НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Расчёт коэффициентов теплоотдачи

Самой важной и наиболее сложной частью технологического расчета теплообменной поверхности аппарата является расчёт коэффициентов теплоотдачи. Методы вычисления этих величин рассматриваются в отдельном курсе теплопередачи, мы же сформулируем ряд формул, которые допустимо применять при расчете теплообменников. Коэффициент теплоотдачи от перемещающейся жидкой или газообразной среды определяется режимом движения:

• при ламинарном (струйном) режиме коэффициенты теплоотдачи обычно невелики;
• при турбулентном режиме коэффициенты теплоотдачи имеют большие значения и увеличиваются с возрастанием степени турбулентности.

Режим потока определяется в зависимости от величины безразмерного критерия Рейнольдса:

(1)

Учитывая, что:

(2)

(3)

• при Re ≤ 2300 - режим течения ламинарный;
• при 2300 < Re < 10000 - режим течения переходный;
• при Re ≥ 10000 - режим течения турбулентный.

Для кожухотрубчатых теплообменников были выполнены испытания, показавшие удовлетворительную сходимость расчетных и полученных опытным путём на производстве коэффициентов теплопередачи и гидравлических сопротивлений. Ниже приведена методика расчета, сформулированная на основе данных исследований.

Рекомендованная формула для ламинарного режима:

(4)

(5)

(6)

(7)

Рекомендованная формула для турбулентного режима:

(8)

При переходном потоке вычисление коэффициента теплоотдачи можно производить по формуле для турбулентного потока (8), дополнив её поправочным коэффициентом f, вычисляемым по формуле:

(9)

Во всех рассмотренных уравнениях физические свойства подлежат определению при средней величине температуры среды, а в уравнениях, использующих значение Pr_ст - необходимые величины определяются при среднем значении температуры стенки.

В сформулированных уравнениях направленность теплового потока (от продукта к стенке или наоборот) учитывается величиной (Pr/Pr_ст)^0,25.

Если среда задействованная в теплообмене движется через трубы с сечением отличным от окружности в вышерассмотренные уравнения взамен диаметра трубы d необходимо выполнять подстановку эквивалентного диаметра, рассчитываемого по следующей формуле:

(10)

Для труб, имеющих кольцевое сечение с диаметром большой трубы D и внешний диаметр меньшей трубы d:

(11)

Для трубного пучка, размещенного внутри кожуха с внутренним диаметром D и внешнем диаметре трубок d и их количестве d:

(12)

Для труб, имеющих прямоугольный профиль сечения со сторонами а и b:

(13)

Коэффициент теплоотдачи α для ребристых труб вычисляется по следующей формуле:

(14)

Величина m рассчитывается по формуле:

(15)

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве

Течение теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубчатых аппаратов сложное. Между перегородками направление перемещения потока относительно труб происходит под некоторым углом, а в отверстиях, вырезах и зазорах поток перемещается параллельно труб. В ряде мест межтрубной полости существуют застойные зоны. Примерная схема жидкостных потоков в межтрубной полости кожухотрубчатых теплообменников с сегментными перегородками приведена на рисунке ниже.

Важно знать, что из-за наличия зазора между трубной доской и корпусом кожуха существует незначительная утечка жидкости, которая не соприкасается с теплообменными трубами и не принимает участия в теплообмене (поток I на рисунке выше).

Коэффициент теплоотдачи для межтрубного пространства достаточно точно описывается следующим уравнением:

(16)

где	с	-	коэффициент, зависящий от формы перегородок и размещении труб в пучке (для сегментных перегородок и при размещении труб по треугольнику и квадрату с = 0,22);
		-	отношение, учитывающее направление теплового потока (величина лежит в интервале 0,98 - 0,995 и ею можно пренебречь).

При расчёте критерия Рейнольдса массовая или линейная скорости рассчитываются относительно так называемого эффективного сечения S-межтрубной полости, которое вычисляется из соотношения:

(17)