Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Технологический расчет нефтепромысловой аппаратуры.
Движущей силой теплообмена является разность температур участников данного процесса.
Цель теплообмена – выравнивание температур .
Передача тепла всегда осуществляется от более нагретого тела к менее нагретому.
Различают три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводностью называется процесс распространения теплоты при колебательном движении частиц вещества при их взаимном соприкосновении без дополнительного перемещения.
Конвекция – это распространение теплоты с помощью переноса вещества.
Излучение – это распространение теплоты с помощью электро – магнитных колебаний.
Передача тепла от одного тела к другому с помощью теплопроводности описывается уравнением Фурье:
(492)
где: - количество теплоты, передаваемое через поверхность с постоянной температурой (стационарный режим);
- площадь поверхности, через которую передаётся тепло;
- время, в течении которого передаётся тепло;
- градиент температуры по нормали к поверхности ;
- коэффициент теплопроводности (Дж/с.м. 0С или Вт/м. 0С)
Величина градиента температуры в направлении убывания температуры отрицательна. Знак «минус» в уравнении (492) показывает противоположность направлений векторов теплового потока () и температурного градиента ().
При уравнение Фурье может быть записано в виде:
(493)
где: - удельный тепловой поток или тепловая нагрузка.
Величина зависит от природы вещества и его температуры. Для металлов изменяется в пределах от 10 до 500 Вт/м. 0С; для неметаллов от 0,025 до 3 Вт/м. 0С; для газов от 0,006до 0,6 Вт/м. 0С
С ростом температуры для металлов и неметаллов уменьшается, а для газов – увеличивается.
Если в процессе передачи тепла с помощью теплопроводности температура поверхности изменяется (нестационарный режим), то в правой части уравнения Фурье добавляется сомножитель:
(494)
где: - пространственные коэффициенты;
- коэффициент температуропроводности (м2/с):
(495)
где: - удельная теплоёмкость (Дж/кг. 0С);
- плотность (кш/м3);
- оператор Лапласа
Для одномерных процессов:
(496)
Передача тепла через плоскую стенку
Пусть тепло распространяется вдоль оси х, перпендикулярной плоской стенке (рис.52)
Тогда уравнение (493) можно записать в виде:
(497)
В результате его интегрирования получим:
(498)
Рис.52. Схема передачи тепла с помощью теплопроводности через плоскую стенку.
Постоянная интегрирования «с» определяется из граничных условий:
При , откуда -
Т.к. при , то:
(499)
Выразим из уравнения (498) значение удельного теплового потока :
(500)
Отношение - называется тепловой проводимостью стенки (Вт/м2 . 0С), а её обратная величина- тепловым сопротивлением стенки.
Тогда, с учётом уравнения (493) при :
(501)
Наконец, с учётом уравнения (492):
(502)
Для расчета передачи тепла через многослойную плоскую стенку используют уравнение:
(503)
где: - общий перепад температуры;
- температурный перепад в -ом слое;
- число слоёв.
Пренебрегая потерями тепла:
(504)
где: - так называемый полный коэффициент теплопередачи (Вт/м2 . 0С)
(505)
Передача тепла через цилиндрическую стенку
Преобразуем уравнение Фурье (492), заменив градиент температуры по нормали к поверхности на градиент температуры по радиусу:
(506)
Заменим площадь плоской поверхности на площадь поверхности трубы:
Рис.53. Схема передачи тепла с помощью теплопроводности через цилиндрическую стенку
(507)
Получим:
(508)
Запишем уравнение (508) в виде:
(509)
В результате интегрирования получим:
(510)
Постоянная интегрирования «с» определяется из граничных условий:
При , а при
Тогда:
(511)
(512)
После вычитания из выражения (511) выражения (512) и замены радиусов трубы на диаметры, получим:
(513)
Наконец, запишем формулу (513) в общепринятом виде:
(514)
Формула (514) справедлива как для передачи тепла от внутренней стенки к наружной, так и от наружной стенки к внутренней.
Если < 2, то труба считается тонкостенной и кривизна стенки слабо влияет на величину теплового потока, который в этом случае можно определять по формулам для плоской стенки.
Для цилиндрической стенки различают два вида удельного теплового потока; первый (qs) отнесён к единице поверхности, а второй (ql) к единице длины:
(515)
(516)
При этом, величина по аналогии с для плоской стенки называется тепловым сопротивлением цилиндрической стенки.
В общем случае процесс теплопередачи с помощью конвекции описывается уравнением:
(517)
где: - средняя температура среды, отдающей тепло;
- средняя температура стенки;
- коэффициент теплоотдачи.
Если тепло передаётся от жидкости к твёрдой стенке (тли наоборот), то:
(518)
где: - средний критерий Нусельта;
- средняя теплопроводность жидкости.
Если , то:
(519)
где: - критерий Рейнольдса, определяемый по формуле:
(520)
- средняя линейная скорость жидкости;
- средняя кинематическая вязкость жидкости, м2/с (1м2/с=10-4Ст);
- объёмный расход жидкости;
- средняя плотность жидкости;
- средняя динамическая плотность жидкости, Па.с (1Па.с=10 П);
- внутренний диаметр трубки;
- параметр Прандтля при средней температуре жидкости:
(521)
- средняя удельная теплоёмкость жидкости при постоянном давлении;
- параметр Прандтля при средней температуре стенки;
- параметр Грасгрофа при средней температуре жидкости:
(522)
- ускорение силы тяжести;
- коэффициент объёмного расширения жидкости;
Если , то:
(523)
Если < < , то:
(524)
Если тепло передаётся от твёрдой стенки газу (или наоборот), то:
(525)
где: - средняя линейная скорость газа.
Если тепло передаётся от твёрдой стенки к грунту (или наоборот), то:
(526)
где: - средняя теплопроводность грунта;
- наружный диаметр трубопровода;
- расстояние от поверхности земли до оси трубопровода.
Кроме рассмотренного общего подхода к определению , существует немало частных закономерностей. Например, если тепло передаётся от жидкости к твёрдой стенке (или наоборот), а < , то:
(527)
где: - длина трубки;
- параметр Пекле при средней температуре жидкости:
(528)
В общем случае процесс теплопередачи с помощью излучения описывается уравнением Стефана – Больцмана:
(529)
где: - средняя абсолютная температура излучающей стенки;
- средняя абсолютная температура среды;
- коэффициент лучеиспускания (Вт/м2 . К4):
(530)
- коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела (5,68 Вт/м2 . К4);
- степень черноты тела.
а) излучение – конвекция
типичным примером может служить радиантная секция печи беспламенного горения в которой тепло от раскаленной кирпичной стенки передаётся змеевику труб как за счёт излучения, так и за счёт конвективного теплообмена с дымовыми газами.
В этом случае:
(531)
или согласно уравнений ( 517) и (529):
(532)
где: - температура и абсолютная температура излучаюшей стенки;
- температура и абсолютная температура трубного змеевика.
Тогда:
(533)
Величина:
(534)
называется коэффициентом теплоотдачи при излучении.
В результате:
(535)
Обозначим:
(536)
где: - общий коэффициент теплоотдачи.
Тогда:
(537)
б) конвекция – теплопроводность
Типичным примером может служить конвекционная секция любой печи в которой тепло дымовых газов передаётся через стенку трубопроводного змеевика нагреваемой среде.
Количественной характеристикой этого совместного процесса принято считать так называемый общий полный коэффициент теплопередачи ().
Для плоской многослойной стенки:
(538)
где: - коэффициент теплоотдачи от горячего потока к разделяющей стенке;
- коэффициент теплоотдачи от разделяющей стенки к холодному потоку.
Для многослойной цилиндрической стенки:
(539)
Итоговая формула имеет вид:
(540)
где: - средняя температура горячего потока;
- средняя температура холодного потока.
2. Особенности передачи тепла в теплообменной аппаратуре.
При технологическом расчете любой теплообменной аппаратуры различают три типа задач:
Во всех трёх случаях расчеты базируются на уравнении (540) и уравнении теплового баланса:
(541)
где: - массовые расходы горячего и холодного потоков соответственно;
- удельные средние теплоёмкости при постоянном давлении горячего и холодного потоков соответственно.
- начальная температура (0С) горячего и холодного потоков соответственно;
- конечная температура (0С) горячего и холодного потока соответственно.
В теплообменных аппаратах применяют четыре схемы движения потока (рис.53)
Рис.53. Схема теплобмена (t – холодный поток; Т – горячий поток)
а) прямоток; б) противоток; в) перекрестный ток; г) смешанный ток
При прямоточной схеме – горячий и холодный потоки движутся параллельно в одном направлении.
При противоточной схеме горячий и холодный потоки движутся параллельно в противоположном направлении.
Перекрестная и смешанная схема представляют собой комбинацию первых двух.
На рис.54 приведена схема изменения температур потоков при прямоточном и противоточном движении
Рис.54. Схема изменения температур потоков при прямоточном и противоточном движении
а) прямоточное течение; б) противоточное течение
Как следует из рис.54 движущая сила теплообмена (разность температур потоков) в общем случае является переменной величиной, причём, при прямотоке < , а при противотоке возможно соотношение > .
Количественно движущую силу теплообмена принято характеризовать с помощью так называемого температурного напора ().
Для прямотока:
(542)
Для противотока:
(543)
В общем случае эти зависимости могут быть записаны как:
(544)
где: - большая разность температур между потоками;
- меньшая разность температур между потоками.
Причём, если: / < 2, то величину температурного напора можно найти по упрощенной зависимости:
= (+ )/2 (545)
В теплообменных аппаратах принято различать так называемый эквивалентный диаметр (), определяемый для каждого типа конструкции по отдельной зависимости, например, для межтрубного пространства кожухотрубчатого теплообменника:
(546)
для теплообменников типа труба в трубе:
(547)
где: - внутренний диаметр кожуха;
- наружный диаметр трубки;
- число трубок в пучке; и.т.д.
3. Основные конструкции теплообменников
Обобщенная классификация теплообменных аппаратов может быть проиллюстрирована рис.55.
Рис.55. Классификация теплообменных аппаратов
В поверхностных аппаратах передача тепла от одной среды к другой осуществляется через разделяющую их твёрдую стенку.
В аппаратах смешения передача тепла от одной среды к другой осуществляется при их непосредственном соприкосновении.
Эффективность теплообмена выше в аппаратах смешения, а их металлоёмкость меньше, но передача тепла сопровождается нежелательным (как правило) смешением фаз.
Поверхностные аппараты
3.1. Теплообменники.
Это аппараты, в которых один поток нагревается за счет использования тепла другого потока, получаемого в том же технологическом процессе и нуждающегося в охлаждении.
Теплообменники позволяют сократить подвод из вне необходимого тепла или хладоагента. Поэтому в этот же раздел относят котлы – утилизаторы и регенераторы холода.
3.1.1. Змеевиковые аппараты.
Подобные конструкции представляют собой трубный змеевик, проложенный по дну ёмкости или резервуара. Теплоносителем обычно служит водяной пар. В следствии возможности размещения в ёмкости или резервуаре лишь небольшой поверхности теплообмена, низкого коэффициента теплопередачи, громоздкости и, значит, опасности в пожарном отношении, такие аппараты применяют лишь для разогрева легкозастывающих нефтей и нефтепродуктов.
3.1.2. Спиральные аппараты.
Подобная конструкция (рис.56) состоит из двух листов, свёрнутых в спираль и образующих каналы, по которым движутся теплообменивающиеся среды. Достоинством аппаратов этой конструкции является компактность, лёгкость создания высоких скоростей движения теплообменивающихся сред и, как следствие, более высокое значение полного коэффициента теплопередачи. Гидравлическое сопротивление таких аппаратов относительно невелико. К недостаткам можно отнести сложность изготовления и трудность обеспечения герметичности соединений.
Рис.55. Схема спирального теплообменного аппарата
1,2 – листы, свёрнутые в спираль; 3 – перегородка; 4 – крышки; 5 – прокладка.
3.1.3. Аппараты типа «труба в трубе».
Жесткая конструкция представлена на рис. 56, а разборная на рис.57.
Рис.56. Схема теплообменного аппарата типа «труба в трубе» жесткого типа.
Рис.57. Схема разборного теплообменного аппарата типа «труба в трубе»
В таких аппаратах теплообмен происходит между средами, двигающимися по трубкам и кольцевому пространству, которое образуется между трубами большого и малого диаметров. В таких аппаратах легко обеспечиваются высокие скорости движения, что позволяет достигать высоких коэффициентов теплопередачи. Также легко организуется противоток. Рабочие поверхности подобных теплообменников в меньшей степени подвержены загрязнению. В таких теплообменниках так же легко обеспечивается оребрение поверхности теплообмена, что позволяет в 4 – 5 раз увеличить поверхность контактирования фаз. Такое мероприятие оказывается особенно полезным в том случае, когда со стороны одной из сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ, вязкая жидкость, поток имеет ламинарный характер и т.п.).
На рис.58. приведены варианты оребрения трубы.
Рис.58. Схема оребрения труб.
а) рёбра закреплены в канавках; б) корытообразные рёбра; в) оребрение накаткой.
Недостатками теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми являются большие габариты и высокая металлоёмкость на единицу поверхности теплообмена.
Теплообменники данной конструкции используются при сравнительно небольшой разности температур теплообменивающихся сред.
При жестком варианте в кольцевое пространство подаётся среда не способная загрязнить его. При разборном варианте данное ограничение снимается.
3.1.4. Кожухотрубчатые аппараты.
а) схема подобного аппарата с неподвижной трубной решеткой приведена на рис.59.
Рис.59. Схема теплообменного аппарата с неподвижными трубными решетками.
Существенное различие между температурами трубок и кожуха приводит к большему удлинению первых по сравнению со вторыми, что нарушает герметичность развальцовки трубок в решетке и ведёт к смешению сред.
Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред не более 500С да ещё и при сравнительно небольшой длине аппарата.
Очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому в него должна направляться среда не вызывающая отложений.
Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции и малая стоимость.
б) теплообменные аппараты с температурным компенсатором (рис.60) имеют неподвижные трубные решетки и снабжены устройством в виде линз для компенсации различия их температур.
Рис.60. Схема теплообменного аппарата с линзовым (температурным) компенсатором.
в) теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) – рис.61. являются наиболее распространённым типом поверхностных аппаратов.
Рис.61. Схема теплообменного аппарата с плавающей головкой.
Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возникать лишь при существенном различии температур трубок. В теплообменных аппаратах подобного типа трубные пучки сравнительно легко могут быть удалены из корпуса. Что облегчает их ремонт, чистку или замену.
г) Теплообменники с U – образными трубками (рис.62) имеют одну трубную решетку, в которую ввальцованы оба конца U- образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры.
Рис.62. Схема теплообменного аппарата с U – образными трубками
Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней поверхности труб.
д) Теплообменные аппараты с двойными трубками (рис.63) имеют две трубные решетки, размещенные с одной стороны аппарата.
Рис.63. Схема теплообменного аппарата с двойными трубками.
В одной трубной решетке развальцованы трубы меньшего диаметра, верхние концы которых открыты, в другой – трубы большего диаметра, нижние концы которых заглушены. Такая конструкция обеспечивает независимое удлинение труб. В аппаратах этого типа одна из теплообменивающихся сред поступает через штуцер в пространство между крышкой и верхней трубной решеткой, откуда направляется вниз по трубкам малого диаметра. По выходе из них поток возвращается по кольцевому пространству между трубками, собирается в пространстве между трубными решетками, а затем выводится из аппарата.
е) многоходовые теплообменные аппараты (рис.64) могут быть созданы с любым числом ходов по трубному и межтрубному пространству.
Рис.64. Схема многоходового теплообменного аппарата
Однако, продольные перегородки с помощью которых можно изменять число ходов в межтрубном пространстве, распространения не получили, ибо очень трудно обеспечить герметичность между этими перегородками и корпусом.
Поперечные перегородки различных типов показаны на рис.65.
Наибольшее распространение получили сегментные перегородки. Важно, чтобы зазор между внутренной поверхностью кожуха и перегородкой был минимальным, что позволяет сократить утечку жидкости, проходящей через межтрубное пространство и не участвующей в теплообмене. Вместе с тем, зазор должен быть достаточным для удобства извлечения пучка труб при его ремонте.
Таким образом, перегородки повышают скорости потоков теплообменивающихся сред, улучшают обтекаемость поверхности теплообмена и создают большую турбулентность потоков.
Рис.65. Схема поперечных перегородок трубного пучка.
а) сегментные; б) секторные с продольной перегородкой; в) и г) варианты кольцевых перегородок
3.2. Конденсаторы – холодильники
Это аппараты, предназначенные для охлаждения жидкого потока или конденсации и охлаждения паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.) Охлаждение и конденсация в этих аппаратах являются целевыми процессами, а нагрев охлаждающего агента – побочным.
3.2.1. Погружные аппараты.
Специфической особенностью аппаратов этого типа является наличие ёмкости – ящика, в которую погружены теплообменные трубы. В ящике находится охлаждающая среда (чаще всего вода).
Различают змеевиковые и секционные аппараты. Принципиальное устройство однопоточного погружного конденсатора – холодильника показано на рис. 66.
Рис.66. Схема однопоточного погружного змеевикового конденсатора – холодильника.
I - пары на охлаждение и конденсацию; II – сконденсированный и охлажденный продукт; III – хладоагент (вода); IV – нагретый хладоагент.
Теплообменная поверхность состоит из труб, соединённых при помощи сварки или на флянцах; переход из одной трубы в другую осуществляется при помощи двойников. Охлаждаемый поток последовательно проходит трубы, расположенные в горизонтальном ряду, затем переходит в трубы следующего ряда и т .д.
При большом расходе охлаждающегося потока для уменьшения гидравлического сопротивления применяют коллекторные змеевиковые конденсаторы – холодильники (рис.67), в которых охлаждаемый поток при помощи специального коллектора разбивается на несколько параллельных потоков.
Рис.67. Схема коллекторного погружного конденсатора – холодильника
I – пары на охлаждение и конденсацию; II – сконденсированный и охлажденный продукт; III – охладитель (вода); IV – нагретый хладоагент.
Если при конденсации паров объём потока резко уменьшается, то можно применить коллекторные погружные аппараты с переменным числом потоков. В начале аппарата, где движутся в основном пары, число параллельных потоков должно быть более высоким, чем в конце аппарата, где конденсация паров завершена и идёт охлаждение конденсата.
К недостаткам аппаратов подобного типа относится их громоздкость и повышенный расход металла. Кроме того, в ящике свободное сечение для прохода хладоагента (воды) велико, вследствии чего скороссть его движения мала и относительно малы коэффициенты теплоотдачи от стенок змеевика к хладоагенту.
3.2.2. Оросительные аппараты.
Они представляют собой змеевик, состоящий из соединённых двойниками труб, которые расположены горизонтальными и вертикальными рядами (рис.68).
Рис.68. Схема оросительного коллекторного конденсатора – холодильника
Чаще всего это коллекторские змеевики. В верхней части аппарата имеется распределительное приспособление для орошения наружной поверхности змеевиков, как правило, водой. Оно выполнено либо в виде желобов, либо в виде перфорированных труб, либо специальных распылителей.
В следствии высоко значения скрытой теплоты испарения воды даже незначительное её испарение сопровождается отводом большого количества тепла. Опыт работы показывает, что около 50 % тепла отводится испаряющейся водой. Таким образом, в оросительном холодильнике – конденсаторе расход воды примерно в 2 раза меньше, чем в обычном водяном холодильнике.
К недостаткам таких аппаратов относится их громоздкость, интенсивная коррозия, отложение накипи и оледенение зимой.
3.2.3. Аппараты воздушного охлаждения (АВО).
В этих аппаратах в качестве охлаждающего агента используется поток атмосферного воздуха, нагнетаемый вентиляторами, в который, при необходимости, впрыскивается вода.
Сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи со стороны потока воздуха компенсируется оребрением наружной поверхности труб, высокими скоростями потока воздуха и впрыскиванием в него воды, а так же использованием для изготовления труб меди, латуни, бронзы и различных алюминиевых сплавов.
АВО подразделяются на следующие типы:
Горизонтальные … АВГ
Зигзагообразные … АВЗ
Малопоточные … АВМ
Для вязких продуктов … АВГ – В
Для высоковязких продуктов … АВГ – ВВ
В качестве примера на рис.69 приведена схема аппарата горизонтального типа, а на рис 70 шатровые и зигзагообразные аппараты.
Рис.69. Схема горизонтального аппарата воздушного охлаждения.
1, Секция оребрённых труб; 2. Колесо вентилятора; 3. Электродвигатель; 4. Коллектор впрыска очищенной воды; 5. Жалюзи.
Последние конструкции позволяют иметь большую поверхность теплообмена при той же занятой площади. Количество воздуха, прокачиваемого через аппарат, должно изменяться при сезонном изменении температуры; это достигается за счет изменения числа оборотов вентилятора и угла поворота заслонок жалюзей.
Рис.70. Схема аппаратов воздушного охлаждения.
а) Шатрового типа; б) зигзагообразного типа.
