CC BY
67
2009. № 6. С. 9-11.
4. Осипов Б.М., Титов А.В., Хамматов А.Р. Математическое моделирование в энергетическом аудите агрегатов с газотурбинным приводом. // Вестник Казанского государственного технического университета им. А Н. Туполева. 2008. № 3. С. 14-16.
5. Осипов Б.М., Осипов А.Б., Сафонов И.В., Титов А.В. Математическая модель ГТУ для исследования процесса запуска. // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2005. № 3. С. 8-11.
© Титов А.В., Осипов Б.М., Саитов И.Х., 2017
УДК 621.1.016
Т.М. Фарахов
к.т.н., н.с.
ФГБОУ ВО «КГЭУ» г. Казань, Российская Федерация Е.П. Афанасьев соискатель КНИТУ-КХТИ
МОДЕРНИЗАЦИЯ И РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА - ПОДОГРЕВАТЕЛЯ МАСЛА
Аннотация
Представлена конструкция и дан алгоритм расчета модернизированного теплообменного аппарата для подогрева вязких сред. Модернизация заключается в применении в теплообменных трубах засыпки из мелких хаотичных элементов (насадочных упаковок). Насадки вызывают интенсивный турбулентный режим течения нагреваемой среды и значительное повышение коэффициента теплоотдачи. Показано преимущество данного метода модернизации по сравнению с известными теплообменниками.
Ключевые слова
Интенсификация теплообмена, хаотичные насадки, модернизация теплообменников.
Рассмотрена задача интенсификации процесса теплообмена в аппарате за счет применения в теплообменных трубах мелких металлических хаотичных элементов (насадок). Такой способ интенсификации наиболее эффективен для вязких сред (масло, жидкие углеводородные топлива и др.), так как хаотичные насадки обеспечивают переход от ламинарного режима к турбулентному и значительному повышению коэффициента теплоотдачи (в 20-60 раз) [1-3]. Известно, что турбулентный режим в трубе или в аппарате с хаотичной насадкой начинает развиваться при Reэ>40 [4], где Reэ=Hcpdэ/v - число Рейнольдса; Мор - средняя скорость среды в слое насадки, м/с; dэ=4гcJаv - эквивалентный диаметр насадки, м; 8св -удельный свободный объем (м3/м3) и av - удельная поверхность насадки, м2/м3; V - коэффициент кинематической вязкости среды, м2/с.
На рис. 1, 2 показана схема и вид проточного канала с насадкой.
Рисунок 1 - Схема проточного канала с насадкой
Рисунок 2 - Вид канала с насадкой «Инжехим» [1]
Рассмотрим пример расчета подогревателя масла с применением в трубах хаотичной насадки используя исходные данные из работы [5].
Марка масла - стандартное турбинное марки 30 (турбинное УТ) по ГОСТ32-53. Массовый расход подогреваемого масла L=15000 кг/час = 4,16 кг/с. Начальная температура масла (на входе в подогреватель) ^=10°С; температура на выходе ^=50°С. Давление греющего пара Рп=19 кгс/см2, температура ^=209,8°С. Средняя температура масла в подогревателе Ър^н+Ък)/2=30°С. Теплофизические свойства масла:
- удельная теплоемкость ср = 1,872 кДж/(кгК);
—плотность рм=892,97 кг/м3;
- кинематическая вязкость Ум = 8,3 -10 5 м2/с;
—коэффициент теплопроводности X м = 0,128 Вт/(мК); —критерий Прандля Ргм = 1075 . Порядок расчета.
1) Большая и меньшая разности температур Дtg = 199,8 °С, Д^ = 159,8 °С.
2) Средняя логарифмическая разность температур ДЪр=179,0°С.
3) Средняя скорость масла в трубках теплообменника Ио=1,0 м/с и в насадочном слое иср=ио/8св. При Всв-0,95, иср=1,05 м/с.
4) Коэффициент теплоотдачи со стороны греющего пара ап~12500 Вт/(м2К) [6].
5) Коэффициент теплоотдачи ам со стороны масла (в трубе с насадкой) вычислим применяя выражение [7-9] ^>40)
тэ = 0,175Ке°0,75 /2 )0,25Ргм,33, (1)
где Nuэ = амdэ / - число Нуссельта; - коэффициент гидравлического сопротивления
хаотичного насадочного слоя.
6) Поток тепла, необходимый для нагрева масла до заданной температуры
Q = Ксрм (— ) = 312кВт. (2)
7) Коэффициент теплопередачи k по уравнению аддитивности
11 1
+ -ст- + —, (3)
k а п Хст ам
где 5ст - толщина стенки трубы, м; ^ст -коэффициент удельной теплопроводности материала трубы, Вт/(мК).
