Материал: 2482

кой. Ленту закрепляют на трубопроводе и покрывают снаружи слоем тепловой изоляции. Длина ленты зависит от количества последовательно соединенных блоков. Лента снабжена штепсельным разъемом для быстрого подключения к сети.

Рис. 9.3. Электронагревательная гибкая лента ЭНГЛ-180:

1 – штепсельный разъем; 2 – концевая заделка; 3 – герметизирующая оболочка из кремнеорганической резины; 4 – стекловолоконная основа; 5 – нагревательные нихромовые жилы; 6 – токоведущие провода

На рис. 9.4 показана схема подогрева стального резервуара при помощи гибких нагревательных элементов [18]. Данная схема применяется в основном для поддержания постоянной температуры нефтепродукта при снижении температуры окружающей среды.

Рис. 9.4. Устройство для электроподогрева стальных резервуаров: 1 – корпус резервуара; 2 – гибкий ленточный подогреватель;

3 – стальной уголок с изоляцией; 4 – контактные пластины; 5 – трансформатор

132

9.3. Основы расчета и выбора теплообменных аппаратов

Передача теплоты от более нагретого к менее нагретому телу осуществляется тремя видами теплообмена: теплопроводностью, конвективным и лучистым теплообменами. При расчете теплообменных аппаратов передача теплоты осуществляется теплопроводностью.

Теплопроводность – это процесс распространения теплоты в рабочем теле посредством передачи кинетической энергии от более нагретых молекул к менее нагретым.

Поверочный расчет и выбор теплообменного аппарата (теплообменника) производится с целью подогрева нефтепродукта для снижения его вязкости и увеличения текучести. Подогрев осуществляется для неподвижной массы нефтепродукта, кг, или движущегося нефтепродукта с массовым расходом, кг/с.

Количество теплоты Q, Дж, необходимое для нагрева нефтепродукта массой М, кг, на требуемую величину изменения температуры, определяют из вы-

ражения [16, 17]:

где ср – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг∙К); t t1 t2 – разность тем-

ператур в начале и конце нагрева нефтепродукта.

При нагреве нефтепродуктов берут среднее значение теплоемкости, равное

2100 Дж/(кг∙К).

Определив требуемую величину Q, по заданному времени разогрева нефтепродукта рассчитывают и выбирают тип нагревательного устройства, его мощность.

Расчет теплообменников непрерывного действия основан на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи [17].

В процессе расчета теплообменника обычно определяют тепловой поток Ф, Дж/с (Вт), передаваемый через поверхность теплообмена.

Тепловые потоки, идущие от горячего теплоносителя Ф1 к холодному нефтепродукту Ф2, могут быть определены по формулам:

где cp1 и cp2 – изобарные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей; mt1 и mt2 – массовые расходы этих теплоносителей, кг/с; температуры горячего

(индекс 1) и холодного (индекс 2) теплоносителей t1, t1, t2, t2.

При установившемся режиме теплообмена Ф1 Ф2 Ф. При этом равен-

стве получается баланс теплового потока (уравнение теплового баланса).

133

Определив требуемое значение теплового потока Ф, находим необходимую площадь F поверхности теплообмена горячего теплоносителя (нагревате-

ля), используя уравнение теплопередачи:

где к – средний, постоянный для поверхности F коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К); tн – средний по поверхности F температурный напор между тепло-

носителями, °С.

Массовые секундные расходы теплоносителей mt 1 и mt 2, кг/с, определя-

ются по следующим формулам:

а) если известна площадь живого сечения канала теплообменника Fсеч, скорость w теплоносителя, а также плотность, то расход определяется из выражения

б) если известен тепловой поток и изменение температуры теплоносителя, то расход соответствующего теплоносителя определяется из выражений (9.4)

и (9.5)

Массовый расход нефтепродукта зависит от времени слива-налива. Например, при времени слива, равном 3 часа, для железнодорожной цистерны, содержащей 40 000 кг, массовый расход составит mt = 3,7 кг/с (40 000/3/3600).

Для расчета коэффициента теплоотдачи при турбулентном режиме течения в трубах и каналах при движении теплоносителя за счет внешних сил установлена зависимость (критерий Нуссельта) [16, 17]

Nudэ,ж 0,021 Re0d,э80 Ргж0,45 Ргж Ргс 0,25, (9.9)

где индекс «dэ» устанавливает, что в качестве характерного линейного размера берется эквивалентный диаметр канала, равный отношению учетверённой площади поперечного сечения канала Fсеч к его периметру (читается пи) dэ = 4 Fсеч / , а индекс «ж» – что физические свойства теплоносителя определяются по средней температуре жидкости (газа).

Для трубы круглого сечения dэ = d , а для кольцевого канала dэ dн dв ,

где dн и dв , соответственно, наружный и внутренний диаметры. Если режим движения ламинарный, то

134

По формулам 9.9 и 9.10 определяется число Нуссельта для труб любой формы поперечного сечения – круглого, квадратного, прямоугольного, кольцевого.

Для понимания характера приведённой выше зависимости важно знать физический смысл входящих в неё критериев.

Критерий Нуссельта

Nu dэ dэ . (9.11)

Безразмерный критерий Нуссельта есть соотношение термического сопротивления теплопроводности в пограничном слое жидкости к термическому сопротивлению теплоотдачи от жидкости к стенке или наоборот.

Определив критерий Нуссельта, находят значение коэффициента теплоотдачи α, Вт/(м2∙К), например, со стороны горячего теплоносителя к стенке по

где ν – кинематическая вязкость, м2/с.

Критерий Re есть соотношение сил инерции к силам вязкости.

Критерий Прандтля: Pr /a. (9.13)

Безразмерный критерий Прандтля характеризует соотношение вязкости к молекулярной силе в потоке.

Для воды при изменении ее температуры от 30 до 100 °С значение критерия Прандтля меняется от 5,42 до 1,75.

Для водяного пара на линии насыщения при изменении его температуры от 100 до 200 °С критерий Прандтля изменяется незначительно (1,08 – 1,36).

Для масла МС-20 с понижением температуры от 100 до 20 °С кинематическая вязкость, мм2/с, повышается с 20 до 1125, а число Прандтля увеличивается с 315 до 15400.

Более точные значения числа Прандтля для конкретного теплоносителя и его температуры берутся из справочника [17].

Множитель Ргж Ргс 0,25 представляет собой поправку, учитывающую зависимость физических свойств теплоносителя (в основном вязкости) от тем-

135