Жылуалмастырғыштар және оларды есептеу

Мұнайды дайындау қондырғыларында – термохимиялық қондырғыларда мұнайды сусыздандыру және тұзсыздандыру барысында жылуалмастырғыштардың екі түрі қолданылады: қабатталған құбыршалы (8.13. а -сурет) және "құбырдағы құбыр" (8.13. б-сурет). Бұларда ыстық жылу тасығыштан суығына қарай жылу беру процесі жүреді.

8.13.Сурет. Жылуалмастырғыштар. I- жылутасығыш құбыр бойымен қозғалады; II- жылутасығыш құбыр сыртындағы кеңістікпен қозғалады. а - қабатталған құбыршалы жылуалмастырғыш: 1- жылуалмастырғыштың тұрқы; 2- трубкалар; 3-бөгет. б - "құбырдағы құбыр" түріндегі жылуалмастырғыш: 1-сыртқы құбыр; 2-ішкі құбыр; 3-"калач".

Жылуалмастырғыштардағы қабырға арқылы жылу беру процесі үш жолмен жүруі мүмкін:

· жылу беру;

· конвекция;

· сәуле шығару (сәулелену).

Жылу өткізгіштік – салыстырмалы түрде қозғалыс болмай, зат бөлшектерінің өзара жанасуы кезінде болатын тербелмелі қозғалыс әсерінен болатын жылудың таралу процесі, яғни бұл процесс тек қана металдарда жүреді.

Конвекция – бір-бірне қатысты қозғалатын сұйық және газ тәрізді зат бөлшектерінің кеңістіктің бір нүктесінен екінші нүктесіне жылу тасу процесі. Еріксіз конвекция ортаның орын ауыстыруы (қозғалысы) арқылы (мысалы, мұнайды сораппен), ал ерікті конвекция ортаның суық және қыздырылған бөліктерінің тығыздықтарының айырмашылығы әсерінен жүреді (мысалы, мұнайды тәулік бойы резервуарларда қыздыру және суыту кезінде).

Сәуле шығару немесе жылу алмастырғыштық сәулелену – дене молекулаларының қозғалыс энергиясы сәулелену энергиясына айналуынан болған электромагниттік тербелістердің әсерінен жылудың таралу процесі. Бұл кезде сәулелену энергиясының бір бөлігі дене бетінен шағылып, бір бөлігі осы денемен жұтылады және бір бөлігі осы дене арқылы өтіп кетеді.

Жылуалмастырғыш аппараттарда бір денеден екіншісіне жылу беру екі тәсілмен жүреді – жылу өткізгіштік және конвекция. Әдетте бұл тәсілдер қатар жүреді (күрделі жылу алмасу). Жылуды қабырға арқылы беру кезінде ыстық жылу тасығыштан қабырғаға және қабырғадан суық жылу тасығышқа жылу конвекциямен, ал қабырға арқылы – жылу өткізгіштікпен беріледі.

Жылуалмастырғыш аппараттарды жобалау кезінде мыналарды анықтау керек:

1) ыстық жылу тасығыштан суығына белгілі бір жылу мөлшерін Q беру үшін қажетті қыздыру ауданын F;

2) белгілі қыздыру ауданы F арқылы берілетін жылу мөлшері Q;

3) F және Q мәндері белгілі болса, жылу тасығыштардың соңғы температураларын.

Жылу өткізгіштік теңдеуі. Жылу өткізгіштіктің негізгі заңы – Фурье заңы, ол жазық қабырға үшін былай жазылады:

(8.15)

мұндағы Q – жылу мөлшері; – қабырғаның екі бетінің арасындағы температура айырмашылығы, ºС; τ – уақыт; δ – қабырғаның қалыңдығы, м; λ – жылу өткізгіштік коэффициенті.

Жылу өткізгіштік коэффициенті λ қабырғаның материалына және оның температурасына байланысты.

Дифференциалды түрде Фурье заңы былай жазылады:

(8.16)

мұндағы – температуралық градиент. Теңдеудегі теріс таңба жылу берілу температураның төмендеу жағына қарай жүретінін көрсетеді.

Жылу ағынының беттің ауданына қатынасы жылу ағынының тығыздығы деп аталады:

(8.17)

Радиусы r тең кез-келген изотермиялық бет үшін цилиндрлік қабырға арқылы жылу өткізгіштіктің теңдеуі келесі түрде болады:

(8.18)

Қатты қабырғамен бөлінген екі сұйықтық арасындағы жылу беру теңдеуі мынадай болады:

, (8.19)

мұндағы Δt=T-t – ыстық жылу тасығыш (Т) пен суық жылу тасығыш (t) температураларының айырмашылығымен анықталатын температуралы арын және ол жылу беру процесінің қозғаушы күші болып табылады; K – жылу беру коэффициенті, ол температуралық арын бірге тең болғанда беттің бірлік өлшемі арқылы бірлік уақытта өткен жылу мөлшері болып табылады.

Жылуалмастырғыш аппараттарда негізінен сұйықтар қозғалысының үш тәсілі қолданылады:

· тура ағысты, ыстық және суық сұйықтықтар параллель ағады;

· кері ағысты, ыстық және суық сұйықтықтар қарама-қарсы бағыта ағады;

· тоғысқан ағысты, ыстық және суық сұйықтықтар бір-біріне тоғысқан бағытта ағады.

