1. Расчет процессов теплообмена в системе «технологический трубопровод с тепловой изоляцией и компенсацией теплопотерь»

1. Общие положения

На химических, нефтехимических и других промышленных предприятиях применяют межцеховые технологические трубопроводы для транспорта жидких и газообразных сред внутри предприятия. Технологические трубопроводы являются связующими артериями технологической схемы, неотъемлемой частью технологического производства.

При проектировании и эксплуатации систем технологических трубопроводов для определения геометрических и теплофизических параметров элементов конструкции и теплоносителей необходимо выполнить теплотехнический расчет процессов теплообмена в системе (рис.1.1).

Для сохранения параметров технологических продуктов при межцеховом транспорте необходимо снизить до минимума и компенсировать тепловые потери через стенки трубопроводов в окружающую среду путем теплоизоляции системы и подвода теплоты от внешнего источника («спутника», рис.1.2).

Рис. 1.1. Схема замкнутой системы обогрева технологических трубопроводов

1 - обогревающий водяной «спутник»;

2 – технологический трубопровод;

3 – теплоизоляционная конструкция.

Обозначения на рис. 1.1:

t₁ – температура греющего теплоносителя в «спутнике», С;

t_н – температура наружного воздуха, С;

w – скорость ветра, м/с;

_и – теплопроводность теплоизоляционной конструкции, Вт/(м С);

t_в – температура воздуха внутри замкнутой системы, С;

w₁ – скорость греющего теплоносителя в «спутнике», м/с;

t₂ – температура технологического продукта, С;

- геометрические характеристики элементов замкнутой системы, м.

e₁, e₂ – эксцентриситеты тел, м;

Q₁, Q₂, Q₃ – тепловые потоки в системе, Вт.

Целью расчетов является моделирование тепловых режимов в системе обогрева технологических трубопроводов для заданных начальных условий.

Моделирование процессов теплообмена заключается в постановке численного эксперимента с применением ЭВМ с целью оценки тепловых потоков определяющих тепловой баланс в замкнутой системе трех тел (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Система трех тел

Тепловые потоки в замкнутой системе можно представить как сумму двух составляющих: конвективной и лучистой. Для определения конвективной составляющей применяются критериальные уравнения конвективного теплообмена. Лучистая составляющая тепловых потоков находится с использованием методов поточной алгебры и сальдированных перетоков.

Контроль правильности расчетов осуществляется по температурам стенок системы методом последовательных приближений с применением уравнений теплопроводности и теплоотдачи.

Расчет проводится по сечениям конструкции с заданным шагом между сечениями. Для повышения производительности расчетов составлена программа для ЭВМ на языке Паскаль.

3.2. Анализ процессов теплообмена между телами

в замкнутой системе

Анализ процессов теплообмена между телами в замкнутой системе тел позволяет обосновать выбор уравнений конвективного теплообмена и методики теплового расчета в целом.

Тело 1. Источник тепла (рис. 1.1) - трубопровод с сетевой водой (горячим теплоносителем) для компенсации остаточных тепловых потерь через тепловую изоляцию замкнутой системы. Тепловой поток от источника теплоты можно представить в виде суммы двух составляющих потоков: конвективного и лучистого.

Конвективная составляющая потока последовательно передается от сетевой воды сначала теплоотдачей в условиях вынужденной конвекции к внутренней поверхности стенки трубы 1. Затем теплопроводностью через стенку передается к наружной поверхности трубы 1. От наружной поверхности трубы теплота передается естественной конвекцией к воздуху.

Лучистая составляющая теплового потока от трубы 1 возникает в процессе взаимного теплообмена излучением между наружной поверхностью трубы 1, наружной поверхностью трубы 2 и внутренней поверхностью трубы 3.

Тело 2. Трубопровод с технологическим продуктом. Теплообмен осуществляется естественной конвекцией от воздуха в замкнутой системе к наружной поверхности трубы 2, теплопроводностью к внутренней стенке и далее в условиях вынужденной конвекции тепловой поток передается технологическому продукту. Лучистая составляющая потока формируется в результате взаимного теплообмена излучением с наружной поверхностью трубы 1 и внутренней поверхностью трубы 3.

Тело 3. Внутренняя поверхность тела 3 получает теплоту в условиях естественной конвекции от воздуха в замкнутой системе, а также в результате взаимного теплообмена излучением с наружными поверхностями тел 1 и 2. От внутренней поверхности тела 3 теплопроводностью через многослойное термическое сопротивление теплота переносится к внешней поверхности тела 3. От наружной поверхности тела 3 теплота рассеивается конвективной теплоотдачей в окружающую среду.

Допущения и ограничения, принимаемые в расчете процессов теплообмена:

а) рассматривается стационарный режим теплообмена;

б) по каждой из поверхностей тел 1, 2, 3 температура является постоянной по всей окружности для данного сечения.