Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 [ 199 ] 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225

н,°-н°-

Коэффициент теплоотдачи. Важнейшей и наиболее трудоемкой частью технологического расчета поверхности теплообменного аппарата является вычисление коэффициентов теплоотдачи. Методы определения этих величин изучаются в специальном курсе теплопередачи, здесь же приводится ряд формул, которыми и рекомендуется пользоваться при расчете теплообменных аппаратов. Коэффициент теплоотдачи от движущегося жидкого или газообразного потока зависит от режима движения: при ламинарном (струйном) потоке коэффициенты теплоотдачи обычно малы, а при турбулентном потоке более высоки и возрастают с увеличением степени турбулентности.

Режим потока устанавливается в зависимости от значения безразмерного критерия Рейнольдса

Re = Wd/v,

где W - линейная скорость движения потока, м/с; d - диаметр трубопровода, м; V - кинематическая вязкость, м/с.

Имея в виду, что W = и/р (где и - массовая скорость потока, кг/(м-с), р - плотность потока, кг/м), получим значение критерия Re, выраженное через массовую скорость

Re = ud/pv.

Если Re < 2300 - движение потока ламинарное, при 2300 < Re < <10 ООО - режим переходный, а при Re > 10 ООО - движение турбулентное.

Для кожухотрубчатых теплообменных аппаратов были проведены испытания, которые показали удовлетворительное соответствие расчетных и измеренных в промышленных условиях коэффициентов теплопередачи и гидравлических сопротивлений. Ниже изложена методика расчета, рекомендованная на основе этих исследований.

Дл« ламинарного режима рекомендуется зависимость

N0,25

Nu = 0,17Re°Pr«"Cr°

где Nu = ad/\ - критерий Нуссельта; Рг = урС/Х - критерий Прандтля; Сг = (grd/vJPAf - критерий Грасгофа; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(мК); v - кинематическая вязкость, м/с; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); р - плотность потока, кг/м; С - средняя массовая теплоемкость в интервале температур на входе и выходе потока, кДж/(кгК); р - коэффициент объемного расширения, К~; At - разность между средними температурами потока и стенки.

Для турбулентного режима предложено уравнение

ч0,25

Nu=0,02lRe°Pr"

Прн переходном режиме коэффициент теплоотдачи можно вычислять по приведенной выше формуле для турбулентного режима, введя поправочный коэффициент / который вычисляется по формуле

f=l - 610Re-.

Во всех приведенных уравнениях физические свойства следует определять при средней температуре потока. В тех уравнениях, где используется значение Рг - соответствующие величины вычисляются при средней температуре стенки.

в приведенных уравнениях направление теплового потока (от стенки к продукту или наоборот) учитывается соотношением (Рг/Рг)".

В случае движения теплообменивающегося потока через трубы некруглого сечения в перечисленные уравнения вместо диаметра трубы d следует подставлять эквивалентный диаметр, определяемый из следующего выражения:

d, = 4 П, (XXII.4)

где / - сечение потока; П - смоченный периметр трубы некруглого сечения.

Согласно уравнению {XXII.4) эквивалентный диаметр d, для некоторых наиболее распространенных случаев равен:

Для труб кольцевого сечения с диаметром большой трубы D и наружным диаметром меньшей трубы d................. D-d

Для пучка труб внутри кожуха при внутреннем диаметре кожуха D и наружном диаметре трубок d и их

числе п.................................................................................................

D+nd

Для труб прямоугольного сечения со сторонами а и Ь...... .2gb

а + Ь

Для ребристых труб коэффициент теплоотдачи а может быть определен по следующему уравнению

а=аг

{XXII.5)

где tto - коэффициент теплоотдачи для гладкой трубы, Вт/{м • К); h - высота ребра, м; 5 - толщина ребра, м; 1 - шаг ребер по окружности (для п ребер эта величина определяется как 1 = nd„/n), м; Э ~ величина, определяемая из табл. XXII. 1, в зависимости от произведения mh. Величина т находится из следующей зависимости:

где X - коэффициент теплопроводности материала ребер, Вт/(м • К).

Движение потока в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменных аппаратов является сложным. Между перегородками направление движения потока по отношению к трубам осуществляется под некоторым углом, в вырезах, отверстиях и зазорах поток движется параллельно трубам. В отдельных местах межтрубного пространства наблюдаются застойные зоны. Примерная схема потоков жидкости в межтрубном про-

Таблица XXII.1

странстве кожухотрубчатых аппаратов с сегментными перегородками показана на рис. XXII-28. Важно отметить, что вследствие наличия зазора между трубной перегородкой и корпусом кожуха наблюдается некоторая утечка жидкости, не соприкасающейся с теплообменными трубами и не участвующей в теплообмене (см. рис. XXII-28, поток I).

Для межтрубного пространства коэффициент теплоотдачи удовлетворительно описывается уравнением:

Nu=cRe°6pr°33

VcrPrry

где Nu, Re и Рг - критерии, определяемые так же, как и в приведенных выше уравнениях;

отношение

VctPc

учитывает направление теплового потока, причем во многих случаях его

величина лежит в пределах 0,98 - 0,995; и поэтому часто им можно пренебречь; с - коэффициент, характеризующий форму перегородок и расположение труб в пучке (для сегментных перегородок и при расположении труб по треугольнику и квадрату с = 0,22).

При определении критерия Re линейная или массовая скорость вычисляется относительно так называемого эффективного сечения S-межтрубного пространства, которое определяется из выражения:

-прпоп

где S„, - площадь проходного сечения в вырезах перегородки (площадь сегмента или сектора за вычетом суммарной площади сечения, проходящих через нее труб); S„,„ - площадь проходного сечения между перегородками.

Коэффициенты теплопередачи. Для плоской стенки коэффициент теплопередачи определяется из уравнения

L + L + y5 а, •Х

(XXII.6)

где а, и ttj - коэффициенты теплоотдачи с каждой стороны стенки, Вт/(м • К); 5 - толщина отдельных слоев стенки, м; X - коэффициент теплопроводности слоев стенки, Вт/(м • К).

Уравнение (XXII.6) часто представляют в следующем виде:

к а, 02

(XXII.7)

где \/К - общее сопротивление потоку тепла; 1/а, и Х/а ~ удельные сопротивления теплоотдачи со стороны первой и второй среды; - сумма удельных сопротивлений потоку тепла, оказываемых всеми слоями, составляющими стенку.

Если сопротивление стенки незначительно по сравнению с со-

Рис. XXII-28. Схема потоков жидкости в межтрубном пространстве кожухотрубча-того теплообменного аппарата:

/ - утечка жидкости через зазоры между перегородкой и корпусом теплообменника; и - то же, между трубками и перегородками; 111 - основной желательный поток жидкости