8.14-суретте "құбырдағы құбыр" түріндегі жылуалмастырғыштың сұлбасы және сәйкесті ұзындықтары бойынша тура ағыс (а) және кері ағыс (б) кезіндегі температураның таралуы көрсетілген. Тура ағыс кезіндегі температураның өзгеруінің қисығын қарастырсақ, мынадай қорытынды жасауға болады: бастапқы температурасы t_б бар кіретін суық жылу тасығышты шығатын ыстық жылу тасығыш температурасынан Т_а жоғары қыздыруға болмайды; яғни t_б<Т_а болады, бұл жылу алмастырғыш қабырғаларының термиялық кедергісімен түсіндіріледі. Кері ағыс кезінде суық жылу тасығыштың ақырғы температурасы t_б шығатын ыстық жылу тасығыштың температурасынан Т_а жоғары болуы мүмкін, яғни t_б>Т_к.

8.14.Сурет. Тура ағыс (а) және кері ағыс (б) кезіндегі жұмыстық сұйықтар температурасының өзгеру сипаты

Жылуалмастырғыш аппараттарда көп қолданылатын тура және кері ағыс кезінде температуралық арынды температуралардың орта логарифмдік айырмасы бойынша табады:

тура ағыс үшін (8.20)

кері ағыс үшін (8.21)

Келтірілген теңдеулерден ұқсас нәтиже шығады, сондықтан (8.20) және (8.21) теңдеулердің орнына бір теңдеу жазуға болады:

(8.22)

мұндағы Δt_у және Δt_к – ағыстар арасындағы үлкен және кіші айырмашылық. Егер болса, онда температуралар айырмашылығы арифметикалық орта ретінде анықталады:

(8.23)

Конвективті жылу алмасу теңдеуі. Жылудың конвекциялық жолмен берілуі кезінде (сұйықтық, газ) қабырғаның бетінде ламинарлы шекаралық қабат түзіледі, осы қабат арқылы жылу жылуөткізгіштік арқылы беріледі. Бұл қабаттан тыс жерде қабырғадан алыстауына қарай температура аз өзгереді, бұл жылу тасығыштың қозғалысы кезінде оның жеке бөлшектерінің қарқынды араласуымен сипатталады. Сұйықтық пен қатты дене бетінің арасындағы конвективті жылу алмасу жылу беру деп аталады. Жылу беру теңдеуі келесі өрнекпен сипатталады:

(8.24)

мұндағы Δt=T-t_қаб – жылу тасығыш температурасы (T) мен қабырға температурасының (t_қаб) айырмашылығы; α – жылу бергіштік коэффициенті, ол жылу алмасу шартын сипаттайды және сұйықтықтың қозғалыс режиміне, оның жылдамдығына, температурасына және жылуалмастырғыш жасалған материалға байланысты болады. Ол (8.19) теңдеуіндегі жылу беру коэффициенті K сияқты өлшемге ие.

Q/F=q қатынасы, бірлік уақытта беттің бірлік ауданы арқылы берілетін жылу мөлшері болып табылады және меншікті жылулық жүктелу деп аталады (Вт/м²).

Жылу бергіштік коэффициентіне кері шама 1/ α =r жылу тасығыштың шекаралық қабаты арқылы жылу өткен кездегі жылулық кедергі деп аталады.

Жылуалмастырғыштағы температура былайша өзгереді: ыстық жылу тасығыш қабатында Т -дан t_қаб1 –ге дейін, қабырғаның қалыңдығы бойынша t_қаб1 -ден t_қаб2 –ге дейін және суық жылу тасығыш қабатында t_қаб2 –ден t –ға дейін.

Жылу беру теңдеуі былай өрнектеледі:

· конвекция

· жылу өткізгіштік

· конвекция

Қалыптасқан процесс кезінде ыстық жылу тасығыштан қабырғаға Q₁, қабырға арқылы Q_қаб және қабырғадан суық жылу тасығышқа Q₂ берілетін жылу мөлшері бірдей болуы керек:

(8.25)

Жылу алмастырғыш үшін жылулық баланс теңдеуі (8.25) теңдеуінің негізінде құрылады.

Мұнай эмульсиясы және ыстық сусыз мұнай өтетін жылуалмастырғыш үшін материалдық баланс теңдеуі келесі түрде болады:

(8.26)

мұндағы G₁ және G₂ –жылуалмастырғышқа келіп түсетін сәйкесінше ыстық және суық суланған мұнайдың мөлшері, кг/сағ; G₃ – жылу алмастырғышқа келіп түсетін суық мұнайы бар қабат суының мөлшері, кг/сағ; с₁ және с₂ – сәйкесінше ыстық және суық мұнайдың меншікті жылу сыйымдылығы, кДж/(кг ºС); с₃ – қабат суының жылу сыйымдылығы, кДж/(кг ºС); t₁ – жылу алмастырғышқа кірер кездегі эмульсия температурасы, ºС; t₂ – жылу алмастырғышқа кірер кездегі ыстық мұнайдың температурасы, ºС; t₃ – жылу алмастырғыштан шығар кездегі сусыз ыстық мұнайдың суу (салқындау) температурасы, ºС; t_х – жылу алмастырғыштағы эмульсияның қыздырылу температурасы (әдетте белгісіз), ºС.

Эквивалентті диаметрді анықтау. Жылуалмастырғышты есептеу кезінде эквивалентті диаметрді қолдануға тура келеді, ол сулы периметрге бөлінген ағынның төрт еселенген қимасының ауданына тең. Ол мына формуламен анықталады:

· қабатталған құбыршалы жылуалмастырғыштар үшін

(8.27)

· "құбырдағы құбыр" түріндегі жылуалмастырғыштар үшін, жылу тасығыш құбыраралық кеңістікте қозғалған кезде

(8.28)

Бұл өрнектерде келесідей белгіленулер қолданылған: Ғ – ағын қимасының ауданы, м²; П – сулы периметр, м; D – аппараттың ішкі диаметрі немесе сыртқы құбырдың ішкі диаметрі, м; d – құбыршалардың сыртқы диаметрі, м; n – құбыршалардың саны.

Дата добавления: 2015-10-23