Bazele teoretice ale proceselor de schimb de căldură - stadopedia

1 Tehnologia și dispunerea procesului de separare la temperaturi joase utilizând un schimbător de căldură recuperator

Cantitatea maximă de hidrocarburi grele extrase din fluxul de gaz în timpul preparării gazului este atinsă la presiunea maximă de condensare (presiunea de separare) și la temperatura optimă a gazului (temperatura de separare).







In domeniul gazelor de proces de tratare la instalațiile de separare a temperaturii scăzute (STRP) Temperatura de separare este determinată pe baza condițiilor pentru asigurarea procesului de transport al gazelor într-o singură fază de stat și gradul de recuperare a hidrocarburilor grele ale curentului de gaz. Valoarea optimă a temperaturii de separare corespunzătoare condițiilor pentru a asigura procesul de transport a gazelor într-o singură fază de stat și gradul maxim de recuperare a hidrocarburilor dintr-un curent de gaz take ca temperatură Tzad predeterminată.

În stadiul inițial de funcționare a câmpului, cu o presiune ridicată asupra unității de colectare și preparare a gazului, temperatura gazului este luată sub temperatura medie ponderată a fluxului de gaz care poate fi separat:

de T2 - temperatura gazului înainte de instalarea HTS, K;

DP este diferența de presiune înainte de instalarea NTS (după separatorul din prima treaptă) și separatorul de temperatură joasă (diferența de pe clapeta de accelerație), kgf / cm2.

Dj este coeficientul Joule-Thompson (pentru calcule inginerești Dj ≈0,3 0 С / (kgf / cm 2).

Operația de separare a presiunii înainte de introducerea în stația de compresoare booster este menținută constantă, valoarea acesteia determină presiunea din conducta care primește gazul după preparare. În aceste condiții, prin scăderea presiunii rezervorului de presiune la intrarea colectarea și pregătirea producției de gaze produs este redusă și, prin urmare, căderea de presiune DP accelerației scade, ceea ce devine cauza creșterii magnitudine a temperaturii de separare. După o anumită perioadă de funcționare a temperaturii câmpului Tsepo separare devine Tzad temperatură predeterminată.

Odată cu dezvoltarea în continuare a domeniului pentru a menține temperatura de separare la un nivel predeterminat, folosind schimbătoare de căldură recuperative. Schema Low proces de separare a temperaturii cu ajutorul schimbătorului de căldură regenerativ este prezentat în figura 1. în condiții de câmp schimbătoarele de căldură de tip utilizate cel mai frecvent „țeavă în țeavă“ și carcasa. Schematic, designul lor este prezentat în Figura 2.

Ca stații de epurare a petrolului, precum și instalațiile de prelucrare a gazului și instalațiile de gaz folosesc trei tipuri de schimbătoare, coajă și tub (Fig.1, a) o „țeavă în țeavă“ (Fig. 1b) și schimbătoarele de căldură cu plăci (Fig.2 ).

Elevii trebuie mai întâi să înțeleagă modul în care căldura este transferată de la agentul de răcire fierbinte la purtătorul de căldură rece în schimbătoarele de căldură. Trebuie amintit că în schimbătoarele de căldură procesul de transfer de căldură prin perete poate fi realizat în trei moduri: prin conducție termică, prin convecție și prin radiație (radiație).

Conductivitatea termică se referă la procesul de propagare a căldurii prin mișcarea vibrațională a particulelor unei substanțe atunci când sunt în contact reciproc fără deplasare relativă, adică acest proces de transfer de căldură poate avea loc numai în metale.

Convecția este propagarea căldurii prin transferul acesteia prin particule lichide sau gazoase care se deplasează unul față de celălalt.

Procesul de propagare a căldurii prin oscilații electromagnetice cauzate de energia radiantă se numește emisie radiativă.

Bazele teoretice ale proceselor de schimb de căldură - stadopedia

1 - un tren de foraj; 2 - un eliminator de picurare (separator al secolului I); 3 - schimbător de căldură recuperator; 4 - niplu de reducere; 5 - separator cu temperatură scăzută; 6 - colector de condens

Figura 1 Schema procesului de separare la temperaturi joase folosind un schimbător de căldură recuperator

La proiectarea instalațiilor de tratare a petrolului și a gazelor în ceea ce privește alegerea echipamentului de schimb termic, acestea trebuie adesea să se ocupe de primele două procese de transfer de căldură - conductă termică și convecție.

