всякое / taranova то и расчет

На практике коэффициент теплоотдачи определяют с помощью

критерия Нуссельта (Nu)

где l – определяющий геометрический размер (длина или диаметр), λ – коэффициент теплопроводности.

Критерий Нуссельта характеризует подобие процессов теплопереноса на границе между стенкой и потоком жидкости и является мерой соотношения толщины пограничного слоя и определяющего геометрического размера; критерий Нуссельта записывают в виде степенной функции, используя в качестве геометрического размера отношение длины к диаметру

где С, m, n, р – определяют опытным путем;

Re – критерий Рейнольдса (Re = w.d.ρ / µ), характеризующий гидродинамическое подобие;

Pr – критерий Прандтля (Pr = с . µ / λ);

с, µ, λ, ρ, w – теплоемкость, вязкость, теплопроводность, плотность теплоносителя и скорость его движения.

11. Теплоотдача и режимы движения жидкостей.

Режимы движения жидкостей оказывают непосредственное влияние на процесс теплоотдачи. Для характеристики режимов движения используют критерий Рейнольдса (Re ).

О. Рейнольдс изучая режимы движения отметил, что при небольших скоростях движения частицы движутся параллельно друг другу; такой режим он назвал ламинарным или струйчатым. При увеличении скорости частицы начинают перемешиваться в поперечном направлении. Такое неупорядоченное движение, когда частицы жидкости движутся хаотически, и в то же время, вся масса жидкости перемещается в одном направлении, он назвал турбулентным движением.

Переход от одного режима к другому характеризуется критическими значениями критерия Рейнольдса (Re), который является мерой соотношения сил вязкости и инерции в движущемся потоке и определяется по формуле

где ρ, µ - плотность и вязкость жидкости соответственно.

11

где λтр – коэффициент трения, определяемый с учетом режима движения:

– при ламинарном режиме:

λтр = 64/ Re

– при турбулентном режиме при движении по гладким трубам

(зона гладкого трения):

λтр = 0,316. Re -0,25

–при турбулентном режиме в зоне смешанного трения (с учетом

шероховатости труб):

–1/ λтр 0,5 = -2lg (ε/ 3,7 + (6,81/ Re)0,9 )

–в автомодельной области (когда λтр не зависит от Re):

0,06-0,1 мм; для труб бывших в эксплуатации, но не подверженных действию коррозии – 0,1-0,2 мм; для старых загрязненных стальных и чугунных труб – 0,5-2 мм.

Местные сопротивления возникают при любых изменениях скорости потока по величине или направлению. К числу местных сопротивлений относятся: вход потока в трубу и выход из нее, внезапные сужения и расширения, отводы, колена, тройники, запорные и регулирующие устройства – краны, вентили, задвижки и т.п. Потери напора на преодоление местных сопротивлений определяются по формуле

где ∑ξ м.с – сумма коэффициентов местных сопротивлений по каждому виду местных сопротивлений (приводятся в справочных таблицах).

2) Гидравлические сопротивления в теплообменных аппаратах.

Расчет гидравлических сопротивлений при движении жидкостей через аппараты производится с учетом типа аппаратов, при сохранении общих закономерностей, отмеченных выше.

Например, гидравлические сопротивления в кожухотрубчатых теплообменниках определяются с учетом варианта подачи рабочей среды (в трубы, или в межтрубное пространство).

13

Гидравлическое сопротивление трубного пространства находят по формуле

∆Р=∆Р1+z·(∆Р2+∆Ртр+∆Р3)+∆Р4 (1.15)

где ∆Р1 – ∆Р4 – потеря давления на преодоление местных сопротивлений при движении потока в трубном пространстве на соответствующих участках;

∆Ртр – потеря давления на трение в трубах;

z – число ходов в трубном пространстве (см. характеристику аппарата).

Составляющие ∆Р1–∆Р5 находят по общей формуле вида:

где ξ i – коэффициенты местных сопротивлений на соответствующем участке (см. табл. местных сопротивлений);

ωi – скорость движения теплоносителя на соответствующем участке. Для расчета потерь давления на трение используют формулу

где λтр – коэффициент трения;

l – длина труб теплообменника, м.

