Тепловой баланс и сущность теплотехнического расчета теплообменных аппаратов

УДК 536(075).

621.182/.183(075.32)

621.165.46.001-42.001.36

Бахмат Г.В. Теплопередача в промышленных аппаратах:Учебное пособие. Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2008. 176 с.

Приводится классификация и наиболее распространенные конструкции теплообменных аппаратов и котельных установок, а также методики их расчетов. Даются сведения о видах расчетов (конструкторских и поверочных), применительно к аппаратам воздушного охлаждения и кожухотрубчатым, как при наличии, так и при отсутствии фазовых переходов в процессе теплообмена внутри аппраатов. Приводятся аналитические описания процессов теплообмена ребра постоянного сечения и оребренных поверхностей при взаимодействии с окружающей средой с постоянной температурой. Подробно излагается смысл уравнений теплового баланса для теплообменных аппаратов и котельных установок, даются рекомендации по оптимизации процессов теплообмена оребренных поверхностей. В приложениях приведены справочные материалы по конструкциям некоторых видов аппаратов, применяемых в промышленности.

Ответственный за выпуск:

Заведующий кафедрой механики многофазных систем,д.т.н.,профессор А.Б.Шабаров

© Тюменский государственный университет, 2008

© Бахмат Г.В., 2008

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов-теплофизиков, изучающих курс «Теплопередача в промышленных аппаратах». Данная дисциплина сочетает в себе как вопросы фундаментальной теории тепломассообмена, так и вопросы прикладного инженерного характера. За многие годы применения уравнений теплофизики - инженеры, с учетом опыта проектирования и эксплуатации теплопередающих и теплогенерирующих устройств, наработали приемы рационального применения накопленных знаний и смогли создать многочисленные методики расчета этих устройств. Именно многочисленность методик, в некотором смысле, говорит о том, что процессы теплообмена в промышленных аппаратах настолько сложны, что создать единую методику не удается. Зачастую этому препятствуют, например, и такие факторы, как вопросы сохранения промышленной, научной и государственной тайны.

В данном пособии изложены наиболее важные вопросы лекционного курса в объеме, достаточном для усвоения теории расчета теплообменных аппаратов. Следует отметить, что расчет аппарата не является самоцелью, т.к. он встроен в технологическую цепочку с другим оборудованием, что требует согласования (зачастую очень не простого) параметров работы всех звеньев цепи.

Несмотря на то, что объем данного пособия превышает объем лекционного курса, при выполнении планового самостоятельного задания по расчету теплообменного аппарата студентам будет необходима дополнительная литература, особенно отмеченная в списке литературы под номерами 12,22,24-28.

Рекомендуется внимательно изучить также приложения к основному тексту пособия.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В большинстве промышленных теплообменных аппаратов (ТА) передача теплоты чаще всего происходит при изменяющихся температурах теплообменивающихся сред. Так, теплообмен в теплоиспользующих и технологических установках, нагнетательных и добывающих скважинах, пласте осуществляется при переменных температурах тел.

Типичным и наиболее распространенным техническим устройством, в котором теплопередача осуществляется при переменных температурах, является теплообменный аппарат. Теплообменным аппаратом (ТА) называется устройство, предназначенное для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Теплоносителями могут быть самые разнообразные жидкости, газы и даже твердые тела. Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Широкое распространение теплообменных аппаратов в нефтяной и газовой промышленности обязывает специалистов уметь их рассчитывать, обобщать опыт их эксплуатации, анализировать рабочий процесс и намечать пути повышения эффективности их работы. Эффективная работа теплообменных аппаратов приводит к сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели установок.

Теплообменные аппараты могут быть классифицированы по различным признакам. По способу передачи теплоты все теплообменные аппараты разделяются на поверхностные и аппараты смешения (рис. 1.1.).

Рис.1.1. Виды теплообменных аппаратов:

а – рекуперативные; б – регенеративные; в – смесительные; 1 – горячий теплоноситель; 2 – холодный теплоноситель; Q – тепловой поток

В поверхностных теплообменных аппаратах передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твердой стенки. В смесительных теплообменных аппаратах передача теплоты осуществляется при непосредственном контакте и смешении теплоносителей, причем смешение может осуществляться как в ограниченном, фиксированном объеме какой-либо емкости, так и в потоке теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменных аппаратах теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку (поверхность теплопередачи), при этом горячая и холодная среды одновременно с разных сторон омывают поверхность теплопередачи. В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая в первый период нагревается аккумулируя теплоту горячего теплоносителя, а во второй период охлаждается, отдавая теплоту холодному теплоносителю.

Рис.1.2.Основные виды рекуперативных теплообменных аппаратов:

а – кожухотрубный теплообменный аппарат жесткой конструкции; 1 – цилиндрический кожух; 2 –трубный пучок; 3 – крышки; 4, 5 – штуцеры; 6 – трубные решетки; б – теплообменный аппарат с плавающей головкой; в – теплообменный аппарат с U-образными трубками; г – теплообменный аппарат типа «труба в трубе»

Наиболее широко распространены в настоящее время кожухотрубные теплообменники, относящиеся к группе рекуператоров. По некоторым данным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры.

Большое распространение получили теплообменные аппараты жесткой конструкции, теплообменники с компенсаторами температурных напряжений (с линзовыми компенсаторами на корпусе, с плавающей головкой), с U-образными трубками. Кроме того, в нефтяной и газовой промышленности широкое применение получили теплообменные аппараты типа «труба в трубе» (рис.1.2) и все шире применяются пластинчатые аппараты разборные, неразборные и полуразборные.

В поверхностных теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители могут двигаться различно. Наиболее простыми и распространенными схемами движения являются прямоток, противоток и перекрестный ток (рис.1.3). При прямотоке горячая и холодная среды движутся вдоль поверхности теплообмена в одном направлении, при противотоке – в противоположных направлениях, при перекрестном токе – в перекрещивающихся направлениях. Существуют аппараты и с более сложными схемами движения.

Рис.1.3.Основные схемы движения теплоносителей и теплообмена:

а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный, г – смешанное; д – многократноперекрестный; 1 – горячий теплоноситель; 2 –холодный теплоноситель

От схемы движения сред в прямой зависимости находится и теплообмен между ними, поэтому схемы движения теплоносителей еще называются схемами теплообмена. Кроме классификации по конструктивному оформлению аппаратов и схемам теплообмена существует классификация по целому ряду других признаков: типу и агрегатному состоянию теплоносителей, виду оребрения теплообменной поверхности, технологическому назначению аппарата и др. Так, по агрегатному состоянию теплоносителей, аппараты подразделяют на два вида: без фазовых переходов и с наличием фазового перехода. Если теплоносители не претерпевают фазовых переходов про своем движении внутри аппарата, то аппарат может быть одного из четырех типов: «жидкость-газ», «жидкость-жидкость», «газ-жидкость» и «газ-газ». Первым указан горячий теплоноситель, как это принято в теории теплообменных аппаратов. Данное правило следует твердо запомнить. Если теплоноситель претерпевает фазовый переход, то аппарат будет называться испарителем (холодный теплоноситель вошел жидким, а вышел в виде пара) или конденсатором (горячий вошел в виде пара, а вышел жидким). Указание типа теплоносителя подразумевает его конкретное название, например аппарат типа «жидкость-жидкость» по типу теплоносителя может быть «вода-вода», «вода-масло», «масло-вода» и т.д.

По виду оребрения поверхности теплообмена выделено множество самых разнообразных видов ребер как по форме поперечного сечения, так и по их форме на виде сверху, например ребро прямоугольного сечения, круглое на виде сверху, или ребро треугольного сечения, квадратное на виде сверху и т.д. Некоторые виды оребрения показаны на рис. 1.4.

Рис.1.4.Виды оребрения

Выбор типа оребрения представляет собой сложную многофакторную задачу, которая, однако, имеет теоретическое решение, подробно рассмотренное в [26]. Однако в практике проектирования ТА часто превалирующим фактором являются чисто прагматичные соображения, например, наличие на складе предприятия-изготовителя материала для оребрения одного определенного вида или традиционно сложившиеся решения, характерные именно для данного производителя.

Теплообменные трубки, используемые в кожухотрубчатых аппаратах, могут отличаться не только диаметрами и длинами, но и формой поперечного сечения, т.е. кроме традиционно круглых они могут быть овальными или представлять собой почти плоские каналы. Материал трубок или пластин, как и материал оребрения, также может быть самым разнообразным.

Часто в особую группу выделяют аппараты, в которых холодным теплоносителем является наружный воздух. Они получили название аппаратов воздушного охлаждения (АВО). Такие аппараты широко применяются в системе дальнего транспорта природного газа по магистральным газопроводам. Этим аппаратам посвящена отдельная глава данного пособия вследствие сложности теплообменных процессов в АВО и специфики условий их работы.

Несмотря на особенности конструктивного исполнения и способа действия различных типов теплообменных аппаратов, тепловой расчет их имеет общие принципы.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И СУЩНОСТЬ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