Tipurile considerate de transfer de căldură sunt rareori găsite în formă pură; de obicei se însoțesc reciproc (schimb de căldură complex). Astfel, transmiterea căldurii prin peretele de transfer al căldurii din lichidul de răcire fierbinte la perete și peretele agentului termic la rece se face prin convecție și prin perete - prin conducție.

La proiectarea noilor schimbătoare de căldură, puteți seta trei sarcini:

1) determinarea suprafeței de încălzire F necesară pentru a transmite o cantitate predeterminată de căldură Q de la agentul de răcire fierbinte la agentul de răcire rece;

2) calcularea cantității de căldură Q transmisă printr-o suprafață cunoscută de încălzire F,

3) găsirea temperaturilor finale ale purtătorilor de căldură dacă valorile F și Q sunt cunoscute.

Bazele teoretice ale proceselor de schimb de căldură - stadopedia

I - lichidul de răcire se deplasează prin țevi;

II - lichidul de răcire se mișcă în spațiul inelar.

Figura 1 - Schimbătoare de căldură:

a) tubulatura și tubul (1-coajă a schimbătorului de căldură, 2 tuburi, 3 sept);

b) un schimbător de căldură în țevi (1 - conducte exterioare, 2 - conducte interne, 3 - "kalach")

Bazele teoretice ale proceselor de schimb de căldură - stadopedia

1 - placă fixă; 2 - placă de transfer de căldură ondulată; 3 - o căptușeală; 4 - placa finală; 5 - placă mobilă

Bazele teoretice ale proceselor de schimb de căldură - stadopedia

Figura 2 - Diagrama schimbătoarelor de căldură în plăci (a - demontabile, b - sudate)

Ecuația transferului de căldură. Pentru proiectarea procesului de transfer de căldură, după cum se știe, există o anumită diferență de temperatură între lichidele de răcire la rece și la rece. Această diferență de temperatură este forța motrice a procesului de transfer de căldură și se numește capul de temperatură, i.

unde T este temperatura lichidului de răcire fierbinte;

t este temperatura lichidului de răcire rece.







De asemenea, trebuie reținut faptul că cu cât capul de temperatură este mai mare T, cu atât mai mare este viteza de transfer de căldură; iar cantitatea de căldură transferată de la agentul de răcire fierbinte la agentul de răcire este proporțională cu suprafața de schimb de căldură F, - capul de temperatură Timp și timp # 964; care este,

unde K este un coeficient de proporționalitate, numit coeficientul de transfer de căldură și este cantitatea de căldură transmisă printr-o unitate de suprafață pe unitate de timp la un cap de temperatură egal cu unitatea.

Dacă Q este exprimat în J, F este în m 2; # 964; În cu și # 916; t - ° C, coeficientul de transfer de căldură va avea o dimensiune

Dacă Q este exprimat în kcal și # 964; -h, dimensiunea coeficientului de transfer de căldură va fi

Pentru a traduce în W / m 2 · 0 C), valorile lui K, exprimate în kcal / m 2 · h · 0 C), trebuie multiplicate cu un factor de 1,16.

Într-un proces continuu, sarcina termică Q este cantitatea de căldură în W per unitate de timp. Apoi ecuația (115) poate fi scrisă după cum urmează:

În procesele de schimb de căldură, temperaturile purtătorilor de căldură se schimbă de obicei și, prin urmare, capul de temperatură: curentul fierbinte se răcește și curentul rece se încălzește.

Natura schimbării temperaturii fluxului care se deplasează de-a lungul suprafeței încălzirii depinde de schema mișcării sale.

În schimbătoarele de căldură se folosesc în principal trei modele de curgere: 1) debit, atunci când debitul cald și rece se desfășoară în paralel; 2) contra-curent, atunci când fluxul fierbinte și rece curg în direcția opusă; 3) fluxul încrucișat, atunci când fluxul curge în direcție transversală.

