Материал: 2482

где – толщина стенки, м; λ – теплопроводность материала стенки, через которую переносится теплота, Вт/ (м∙К) или Вт/[м2 ∙(К/м)];

α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя к стенке и co стороны холодного теплоносителя.

Коэффициент теплопроводности λ характеризует способность вещества проводить теплоту. Значение λ характеризует количество теплоты, Дж, которое проходит за 1 секунду (Дж/с – тепловой поток, измеряемый, Вт) через 1 квадратный метр поверхности при падении температуры в 1 градус на 1 метр пути теплового потока, Вт/[м2∙(К/м)] или Вт/ (м∙К).

Путь теплового потока – это, например, толщина стенки трубы, длина, высота пластины, м.

Ниже приводятся значения λ, Вт/ (м∙ К), для некоторых материалов, из ко-

3Х13 – 25,1; латунь (60 % меди и 40 % цинка) – 106; дюралюминий – 159 [17].

Средний температурный напор. Разность температур горячего и холодного теплоносителей называется температурным напором Т Т1 Т2. Харак-

тер изменения температурного напора вдоль поверхности теплообмена зависит от схемы движения теплоносителей и соотношения водяных эквивалентов W1 cp1mt1 и W2 cp2mt2. Различают следующие схемы течения теплоносите-

лей: прямоток, противоток, перекрёстный ток, смешанный ток, многократный перекрёстный ток (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Схемы движения теплоносителей

Температурный напор вдоль поверхности теплообмена при прямотоке изменяется сильнее, чем при противотоке. Вместе с тем среднее значение температурного напора при противотоке больше, чем при прямотоке. За счёт этого при противотоке теплообменник получается компактнее. Поэтому с теплотехнической точки зрения всегда следует отдавать предпочтение противотоку над прямотоком.

Средний логарифмический температурный напор определяется по фор-

муле

136

Среднеарифметический температурный напор

температурные напоры отличаются на 2 – 3 %. Здесь tб и tм , соответст-

венно, наибольшая и наименьшая разность температур между горячим теплоносителем и холодным на входе и выходе из теплообменника.

Площадь поверхности теплообмена. Площадь поверхности теплообмена

F определяется после определения коэффициента теплопередачи k и среднего

9.3.1. Расчет подогревателей для неподвижных нефтепродуктов

При расчете подогревателей определяют поверхность теплообмена, расход теплоносителя и конструктивные размеры подогревателей. Для этого необходимо знать начальную и конечную температуру подогрева нефтепродукта, его массу или расход.

Оптимальная температура нефтепродукта должна находиться между температурой застывания и температурой вспышки и отвечать условиям наименьшего расхода энергии на подогрев.

Общее количество теплоты, Дж, необходимое для разогрева нефтепродукта, определяют по формуле

где q1 М cр tк tн – теплота, необходимая для разогрева всей массы неф-

тепродукта М от начальной tн до конечной tк температуры;

ср – удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг∙К);

q2 Мn x – теплота, необходимая на расплавление застывшего нефтепро-

дукта (парафина) в количестве Мп; х – скрытая теплота плавления парафина;

q3 K F tср t0 – тепловые потери в окружающую среду.

Здесь К – коэффициент теплопередачи от нефтепродукта в окружающую среду, Вт/(м2∙К); F – поверхность охлаждения, м2; – время разогрева; tср – средняя температура нефтепродукта в резервуаре за время разогрева, °С;

t0 – температура окружающей среды, °С.

137

Удельная массовая теплоемкость для нефтепродуктов лежит в пределах 1600 – 2500 Дж/(кг∙К). Для расчетов принимают среднее значение, равное

2100 Дж/(кг∙К).

В таблице 9.4 указаны температура плавления и необходимое значение теплоты для плавления 1 кг парафина.

Коэффициент теплопередачи К рассчитывают в зависимости от типа емкости, толщины стенок, изоляции, способов хранения (наземный, подземный), а также принимают по опытным или справочным данным. При расчетах коэф-

фициент К для стенок наземных металлических резервуаров принимают рав-

ным 5 – 7 Вт/(м2∙К).

При расчете потерь теплоты через стенку резервуара за один час коэффициент теплопередачи Кч будет иметь единицу величины, кДж/(м2∙ч∙°С): для металлических неизолированных наземных резервуаров величина Кч = 25, для изолированных – 12,5, для подземных резервуаров – 11,3.

Для наземных резервуаров температуру окружающей среды, оС, принимают равной температуре наружного воздуха, для подземных резервуаров – равной плюс 5 °С.

Время разогрева и слива нефтепродукта, например мазутов марки М-40 и М-100, зависит от температуры окружающей среды. В теплый период он равен, соответственно, 3 и 4 ч, а в холодный период (с 15 сентября по 15 апреля), соответственно, 6 и 10 ч.

Суммарное время разогрева и слива железнодорожной цистерны, заполненной нефтепродуктом, зависит от его кинематической вязкости, температуры застывания и приведено в таблице 9.5 [18].

138

Среднюю расчетную температуру нефтепродукта tcp определяют по формуле

где tн и tк – начальная и конечная температура нефтепродукта, °С; t0 – темпе-

ратура окружающей среды, °С.

Температура окружающей среды для наземных и полуподземных резервуаров

где qзч – расход тепла, затрачиваемый на потери тепла в окружающую среду.

Поверхность нагрева трубчатых подогревателей (м2) определяют по формуле

KT – коэффициент теплопередачи от пара (или другого теплоносителя) к неф-

тепродукту; ТТН – средняя разность температур между теплоносителем и нефтепродуктом, °С (средний температурный напор); – время разогрева нефтепродукта; tн и tк – температура пара и конденсата, °С.

Общую длину L трубы подогревателя при принятом диаметре d находим из

139

где in и iк – соответственно, энтальпия пара и конденсата, кДж/кг.

Пример расчета. Определить необходимое количество теплоты Q, кДж, требуемое для нагрева паром (см. рис. 9.1) нефтепродукта массой М = 500000 кг за 3 часа на величину перепада температуры t 20 °С, при удельной массовой теплоемкости сР, равной 2,1 кДж/(кг∙К).

По формуле 9.3 находим

Q cp M t 2,1 50000 20 2100000 кДж.

Учитывая, что примерно 30 % теплоты уходит в окружающую среду через стенки цистерны, действительная величина Q будет равна 1,3∙2100000 = = 2730000 кДж. Потери теплоты в окружающую среду уточняют по формуле 9.18.

Мощность парового нагревателя за один час (3600 с)

Ф = Q/ = 2730000 / 3600 = 758,3 кВт.

Так как нагрев нефтепродукта производится в течение 3 часов, то мощность нагревателя составит 758,3 / 3 = 252, 7 кВт.

Нагрев нефтепродукта производится паром. На входе в нагреватель температуру насыщения пара принимаем t1 = 130 °С, что соответствует давлению насыщения 2,7·105 Па. Степень сухости насыщенного пара x = 0,9. На выходе из нагревателя пар конденсируется, его температуру принимаем t2 = 100 оС.

Определим энтальпию влажного насыщенного пара in на входе в теплооб-

менник.

140