12. Тепловой расчет теплообменных аппаратов

При добыче, транспорте и переработке нефти и газа в связи с технологической необходимостью или с целью снижения энергозатрат широко используются процессы передачи теплоты от одной к другой среде (жидкости или газу). Устройства, в которых происходит передача теплоты между теплоносителями (средами), называются теплообменными аппаратами (ТА).

Классификация теплообменных аппаратов

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на рекупера-

тивные, регенеративные и смесительные [2, 5].

В рекуперативных ТА горячий и холодный теплоносители одновременно подаются в аппараты, омывая с разных сторон поверхность теплообмена, а тепловой поток передается от горячего к холодному теплоносителю через разделяющую их стенку (рис. 26а).

Рис. 26. Схемы теплообменных аппаратов:

1 – горячий теплоноситель; 2 – холодный теплоноситель

В регенеративных ТА горячий и холодный теплоносители омывают одну и ту же поверхность теплообмена последовательно (рис. 1.б). При омывании поверхности теплообмена горячий теплоноситель отдает ей теплоту, а затем ту же поверхность омывает холодная теплоноситель, который, получая теплоту, нагревается. Примером регенеративных ТА могут служить аппараты насадочного типа.

В рекуперативных и регенеративных ТА в процессе теплопередачи между теплоносителями участвует поверхность теплообмена, поэтому эти аппараты называются поверхностными.

В смесительных ТА теплопередача между теплоносителями осуществляется путем их непосредственного смешения (рис. 1.в). Эти ТА называются контактными. Примером таких ТА могут быть градирни, в которых оборотная вода охлаждается атмосферным воздухом.

По назначению теплообменные аппараты делятся на конвективные (нагреватели и холодильники), испарители, конденсаторы и кристаллизаторы.

В конвективных ТА не происходит агрегатного превращения теплоносителей.

В испарителях происходит испарение холодного теплоносителя или компоненты холодного теплоносителя.

В конденсаторах конденсируется горячий теплоноситель или компоненты горячего теплоносителя.

Кристаллизаторы используются для охлаждения потока горячего теплоносителя до температуры, обеспечивающей образование кристаллов некоторых компонентов горячего теплоносителя.

Основы теплового расчета рекуперативных теплообменных

аппаратов

В зависимости от постановки задачи тепловой расчет теплообменных аппаратов может быть конструктивным (расчеты первого рода) или поверочными (расчеты второго рода).

При конструкторском тепловом расчете известны: скорость, плотность и температура теплоносителей на входе и на выходе из теплообменного аппарата, а также расходы теплоносителей. Определяют тепловую мощность и площади поверхности теплообменного аппарата, с дальнейшим конструированием нового или выбором стандартного аппарата.

Поверочный тепловой расчет выполняется в том случае, когда поверхность теплообмена и размеры теплообменного аппарата известны, а необходимо определить мощность теплообменного аппарата и температуры теплоносителей на выходе из теплообменника. При этом задаются температуры теплоносителей на входе в теплообменник и расходы теплоносителей.

В основу теплового расчета рекуперативных ТА положены: уравнение теплового баланса

(238)

и обобщенное уравнение теплопередачи при переменных температурах

, (239)

где η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду, η = 0,95 – 0,98;

Уравнения (238), (239) справедливы для всех типов рекуперативных ТА любого назначения [конвективные ТА (нагреватели, холодильники), испарители, конденсаторы и кристаллизаторы], но при этом тепловые потоки ( ) определяются для каждого из указанных типов рекуперативных ТА по различным расчетным соотношениям (табл. 1) [2, 4, 7, 8].

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю в рекуперативных ТА определяется по соотношению [2, 3]

, (3)

где – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю, ; , – термические сопротивления загрязнений поверхности теплообменных труб со стороны горячего и холодного теплоносителей, ; – термическое сопротивление стенки теплообменной трубы, .