3.3. Нагреватели, испарители, кипятильники.
В этих аппаратах нагрев или частичное испарение осуществляется за счет использования тепла высокотемпературных потоков. Нагрев или испарение одной среды является целевым процессом, тогда как охлаждение горячего потока является побочным.
3.3.1. Аппараты с паровым пространством (рис.71).
Рис.71. Подогреватель – кипятильник конструкции Гипронефтемаша.
I и II – теплоноситель; III и IV – нагреваемая жидкость; V- пары.
Аппарат представляет собой двухходовой трубный пучек с плавающей головкой, вмонтированный в куб с поперечной перегородкой. Подлежащая испарению жидкость поступает в аппарат снизу и двигаясь вверх между трубками, нагревается и частично испаряется, а затем перетекает через перегородку и через нижний штуцер выводится из аппарата. Образующиеся пары выводятся через верхний штуцер.
3.3.2. Пародистиляторные теплообменники (рис.72).
Рис.72. Схема парциального конденсатора
I и II. Пары; III. Конденсат; IV и V. Хладоагент
В этих аппаратах тепло передаётся от конденсирующихся паров.
3.4. Аппараты смешения.
В этих аппаратах тепло передаётся от одной среды к другой путём непосредственного контакта теплообменивающихся потоков. Это позволяет значительно сократить расход металла на изготовление аппаратов. Однако, применять этот способ можно только в тех случаях, когда допустимо смешение потоков.
3.4.1. Барометрический конденсатор.
Рис.75. Схема барометрического конденсатора
I.Смесь паров и газов; II. Пары к вакуум создающему оборудованию; III. Холодная вода; IV. Нагретая вода.
В барометрический конденсатор потоком (I) подаётся смесь газов и паров для конденсации и охлаждения которых потоком (III) подаётся холодная вода, стекающая по перфорированным полкам в виде струек. Полки занимают 2/3 сечения аппарата и размещены таким образом, что струи с вышележащих полок попадают на нижележащие. Уровень воды на полке поддерживается поперечными планками. Охлаждаемая парогазовая смесь, поднимаясь снизу вверх, контактирует со струями и водяной завесой. Таким образом, создаётся большая поверхность теплообмена. Конденсат вместе с водой стекает в колодец. Сверху из конденсатора отсасываются газы с частью водяных паров.
Чаще всего ииспользуются аппараты с 4 – 7 полками с диаметром отверстий 1 – 7 мм. Сточные воды отделяются от конденсата обычно отстоем и требуют дорогостоящей очистки.
3.4.2. Горячая струя.
Рис.74. Схема нагрева горячей струёй.
I.Холодная струя; II. Горячая струя; III. Отвод.
Основной поток (или часть его) из аппарата (1) проходит трубчатую печь, где нагревается до требуемой температуры и частично возвращается в аппарат, создавая там необходимые условия.
3.4.3. Топка под давлением.
В топке под давлением сжигается жидкое или газообразное топливо, а образующиеся дымовые газы смешиваются с подлежащим нагреву воздухом, нагнетаемым в этот аппарат. Такой аппарат не требует больших затрат, но снижает концентрацию кислорода в нагретой смеси.
Рис.75. Схема топки под давлением.
I.Воздух для горения; II. Воздух на подогрев; III. Нагретая смесь.
3.4.4. Примером теплообмена в противотоке газо – парового потока с движущемся слоем гранулированного материала может служить аппарат, схема которого приведена на рис.76.
Рис.76. Схема аппарата с теплообменом в противотоке при движущемся слое гранулированного материала.
I.Гранулированный материал; II.Жидкая или газовая теплообменивающаяся среда.
3.4.5. Примером теплообмена смешение при прямотоке является аппарат, изображенный на рис.77.
Рис.77. Схема теплообмена в прямотоке, осуществляемого при транспортировании гранулированного материала.
I.Нагреваемый поток.
4. Выбор типа теплообменника и его эксплуатация.
При выборе теплообменного аппарата необходимо учитывать следующее:
Важным фактором при выборе является число ходов в теплообменном аппарате. В много ходовых теплообменниках достигаются более высокие коэффициенты теплопередачи, но они менее удобны в эксплуатации, что связано с трудностями при разборке – сборке подобных аппаратов, их чистке и быстрой потерей герметичности перегородками. Поэтому, на практике предпочитают применять теплообменники одноходовые по корпусу и двухходовые в трубном пространстве.
Теплообменники типа «труба в трубе» применяют для высоковязких и загрязненных жидкостей.
Хорошо противостоят сероводородной и хлористоводородной коррозии трубки из так называемого адмиралтейского сплава (70 % Cu, 1 % Sn и 29 % Zn); с изготовлением решеток и крышек из нержавеющей стали; для экономии которой применяют решетки из биметалла. Хорошие результаты наблюдаются при покрытии всех внутренних поверхностей аппарата стеклом или стеклоэмалью, но это ведёт к уменьшению коэффициента теплопередачи. Довольно часто применяют плакировку, т.е. покрытие углеродистой стали нержавеющей сталью. Используют также электрохимические или химические покрытия.
Оптимальные скорости всех потоков выбирают по справочному графику (рис.78).
Рис.78. Кривые для выбора оптимальной скорости потоков в теплообменнике.
Особое внимание следует уделять нахождению оптимального предела регенерации тепла, во многом определяющем экономику любого технологического процесса. Чем больше регенерируется тепло, тем больше поверхность теплообмена, выше гидравлические сопротивления, а следовательно, и расход энергии на их преодоление. Поэтому необходимо сопоставление затрат, обуславливаемых усилением регенерации тепла, со стоимостью сэкономленного топлива, что и позволяет выбрать экономически целесообразную степень регенерации тепла для данной технологической установки.
Для сокращения потерь тепла в окружающую среду теплообменники изолируют. Как правило, цилиндрическую часть аппарата покрывают мастичным материалом, например, асбоцементом, после чего штукатурят и облицовывают металлическими листами (в основном алюминиевыми). Головки аппарата несут собственную теплоизоляцию, которая связана с изоляцией цилиндрической части соединительными кольцами. Для облегчения демонтажа теплоизолирующий кожух выполняют из двух половинок и монтируют внахлёстку.
Эффективность работы теплообменника во многом зависит от степени чистоты поверхности теплообмена. Отложения в теплообменных аппаратах могут быть двух видов: твёрдые – окалина, накипь, продукты коррозии металла, механические примеси и т.п.; пористые – тина, грязь, АСПО, шлам и т.п. Эти отложения снижают коэффициент теплопередачи и, как следствие, температуру холодного потока на выходе, не говоря уже о возросших гидравлических сопротивлениях. Чтобы поддерживать коэффициент теплопередачи на должном уровне, аппарат подвергают переодической очистке. Обычно, для однотипных теплообменников используют запасной пучек труб, заменяя им загрязненный. Некоторые из этих загрязнений легко отделяются при продувке паром, другие при промывке водой или бензином, третьи только механическим путём. Практикуется применение минеральных кислот. При механической очистке аппарат раскрывают, пучки труб вынимают из кожуха. Отложения в межтрубном пространстве отбивают зубилами и всю мелочь удаляют скребками и щетками. Внутреннюю поверхность трубок очищают шарошками или длинными стальными прутьями. Заслуживает внимания и так называемый образивный метод очистки кожухотрубчатых теплообменников с помощью взвеси песка.
Нагревающие агенты:
Наиболее удобным и самым распространённым теплоносителем является водяной пар. Его легко транспортировать к месту потребления, а централизованное производство в ТЭЦ или в крупной котельной позволяет наиболее эффективно использовать тепло топлива, совмещая производство пара с выработкой электроэнергии.
Достоинствами водяного пара как теплоносителя являются высокий коэффициент теплопередачи при его конденсации, большие величины скрытой теплоты конденсации, возможность использования конденсата и др.
К недостаткам водяного пара относится сравнительно низкая его температура при высоком давлении. Так, при абсолютном давлении 0,98 МПа температура конденсации пара всего 1790С и, следовательно, использовать его можно при нагреве сырья лишь до температуры не выше 160 – 1700С. При повышении необходимой температуры нагрева всего на 30 – 400С (до 2000С) требуется насыщенный пар уже под давлением 2,5 – 3,0 МПа.
Значительного снижения давления в аппарате при нагреве до высоких температур можно достигнуть, применяя конденсирующийся теплоноситель с более высокой температурой кипения. В промышленной практике применяют, например, смесь дифенила и дифенил оксида, известную под названием даутерма. Температура его кипения при атмосферном давлении равна 257 0С, а при температуре 3500С абсолютное давление насыщенных паров всего 0,6 МПа. Однако, скрытая теплота его конденсации значительно ниже, чем у водяного пара.
При нагреве выше 4000С применяют легкоплавкую смесь азотнокислых и азотистокислых солей натрия и калия. Так, например, смесь солей, состоящая из NaNO2 (40 %), NaNO3 (7 %) и KNO3 (53 %) плавится при 1420С, выдерживает температуру в 6000С и имеет вполне приличную теплоту плавления (порядка 81,6 кДж/кг) и теплоёмкость (порядка 2 кДж/кг.К) при приемлимой вязкости расплава (около 4 мПа.с).
При нагреве до 2000С вполне уместно использовать в качестве теплоносителя нефть или нефтепродукты. Иногда в качестве теплоносителя применяют дымовые газы или горячий воздух, нагреваемый в топках под давле давлением. Недостатками такого теплоносителя является низкий коэффициент теплоотдачи (обычно не выше 58 Вт/м2.К) и малая теплоёмкость (1,05 – 1,26 кДж/кг.К). Недостатками такого теплоносителя является низкий коэффициент теплоотдачи (обычно не выше 58 Вт/м2.К) и малая теплоёмкость (1,05 – 1,26 кДж/кг.К).
Не редки случаи использования в качестве теплоносителя перегретой воды с температурой 350 – 3600С, которая циркулирует в системе под давлением выше 20 МПа.
Охлаждающие агенты.
Наиболее распространённым и дешевым охлаждающим агентом является вода, используемая для охлаждения до 30 – 350С. При этом, различают проточное и оборотное водоснабжение. Во втором случае вода повторно используется после её охлаждения путём частичного испарения в градирнях или специальных бассейнах. Иногда воду частично испаряют под вакуумом. Основное преимущество воды – её доступность и высокий коэффициент теплоотдачи к поверхности в сочетании с большой теплоёмкостью. К недостаткам следует отнести загрязнение наружной поверхности теплообменной аппаратуры.
Широко распространён в качестве охлаждающего агента атмосферный воздух, поскольку затраты на привод вентиляторов меньше затрат на организацию водяного охлаждения. К достоинствам воздуха как охлаждающего агента можно отнести его доступность и отсутствие загрязнений аппаратуры. К недостаткам – низкий коэффициент теплоотдачи (до 58 Вт/м2.ч) и низкая теплоёмкость (1,0 кДж/кг.К), вследствии чего массовый расход воздуха ~ в 4 раза превышает расход воды. Немалые неприятности при использовании воздуха в качестве охлаждающего агента связаны с весьма существенными колебаниями его начальной температуры.
При необходимости охлаждения ниже 10 – 150С применяют специальные хладоагенты – испаряющийся аммиак, пропан, этан и другие сжиженные газы. Образующиеся пары хладоагента подвергаются компрессии, сжижаются и возвращаются в процесс. Температура испаряющегося агента легко регулируется изменением давления, при котором происходит испарение.
Наибольшее распространение в нефтяной и газовой промышленности получили кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве. Подобные аппараты принято подразделять и обозначать индексами, состоящими из 2 или 3 букв:
В качестве примера основные сведения о кожухотрубчатых аппаратах с неподвижными трубными решетками по ГОСТам 15119-69, 15120-69, 15121-69 и 15122 –69 для труб 25х2 мм из стали марок 10 и 20 приведены в табл. 8 –11.
Табл.8.
Применение кожухотрубчатых теплообменных аппаратов со стальными трубами.
|
Тип аппарата |
Применение и нормы |
|
|
В кожухе |
В трубах |
|
|
Теплообменники ТН и ТК (ГОСТ 15122-69) |
Нагревание и охлаждение жидких и газообразных сред |
|
|
Температура теплообменивающихся сред от –30 до +3500С |
||
|
Рраб для ТН 4 - 25 атм; для ТК 4 – 16 атм. |
Рраб 4 – 25 атм. |
|
|
Конденсаторы КН и КК (ГОСТ 15121-69) |
Конденсируемая среда |
Охлаждающая среда |
|
Температура от 0 до +3500С Рраб для КН 4 - 25 атм; для КК 4 – 16 атм. |
Вода или другая нетоксичная и не взрыво- и не пожароопасная среда Температура от – 30 до +600С Рраб от 4 до 6 атм. |
|
|
Холодильники ХН и ХК (ГОСТ 15120-69) |
Охлаждаемая среда |
|
|
Температура от 0 до +3500С Рраб для ХН 4 - 40 атм; для ХК 4 – 16 атм. |
||
|
Испарители ИН и ИК (ГОСТ 15119-69) |
Греющая среда |
Испаряемая среда |
|
Температура греющей и испаряемой среды от –30 до +3500С |
||
|
Рраб для ИН 4 - 40 атм; для ИК 4 – 10 атм. |
Рраб от 4 до 10 атм. |
Рраб – предельное рабочее давление, зависящее от характеристики и температуры среды.
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками типа ТН, ХН, КН и ИН можно применять только в тех случаях, когда разность температур кожуха (tk) и труб (tт) будет меньше максимальной, приведённой в табл.8.
Если разность (tk) и (tт) окажется больше максимально допустимой, то используют кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором типа ТК, КК, ХК и ИК или с плавающей головкой (ГОСТ 14246-69).
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками, предназначенные для аммиачных и углеводородных холодильных установок (ГОСТ 22485-77 и 22486-77) не рассматриваются.
Табл.9.
Площадь поверхности теплообмена (по dнар) теплообменных аппаратов типа ТН, ТК, ХН и ХК с трубами 25х2 мм
|
Диаметр Кожуха внутрен. мм |
Число труб |
ТН, ТК (ГОСТ 15122-69) |
ХН, ХК (ГОСТ 15120-69) |
nв |
||||||
|
Общее |
На один ход |
Длина труб, м |
||||||||
|
1,0 |
1,5 |
2,0 |
3,0 |
4,0 |
6,0 |
|||||
|
Площадь поверхности теплообмена, м2 |
||||||||||
|
О д н о х о д о в ы е |
||||||||||
|
150 259 |
13 37 |
13 37 |
1,0 3,0 |
1,5 5,0 |
2,0 6,5 |
3,0 10 |
- - |
- - |
То же |
5 7 |
|
307 400 600 800 1000 1200 |
61 111 261 473 783 1125 |
61 111 261 473 783 1125 |
- - - - - - |
7,0 - - - - - |
9,5 17 40 74 - - |
14 26 61 112 182 - |
19 35 81 150 244 348 |
- 52 122 226 366 525 |
Не применяются |
9 11 17 23 31 37 |
|
Д в у х х о д о в ы е |
||||||||||
|
325 400 600 800 1000 1200 |
52 100 244 450 754 1090 |
26 50 122 225 377 545 |
- - - - - - |
6,0 - - - - - |
8,0 15 38 70 - - |
12 23 57 106 175 - |
16 31 76 142 234 338 |
- 47 114 212 353 505 |
То же |
8 10 16 22 30 36 |
|
Ч е т ы р ё х х о д о в ы е |
||||||||||
|
600 800 1000 1200 |
210 408 702 1028 |
52,5 102 175,5 257 |
- - - - |
- - - - |
32 64 - - |
49 96 163 - |
65 128 218 318 |
98 193 329 479 |
То же |
14 20 28 34 |
|
Ш е с т и х о д о в ы е |
||||||||||
|
600 800 1000 1200 |
198 392 678 1000 |
33 65,3 113 166,6 |
- - - - |
- - - - |
31 62 - - |
47 93 160 - |
62 125 214 316 |
93 187 322 476 |
То же |
14 20 28 34 |
nв – число рядов труб по вертикали для горизонтальных аппаратов (по ГОСТ 15118-69).
Табл.10.
Поверхность теплообмена (по dнар) испарителей ИН и ИК и конденсаторов КН и КК с трубами 25х2 мм по
ГОСТ 15119-69 и ГОСТ 15121-69
|
кожуха (внутрен.) мм |
Число труб |
Длина труб, м |
Типы аппаратов |
||||
|
Общее |
На один ход |
2 |
3 |
4 |
6 |
||
|
Площадь поверхности теплообмена, м2 (по dнар) |
|||||||
|
О д н о х о д о в ы е |
Испарители ИН, ИК |
||||||
|
600 800 1000 1200 1400 |
261 473 783 1125 1549 |
261 473 783 1125 1549 |
40 74 121 - - |
61 112 182 260 358 |
81 150 244 348 480 |
- - - - - |
|
|
Д в у х х о д о в ы е |
|||||||
|
600 800 1000 1200 1400 |
244 450 754 1090 1508 |
122 255 377 545 754 |
- - - - - |
57 106 175 - - |
76 142 234 338 - |
114 212 353 509 706 |
Конденсаторы КН, КК |
|
Ч е т ы р ё х х о д о в ы е |
|||||||
|
600 800 1000 1200 1400 |
210 408 702 1028 1434 |
52,5 102 175,5 257 358,5 |
- - - - - |
49 96 163 - - |
65 128 218 318 - |
98 193 329 479 672 |
|
|
Ш е с т и х о д о в ы е |
|||||||
|
600 800 1000 1200 1400 |
198 392 678 1000 1400 |
33 65,3 113 166,6 233,3 |
- - - - - |
46 93 160 - - |
62 123 213 314 - |
93 185 319 471 659 |
Табл.11.
Количество ходов по трубкам (К), общее число труб (n), площади поперечных сечений одного хода по трубам
(Sт) и в вырезе перегородки (Sс.ж.), расстояния по диагонали до хорды сегмента (h1) и допускаемая разность
температур кожуха (tк) и труб (tт) при Ру 10 атм и tт 2500С для труб 25х2 мм с шагом 32 мм для
стали 10 и 20 (исполнение М1).
|
Диаметр кожуха внут., мм |
К |
n |
Sт, м2 |
Sс.ж., м2 |
h1, мм |
(tк - tт), К (для ТН, ХН,КН,ИН) |
|
150 |
1 |
13 |
40 |
50 |
25 |
Для ХН 20 Для ТН 30 |
|
259 |
1 |
37 |
140 |
130 |
40 |
|
|
325 |
1 |
61 |
210 |
140 |
55 |
|
|
2 |
52 |
90 |
||||
|
400 |
1 |
111 |
380 |
220 |
68 |
30 |
|
2 |
100 |
170 |
||||
|
600 |
1 |
261 (279) |
900 |
490 |
111 |
40 |
|
2 |
244 (262) |
420 |
||||
|
4 |
210 (228) |
180 |
||||
|
6 |
198 (216) |
114 |
166 |
|||
|
800 |
1 |
473 (507) |
1670 |
770 |
166 |
|
|
2 |
450 (484) |
780 |
||||
|
4 |
408 (442) |
310 |
||||
|
6 |
392 (426) |
220 |
194 |
|||
|
1000 |
1 |
783 (813) |
2700 |
12,1 |
194 |
5 Для ТН 60 |
|
2 |
754 (784) |
1310 |
||||
|
4 |
702 (732) |
600 |
||||
|
6 |
678 (708) |
380 |
||||
|
1200 |
1 |
1125 (1175) |
3900 |
1680 |
222 |
60 |
|
2 |
1090 (1140) |
1890 |
||||
|
4 |
1028 (1078) |
850 |
||||
|
6 |
1000 (1050) |
570 |
305 |
В скобках указано общее количество труб для случая, когда нет отбойников и трубы добавлены с двух сторон, см. ГОСТ 15118 – 69. Значения h1 приведены для теплообменников и холодильников.
Рис.79. Расположение входного штуцера и сегментных перегородок для двухходового кожухотрубчатого теплообменника.
Рис.80. Расположение входного штуцера и сегментных перегородок для одноходового кожухотрубчатого теплообменика.
Подобная задача может быть решена только в том случае если известны все вышеназванные температуры, либо неизвестна одна из них.
Для прямотока:
Если неизвестна конечная температура холодного потока (), то интервал изменения температуры горячего потока от до разбивают на некоторое число одинаковых (по температуре) зон (). Обычно, принимают равным от 10 до 20. После этого, находят изменение температуры горячего потока по каждой зоне:
(548)
Затем, рассчитывают текущие значения температур горячего потока на границах соседних зон, начиная с :
(549)
Соответствующие температуры холодного потока рассчитывают по формуле:
(550)
где: и - массовые расходы горячего и холодного потока соответственно;
- удельная теплоёмкость горячего потока при постоянном давлении и средней температуре интервала ;
- удельная теплоёмкость холодного потока при постоянном давлении и средней температуре интервала .
Если неизвестна начальная температура холодного потока (), то соответствующие температуры рассчитываются по формуле:
(551)
Если неизвестна конечная температура горячего потока (), то интервал изменения температур холодного потока от () до () разбивается на некоторое число (одинаковых по температуре) зон (). Обычно принимают () равным от 10 до 20. После этого, находят изменение температуры по каждой зоне:
(552)
Затем, рассчитывают текущее значение температур холодного потока на границах соседних зон, начиная с :
(553)
Соответствующие температуры горячего потока рассчитываются по формуле:
(554)
Если неизвестна начальная температура горячего потока (), то соответствующие температуры рассчитываются по формуле:
(555)
Текущие значения температур холодного потока на границах соседних зон рассчитываются по формуле:
(556)
Для противотока:
Если неизвестна конечная температура холодного потока (), то текущие значения температур горячего потока на границах соседних зон рассчитываются по формуле:
(557)
Соответствующие температуры холодного потока:
(558)
Если неизвестна начальная температура холодного потока (), то текущее значение температур горячего потока на границах соседних зон рассчитывают по формуле:
(559)
Соответствующие температуры холодного потока :
(560)
Если неизвестна конечная температура горячего потока () , то текущее значение температур холодного потока на границах соседних зон рассчитывают по формуле:
(561)
Соответствующие температуры горячего потока:
(562)
Если неизвестна начальная температура горячего потока (), то соответствующие температуры горячего потока рассчитываются по формуле:
(563)
Значения удельных теплоёмкостей () и () в формулах (550, 551, 554, 555, 560, 562 и 563) берутся при средних температурах соответствующих зон, вычисляемых по формулам:
(564)
(565)
Если одним из потоков является пресная вода, то соответствующие значения удельной теплоёмкости берутся из табл.12.
Табл.12.
Физические свойства пресной воды
|
Давление (Р), МПа |
Температура (Т или t), 0С |
Плотность (), кг/м3 |
Удельная теплоёмкость (ср), КДж/кг.К |
Теплопроводность (), Вт/м.К |
Кинематическая вязкость (), м2/с |
|
0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,103 0,146 0,202 0,275 0,368 0,485 0,630 0,808 1,023 |
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 |
1000 1000 998 996 992 988 983 978 972 965 958 951 943 935 926 917 907 897 887 |
4,23 4,19 4,19 4,18 4,18 4,18 4,18 4,19 4,19 4,19 4,23 4,23 4,23 4,27 4,27 4,32 4,36 4,40 4,44 |
0,551 0,575 0,539 0,618 0,634 0,648 0,658 0,668 0,675 0,680 0,683 0,655 0,686 0,686 0,685 0,684 0,683 0,679 0,675 |
0,000001790 0,000001310 0,000001010 0,000000810 0,000000660 0,000000560 0,000000478 0,000000415 0,000000365 0,000000326 0,000000295 0,000000268 0,000000244 0,000000226 0,000000212 0,000000202 0,000000191 0,000000181 0,000000173 |
Если одним из потоков является минерализованная вода, то соответствующие значения удельной теплоёмкости берутся из табл.13 и 14.
Табл.13.
Физические свойства минерализованной воды NaCl типа
|
Конц. соли в раств., (С), % мас. |
Плотн. () кг/м3 |
Динамическая вязкость () мПа.с |
Удельная теплоёмкость (ср), кДж/кг.К |
Теплопроводность (), Вт/м.К |
||||||||
|
00С |
-50С |
-100С |
-150С |
-200С |
00С |
-100С |
-200С |
00С |
-100С |
-200С |
||
|
0,1 1,5 2,9 4,3 5,6 7,0 8,3 9,6 11,0 12,3 13,6 14,9 16,2 17,5 18,8 20,0 21,2 22,4 23,1 23,9 24,9 26,1 26,3 |
1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1110 1120 1130 1140 1150 1160 1170 1175 1180 1190 1200 1203 |
1,766 1,785 1,805 1,825 1,844 1,874 1,913 1,962 2,021 2,080 2,148 2,237 2,325 2,433 2,560 2,688 2,825 2,963 3,041 3,139 3,296 3,473 3,502 |
- - - - - - 2,305 2,374 2,443 2,521 2,609 2,717 2,835 2,972 3,120 3,277 3,443 3,640 3,747 3,855 4,071 - - |
- - - - - - - - - - - 3,345 3,492 3,679 3,875 4,081 4,307 4,562 4,709 4,866 - - - |
- - - - - - - - - - - - - - 4,777 5,013 5,278 5,582 5,749 5,935 - - - |
- - - - - - - - - - - - - - - - - 6,867 7,044 - - - - |
- 4,077 4,006 3,943 3,884 3,830 3,775 3,725 3,679 3,633 3,591 3,553 3,515 3,478 3,444 3,411 3,377 3,344 3,331 - - - 3,251 |
- - - - - - - - - - 3,582 3,541 3,503 3,469 3,432 3,398 3,365 3,335 3,323 - - - - |
- - - - - - - - - - - - - - - - - 3,323 3,310 - - - - |
0,582 0,578 0,580 0,573 0,571 0,569 0,566 0,564 0,561 0,558 0,556 0,554 0,551 0,549 0,547 0,544 0,542 0,541 0,540 0,539 0,536 0,554 0,534 |
- - - - - - - - - - - 0,519 0,516 0,514 0,512 0,509 0,507 0,506 0,505 0,504 - - - |
- - - - - - - - - - - - - - - - - 0,477 0,476 - - - - |
Табл.14.
Физические свойства минерализованной воды CaCl2 типа
|
Конц. соли в раств., (С), % мас. |
Плотн. () кг/м3 |
Динамическая вязкость () мПа.с |
Удельная теплоёмкость (ср), кДж/кг.К |
Теплопроводность (), Вт/м.К |
||||||||
|
00С |
-100С |
-200С |
-300С |
00С |
-100С |
-200С |
00С |
-100С |
-200С |
-300С |
||
|
0.1 5,9 11,5 16,8 17,8 18,9 19,9 20,9 21,9 22,8 23,8 24,7 25,7 26,6 27,5 28,4 29,4 29,9 30,3 31,2 32,1 33,0 33,9 34,7 35,6 36,4 37,3 |
1000 1050 1100 1150 1160 1170 1180 1190 1200 1210 1220 1230 1240 1250 1260 1270 1280 1286 1290 1300 1310 1320 1330 1340 1350 1360 1370 |
1,776 1,982 2,296 2,766 2,874 2,992 3,120 3,277 3,443 3,620 3,816 4,022 4,258 4,522 4,807 5,121 5,494 5,690 5,886 6,337 6,828 7,387 8,015 8,652 9,320 10,090 10,920 |
- - - 4,365 4,513 4,670 4,846 5,072 5,327 5,611 5,925 6,269 6,681 7,083 7,524 8,025 8,633 9,045 9,329 10,060 10,870 11,730 12,720 13,810 15,190 - - |
- - - - - - - - 8,613 9,015 9,476 9,996 10,570 11,170 11,850 12,690 13,790 14,390 14,960 16,190 17,630 19,190 21,000 - - - - |
- - - - - - - - - - - - 14,810 15,890 17,170 18,840 21,290 22,560 23,840 26,550 30,710 - - - - - - |
- - 1,270 - - - 1,890 - - - - - - - - - - - - - - - - 5,100 - - - |
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - |
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - |
0,582 0,568 0,552 0,535 0,530 0,526 0,521 0,516 0,512 0,507 0,502 0,498 0,493 0,489 0,484 0,479 0,475 0,472 0,470 0,465 0,461 0,457 0,452 0,448 0,443 0,440 0,435 |
- - - 0,504 0,500 0,497 0,493 0,490 0,486 0,484 0,480 0,477 0,473 0,470 0,464 0,463 0,459 0,457 0,456 0,452 0,449 0,444 0,441 0,438 0,433 - - |
- - - - - - - - 0,465 0,463 0,459 0,457 0,455 0,452 0,449 0,446 0,444 0,443 0,442 0,438 0,436 0,434 0,431 - - - - |
- - - - - - - - - - - - 0,437 0,436 0,435 0,434 0,433 0,431 0,430 0,429 0,428 - - - - - - |
Дополнительные сведения о минерализованных водах приведены в табл.15 и 16.
Табл.15.
Динамическая вязкость водных растворов NaCl и CaCl2 при положительных температурах
|
Вещество |
Динамическая вязкость (), мПа.с |
||||||||
|
100С |
200С |
300С |
400С |
500С |
600С |
800С |
1000С |
1200С |
|
|
CaCl2 (25 % р-р) NaCl (10 % р-р) |
3,36 1,99 |
2,74 1,56 |
2,25 1,24 |
1,85 1,03 |
1,55 0,87 |
- 0,74 |
- 0,57 |
- 0,46 |
- 0,38 |
Табл.16.
Теплопроводность водных растворов NaCl при положительных температурах
|
Вещество |
Концентрация (с), % мас. |
Температура (0С) |
Теплопроводность (), Вт/м.К |
|
NaCl |
30 |
32 |
0,52 |
Если одним из потоков является перегретый водяной пар, то соответствующие значения удельной теплоёмкости берутся из табл. 17.
Табл.17.
Свойства перегретого водяного пара
|
Давление, МПа |
Температура кипения, 0С |
Средняя удельная теплоёмкость (ср), кДж/кг.К |
||||
|
до 1000С |
до 2000С |
до 3000С |
до 4000С |
до 5000С |
||
|
0,005 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080 0,090 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 1,000 10,000 |
32,55 45,45 59,67 68,68 75,42 80,86 85,45 89,45 92,99 96,18 99,09 110,79 119,62 126,79 132,88 142,92 151,11 158,08 164,17 169,61 174,53 179,04 309,50 |
1,9060 1,9190 1,9831 1,9625 1,9734 2,0153 2,0320 2,0321 2,0900 2,0901 2,0905 - - - - - - - - - - - 2,0000 |
1,9148 1,9149 1,9232 1,9315 1,9399 1,9441 1,9567 1,9609 1,9693 1,9776 1,9860 2,0112 2,0237 2,0656 2,1033 2,1494 2,1788 2,2332 2,2877 2,3464 2,3841 2,4218 2,0500 |
1,9693 1,9734 1,9776 1,9777 1,9818 1,9860 1,9861 1,9902 1,9903 1,9944 1,9986 2,0070 2,0237 2,0321 2,0447 2,0614 2,1369 2,1201 2,1369 2,1662 2,1997 2,2250 2,1000 |
2,0363 2,0364 2,0364 2,0365 2,0366 2,0405 2,0447 2,0405 2,0447 2,0448 2,0449 2,0531 2,0531 2,0614 2,0698 2,0782 2,0866 2,0950 2,1117 2,1201 2,1285 2,1410 2,1300 |
2,1033 2,1033 2,1033 2,1033 2,1033 2,1033 2,1033 2,1075 2,1075 2,1075 2,1075 2,1117 2,1159 2,1201 2,1201 2,1243 2,1285 2,1369 2,1369 2,1452 2,1536 2,1578 2,1600 |
Если одним из потоков является теплоноситель или хладоагент, то соответствующие значения удельной теплоёмкости берутся из табл.18,19 и рис.81 – 83.
Табл. 18.
Свойства некоторых газов
|
Вещество |
Мольная теплоёмкость (ср), кДж/кмоль.К (при Рабс.= 0,1 МПа) |
|||
|
Температура, 0С |
||||
|
0 |
100 |
300 |
600 |
|
|
N2, O2, CO, воздух Аммиак Водород Водяной пар CO2 и SO2 СН4 Н2S |
29,0 35,3 29,1 35,0 38,6 35,7 34,3 |
29,3 37,9 29,3 35,5 41,1 39,7 35,8 |
30,0 43,2 29,7 36,7 45,7 47,8 38,8 |
31,0 50,1 30,4 39,3 54,3 59,8 43,3 |
Табл.19.
Свойства некоторых жидкостей
|
Вещество |
Средняя удельная теплоёмкость (ср), кДж/кг.К |
|
Аммиак Бензин Гексан Керосин Машинное масло |
4,19 1,84 2,51 2,10 1,68 |
Если одним из потоков является насыщенный водяной пар, то соответствующие значения удельной теплоёмкости берутся из табл. 20.
Табл.20.
Свойства насыщенного водяного пара
|
Давление (абсолютное), МПа |
Температура, 0С |
Плотность (), кг/м3 |
Удельная теплоёмкость (ср), кДж/кг.К |
Удельная теплота парообразования (r), кДж/кг |
|
0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0040 0,0050 0,0060 0,0080 0,0100 0,0120 0,0150 0,0200 0,0300 0,0400 0,0500 0,0600 0,0700 0,0800 0,0900 0,1000 0,1200 0,1400 0,1600 0,1800 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000 0,8000 0,9000 1,0000 1,1000 1,2000 1,3000 1,4000 1,5000 1,6000 1,7000 1,8000 1,9000 2,0000 3,0000 4,0000 5,0000 6,0000 7,0000 8,0000 9,0000 10,0000 12,0000 14,0000 16,0000 18,0000 20,0000 22,5000 |
6,6 12,7 17,1 20,7 23,7 28,6 32,5 35,8 41,1 45,4 49,0 53,6 59,7 68,7 75,4 80,9 85,5 89,3 93,0 96,2 99,1 104,2 108,7 112,7 116,3 119,6 132,9 142,9 151,1 158,1 164,2 169,6 174,5 179,0 183,2 187,1 190,7 194,1 197,4 200,4 203,4 206,2 208,8 211,4 232,8 249,2 262,7 274,3 284,5 293,6 301,9 309,5 323,1 335,0 345,7 355,4 364,2 374,0 |
0,00760 0,01116 0,01465 0,01809 0,02149 0,02820 0,03481 0,04133 0,05420 0,06686 0,07937 0,09789 0,12830 0,18760 0,24560 0,30270 0,35900 0,41470 0,46990 0,52460 0,57900 0,68650 0,79310 0,89800 1,00300 1,10700 1,61800 2,12000 2,61400 3,10400 3,59100 4,07500 4,53600 5,03700 5,51600 5,99600 6,47400 6,95200 7,43100 7,90900 8,38900 8,86800 9,34900 9,83000 14,70000 19,73000 24,96000 30,41000 36,12000 42,13000 48,45000 55,11000 69,60000 85,91000 104,60000 128,00000 162,90000 322,60000 |
4,20 4,17 4,15 4,15 4,18 4,16 4,18 4,16 4,21 4,21 4,20 4,18 4,17 4,13 4,14 4,14 4,14 4,15 4,14 4,14 4,17 4,19 4,20 4,22 4,23 4,20 4,21 4,22 4,22 4,26 4,23 4,24 4,24 4,25 4,25 4,25 4,24 4,26 4,26 4,27 4,27 4,27 4,27 4,28 4,30 4,33 4,35 4,37 4,39 4,41 4,43 4,45 4,50 4,57 4,65 4,73 4,90 5,61 |
2478 2465 2455 2447 2440 2429 2420 2413 2400 2390 2382 2372 2358 2336 2320 2307 2296 2286 2278 2270 2264 2249 2237 2227 2217 2208 2171 2141 2117 2095 2075 2057 2040 2024 2009 1995 1984 1968 1956 1943 1931 1920 1909 1898 1800 1715 1637 1565 1497 1432 1369 1306 1183 1061 934 799 617 0 |
Рис.81. Номограмма для определения теплоёмкости жидкостей
Рис.82. Номограмма для определения теплоёмкости нефтепродуктов (паров и жидкостей).
Рис.83. График для определения теплоёмкости некоторых углеводородов в зависимости от
относительной плотности () – цифры на кривых- и температуры.
Если одним из потоков является нефть, то соответствующие значения удельной теплоёмкости рассчитываются по формуле:
(566)
где: - относительная плотность нефти:
(567)
Соответствующие значения плотности берутся при 150 Фарангейта. В странах, перешедших на метрическую систему, пользуются относительной плотностью :
(568)
где: соответствующие значения плотности берутся при 20 и 40С.
Соотношение между этими относительными плотностями описывается уравнением:
(569)
где: - температурная поправка, определяемая по табл.21.
Табл.21.
Температурная поправка для нефтей.
|
нефти |
нефти |
||
|
0,7000 – 0,7099 0,7100 – 0,7199 0,7200 – 0,7299 0,7300 – 0,7399 0,7400 – 0,7499 0,7500 – 0,7599 0,7600 – 0,7699 0,7700 – 0,7799 0,7800 – 0,7899 0,7900 – 0,7999 0,8000 – 0,8099 0,8100 – 0,8199 0,8200 – 0,8299 0,8300 – 0,8399 0,8400 – 0,8499 |
0,000897 0,000884 0,000870 0,000857 0,000844 0,000831 0,000818 0,000805 0,000792 0,000772 0,000765 0,000752 0,000738 0,000725 0,000712 |
0,8500 – 0,8599 0,8600 – 0,8699 0,8700 – 0,8799 0,8800 – 0,8899 0,8900 – 0,8999 0,9000 – 0,9099 0,9100 – 0,9199 0,9200 – 0,9299 0,9300 – 0,9399 0,9400 – 0,9499 0,9500 – 0,9599 0,9600 – 0,9699 0,9700 – 0,9799 0,9800 – 0,9899 0,9900 – 1,0000 |
0,000699 0,000686 0,000673 0,000660 0,000647 0,000633 0,000620 0,000607 0,000594 0,000581 0,000567 0,000554 0,000541 0,000522 0,000515 |
Итак, рассмотренный выше материал позволяет определить характер изменения по длине теплообменного аппарата температуры горячего и холодного потока при организации прямотока или противотока.
Разумеется, подобный подход справедлив только в том случае, если температура горячего потока не опускается до температуры конденсации, а температура холодного потока не поднимается до температуры испарения.
В противном случае, поступают следующим образом:
Если температура конденсации горячего потока (Тr) > Тк , то то интервал изменения температуры горячего потока от Тн до Тк разбивают на три участка: от Тн до ; от до и от до Тк. Соответствующие температуры холодного потока на 1 и 3 участке рассчитывают обычным (рассмотренным выше) способом, а конечную температуру холодного потока, соответствующую окончанию участка - определяют по формуле:
(570)
при:
(571)
где: - удельная скрытая теплота конденсации.
Если температура испарения холодного потока () < (), то интервал изменения температуры холодного потока от до разбивают на 3 участка: от до ; от до и от до . Соответствующие температуры горячего потока на 1 и 3 участке рассчитывают обычным (рассмотренным выше) способом, а конечную температуру горячего потока, соответствующую окончанию участка - определяют по формуле:
(572)
при:
= (573)
где: - удельная скрытая теплота парообразования.
Причём, для одного и того же вещества:
= (574)
Если одним из потоков является водяной пар или пресная вода, то значения (r) берутся из табл.20.
Если одним из потоков является газ, то значения (r) берутся из табл.22.
Табл.22.
Основные физические свойства некоторых газов
|
Вещество |
Плотность (), кг/м3 (н.у.) |
Температура кипения (t) 0С (при Р=0,1 МПа) |
Удельная теплота испарения (конденсации) (r ) кДж/кг (при Р=0,1 МПа) |
Вязкость (), мПа.с (н.у.) |
|
Азот Аммиак Бензол Бутан Воздух Водород Гелий Диоксид серы Углекислый газ Кислород Метан Угарный газ Пентан Пропан Сероводород Этан |
1,25 0,77 - 2,673 1,293 0,0899 0,179 2,93 1,98 1,429 0,72 1,25 - 2,02 1,54 1,36 |
-195,8 -33,4 80,2 -0,5 -195 -252,8 -268,9 -10,8 -78,2 -183 -161,6 -191,5 36,1 -42,1 -60,2 -88,5 |
199,4 1374 394 387 197 455 19,5 394 574 213 511 212 360 427 549 486 |
0,017 0,00918 0,0072 0,0081 0,0173 0,00842 0,0188 0,0117 0,0137 0,0203 0,0103 0,0166 0,00874 0,00795 0,01166 0,0085 |
Зависимость теплоты парообразования от температуры для некоторых веществ приведена в табл. 23.
Табл.23.
Удельная теплота парообразования некоторых веществ (кДж/кг)
|
Вещество |
Температура, 0С |
||||
|
0 |
20 |
60 |
100 |
140 |
|
|
Аммиак Бензол Вода Углекислый газ Метанол Толуол Хладон – 12 (Фреон –12) |
12,65,4 448,3 2493,1 235,1 1198,3 414,8 155 |
1190,0 435,8 2446,9 155,4 1173,2 407,7 144,9 |
- 408,5 2359,0 - 1110,4 388,8 132,4 |
- 379,2 2258,4 - 1013,9 368,7 - |
- 346,1 2149,5 - 892,6 344 - |
Физические свойства таких распространенных хладоагентов как аммиак и фреон-12 приведены в табл.24 и 25.
Табл.24.
Физические свойства насыщенного пара аммиака
|
Температура, 0С |
Давление абсолютное (Рабс), МПа |
Плотность |
Удельная теплота испарения (r), кДж/кг |
|
|
Жидкости, кг/м3 |
Пара, кг/м3 |
|||
|
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 |
0,04168 0,05562 0,07318 0,09503 0,12190 0,15460 0,19400 0,24100 0,29660 0,36190 0,43790 0,52590 0,62710 0,74310 0,87410 1,02250 1,18950 1,37650 1,58500 1,81650 2,07270 |
702,0 696,0 690,0 683,9 677,7 671,4 665,0 658,5 652,0 645,3 638,6 631,7 624,7 617,5 610,3 602,8 595,2 587,5 579,5 571,3 562,9 |
0,382 0,500 0,645 0,823 1,038 1,297 1,604 1,966 2,390 2,883 3,452 4,108 4,859 5,718 6,694 7,795 9,034 10,431 12,005 12,774 15,756 |
1416 1402 1388 1374 1360 1345 1329 1314 1297 1281 1263 1246 1227 1210 1188 1168 1146 1124 1101 1078 1053 |
Табл.25.
Физические свойства дифтордихлорметана (фреон –10).
|
Температура, 0С |
Давление абсолютное (Рабс), МПа |
Плотность |
Удельная теплота испарения (r), кДж/кг |
|
|
Жидкости, кг/м3 |
Пара, кг/м3 |
|||
|
40 30 25 20 10 0 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -50 -60 -70 -80 |
0,978 0,759 0,663 0,579 0,432 0,315 0,224 0,186 0,154 0,126 0,103 0,0824 0,0655 0,0399 0,0231 0,0125 0,0063 |
1250 1290 1310 1330 1360 1390 1430 1440 1460 1470 1490 1500 1520 1540 1570 1600 1630 |
53,1 41,2 36,1 31,5 23,8 17,7 12,8 10,8 9,04 7,52 6,20 5,07 4,10 2,60 1,56 0,89 0,47 |
132,4 138,7 142,0 145,0 150,0 155,0 160,0 161,7 163,8 165,5 167,6 169,3 171,0 175,0 178,0 182,0 185,0 |
Если одним из потоков является минерализованная вода, то используют рис.84.
Рис. 84. Повышение температуры кипения водных растворов при атмосферном давлении в зависимости от
концентрации
Если одним из потоков является нефть, то используют рис.85 и 86.
Рис. 85. График для определения теплоты испарения углеводородов.
Причём, молекулярную массу отсепарированной нефти, приравниваемой к определённому углеводороду, и взятой при средней температуре зоны, можно найти по формуле:
(575)
где: - плотность нефти при средней температуре зоны:
(576)
- динамическая вязкость нефти при средней температуре зоны, которую можно определить по одной из следующих формул:
Рис. 86. Номограмма для определения давления насыщенных паров углеводородов и воды при различных
температурах
(577)
где: - любая температура при которой известна динамическая вязкость.
Формула (577) справедлива, если > 1000 мПа.с
(578)
Формула (578) справедлива, если < 10 мПа.с
(579)
Формула (579) справедлива, если: 10 1000 мПа.с
Молекулярную массу газонасыщенной нефти можно найти по формуле:
(580)
где: - молекулярная масса соответствующих веществ (определяется по периодической таблице);
- молекулярная масса так называемого остатка;
- мольная доля соответствующих компонентов.
(581)
5.2. После того, как распределение температур горячего и холодного потока по длине аппарата выяснено приступают к определению среднего температурного напора – движущей силы любого теплообмена - для каждой отдельной зоны каждого участка.
При прямотоке или противотоке средний температурный напор определяют по уравнению:
(582)
где: и - большая и меньшая разность температур горячего и холодного потока на границах каждого участка.
Если:
/ 2 (583)
то:
(584)
Для смешанного и перекрёстного тока возможно три подхода.
Первый подход (для смешанного тока):
Если:
а) в межтрубном пространстве теплоноситель делает один ход, а в трубном два;
б) в межтрубном пространстве два хода, а в трубном четыре;
в) в межтрубном пространстве один ход, а в трубном четыре и т.д.
то средний температурный напор вычисляется по уравнениям (582) или (584), сразу для всего аппарата без разбивки на зоны, с той лишь разницей, что величины и находят по специальным формулам Н.И. Белоконя:
(585)
(586)
где: - так называемая характеристическая разность температур, определяемая по формуле:
(587)
где:
(588)
(589)
- средняя арифметическая разность температур горячего и холодного потока:
(590)
- индекс противоточности, определяющий долю противоточной части поверхности теплообмена; определяется по справочной литературе, для каждой конкретной конструкции аппарата.
В частности, для случая: а) = 0,5
б) = 0,9
в) = 0,45 и т.п.
Второй подход (для смешанного и перекрестного токов)
(591)
где: - вычисляется по формуле (582) для противотока, а коэффициент зависит от схемы движения теплоносителя и определяется по справочным графикам, см. например рис.87.
На рис.87. а – это аппарат с одним ходом в межтрубном пространстве и 2, 4, 6 и более ходами в трубном пространстве;
б – это аппарат с двумя ходами в межтрубном пространстве с поперечными перегородками и четырьмя ходами в трубном пространстве.
(592)
(593)
где: t и Т – температуры соответствующих потоков на границах смены режимов.
Рис.87. Поправочные коэффициенты для смешанного потока в многоходовых теплообменниках
Третий подход (для смешанного тока)
Теплообменник мысленно разбивают на несколько аппаратов с противоточным и прямоточным течением потоков и распределение температур и величину температурного напора определяют обычным путём.
5.3. Приступим к вычислению коэффициента теплоотдачи от горячего потока к разделяющей стенке
5.3.1. Прямоточное и противоточное течение в одноходовом аппарате.
А) Сначала вычисляем для каждой зоны критерий Рейнольдса для горячего потока, используя слегка модифицированную формулу (520):
(594)
где: - так называемый эквивалентный диаметр.
Если горячий поток течет по трубкам кожухотрубчатого теплообменника, то используют модернизированные формулы (546) и (547):
(595)
где: D – внутренний диаметр кожуха;
d – наружный диаметр одной трубки;
n – число трубок.
Для теплообменника типа труба в трубе:
(596)
Если горячий поток течёт по межтрубному пространству, не содержащему перегородок, то:
(597)
При наличии перегородок:
(598)
где: Sэф – так называемое эффективное сечение межтрубного пространства:
(599)
где: Sпр – площадь проходного сечения в вырезах перегородки за вычетом скммарной площади сечения, проходящих через неё труб.
Sпоп – площадь проходного сечения между перегородками за вычетом суммарной площади проходящих через неё труб.
Если горячим потоком является пресная или минерализованная вода, то соответствующие значения вязкости и плотности для средней температуры зоны берутся из табл. 12 – 15.
Если горячим потоком является водяной пар, то соответствующие значения вязкости и плотности берутся для средней температуры зоны из табл. 20, 26 и рис. 88.
Табл.26.
Основные свойства насыщенного водяного пара
|
Температура, 0С |
Плотность (), кг/м3 |
Динамическая вязкость (), мПа .с |
|
0 10 20 30 40 60 80 100 120 150 200 250 300 350 |
0,00485 0,00940 0,01729 0,03037 0,05116 0,13020 0,29340 0,59770 1,12100 2,54700 7,86200 19,9800 46,2100 113,6000 |
9,22 9,46 9,73 10,01 10,31 10,94 11,60 12,28 12,97 14,02 15,78 17,59 19,74 23,72 |
С вполне допустимым приближением данной номограммой можно пользоваться и при давлении до 10 атм.
Если горячим потоком является нефть, то соответствующие значения вязкости и плотности берутся из исходных данных и пересчитываются на необходимые условия с помощью формул (569), (575 – 581).
Наконец, значения плотности и вязкости использующихся теплоносителей приведены в табл.27 и на рис.89.
Табл.27.
Плотность некоторых жидкостей при 0 – 200С
|
Жидкость |
Плотность (), кг/м3 |
|
Азотная кислота, 92 % Аммиак, 26 % Бензин Глицерин, 100 %, 80 % Диэтиловый эфир Керосин Ксилол Мазут Метиловый спирт, 90 %, 30 % Нафталин (расплавленный) Нефть Ртуть Серная кислота, 30 % Соляная кислота, дымящая Уксусная кислота, 70 %, 30 % Хлороформ Четырёххлористый углерод Этилацетат Этиленхлорид Этиловый спирт, 100 %, 70 %, 40 %, 10 % |
1500 910 760 1270, 1130 710 850 880 890 – 950 820, 950 1100 790 – 950 13600 1220 1210 1070, 1040 1530 1630 900 1280 790, 850, 920, 980 |
Рис.89. Номограмма для определения динамического коэффициента вязкости жидкостей при различных
Температурах
|
Жидкость |
№ точки |
Жидкость |
№ точки |
|
Амиловый спирт Аммиак Анилин Ацетон Бензол Бутиловый спирт Вода Гексан Гептан Глицерин, 100 % Глицерин, 50 % Углекислый газ Диэтиловый эфир Метилацетат Метиловый спирт, 100 % Метиловый спирт, 90 % Метиловый спирт, 30 % Нафталин Нитробензол Октан |
17 39 8 34 25 11 20 36 31 1 7 40 37 32 26 24 13 9 14 28 |
Пентан Ртуть Серная кислота, 111 % Серная кислота, 98 % Серная кислота, 60 % Сернистый ангидрид Сероуглерод Терпентин Толуол Уксусная кислота, 100 % Уксусная кислота, 70 % Фенол Хлорбензол Хлороформ Четырёххлористый углер Этилацетат Этиленгликоль Этиленхлорид Этиловый спирт, 100 % Этиловый спирт, 49 % |
35 15 2 3 6 35 33 16 27 18 12 6 22 29 21 30 4 23 19 10 |
б) Приступим к вычислению (для каждой зоны) критерия Прандтля для горячего потока (при средней температуре), используя слегка модифицированную формулу ( 521)
(600)
Единственным неизвестным параметром, входящим в формулу (600), является теплопроводность горячего потока ().
Если горячим потоком является пресная или минерализованная вода, то соответствующие значения теплопроводности берутся из табл. 12 –14.
Если горячим потоком является водяной пар, то соответствующие значения теплопроводности берутся из табл.28.
Табл.28.
Теплопроводность водяного пара, Вт/м.К
|
Давление, МПа |
Температура, 0С |
|||
|
0 |
50 |
100 |
200 |
|
|
0,1 – 1,0 |
0,0163 |
0,0198 |
0,0244 |
0,0326 |
Если горячим потоком является нефть, то соответствующие значения теплопроводности вычисляются по формуле:
(601)
Для всех остальных теплоносителей соответствующие значения теплопроводности берутся из табл.29,30 и рис. 38, 39.
Табл.29.
Коэффициенты теплопроводности газов при Рабс.= 1 атм (Вт/м.К)
|
Газ |
Температура, 0С |
|||
|
0 |
50 |
100 |
200 |
|
|
Азот Аммиак Водород Водяной пар Воздух Кислород Метан Угарный газ Углекислый газ Этан Этилен |
0,0233 0,0209 0,1628 0,0163 0,0244 0,0244 0,0302 0,0221 0,0140 0,0174 0,0163 |
0,0267 0,0256 0,1861 0,0198 0,0279 0,0291 0,0361 0,0244 0,0186 0,0233 0,0209 |
0,0314 0,0314 0,2210 0,0244 0,0326 0,0326 0,0465 - 0,0233 0,0314 0,0267 |
0,0384 - 0,2559 0,0326 0,0395 0,0407 - - 0,0314 - - |
Табл.30.
Коэффициенты теплопроводности жидкостей и водных растворов
|
Вещество |
Концентрация, % мас. |
Температура, 0С |
Теплопроводность, Вт/м.К |
|
BaCl2 KBr KOH КОН K2SO4 KCl KCl MgSO4 MgCl2 MgCl2 CuSO4 NaBr NaBr Na2CO3 NaCl H2SO4 H2SO4 H2SO4 HCl HCl HCl Аммиак жидкий Аммиак жидкий Дихлорэтан Уксусная кислота Уксусная кислота Хлорбензол Хлорбензол Хлороформ Хлороформ |
21 40 21 42 10 15 30 22 11 29 18 20 40 10 12,5 30 60 90 12,5 25 38 100 100 100 50 50 100 100 100 100 |
32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 0 100 0 0 100 0 100 0 100 |
0,58 0,50 0,58 0,55 0,60 0,58 0,56 0,59 0,58 0,52 0,58 0,57 0,54 0,58 0,58 0,52 0,44 0,35 0,52 0,48 0,44 0,54 0,31 0,14 0,31 0,48 0,13 0,11 0,14 0,09 |
Рис.38. Коэффициенты теплопроводности некоторых жидкостей
Рис.91. Коэффициенты теплопроводности дымовых газов.
Состав дымовых газов % (об.): СО2 – 13; О2 – 5; N2+Н2О –82.
Содержание водяного пара в %: 1 – 0; 2 – 15; 3 – 20.
При отсутствии экспериментальных данных коэффициент теплопроводности жидкости () при 300С может быть рассчитан по формуле:
(602)
где: - удельная теплоёмкость жидкости, Дж/кг.К;
- плотность жидкости, кг/м3;
- мольная масса жидкости, кг/моль;
- коэффициент пропорциональности, зависящий от степени ассоциации жидкости.
Для ассоциированных жидкостей (например воды) - = 3,58. 10-8.
Для неассоциированных жидкостей (например бензола) - =4,22. 10-8.
Причём, для нефти:
(603)
Коэффициент теплопроводности жидкости при произвольной температуре (t) определяется по формуле:
(604)
где: температурный коэффициент :
Анилин……………………… 0,0014
Ацетон………………………. 0,0022
Бензол……………………….. 0,0018
Гексан……………………….. 0,0020
Метиловый спирт……………0,0012
Нитробензол…………………0,0010
Пропиловый спирт…………. 0,0014
Уксусная кислота…………… 0,0012
Хлорбензол………………….. 0,0015
Хлороформ………………….. 0,0018
Этилацетат……………………0,0021
Этиловый спирт…………….. 0,0014
Коэффициент теплопроводности водного раствора при произвольной температуре(t) определяется по формуле:
(605)
где: и - коэффициенты теплопроводности раствора и воды.
Коэффициент теплопроводности газа может быть вычислен по формуле:
(606)
где:
(607)
где: k – показатель адиабаты:
(608)
Для одноатомных газов В ~ 2,5; для двухатомных В ~ 1,9; для трёхатомных В ~1,72
Наконец, существует номограмма для непосредственного определения критерия Прандтля для ряда жидкостей (рис.92).
Рис.92. Значения критерия Прандтля для жидкостей.
6. Глицерин, 50 %; 7. Изопропиловый спирт; 8. Этиловый спирт, 50 %; 9. Уксусная кислота, 50 %; 10. Метиловый спирт, 40 %; 11. Бутиловый спирт; 13. Этиловый спирт,100 %; 14. Аммиак, 26 %; 15. Уксусная кислота, 100 %;
17. Вода; 18. Четырёхххлористый углерод; 19. Ксилол; 20. Метиловый спирт, 100 %; 21. Соляная кислота, 30 %;
22. Бензол; 23. Толуол; 24. Этилацетат; 25. Ацетон; 26. Пентан; 27. Иодистый этил; 28. Диэтиловый эфир; 29. Бромистый этил; 30. Сероуглерод; 31. Амилацетат; 32. Гептан; 33. Октан; 34. Хлороформ; 35. Хлорбензол; 36. Этиленгликоль.
в) Определим параметр Прандтля (для каждой зоны) для горячего потока при средней температуре стенки.
(609)
при этом, средней температурой стенки () для каждой зоны следует задаваться, исходя из диапазона: .
г) Определим параметр Грасгрофа (для каждой зоны) для горячего потока при средней температуре, используя слегка модернизированную формулу (522):
(610)
д) Рассчитаем для каждой зоны горячего потока при его средней температуре критерий Нусельта, для чего воспользуемся слегка модернизированными формулами (519, 523 и 524):
При: :
(611)
При: :
(612)
При: 2320 < <104:
(613)
е) Вычислим для каждой зоны горячего потока при его средней температуре коэффициент теплоотдачи (), используя слегка модернизированную формулу (518):
(614)
Для конденсирующегося водяного пара можно также воспользоваться табл. 31.
Табл.31.
Коэффициенты теплоотдачи для конденсирующегося водяного пара
|
Давление (Р), МПа |
0,1 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,0 |
|
, Вт/м2.0С |
5800 |
17400 |
51240 |
85080 |
118920 |
152760 |
5.3.2. Специфические формы течения горячего потока.
Если горячий поток течёт в прямых трубах, то можно воспользоваться специальной номограммой (рис. 93 и 94).
Рис.93. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи в прямых трубах при Re>10000 и =1
I этап: АВ С; II этап: DC E . - поправочный температурный коэффициент.
Рис.94. Зависимость коэффициента от числа рядов труб по вертикали.
Для ребристых труб коэффициент теплоотдачи может быть определён по следующему уравнению:
(615)
где: - коэффициент теплоотдачи для гладкой трубы;
h – высота ребра;
- толщина ребра;
l - шаг ребер по окружности.
Для n рёбер величина l определяется по формуле:
(616)
- величина, определяемая по табл.32, в зависимости от величины m.h.
Причём, величина m находится по формуле:
(617)
где: - коэффициент теплопроводности материала ребер
Табл.32
Значения коэффициента
|
m.h |
|
|
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 |
1,00 0,985 0,950 0,895 0,830 0,762 0,695 0,632 0,577 0,526 0,482 0,443 0,410 |
Если в межтрубном пространстве имеются перегородки, то:
(618)
где: с – коэффициент, характеризующий форму перегородок и расположение труб в пучке. Например, для сегментных перегородок при расположении труб по треугольнику или квадрату, с = 0,22.
Для смешанного и перекрестного тока используют соотношения (585 – 593).
5.4. Определение теплопроводности материала стенки.
Значения теплопроводности основных твёрдых материалов приведены в табл.33.
Табл.33.
|
Материал |
Плотность (), кг/м3 |
Теплопроводность (), Вт/м. К |
|
Алюминий Бронза Латунь Медь Свинец Сталь Сталь нержавеющая Чугун Асбест Бетон Винилпласт Войлок шерстяной Дерево Кладка из обычного кирпича Кладка из огнеупорного кирпича Кладка из изоляционного кирпича Краска масляная Лёд Накипь Опилки древесные Песок сухой Ржавчина Стекловата Стекло Текстолит Сернистое железо |
2700 8000 8500 8800 11400 7850 7900 7500 600 2300 1380 300 600 1700 1840 600 - 920 - 230 1500 - 200 2500 1380 - |
203,5 64,0 93,0 384,0 34,9 46,5 17,5 46,5 – 93,0 0,151 1,28 0,163 0,047 0,140 – 0,384 0,698 – 0,814 1,05 (при 800 – 10000С) 0,116 – 0,209 0,233 2,33 1,163 – 3,49 0,07 – 0,093 0,349 – 0,814 1,16 0,035 – 0,07 0,698 – 0,814 0,244 7,6 |
При наличии на стенках трубок загрязнений прибегают к помощи табл.34 понимая, при этом, под тепловым сопротивлением величину обратную теплопроводности.
Табл.34.
|
Продукты, дающие загрязнения |
Тепловое сопротивление (), м2. К/Вт |
|
Чистый водяной пар Мятый пар, содержащий масло Пары органических жидкостей Вода очищенная Вода мягкая Вода жесткая Органические жидкости, рассолы, жидкие хладоагенты Нефтяные пары Нефтепродукты светлые Нефть и мазут Гудрон Слой парафина или кокса Воздух |
0,000060 0,000086 0,000086 0,000172 0,000260 – 0,000430 0,000430 – 0,000860 0,000172 0,00043 – 0,000515 0,000515 – 0,00060 0,000860 – 0,00130 0,008600 – 0,017200 0,008600 и более 0,000350 |
5.5. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному потоку ().
а) Сначала для каждой зоны вычислим критерий Рейнольдса, используя слегка модернизированную формулу (520):
(619)
б) Потом, для каждой зоны определяем критерий Прандтля, используя модернизированную формулу (521):
(620)
в) Найдём для каждой зоны параметр Грасгрофа, используя слегка модернизированную формулу (522):
(621)
г) Рассчитаем для каждой зоны критерий Нусельта, используя модернизированные формулы (519, 523 и 524):
При: :
(622)
При: :
(623)
При: 2320 < <104:
(624)
д) Вычисляем для каждой зоны холодного потока при его средней температуре коэффициент теплоотдачи (), используя модернизированную формулу (518):
(625)
5.6. Проверим правильность выбора температуры стенки.
(626)
Допустимым считается расхождение в пределах 5 %. В противном случае, расчет надо повторить, задавшись другой температурой стенки.
5.7. Приступим, наконец, к вычислению полного коэффициента теплопередачи для каждой зоны при средней температуре, используя модифицированную формулу (539):
(627)
5.8. Определим необходимую поверхность теплообмена для каждой зоны:
(628)
или:
(629)
5.9. Наконец, общая необходимая поверхность для теплообменника:
(630)
EMBED Paper.Document
EMBED Paper.Document
EMBED Paper.Document