Figura 3 prezintă schema schimbătoarelor de căldură ale „tub în tub“, iar distribuția temperaturii pentru echicurent (a) și contracurent (b) din lungimile corespunzătoare. Luând în considerare curbele de schimbare a temperaturii la echicurent (a), se poate trage concluzia că este imposibil să se încălzi fluidul de transfer de căldură rece care intră cu o temperatură inițială deasupra tn temperatură ieșire a lichidului de răcire fierbinte Tc, m. E. fi întotdeauna tn <Тк , что обусловливается термическим сопротивлением стенок теплообменника. При противотоке же конечная температура холодного теплоносителя tк может быть выше конечной температуры горячего теплоносителя Тк , что показано на схеме, т. е. tк> Th

Bazele teoretice ale proceselor de schimb de căldură - stadopedia

Fig. 3. Natura variației de temperatură a fluidelor de lucru cu curent continuu (a) și contra-curent (b)

Cu flux direct și contra-curent, care sunt utilizate în principal în schimbătoarele de căldură, capul de temperatură este determinat de diferența medie sau medie a temperaturii aritmetice:

pentru fluxul direct (4)

pentru retur (5)

Prin formulele de mai sus, rezultatele sunt aceleași. De aceea, în locul formulelor (4) și (5) se poate scrie unul pentru fluxul contracurent și direct.

unde # 916; tb și Tm este diferența de temperatură dintre fluxuri; # 916; tb este o mare diferență; Tm este cea mai mică diferență.

Dacă raportul 2, atunci temperatura medie a jurnalului este determinată de formula (6); dacă raportul # 916; tb / # 916; tm <2, то определяется среднеарифметическая температура по формуле

Ecuația conductivității termice. În cazul în care căldura este transferată prin conductivitatea termică prin perete, atunci cantitatea sa este proporțională cu suprafața F, diferența de temperatură dintre cele două suprafețe ale peretelui. timp # 964; și invers proporțional cu grosimea peretelui # 948;:

unde tst1 și tst2 sunt temperaturile suprafețelor pereților.

Coeficientul de proporționalitate # 955; se numește coeficientul de conductivitate termică. Dimensiunea sa este după cum urmează:

Dacă Q este exprimat în kcal și # 964; -h, atunci dimensiunea conductivității termice

pentru traducerea în W / m2 · 0 C din valoare # 955; exprimată în kcal / m · h · ° C, această valoare trebuie să fie înmulțită cu un factor de 1,16.

factor # 955; depinde de proprietățile materialului peretelui și de temperatura acestuia, ale cărei valori vor fi luate în considerare în exerciții practice.

Ecuația (8) se numește ecuația căldurii și diferă de ecuația de transfer de căldură (2) prin faptul că în loc de coeficientul K, # 955; / # 948 ;.

Ecuația transferului de căldură prin convecție. Atunci când placa este transferată prin convecție (lichid și gaz), la suprafața peretelui se formează un strat de graniță laminar, prin care căldura este transferată prin conducta de căldură. În afara acestui strat, temperatura variază foarte puțin cu distanța de la perete, ceea ce se explică prin amestecarea intensă a agentului de răcire în timpul mișcării particulelor sale individuale.

Ecuația transferului de căldură prin convecție este scrisă ca o ecuație (2):

cu singura diferență fiind faptul că în ecuația (2) există o diferență de temperatură # 916; t între cei doi transportatori de căldură (T-t>, și în ecuația (9) este diferența de temperatură dintre agentul de răcire și perete (T tst1>) dimensiune. # 945 ;, care intră în ecuația (9), se numește coeficientul de transfer de căldură; are aceeași dimensiune ca și coeficientul de transfer de căldură K., adică W / (m 2 • ° C).

Sa observat mai sus că în schimbătoarele de căldură există un schimb de căldură complex, care depinde atât de temperatura suportului de căldură, cât și de materialul din care este realizat schimbătorul de căldură.

Să încercăm să calculam acest proces complex de schimb de căldură.

Natura schimbărilor de temperatură în peretele plan și cilindric este prezentată în Fig. 4, a, b. În stratul suport pentru căldură, temperatura variază de la T la tst1. de-a lungul grosimii peretelui de la tst1 la tst2 și în stratul de agent de răcire de la tst2 la t.

Bazele teoretice ale proceselor de schimb de căldură - stadopedia

Fig. 4. Natura schimbării temperaturii flaconului (a)

și un perete cilindric (b);

Scrieți ecuațiile de transfer termic:

unde # 945; 2-coeficienți de transfer de căldură de la agentul de răcire fierbinte către perete de la perete la lichidul de răcire, respectiv.

Suprafața transferului de căldură la un perete plat este o constantă.