На первом этапе конструктивного теплового расчета ТА коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю ( ) выбираются из справочных таблиц, а затем рассчитываются по критериальным уравнениям [2-5]. Значения термических сопротивлений загрязнений и стенки теплообменной трубы находятся по справочной литературе [3, 4, 7, 8].

Конструируемый или выбираемый стандартный теплообменный аппарат способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей, если его индекс противоточности при заданных температурных режимах и водяных эквивалентах теплоносителей больше или равен минимальному индексу противоточности p_min

. (5)

Минимальный индекс противоточности ТА определяется только температуратурными режимами теплоносителей и находится по соотношению [1, 5]

, (6)

где – температура горячего теплоносителя на входе и выходе ТА;

– температура холодного теплоносителя на входе и выходе ТА.

Таблица 1

Расчетные соотношения по определению тепловых потоков, переданных горячим и полученного холодным теплоносителями

Типы теплообменных аппаратов	Характеристики горячего и холодного теплоносителей на входе и выходе из ТА	Расчетные соотношения
Конвективные ТА (нагреватели, холодильники)	Агрегатное состояние теплоносителей в теплообменном аппарате не меняентся	; , где – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; – средние удельные изобарные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей, ; – температура горячего теплоносителя на входе и выходе из ТА; – водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей, .
Испарители	На входе – перегретый пар, на выходе – переохлажденный конденсат	; , где – средние удельные изобарные теплоемкости горячего теплоносителя в газообразном и жидком состоянии, ; – температура конденсации горячего теплоносителя; – скрытая теплота парообразования горячего теплоносителя, .

Продолжение табл. 1

Типы теплообменных аппаратов	Характеристики горячего и холодного теплоносителей на входе и выходе из ТА	Расчетные соотношения
Испарители	На входе – сухой насыщенный пар, на выходе – переохлажденный конденсат	; .
	На входе – влажный насыщенный пар, на выходе – переохлажденный конденсат	; , где – степень сухости влажного насыщенного пара – горячего теплоносителя на входе в ТА.
	На входе – перегретый пар, на выходе –конденсат при температуре насыщения	; .
	На входе – сухой насыщенный пар, на выходе – конденсат при температуре насыщения	; .

Продолжение табл. 1

Типы теплообменных аппаратов	Характеристики горячего и холодного теплоносителей на входе и выходе из ТА	Расчетные соотношения
Испарители	На входе и выходе – влажный насыщенный пар	; , где – степень сухости влажного насыщенного пара – горячего теплоносителя на выходе из ТА.
	На входе – сухой насыщенный пар, на выходе – влажный насыщенный пар	; .
	На входе – перегретый пар, на выходе – влажный насыщенный пар	; .
Конденсаторы	На входе – переохлажденная жидкость, на выходе – перегретый пар	; , где – средние удельные изобарные теплоемкости холодного теплоносителя в газообразном и жидком состоянии, ; – температура парообразования горячего теплоносителя; – скрытая теплота парообразования холодного теплоносителя, .

Продолжение табл. 1

Типы теплообменных аппаратов	Характеристики горячего и холодного теплоносителей на входе и выходе из ТА	Расчетные соотношения
Конденсаторы	На входе – кипящая жидкость, на выходе – перегретый пар	; .
	На входе – влажный насыщенный пар, на выходе – перегретый пар	; , где – степень сухости влажного насыщенного пара – холодного теплоносителя на входе в ТА.
	На входе – переохлажденная жидкость, на выходе – сухой насыщенный пар	; .
	На входе – переохлажденная жидкость, на выходе – влажный насыщенный пар	; , где – степень сухости влажного насыщенного пара – холодного теплоносителя на выходе из ТА.

Продолжение табл. 1

Типы теплообменных аппаратов	Характеристики горячего и холодного теплоносителей на входе и выходе из ТА	Расчетные соотношения
Конденсаторы	На входе – кипящая жидкость, на выходе – сухой насыщенный пар	; .
	На входе – кипящая жидкость, на выходе – влажный насыщенный пар	; .
	На входе – влажный насыщенный пар, на выходе – сухой насыщенный пар	; .
	На входе – влажный насыщенный пар, на выходе – влажный насыщенный пар	; .

Действительная средняя разность температур между теплоносителями для рекуперативных ТА всех типов определяется по соотношению

, (7)

где _t – коэффициент, учитывающий различие между действительной средней разностью температур (_m) и средней логарифмической разностью температур между теплоносителями при противоточной схеме движения теплоносителей (_mL).

Cредняя логарифмическая разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы их движения рассчитывается по уравнению Грасгофа [2, 5]

, (8)

В одноходовых теплообменных аппаратах может осуществляться либо прямоточная, либо противоточная схема движения теплоносителей. Для прямоточной схемы индекс противоточности равен p = 0, а при противотоке –

p = 1.

Для более сложных схем определение индекса противоточности p выбранного теплообменного аппарата начинается с расчета характеристик, от которых, наряду со схемой движения теплоносителя, зависит значение индекса [2, 8, 9]

, . (9)

По значениям этих характеристик с учетом схемы движения теплоносителей (число ходов по трубному и межтрубному пространству) из графиков определяется коэффициент _t (рис. 3, 4, 5) [2, 3, 8, 9].

После определения действительной средней разности температур между теплоносителями характеристическая разность температур T находится с использованием метода последовательного приближения из следующего соотношения:

, (10)

где _ma – средняя арифметическая разность температур между теплоносителями в теплообменном аппарате,

. (11)

Рис. 26. Зависимость ε_Δt от характеристик R и PS для двухходовых (по трубному пространству) кожухотрубных теплообменных аппаратов

Рис. 27. Зависимость ε_Δt от характеристик R и PS для четырехходовых (по трубному пространству) кожухотрубных теплообменных аппаратов

Рис. 28. Зависимость ε_Δt от характеристик R и PS для шестиходовых (по трубному пространству) кожухотрубных теплообменных аппаратов

Значение индекса противоточности для сконструированного или выбранной стандартного теплообменного аппарата при заданных температурных режимах и водяных эквивалентах теплоносителей определяется по уравнению Н.И. Белоконя для характеристической разности температур [1, 3]

. (12)

Действительная тепловая мощность сконструированного или выбранного стандартного теплообменного аппарата рассчитывается по формуле Н.И. Белоконя [1, 5]

, (13)

где W_m – приведенный водяной эквивалент теплоносителей,

; (14)

F_ТА – площадь поверхности теплообмена теплообменного аппарата.

Действительные характеристики теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата ( ) определяются из уравнения теплового баланса (1) (табл. 1).

ЛИТЕРАТУРА

1. Белоконь Н.И. Теплопередача при переменных температурах / Труды Московского нефтяного института, № 2. – М.: Гостоптехиздат, 1940.

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1981. – 417 с.

3. Калинин А.Ф. Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата: Методические указания по курсовому проектированию / 2-е издание, переработанное и дополненное. – М.:РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. – 82 с.

4. Калинин А.Ф., Головачев В.Л. Расчет и выбор конструкции кожухотрубного конденсатора. – М.:ГАНГ, 1996. – 73 с.

5. Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности). – М.: Недра, 1987. – 349 с.

6. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов, - 3-е изд., перераб. и доп. / А.И. Скобло, Ю.К. Молоканов, А.И. Владимиров, В.А. Щелкунов – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. – 677 с.

7. Романенко П.Н, Обливин А.Н., Семенов Ю.П. Теплопередача. –М.: Лесная промышленность, 1969. -432 с.

8. Справочник по теплообменникам: в 2 томах. Том 1/С74. Перевод с англ. Под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 560 с.

9. Справочник по теплообменникам: в 2 томах. Том 2/С74. Перевод с англ. Под ред. О.Г. Мартыненко и др. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.

101