скорости потока w способствует росту тол­щины отложений и, тем самым, увеличению теплового сопротивления.

С течением времени толщина отложений увеличивается, особенно при ма­лых w и наличии в конструкциях аппаратов застойных мест (" мешков" ), а также большого числа поворотов. При скоростях движения вязких жидкостей более 1, 5...2 м/с свободные отложения смываются, в застойных местах образуются завихрения, препятствующие в какой-то мере образованию отложений, толщи­на пленки на поверхности теплообмена даже уменьшается [17].

При охлаждении водных растворов солей и щелочей, а также при использо­вании для охлаждения загрязненной воды на поверхностях теплообмена обра­зуются твердые отложения типа накипи. Формирование накипи в теплообмен­никах происходит, как правило, в условиях интенсивного гидродинамического воздействия потока. Если прочность твердой пленки (Q) превысит касательное напряжение сдвига на стенке (τ _кас), то скорость роста накипи будет определяться скоростью кристаллизации отложений, и произойдет их неограниченный рост. При τ _касQ преобладает размыв отложений, то есть гидродинамическое воздей­ствие потока будет определяющим. Скорость потока, соответствующая τ _касQ является условием безнакипного режима работы теплообменника [18].

Образование накипи на поверхностях теплообмена не только создает до- дополнительное сопротивление теплопередаче, но повышает гидродинамическое сопротивление потоку вследствие уменьшения проходного сечения и увеличе­ния шероховатости.

Все эти факторы должны учитываться при выборе оптимальных скоростей движения обеих жидкостей. С одной стороны, с увеличением w растет эффек­тивность работы аппарата, но с другой стороны, возрастают гидродинамические сопротивления и энергозатраты на перемещение жидкостей. Практика работы таких аппаратов показала, что оптимальной является w=2...3 м/с [17, 18].

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: