МУ контрольные часть 2,3

23

ТР 64 Re 0.25 .

Для турбулентного режима движения, если Re 104 105 :

ТР 0,3164 Re 0.25 .

Для режима движения, когда Re 105 ,

ТР 0,0032 0,221Re 0.237 .

При движении по шероховатым трубам, когда 2320 Re Reкр ,

ТР 0,11 K d 68 Re 0.25 ,

где Re=568 d K ;

K - абсолютная шероховатость труб.

Местные сопротивления обусловлены наличием вентилей, задвижек, сужений, расширений, поворотов. Потери напора в местных сопротивленях определяются по формуле:

Pм			,
n	2
1	2

где -коэффициент местных сопротивлении.

Полная потеря напора в ТА со стороны теплоносителя

			2					l	n
	P Pл Pм								.
			2				тр d
									1

После определения потерь напора со стороны теплоносителя можно определить мощность, затрачиваемую на прокачку теплоносителя:

N G1 P .

5.Пример расчета АВО для газа.

Исходные данные: Массовый расход M1 60 кг/с, температура газа на входе в АВО t1 40 C , давление газа P1 5,5MПа ,

температура воздуха на входе в аппарат 1 0 С ,

расход воздуха (производительность вентилятора)

V 35м3/с.

Для расчета принимается АВО зигзагообразного типа АВЗ, 5

-число секций -6 шт. в каждой секции - 8 рядов труб длиной - 6м, которые образуют один ход со стороны газа;

-поверхность теплообмена Нсек=1250м2, Нап=7560м2;

-коэффициент оребрения - = 9;

-число вентиляторов на один аппарат - 1 шт.

24

Общий вид АВО типа АВЗ приведен в Прил.7.

Геометрические характеристики оребренных труб следующие:

-

диаметр оребрения - Dор=49 мм;

-

наружный диаметр труб - dн=28 мм;

-

внутренний диаметр труб - dвн=22 мм;

-

высота ребра - h=10,5 мм;

-

толщина ребра - =0,85 мм;

-

шаг ребер- t=3,5 мм;

-

теплопроводность ребер - 50 Вт/(м К)

В тепловом расчете требуется определить поверхность охлаждения

АВО и сравнить с фактической.

Тепловой расчет сводится к совместному решению уравнения

теплового баланса и уравнения теплопередачи

Q W t W kH t

лог

,

1

2

cp

где W1 ,W2 -

соответственно водяные эквиваленты горячего и холодного

теплоносителей, кДж/с

W M

1

C ср ;W M

2

C ср ;

1

р1

2

Р2

С ср ; С

ср

- удельные теплоемкости горячего и холодного

р1

р2

теплоносителей, кДж/(кг0С);

t,

- разности температур горячего и холодного теплоносителей,0С.

t t1 t2 , 2 1 ;

t

,

1

-начальные температуры горячего и холодноготеплоносителей,0С;

1

t2

, 2

конечные температуры горячего и холодного теплоносителей,0С;

-

коэффициент полезного действия теплообменного аппарата (как

правило, в расчетах принимается равным единице);

KH - водяной эквивалент поверхности теплообмена, кВт/0С;

K - коэффициент теплопередачи,

кВт/(м2 0С);

Н - поверхность теплообмена, м2;

t

лог

– средняя разность температур процесса теплопередачи, 0С.

ср

Для газа (метан):

При Р1=5,5МПа, Tгаср

303К;

С рсрl

2,53кДж/(кгК);

газ

39 10 3 Вт/(мК);

Р

r

0,72;

газ

13 10 6 м2/с;

газ

=38 кг/м3

Для воздуха:

При T

ср 276,3К;

воз

1,27

кг/м3; С ср

1,005кДж/(кгК);

воз

р 2

воз

2,48 10 2 Вт/(мК); Рr 0,706;

воз

13,6 10 6 м2/с

На основании данных работающих АВО и справочных рекомендаций охлажденный газ на выходе должен превышать температуру окружающего воздуха на 10-15 0С. Согласно этого принимается t2=20 0C (температура газа выходящего из АВО).

25

Определяется тепловой поток передаваемый от газа в АВО из уравнения:

Q M1C рср11 t1 t2 60 2,53 40 20 1 3036кВт Q 3,036 МВт

Определяется температура воздуха выходящего из АВО по уравнению:

					M	C ср	t		1	t	2		0		3036		6,72	0С
					1	Р1
	2		1			M		C ср							449,6 1,005
							2
										Р 2

Теплоемкость природного газа (метана) принимается из Прил. 3. Теплоемкость воздуха принимается температуре воздуха 1 (заданой).

Теплофизические свойства газа (метан) и воздуха выбираются при средней температуре соответствующих теплоносителей.

Средняя температура газа:

t ср		t1 t2		40 20	30 0С.
газ	2		2

Средняя температура воздуха:

ср		1 2		0 6,72	3,36 0С.
воз	2		2

Определяется средняя скорость газа в АВО:

газ			М 1		60		30	м/с
			газ Fn.c.		38 0,053

где Fn.c. - площадь поперечного сечения со стороны газа, м2

Определяется критерий Рейнольдса при движении газа:

Rе			газ d вн		30 0,022	52500
	газ		газ
					13 10 6

При Rе 104 для определения среднего по длине трубок

коэффициента теплоотдачи рекомендуется следующее уравнение подобия. Определяется критерий Нуссельта для газа:

Nu газ 0,021Rегаз0,8 Рrгаз0,43

Nu газ 0,021 525000,8 0,720,43 109

Коэффициент теплоотдачи со стороны газа определяется:

ср		Nu		ср
			газ	газ	Вт/(м2К)
газ		d вн

26

		109 39 10	3
ср				193 Вт/(м2К)
газ		0,022

Определяется скорость воздуха в узком сечении секции АВО:

			АVkж		0,075 354 0,94	19,65 м/с
	воз		воз
				1,27

где А - коэффициент, зависящий от типа аппарата и коэффициента оребрения труб, приведен в табл. 3.2.

V -объемный расход воздуха на АВО, м3/с;

kж= - коэффициент, учитывающий наличие жалюзи.

Rе			газ d вн		30 0,022	52500
	газ		газ
					13 10 6

Определяется критерий Рейнольдса при движении воздуха:

Rе

воз d н

19,65 0,028

40456

воз

воз

13,6 10 6

d

0,54

h

0,14

Nu

0,223 Rе0,65

н

Р

,

воз

воз

b

b

где d н - наружный диаметр трубы, м; h р - высота ребра, м;

b -		шаг ребер, м.
					0,028	0,54		0,0105		0,14
Nu	воз		0,223 404560,65							61,37
					0,0035			0,0035

Определяется коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха:

ср		Nu		ср
			воз	воз	Вт/(м2К)
воз			d н
		61,37 2,48 10				2
ср							54,35 Вт/(м2К)
воз				0,028

Средняя разность температур теплоносителей определяется:

t лог	1 2	,
cp	1

ln 2

27

где 1 и 2 - наибольшая и наименьшая разности температур

определяются по уравнениям:

	1	ар 0,5 ;		2	ар 0,5 T.
		ср			ср

Среднеарифметическая разность температур определяется:

срар 0,5 t1 t2 0,5 1 2 ;

cpар 0,5 40 20 0,5 0 6,72 26,640 С

Характеристическая разность температур определяется:

t 2 4 t ,

где =0,58 - индекс противоточности схемы ТА принимается из

табл.3.1.

в зависимости от числа пересечений n=1 и отношения W1 W2 0,336.

После подстановки соответствующих значений имеем:

20 6,72 2 4 0,58 20 6,72 200 C .

Определяется начальная разность температур:

1 срар 0,5 26,64 0,5 20 36,640 С.

Определяется конечная разность температур:

2 срар 0,5 26,64 0,5 20 16,640 С.

Определяется средняя разность температур теплоносителей:

t лог	1	2					36,64 16,64				25,320 C.
			1
cp									36,64
	ln						ln
				2				16,64

Коэффициент эффективности ребра Е определяется по уравнению

(10):

											28
			10,5 10	3						54,35 0,85 10	3
	th					2
			0,85 10 3							50
																0,92.
	10,5 10 3					2			54,35 0,85 10 3
		0,85 10 3								50

Расчетный или приведенный коэффициент теплоотдачи от ребристой поверхности к воздуху, отнесенной к внешней поверхности нагрева и учитывающий неравномерность теплообмена по поверхности ребра, определяется из уравнения:

					р			с			758		125		2
		воз
2пр		2								54,35 0,92				50,59 Вт/(м К)
					р.с.
							р.с.				883		883

Коэффициент теплопередачи для чистой ребристой трубки, отнесенной к ребристой поверхности, определяется из уравнения:

k					1
		1						1
					с
		газ		с				2пр

где газ - коэффициент теплоотдачи от газа к стенке трубок, Вт/(м2К);c c - толщина и коэффициент теплопроводности материала стенки

трубки;

р.с. - коэффициент оребрения;

с

2пр - расчетный или приведенный коэффициент теплоотдачи от

ребристой поверхности к воздуху, Вт/(м2К)

								k							1						15	Вт/(м2К)
										1					0,003				1
																	9
										193					50				50,59
Определяется требуемая (расчетная) поверхность теплообмена АВО
				Q				30,4 105
	р											8000 м2
			К t лог					15 25,32
						ср
Фактическая поверхность теплообмена у существующего АВО
составляет					ф	7580 м2

Расхождение расчетного значения с фактическим составляет 5%. После проведения теплового расчета необходимо определить затраты

мощности на прокачку теплоносителя по трубам.

При движении жидкости по трубам часть мощности расходуется на преодоление линейных Pл и местных Рм гидравлических сопротивлений.

29

Линейное сопротивление или сопротивление трения Pл определяют по

формуле Дарси:

Р				l		2	,
	л		ТР			2
				d

где ТР - коэффициент сопротивления трения по длине трубы;

l - длина трубы ;

d - внутренний диаметр трубы,м;

- скорость движения теплоносителя;- плотность газа,кг/м3.

Коэффициент сопротивления ТР для турбулентного режима движения газа при Rе 104 105 определяется из уравнения Блазиуса:

ТР 0,3164 Rе0,25 0,3164 0,021.

525000,25

Определяются гидравлические потери на трение в трубах из уравнения:

ТР 0,021 6 1 302 38 97980Па 0,022 2

ТР 97,98кПа

Местные сопротивления обусловлены наличием вентилей, задвижек, сужений, расширений, поворотов. Потери напора в местных сопртивлений определяются из уравнения:

м		2	5,66	30	2	38 96800Па 96,8кПа,
	n
	1	2			2

n

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений складывается из:

1

рас. 1,5 - вход в секции АВО;

ТРВХ 1,0 - вход в трубки;

ТРВХ 1,0 - выход из трубок;

СУЖ 1,5 - выход из секций АВО;КР. 0,33 2 - шаровой кран - 2 шт. на входе и выходе из АВО;

	n
	1,5 1,00		1,00 1,5 0,66		5,66
	1
	Полная потеря напора в АВО со стороны газа
	ТР М 97,98 96,8 194,78кПа.
	По	заданию	давление	газа	на входе	в	АВО	1 5,5МПа. В	АВО
полная		потеря	давления	из	расчета		составляет 194,78кПа ,
0,2МПа. Таким образом на					выходе	из	АВО	давление газа	будет
2	5,3МПа.

30

6.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.Какие типы теплообменных аппаратов используют для охлаждения газов, в частности метана?

2.Какие задачи решаются при расчете теплообменного аппарата на стадии проектирования?

3.Какова цель поверочного расчета теплообменного аппарата?

4.Какие уравнения используют при составлении теплового баланса теплообменного аппарата?

5.Как определяется среднелогарифмический температурный напор?

6.Как определить коэффициент теплопередачи?

7.Как зависит теплоотдача трубок теплообменность аппарата в зависимости от их расположения в аппарате?

8.Коэффициент теплоотдачи неоребренной поверхности заметно превышает коэффициент теплоотдачи оребренной поверхности. Может ли в этом случае тепловой поток оребренной поверхности быть больше чем от неребренной?

9.Напишите в общем виде критериальное уравнение конвективного теплообмена при ламинарном режиме?

10.Что представляет собой критерий Био?

11.Покажите на схеме характер изменения температуры теплоносителей в теплообменном аппарате при прямопотоке и противотоке?

12.Как определить плотность газа в зависимости от давления и температуры?

13.Как определить потери давления теплоносителя на прямом участке трубопровода?

14.От чего зависит коэффициент сопротивления трения при турбулентном режиме движения теплоносителя в прямолинейной трубе?

31

Список литературы.

1.Степанов О.А., Иванов В.А. Охлаждение газа и масла на компрессорных станциях магистральных газопроводов. –Л.: Недра.

1982.

2.Бахмет Г.В., Еремин Н.В., Степанов О.А. Аппараты воздушного охлаждения газа на компрессорных станциях. М., Недра, 1994. – 102с.

3.Иванов И.А., Крамской В.Ф., Моисеев Б.В., Степанов О.А. Теплоэнергетика при эксплуатации транспортных средств в нефтегазодобывающих районах Западной Сибири.

М., Недра, 1997г. Справочное пособие. – 269с.

4.Методика теплового и аэродинамического расчета аппаратов воздушного охлаждения.

ВНИИНефтемаш. –М.: 1971. –318с.

5.Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификации природных газов.

Справочное пособие. Под ред.: Загорученко В.А. – М.: Недра. 1980.

–320с.
6. Эксплуатация	газопроводов Западной	Сибири /Крылов Г.В.,
Матвеев А.В.,
Степанов О.А.,	Яковлев Е.И. – Л.: Недра.	1985. –288с.

32

Приложение 1

ва	Темп-	Массов	Давлен	Содержа-	Произ-ть			Темп-		Коэф-ент	Площад	Кол-		Диаметр		Тол
ри	ра	ый	ие	иие	вентиля-			ра		оребрени	ь	во				щ.
ан	метана	расход	метана	метана,	тора,					я	попереч	ребер	Ре-	Труб	Труб	ребр
													бра	ы	ы
т	на	метана	Р1 , МПа	%	Q 103			воздух			-ного	на				а ,
	входе	G, кг / с			м	3	/ ч	а на			сечения	1пм	мм	Нар.,	внутр	мм
	в АВО,							входе			Fпс, м			мм	., мм
											2
	t , оС								, оС
	1							1
1	85	20	3,5	90	290				0	14,6	0,341	394	56	28	22	0,85
2	80
3	75	30	4,0	95	600				5	21,2	0,196	394	57	26,4	21,2	0,49
4	70
5	65	40	4,5	92	564			10		21,2	0,205	433	57	25,4	21,0	0,6
6	60
7	55	50	5,0	90	672			15		21,2	0,218	433	57	25,4	21,2	0,45
8	50
9	45	60	5,5	88	672				0	21,2	0,341	433	57	28,4	21,0	0,5
10	40