Коэффициент трения зависит от режима движения и шероховатости стенок трубы; его можно определить графически или рассчитать (см. порядок расчета).

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства находят по уравнению:

сопротивлений при движении потока в межтрубном пространстве на соответствующих участках;

∆Рмт – потеря давления на трение в одном ходе межтрубного пространства;

l – длина труб теплообменника, м;

lП – расстояние между перегородками; lП=0,5·D;

14

отношение l / lП – число ходов в межтрубном пространстве.

Потери давления ∆Р6 – ∆Р8 находят также, как составляющие ∆Р1 – ∆Р5 с учетом скоростей потока и коэффициентов местных сопротивлений на соответствующих участках.

Потери давления на трение находят по формуле:

где λтр – коэффициент трения в межтрубном пространстве, зависящий от размещения труб и числа рядов труб.

13. Теплопередача.

Теплопередачу рассматривают в зависимости от формы стенки (теплопередающей поверхности) и взаимного направления движения теплоносителей.

Теплопередача при постоянных температурах теплоносителей через плоскую стенку.

Коэффициент теплопередачи (К) определяется в этом случае из уравнения

где α1 и α2 - коэффициенты теплоотдачи от более нагретого теплоносителя стенке и от стенки - к менее нагретому потоку;

r З.1 и r З.2 - термические сопротивления загрязнений со стороны первого и второго теплообменивающихся потоков;

δ ст и λ ст - толщина и теплопроводность материала стенки. Теплопередача при переменных температурах теплоносителей. Этот вид теплопередачи наиболее часто имеет место в

промышленных аппаратах. Теплопередача при переменных температурах теплоносителей зависит от взаимного направления движения теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена возможны следующие варианты взаимного направления движения потоков:

15

параллельный ток (прямоток), когда потоки движутся в одном направлении;

противоток, когда потоки движутся в противоположных направлениях;

перекрестный ток, когда потоки движутся взаимно перпендикулярно;

смешанный ток, при котором один поток движется в одном направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком к первому.

Рассмотрим расчет процесса теплообмена при прямотоке и противотоке.

1) прямоток 2) противоток

При расчетах по основному уравнению теплопередачи (см.п.8)

средний температурный напор (∆tср ) определяют с учетом взаимного направления движения потоков и разности температур на концах аппарата следующим образом.

1) Для прямотока расчеты проводят с использованием формул

в случаях, если ∆tН /∆tК > 2, или ∆tН /∆tК < 2 соответственно; разность температур на концах теплообменника при этом находят как:

∆tН= tН.1 – tН.2 ; ∆tК = tК.1 - tК.2

2)Для противотока среднюю разность температур определяют по формулам

16

в случаях, если ∆tб/∆tм > 2, или ∆tб/∆tм < 2 соответственно;

где ∆tб и ∆tм – большая и меньшая разность температур теплоносителей при принятой схеме взаимного направления движения потоков.

1.2. Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты - теплообменники предназначены для проведения процессов теплообмена, т.е. для нагревания или охлаждения, а также для испарения или конденсации потоков рабочих сред. В аппаратах осуществляется теплообмен между двумя потоками, имеющими различную температуру; в результате один поток нагревается, а другой – охлаждается.

Подвод и отвод тепла обеспечивается подачей в аппарат теплоносителей – нагревающих или охлаждающих агентов (см.п.1.1). В качестве нагревающих агентов используют водяной пар (чаще всего насыщенный), горячую воду, топочные или дымовые газы, высокотемпературные теплоносители (перегретую воду, органические жидкости и их пары, минеральные масла и др.) Для охлаждения до обычных температур (10-300С); в качестве охлаждающих агентов используют воду и воздух; для охлаждения до низких температур используют специальные холодильные агенты (пары низкокипящих жидкостей, сжиженные газы, холодильные рассолы), или специальные холодильные установки.

