Термодинамика и теплопередача в технологических процессах нефтяной и газовой промылшенности
.pdfТеплопередача в технологических процессах… |
201 |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
В результате решения выражения (2.217) получаем |
|
|
|
|||||||||||||||||
t |
|
− t |
|
|
1 |
|
+ |
|
δ |
+ |
|
|
|
1 |
|
|
Q , |
(2.218) |
||
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
ж1 |
|
ж2 |
|
α |
F |
|
|
λ F |
|
|
|
α |
пр |
|
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рс |
|
|
||
что равносильно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q = (kF) |
рс |
(t |
ж1 |
− t |
ж2 |
), |
|
|
|
(2.219) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где (kF)рс − водяной эквивалент поверхности теплопередачи через плоскую ребристую стенку, величина обратная полному термическому сопротивлению Rрс
(kF)рс = |
1 |
= |
|
1 |
|
|
|
. |
(2.220) |
||
|
|
|
δ |
|
|
|
1 |
|
|
||
|
Rрс |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
α F |
+ λ F |
+ α |
пр |
F |
|
||||
|
|
1 1 |
|
|
|
|
рс |
|
Если отнести водяной эквивалент (kF)рс к площади поверхности гладкой стенки (F1 ≈ Fг ≈ F), то получим выражение коэффициента теплопередачи
kрс |
= |
|
|
|
1 |
|
|
, |
(2.221) |
|
1 |
+ |
δ |
+ |
|
1 |
|
|
|
||
|
|
α |
λ |
α |
пр |
χ |
|
|||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
где χ = Fрс > 1 − коэффициент оребрения.
F1
Как видно из сравнения формул для определения коэффициента теплопередачи (2.199) и (2.221), оребрение поверхности со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи приводит к уменьшению соответствующего термического сопротивления в χ раз и увеличению теплового потока.
Приведенный коэффициент теплоотдачи αпр определяется из баланса передачи теплоты от оребренной поверхности к холодному теплоносителю
Q = Qс2 + Qр, |
(2.222) |
Q = αпр Fрс (tс2 − tж2 ); Qс2 = αг Fг (tс2 − tж2 ) ; Qр = αр Fр (tс2 − tж2 ) ηр , (223)
где Q, Qс2, Qр − тепловой поток от оребренной, гладкой поверхности и ребер к холодному теплоносителю.
Отсюда следует, что
α |
|
= α |
|
|
F |
+ α |
|
|
Fр |
η , |
(2.224) |
|
|
г |
|
|
|||||||
|
пр |
|
г |
|
F |
|
р |
|
F |
р |
|
|
|
|
|
|
рс |
|
|
|
рс |
|
|
где ηр = Qр /Qр' − коэффициент эффективности ребра, равный отношению теплового потока, переданного от ребра к теплоносителю Qр к тепловому потоку Qр' ,
Теплопередача в технологических процессах… |
205 |
|
|
Второе интегральное уравнение получается при непосредственном интег-
рировании уравнения теплопередачи (2.233) |
|
|||
|
kF |
= |
Θ1 − Θ2 . |
(2.235) |
Wm |
Θm |
|
Сопоставляя уравнения (2.234) и (2.235) получим расчетное уравнение для
средней разности температур теплоносителей |
|
|
||||
Θ |
m |
= Θ |
mL |
= Θ1 − Θ2 , |
(2.236) |
|
|
|
|
Θ1 |
|
||
|
|
|
|
ln |
|
|
|
|
|
|
|
Θ2 |
|
где Θ1 и Θ2 – начальная и конечная разности температур теплоносителей соот-
ветственно.
Выражение средней разности температур (2.236), справедливое для схем прямотока и противотока, называется среднелогарифмической разностью температур или уравнением Грасгофа.
Начальная Θ1 и конечная Θ2 разности температур теплоносителей для схемы прямотока и противотока определяются по следующим соотношениям (ри-
сунок 2.27): |
|
|
|
для схемы прямоток |
Θ1 = t1−τ1; |
Θ2 = t2−τ2 , |
(2.236а) |
для схемы противоток |
Θ1 = t1−τ2 ; |
Θ2 = t2−τ1 |
(2.236б) |
При незначительном изменении температуры теплоносителей вдоль поверхностей теплообмена, вместо среднелогарифмической разности температур можно пользоваться среднеарифметической разностью температур
|
t1 |
+ t2 |
|
τ1 + τ2 |
|
|
|
Θm = Θmа |
= |
|
|
− |
|
. |
(2.237) |
|
2 |
2 |
|||||
|
|
|
|
|
Среднеарифметическая разность температур всегда больше среднелогариф-
мической, но при |
t |
< 2 расхождение между ними составляет менее 3%, что |
|
τ |
|||
|
|
вполне допустимо в технических расчетах.
Для определения средней разности температур между теплоносителями для сложных схем используются два метода: графоаналитический и методика, предложенная профессором Н.И. Белоконь [2, 12].
Согласно графоаналитическому методу, предварительно по формуле Грасгофа подсчитывается среднелогарифмическая разность температур для противоточного теплообменного аппарата (2.236).
Теплопередача в технологических процессах… |
207 |
|
|
от характеристик R и PS для четырехходовых (по трубному пространству) кожухотрубных теплообменных аппаратов
от характеристик R и PS для шестиходовых (по трубному пространству) кожухотрубных теплообменных аппаратов
ΘI = Θma + 0,5 T; ΘII = Θma − 0,5 T ; |
(2.241) |
T – характеристическая разность температур
T = |
( t + τ)2 − 4 P t τ |
; |
(2.242) |
Wm – приведенный водяной эквивалент теплоносителей
Теплопередача в технологических процессах… |
209 |
|
|
Врекуперативных и регенеративных ТА в процессе теплопередачи между теплоносителями участвует поверхность теплообмена, поэтому эти аппараты называются поверхностными.
Всмесительных ТА теплопередача между теплоносителями осуществляется путем их непосредственного смешения (рисунок 2.31в).
Эти ТА называются контактными. Примером таких ТА могут быть градирни,
вкоторых оборотная вода охлаждается атмосферным воздухом.
По назначению теплообменные аппараты делятся на конвективные (нагреватели и холодильники), испарители, конденсаторы и кристаллизаторы.
Вконвективных ТА не происходит агрегатного превращения теплоносителей.
Виспарителях происходит испарение холодного теплоносителя или компонентов холодного теплоносителя.
Вконденсаторах конденсируется горячий теплоноситель или компоненты горячего теплоносителя.
Кристаллизаторы используются для охлаждения потока горячего теплоносителя до температуры, обеспечивающей образование кристаллов некоторых компонентов горячего теплоносителя.
Наиболее широкое распространение в нефтяной, газовой, нефте и газоперерабатывающих отраслях получили рекуперативные теплообменные аппараты:
кожухотрубные теплообменники и теплообменные аппараты типа «труба
втрубе», которые по некоторым данным составляют более 80% от всей теплообменной аппаратуры.
Кожухотрубные теплообменные аппараты подразделяются на аппараты: с неподвижными трубными решетками, с плавающей головкой, с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе, с U-об- разными трубками и трубками Фильда.
Кожухотрубные теплообменные аппараты с неподвижными трубными
решетками применяются при максимальной разнице температур между теплоносителями не более 80 оС (рисунок 2.32).
Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе).
Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощью вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки.
Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен.
Ккожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. На входе теплоносителя
вмежтрубное пространство в ряде случаев устанавливают отбойники, необходимые для уменьшения вибрации пучка труб, равномерного распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве и снижения эрозии ближайших