Наличие возможных загрязнений на стенках затем учтем в виде поправочного коэффициента в уравнении теплопередачи.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №04-3/2017 ISSN 2410-6070_
8) Площадь поверхности F, необходимая для нагрева масла
F =-Q-, (4)
k Atrp 0,8
где коэффициент 0,8 учитывает загрязнения стенок.
Рассмотрим применение мелкой металлической насадки "Инжехим 2003-М" с номинальным размером ~7 мм; удельной поверхностью av=745 м2/м3; свободным объемом Всв=0,91 (рис. 3). Эквивалентный диаметр ¿3=0,0049 м.
Рисунок 3 - «Инжехим 2003-М» [10]
Коэффициент гидравлического сопротивления насадки получен в виде [10]
£ = 26,^е"0'2482. (5)
Для рассмотренного примера имеем Reэ=61,5; £,=9,4. Тогда число Нуссельта (1) Ммэ=56,5 и коэффициент теплоотдачи ам=1475,8 Вт/(м2К).
Коэффициент теплопередачи (3), при 5ст=0,002 м и ^ст=46,5 Вт/(мК), равен к=1256,3 Вт/(м2К).
Площадь теплопередачи (4) —=1,73 м2. В работе [5] для аналогичных условий, только для трубок без насадки, получено к=153 и —=14,3 м2. Отсюда очевидно преимущество применения хаотичных насадок при нагреве вязких сред. Требуемая поверхность нагрева меньше в 8,2 раза по сравнению со стандартным теплообменником.
При использовании теплообменника типа труба в трубе (насадка с маслом во внутренней трубе) найдем диаметр внутренней трубы
d = = 0,137 м. (6)
\РмМа
Тогда длина зоны Н нагрева из выражения Р = ий.Н равна
Н = — = 4м. (7)
ий
При использовании двух параллельно работающих теплообменников труба в трубе получим й=0,0965 м и Н=2,85 м. Или для стандартной трубы й=0,1 м имеем Н=2,75 м. В таком конструктивном исполнении теплообменник получился компактным.
Следует отметить, что так же можно использовать стандартный [6] кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха D=159 мм; числом труб п=13; поверхностью теплообмена F=2,0 м и длиной труб Н=2,0. В трубы засыпается насадка. Площадь проходного сечения для масла Sт=0,5•10"2 м2 и скорость масла м =£м/(рм$т)=0,93 м/с, т.е близко к принятому значению Мо=1 м/с. В таком случае даже не требуется повторной тепловой расчет.
Ограничением предложенного способа модернизации теплообменников является повышенный перепад давления и возможное загрязнение насадки различными отложениями на поверхности. Для очистки насадки можно использовать метод, предложенный в работе [11].
Если имеются ограничения по перепаду давления, для осуществления процессов охлаждения или нагревания среды предлагается чередование не менее двух проточных насадочных интенсификаторов,
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №04-3/2017 ISSN 2410-6070_
встроенных во внутреннюю трубу. При чередовании проточного насадочного интенсификатора потока длиной не более 10 диаметров d внутренней трубы, после проточного насадочного интенсификатора потока работает эффект входного участка и ламинарный слой практически не успевает сформироваться во внутренней трубе, так как поток теплоносителя опять поступает в слой насадки. Это обеспечивает снижение перепада давления примерно в 2 раза без заметного уменьшения коэффициента теплоотдачи [1].
На рисунке 4 представлена схема теплообменника с чередующимся интенсификатором потока.
Рисунок 4 - Теплообменник: 1 - наружная труба; 2 - внутренняя труба; 3 - патрубок для входа нагреваемой или охлаждаемой среды; 4 - патрубок для входа теплоносителя; 5 - патрубок для выхода нагреваемой или охлаждаемой среды; 6 - патрубок для выхода теплоносителя; 7 - проточный насадочный интенсификатор.
Следует отметить, что применение хаотичных насадок в каналах обеспечивает интенсивное смешение сред [12], а также значительное повышение массоотдачи в системах газ-жидкость [13,14] и жидкость-жидкость [15].
Список использованной литературы:
1. Лаптев А.Г., Фарахов Т.М., Дударовская О.Г. Эффективность явлений переноса в каналах с хаотичными насадочными слоями / ФГБОУ ВО "Казанский Государственный Энергетический Университет" Инженерно - внедренческий центр "Инжехим" (Инженерная Химия),. Санкт - Петербург, 2016. - 214 с.
2. Лаптев А.Г., Дударовская О.Г., Фарахов Т.М. Интенсификация теплоотдачи в каналах при ламинарном режиме // Энергетика Татарстана. 2016. №1(41). С. 32-35.
3. Фарахов Т.М., Афанасьев Е.П., Лаптев А.Г. Интенсификация и расчет теплообмена в каналах с хаотичными насадками (упаковками) // Надежность и безопасность энергетики. 2016. №2(33). С. 31-33.
4. Рамм В.М. Абсорбция газов- М.: Химия, 1976. - 655 с.
5. Андреев В.А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей. - "Энергия", Л., 1971. - 152 с.
6. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под ред. П.Г. Романкова. - 10-е изд. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.
7. Лаптев А.Г., Башаров М.М., Фарахов Т.М. Тепло- и массоотдача в возмущенных турбулентных пограничных слоях // Труды Академэнерго. 2016. № 1. С. 53-71.
8. Laptev A.G., Lapteva E.A., Farakhov T.M. Models of transport phenomena in random packed and granular beds // Theoretical Foundations of chemical engineering. 2015. V.49.. №4. P. 388-395
9. Laptev A.G., Farakhov T.M. The mathematical model of heat transfer in channels containing packed and granular layers // Thermal engineering. 2015. V. 62. №1. P.76-80
10. Каган А.М., Лаптев А.Г., Пушнов А.С., Фарахов М.И. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов. Казань: Отечество, 2013. 454 с.
11. Nikolaeva L.A., Zueva O.S. Improving the efficiency of thermal power equipment based on technologies using surfactants // Thermal Engineering. 2015. Т. 62. № 10. С. 741-746.
12. Лаптев А.Г., Фарахов Т.М., Дударовская О.Г. Математическая модель перемешивания жидкостей с
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №04-3/2017 ISSN 2410-6070_
дисперсной фазой при ламинарном и турбулентном режимах в насадочных проточных смесителях // Теоретические основы химической технологии. 2015. №1 (49), С. 23-32
13. Лаптев А.Г., Лаптева Е.А. Определение коэффициентов массоотдачи от пузырей в жидкости и эффективности процесса при турбулентном режиме// Химич. промыш. сегодня. 2015. №7. С. 49-55.
14. Лаптев А.Г., Башаров М.М. Эффективность тепломассообмена и разделения гетерогенных сред в аппаратах нефтегазохимического комплекса. - Казань: Центр инновационных технологий, 2016. - 344 с.
15. Лаптев А.Г., Фарахов Т.М., Дударовская О.Г. Модель массоотдачи при жидкостной экстракции в турбулентном прямотоке // Инж. физич. журн. Т.88. №1. 2015. 203-209с.
© Фарахов Т.М., Афанасьев Е.П., 2017
УДК 004.056.53
И.В. Химич
магистр, 2 курс, факультет ПСиЭСТТ, кафедра «Нефтепродуктообеспечение и газоснабжение» РГУ
нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина
Я.С. Миклуш
инженер по организации управления производством
ООО "ПКФ "Вертикаль""
РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА РЕМОНТНЫХ РАБОТ НА
ОБЪЕКТАХ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА
Аннотация
Работа посвящена проблеме создания методического подхода к выбору средств для реализации вычислительного эксперимента в системах автоматизированного проектирования технологических процессов (АСУ ТП) ремонта трубопроводов.
Ключевые слова
Вычислительный эксперимент, автоматизированная система, управлентие, ремонт трубопровода.
Достигнутые в последние десятилетия успехи в развитии прикладных научных исследований неотделимы от достижений в технологии обработки данных на базе средств вычислительной техники. Появление ЭВМ и дальнейший рост их возможностей обеспечили решение математических задач такой сложности, которые ранее практически считались неразрешимыми, что явилось толчком к широкому применению математических методов, особенно математического программирования, в научных исследованиях, планировании, управлении и проектировании производства, в частности, при ремонте трубопроводов [1-3].
Дальнейшее совершенствование идей комплексного использования как традиционных, так и вновь разрабатываемых моделей и методов исследования народнохозяйственных процессов и инженерно-технических задач (дескриптивные, нормативные, семантические модели, имитационное моделирование, теория принятия решений и др.), создание соответствующего математического и программного обеспечения обусловили создание методологии математического моделирования [4-5].
Численное исследование математических моделей сложных физических, инженерно-технических, экономических процессов и народно-хозяйственных объектов позволяет глубже понять природу реального объекта и уменьшить количество дорогостоящих натурных экспериментов, проводимых на различных этапах осуществления больших научно-технических программ. Моделирование на вычислительных машинах включает в себя большой объем работ по исследованию математической модели, методов вычислений, программированию и обработке результатов расчетов [6-10]. Эти этапы математического моделирования на ЭВМ аналогичны тем, которые исследователь проводит в реальном эксперименте: составление программы