Аппараты данной группы весьма широко распространены и используются в качестве вспомогательного оборудования на любых предприятиях нефтепереработки и нефтехимии, т.к. почти все основные процессы химической технологии связаны с необходимостью подвода или отвода тепла. В этой связи удельный вес теплообменных аппаратов в общем объеме оборудования химических производств достаточно высок и составляет до 50 % в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

17

1.2.1.Классификация теплообменных аппаратов

Воснову классификации теплообменников могут быть положены различные признаки: способ передачи тепла, назначение, конструктивные особенности, направление движения теплоносителей и др.

1. По способу передачи тепла аппараты рассматриваемой группы подразделяются на следующие группы:

-теплообменники смешения, в которых передача тепла осуществляется при непосредственном контакте теплообменивающихся сред; использовать аппараты данного типа можно только в том случае, если допускается смешение потоков;

-поверхностные теплообменники, в которых передача тепла

осуществляется через разделяющую теплообменивающиеся потоки перегородку; аппараты данной группы используются наиболее часто в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

2. Классификация по назначению предусматривает деление аппаратов на теплообменники, нагреватели, холодильники, испарители, конденсаторы.

В теплообменниках один поток нагревается за счет тепла другого потока, используемого в технологическом процессе; использование этих аппаратов позволяет сократить расходы тепла и теплоносителей (хладагентов) на производстве. В холодильниках или нагревателях, а также в испарителях, или конденсаторах для осуществления процесса используют специальные теплоносители (чаще всего водяной пар или горячую воду) или хладагенты (чаще всего воду или воздух).

3. Классификация по конструкции предусматривает деление поверхностных теплообменников на следующие типы:

а) аппараты изготовленные из труб (кожухотрубчатые теплообменники; теплообменники типа «труба в трубе»; погружные змеевиковые; оросительные; аппараты воздушного охлаждения).

б) аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из листового материала (пластинчатые и спиральные).

в) аппараты с поверхностью теплообмена изготовленной из неметаллического материала (графитовые; пластмассовые; стеклянные).

4. По направлению движения теплоносителей выделяют прямоточные, противоточные, с перекрестным или смешанным движением теплоносителей.

При подборе аппарата для того или иного технологического процесса необходимо учитывать: температурный режим; давление; физикохимические свойства теплообменивающихся средств, их агрессивность.

18

Можно выделить несколько общих рекомендаций используемых при выборе типа аппарата:

1)для процессов протекающих при высоком давлении предпочтительно использовать теплообменники выполненных из труб. При этом теплоноситель с большим давлением следует направлять в трубы, поскольку они выдерживают большее давление по сравнению с кожухом.

2)При использовании агрессивных и коррозионных

теплоносителей предпочтительно использовать аппараты, выполненные из полимерных материалов (фторопласт). При использовании трубчатых теплообменников агрессивный теплоноситель лучше направлять в трубы, чтобы избежать коррозионного изнашивания корпуса.

3)При использовании загрязненных теплоносителей и теплоносителей, дающих отложения, их направляют с той стороны теплообмена, которая наиболее доступна для очистки. Например, для кожухотрубчатых теплообменников - это внутренняя поверхность труб; для погружных змеевиковых - наружная поверхность змеевика.

1.2.2. Аппараты с поверхностью теплообмена, выполненной из труб

Из этой группы аппаратов в нефтепереработке и нефтехимии наибольшее применение нашли кожухотрубчатые теплообменники различных разновидностей и аппараты воздушного охлаждения.

Кожухотрубчатые теплообменники

Преимущество аппаратов данного типа, это: простота изготовления и эксплуатации; надежность и универсальность в работе; аппараты данного типа можно использовать в широком диапазоне температур и давлений, и при любом сочетании теплоносителей.

Кожухотрубчатые аппараты (ГОСТ 9929) выполняют пяти видов:

•Н – аппараты с неподвижными трубными решетками

•К – теплообменники с компенсатором на кожухе

•У – аппарат с U-образными трубами

•П – теплообменник с плавающей головкой

•ПК – теплообменник с плавающей головкой и компенсатором на ней

19