Процессы теплообмена в системе «технологический трубопровод с тепловой изоляцией и компенсацией теплопотерь»

Процессы теплообмена в системе «технологический трубопровод с тепловой изоляцией и компенсацией теплопотерь». 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 теплофизических параметров элементов конструкции и теплоносителей необходимо выполнить теплотехнический расчет процессов теплообмена в системе (рис. 1). Рис. 1. Схема замкнутой системы обогрева технологических трубопроводов: 1 – обогревающий водяной «спутник»; 2 – технологический трубопровод; 3 – теплоизоляционная конструкция 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». Обозначения на рис. 1: t1 – температура греющего теплоносителя в «спутнике», С; tн – температура наружного воздуха, С; w – скорость ветра, м/с; и – теплопроводность теплоизоляционной конструкции, Вт/(м С); tв – температура воздуха внутри замкнутой системы, С; w1 – скорость греющего теплоносителя в «спутнике», м/с; t2 – температура технологического продукта, С; d1', d1'', d2' , d2'', d3' , d3'', d3''' , d3'''' – геометрические характеристики элементов замкнутой системы, м. e1, e2 – эксцентриситеты тел, м; Q1, Q2, Q3 – тепловые потоки в системе, Вт. 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. 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) – 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. Алгоритм расчета процессов теплообмена в замкнутой системе тел Рассмотрим пример теплового расчета замкнутой системы (рис. 1). Пример Заданы исходные данные для расчета процессов теплообмена в замкнутой системе (табл. 1). Таблица 1 Исходные данные для расчета № п/п 1 2 3 4 5 6 7 Наименование величины Температура греющего теплоносителя в трубе 1 Скорость теплоносителя в трубе 1 Скорость ветра Скорость технологического продукта в трубе 2 Расчетная температура наружного воздуха Температура в трубе 2 Температура воздуха в замкнутой системе ОбозРазмерначеЗначение ность ние t1 120 С w1 м/c 0,5 w м/c 5 w2 м/c 1,0 tрнв -40 С t2 20 С tв 25 С 8 9 10 11 Толщина теплоизоляционного слоя Теплопроводность тепловой изоляции Теплопроводность стенок труб 1, 2 Теплопроводность листов алюминия теплоизоляционной конструкции тела 3 из из ст мм Вт/(м К) Вт/(м К) 40 0,06 50,5 а Вт/(м К) 210 Геометрические характеристики элементов замкнутой системы принимаются по табл. 2 в соответствии с обозначениями на рис. 1. Таблица 2 Геометрические характеристики элементов замкнутой системы № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Обозначение d1 d1 d2 d2 d3 d3 d3 d3 L Размерность мм мм мм мм мм мм мм мм м Значение 25 32 244 250 330 332 412 414 22,4 Сначала определяется конвективная составляющая тепловых потерь. Расчет конвективной теплоотдачи при вынужденном движении жидкости в трубе 1 Диапазон изменения исходных данных для расчета принимается с учетом эксплуатационного и климатического факторов в следующих пределах табл. 3. Таблица 3 Диапазоны изменения исходных данных № Наименование величины п/п 1 2 1 Температура сетевой воды 2 Скорость движения сетевой воды 3 Температура наружного воздуха Обозначение 3 t1 w1 tнв Размерность 4 С м/с С Пределы изменения 5 40  95 0,1  3 8  –45 4 Скорость ветра м/с w 0  20 Для определения температурного напора между теплоносителями и поверхностью конструкции необходимо в первом приближении задаться температурой стенок тел и воздуха в замкнутой системе. Температура стенок в процессе теплового расчета уточняется методом последовательных приближений. Из справочной теплотехнической литературы принимаются теплофизические свойства воды по температуре воды (t1 = 120 С) на входе в трубу 1 (табл. 4). Таблица 4 Теплофизические свойства воды № п/п 1 2 3 Наименование величины Температурный коэффициент объемного расширения воды Кинематическая вязкость Число Прандтля Обозначение Размерность 1 1/К 8,510–4  Prв м2/с – 0,24410–6 1,43 Значение По числу Рейнольдса определяется режим течения жидкости в трубе 1: Ламинарный режим – Re < 2300. Переходный режим – 2300 < Re < 10000. Турбулентный режим Re > 10000: Re  w1d1 0,5  0,025   51233 . 1 0,244  106 С учетом режима течения принимается критериальное уравнение для расчета конвективной теплоотдачи для определения числа Нуссельта (Nu). Для турбулентного режима при вынужденном движении жидкости число Nu определяется по формуле  0,8 0,43  Prж1 Nu  0,021  Re Pr ж1 , d1' ж1 , d1' ж1 , d1'  Pr  c1     0.25  0,021   51233  1,430,43 1  143,16. 0,8  Локальный коэффициент теплоотдачи на входе в трубу 1 1  ' 1 1 ,d1 Nu ж d1'  143,16  0,686  3928,4 Вт/(м2 К). 0,025 Расчет теплоотдачи при свободной конвекции от наружной поверхности трубы 1 Труба 1 (рис. 1) расположена в полости трубы 3 с отрицательным вертикальным эксцентриситетом е1 относительно горизонтальной оси трубы 3. Конвективный тепловой поток от тела 1 омывает сначала технологический трубопровод, а затем образует зоны циркуляции в замкнутой системе. Для условий свободной конвекции определяется безразмерный коэффициент теплоотдачи (Nu) Nu в1,d1  0,47(Grв1,d '1 Prв1)0,25  0,47  (420268  0,71)0,25  11,69 ; здесь Gr – число Грасгофа, характеризующее соотношение подъемных сил и сил вязкости; Grв  g  t d13 в2  9,8  3,36  103  94  0,0323 15,553 10  6 2  420268,7 , где g – ускорение свободного падения;   3,35 103 ,1/ C – температурный коэффициент объемного расширения воздуха; '' t1  tс1  tв  119  25  94 C – температурный напор между наружной стенкой тела 1 и воздухом в замкнутой системе; в1  15,553 106 , м2 / с – вязкость воздуха при температуре воздуха внутри системы. Величины в уравнении Грасгофа определяются по справочным таблицам теплофизических свойств воздуха при заданной температуре воздуха внутри замкнутой конструкции tв . Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубы 1 к воздуху в системе в1  Nu в1,d ''1в1 d1'' 11,69  2,63  102   9,60 Вт/(м 2 С). 0,032 Определяется конвективный тепловой поток на погонный метр '' qк1  в1,d ''1(tc1  tв ) F1  9,60  94  0,201  181,4 Вт/п.м . Расчет теплоотдачи от воздуха в системе к трубе 2 Для условий свободной конвекции определяется критерий Nu Nu в2 , d2''  0,5(Gr в2 , d2'' Prв )0,25  0,5  (10,6 106  0,71)0,25  26,23 , где Grв  g  t2 d 2''3 2в  9,8  3,35  103  5  0,25 6 2 (1,553 10 )  10,6  106 , где t2  tв  tc''2  25  20  5, C – температурный напор между наружной стенкой тела 2 и воздухом в замкнутой системе. Коэффициент теплоотдачи от воздуха к наружной поверхности трубы 2 в2   ,d 2'' в d 2'' Nu в2 26,23  2,63 102   2,758 Вт/(м2 К). 0,250 Расчет конвективный теплоотдачи при вынужденной конвекции от наружной поверхности тела 3 Выбор уравнения для расчета числа Nu производится с учетом режима омывания воздушным потоком одиночной трубы: Re3  w d3'''' в  5,0  0,414 10,01  106  205520,8 . При турбулентном режиме число Nu определяется по формуле Nu в,d 3  0,25  Re 0,6 Pr 0,38  Prж    Pr  c  0.25  0,25  205520,80,6 0,710,381  338,2. Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубы 3 3к  Nu в,d ''''  3 d3'''' 338,2  2,12 2   17,4 Вт/(м2 К). 0,414