Cu procesul la starea de echilibru, cantitatea de căldură transferată de la agentul de răcire fierbinte la peretele Q1. prin peretele Qst și de la perete la purtătorul de căldură rece Q2 ar trebui să fie același:

Din sistemul de ecuații (10) definim capul de temperatură:

Apoi capul de temperatură totală:

Raportul Q / F = q, care reprezintă cantitatea de căldură transferată pe unitatea de suprafață pe unitate de timp, se numește sarcina termică specifică (W / m 2).

Cantitățile 1 / # 945; 1 = r1 și 1 / # 945; 2 = r2. invers la coeficientul de transfer de căldură, se numește rezistența termică la transferul de căldură prin stratul limită al agentului de răcire (dimensiunea m 2 0 C / W).

Diferența totală de temperatură este egală cu suma picăturilor parțiale determinate în sistemul de ecuații (11)

Substituind ecuațiile parțiale ale capului de temperatură în ecuația 12, obținem:

Ecuația (13) este utilizată pentru a determina coeficientul de transfer de căldură pentru coeficienții cunoscuți de transfer de căldură și grosimea peretelui).

Coeficientul de transfer al căldurii printr-un perete cilindric este determinat de formula (vezi figura 4, b)

unde K este coeficientul de transfer de căldură de la debitul fierbinte până la peretele conductei, W / (m 2 ° C); # 945; 1 - coeficientul de transfer de căldură din fluxul fierbinte către perete, W / (m 2 • ° C); # 945; 2 - coeficient de transfer termic de la peretele tubului la curentul încălzit sau în mediul extern, W / (m 2 • ° C), d1, d2 - diametrele interioare și exterioare ale conductei, m; # 955; - coeficient de conductivitate termică, W / (m 2 • ° C).

În aproape toate cazurile # 945; 1> # 945; 2. Prin urmare, pentru calculele 1/945, 1 sunt neglijate și se presupune că temperatura pe tur este egală cu temperatura peretelui, adică tn = tst:

Pentru a determina coeficientul de transfer termic extern dintr-o conductă subterană, utilizați formula

unde h este adâncimea de așezare a conductei în pământ, m. G este coeficientul de conductivitate termică a solului, W / (m 2 • ° C); Dn este diametrul exterior al țevii, m.

Determinarea temperaturii peretelui. La calcularea schimbătoarelor de căldură este adesea necesar să se determine temperatura suprafeței peretelui.

Pentru a determina temperatura suprafeței interioare a peretelui # 916; tcτ1 folosim prima ecuație din sistem (11):

Temperatura suprafeței exterioare a peretelui Tct2 este determinată din a treia ecuație prin același sistem, adică,

unde T este capul total de temperatură determinat din ecuația (12).

Ecuația echilibrului termic. Când se determină cantitatea de căldură transferată Q prin perete, se utilizează egalitatea Q1 = Qst = Q2 = Q și se completează ecuația de echilibru termic a schimbătorului de căldură:

// unde ≥ 1 și ≥ 1 / - entalpia inițială (conținut de căldură) curge, J / kg 0 C și ≥ 2 ≥ 2 // / - entalpie finala J / kg, G1 și G2 fluxul lor masa încălzirii (fierbinte) th încălzit (rece) debit, kg / s Q - cantitatea de căldură transmisă, W.

Dacă transferul de căldură are loc fără transformări de fază sau chimice, iar capacitățile lor specifice de căldură sunt practic independente de temperatură, ecuația se transformă după cum urmează

unde c1 și c2 este capacitatea specifică de căldură a lichidelor, J / kg ° C sau „kcal / kg ° C, iar tn Tn - respectiv temperatura lichidului de răcire inițială, ° C; Tk și coolants finale TK- ° C, temperatura. (Figura 4), ° C; Q-cantitatea de căldură, W.

Determinarea diametrului echivalent. Diametrul echivalent | este egal cu aria secțiunii transversale cvadruple a fluxului împărțit la perimetrul umed.

Atunci când se calculează schimbătoarele de căldură se utilizează un diametru echivalent, care se determină prin formule:

a) pentru schimbătoarele de căldură cu cochilii și tuburi (a se vedea figura 1 a)

b) pentru schimbătoarele de căldură de tip "țeavă în conductă" atunci când agentul de răcire se mișcă în spațiul inelar

unde F este aria secțiunii transversale a debitului, m 2; Perimetrul umed, P; D-diametrul interior al aparatului sau diametrul interior al tubului exterior; d - diametrul exterior al tuburilor, m; n este numărul de tuburi.







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: