181
МЕТОДЫ ПОВЕШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННЫХ
АППАРАТОВ НА ГАЗОВЫХ ПРОМЫСЛАХ
Авлаярова Н.М.
Доц. Каршинский инженерно экономический институт.
https://doi.org/10.5281/zenodo.10963001
Аннотация.
В работе рассмотрены основы теории теплообменных процессов и
теплообмен в химико-технологических аппаратах.
Переработка нефти и газа предъявляет особые требования к термической и
гидравлической конструкции теплообменников, стоимости жизненного цикла,
установочной площади и массе. В данной статье особое внимание уделено методам
повышения эффективности теплообменных аппаратов на газовых месторождениях.
Ключивые слова:
Теплообменник, термическая и гидравлическая конструкция,
жизненный цикл, оборудование, коррозийная среда, двухфазные смеси, экстремальное
давление, газовое месторождение,
ребра, теплопроводность.
METHODS FOR INCREASING THE EFFICIENCY OF HEAT EXCHANGERS
IN GAS FIELDS
Abstract.
The work examines the fundamentals of the theory of heat exchange processes
and heat exchange in chemical technological devices.
Oil and gas processing places special demands on heat exchanger thermal and hydraulic
design, life cycle costs, installation space and weight. This article pays special attention to
methods for increasing the efficiency of heat exchangers in gas fields.
Key words:
Heat exchanger, thermal and hydraulic design, life cycle, equipment, corrosive
environment, two-phase mixtures, extreme pressure, gas field, fins, thermal conductivity.
Введение.
За последние годы технология переработки нефти и газа как наука
получила значительное развитие.
Переработка нефти и газа предъявляет особые требования к термической и
гидравлической конструкции теплообменников, стоимости жизненного цикла,
установочной площади и массе. Теплообменное оборудование должно не только
выдерживать коррозийную среду, двухфазные смеси, экстремальные давления и
температуры, а также быть крайне компактным.
Особое внимание нужно уделять методам повышения эффективности
теплообменных аппаратов на газовых месторождениях.
182
Основная часть.
Для повышения эффективности работы теплообменников и
при
конструировании теплообменных аппаратов следует стремиться обеспечить минимальную
разность температур на теплом конце теплообменника. Эта разность температур
представляет собой неиспользованный холод и определяет величину энергетических затрат
в установке.
Другим источником энергетических затрат являются потери давления в
теплообменных аппаратах, которые неизбежны при движении потоков. Любой
теплообменник должен обеспечивать минимальную разность температур на теплом его
конце и минимальную величину потерь давления. Потери давления с уменьшением
скорости потоков уменьшаются, в результате чего ухудшается теплопередача и пропускная
способность снижается. Чтобы сохранить низкие потери давления, надо увеличить
габариты теплообменника. Следовательно, уменьшить разность температур на теплом
конце теплообменника следует до определенного предела, который должен
соответствовать экономически обоснованной величине энергетических затрат.
Практика эксплуатации установок НТС на ГПЗ показывает, что величина разности
температур на теплом конце теплообменника колеблется и в среднем составляет 10
о
С.
При проектировании таких установок необходимо особое внимание обращать не
только на конструктивные формы, но и на возможность увеличения коэффициента
теплопередачи и увеличения теплопередающей поверхности в единице объема аппарата:
Q = f (F, k, ∆t).
Увеличение
площади
теплообмена,
а,
следовательно,
эффективности
теплообменника достигается:
1) уменьшением диаметров теплообменных трубок;
2) оребрением трубок.
Наиболее эффективным методом интенсификации теплообмена в межтрубном
пространстве является второй способ. Из большого числа различных типов оребрения
наибольший интерес представляет поперечные ребра, которые могут быть выполнены в
виде отдельных элементов или в виде спирали из ленты, навитой на трубки и
присоединенные к ней на рейке. Наиболее рациональным оребрением является накатка
спиральных ребер, позволяющая получить ребра, представляющие собой одно целое со
стенками трубки. Оребрение увеличивает не только теплообменную поверхность, но и
коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности к теплоносителю вследствие
турбуленции потока ребрами. Оребрение наиболее эффективно, если обеспечивается
183
отношение K
1
F
1
= K
2
F
2
.
Эффективность ребра, которую можно характеризовать коэффициентом
теплопередачи, зависит от его формы и материала, если требуется невысокий коэффициент
теплопередачи, необходимую эффективность могут обеспечить стальные ребра, при
необходимости достижения больших коэффициентов целесообразно применение медных
или алюминиевых ребер.
Эффективность ребра резко снижается, если оно не изготовлено как одно целое
с трубой, не приварено или не припаяно к ней. Теплообмен значительно улучшается также
при ликвидации инертных зон в межтрубном пространстве. Особенно часто такие зоны
образуются вблизи трубных решеток, поскольку штуцера ввода и вывода теплоносителя из
межтрубного пространства расположены на некотором расстоянии от них. Наиболее
радикальный способ исключения образования таких зон – установка распределительных
камер на входе и выходе теплоносителя из межтрубного пространства.
Для интенсификации теплообмена иногда используют турбулизаторы – элементы,
турбулизирующие или разрушающие пограничный слой теплоносителя на наружной
поверхности труб существенно повышают кольцевые канавки, интенсифицирующие
теплообмен в межтрубном пространстве примерно в 2 раза турбулизацией потока в
пограничном слое.
Для сравнения и определения эффективности работы теплообменных
оборудований приведем расчеты:
Для расчета выбираем кожухотрубчатый теплообменник (ГОСТ 15120-79) с трубами
25х2 мм и теплообменник типа "труба в трубе" (ГОСТ 9930-78), изготовленный из труб
89х4 мм (наружная труба) и 57х3,5 мм (внутренняя труба) [1] .
1. Расчет кожухотрубчатого теплообменника.
Для обеспечения интенсивного теплообмена принимаем критерий Рейнольдса
Re
2
>10000.
Минимальная скорость движения кислоты:
𝑤
2
=
𝑅𝑒
2
∙ 𝜇
2
(𝑑
2
∙ 𝑐
2
)
=
10000 ∙ 1,3 ∙ 10
−3
(0,021 ∙ 1040)
= 0,59 м/с
где
𝜇
2
=1,3·10
-3
Па·с - динамический коэффициент вязкости кислоты при t=42,6
o
C.
Выбираем одноходовый теплообменник внутренним диаметром 325 мм с числом
труб n=62 и их длиной 2м и диаметром 25х2 мм по ГОСТ 15120-79.
Скорость движения кислоты и критерий Рейнольдса для такого теплообменника
184
составляют:
𝑉
2
=
𝑊
2
(0,785 ∙ 𝑑
2
2
∙ 𝑛)
=
0,0080
(0.785 ∙ 0,021
2
∙ 62)
= 0,37 м/с
𝑅𝑒
2
=
𝑤
2
∙ 𝑑
2∙
𝑐
2
𝜇
2
=
0,37 ∙ 0,021 ∙ 1041
1,3 · 10
−3
= 6216.
Критерий Прандтля для кислоты:
𝑃𝑟
2
=
𝑐
2
∙ 𝜇
2
𝑙
2
=
2095 ∙ 1,3 ∙ 10
−3
0,18
= 15,13
где
𝑙
2
= 0,155 ∙ 1,163 = 0,18
Вт/м·К – коэффициент теплопроводности кислоты при
t=
42,6
о
C.
Критерий Нуссельта для кислоты:
𝑁𝑢
2
= 0,021 ∙ 𝑅𝑒
2
0,8
∙ 𝑃𝑟
2
0,43
∙ (
𝑃𝑟
2
𝑃𝑟
ст.2
)
0,25
∙ 𝜀
1
= 0,021 ∙ 6216
0,8
∙ 15,13
0,43
= 73,17
где отношение
(
𝑃𝑟
2
𝑃𝑟
ст.2
)
0,25
и коэффициент
𝜀
1
приняты равными 1.
Коэффициент теплоотдачи для кислоты:
𝛿
2
′
=
𝑁𝑢
2
∙𝑙
2
𝑑
2
=
73,17∙0,18
0,021
= 627,17
Вт/м
2
Коэффициент теплоотдачи для водяного пара:
𝛿
1
= 2,02 ∙ 𝜀 ∙ 𝛽
𝑡
√
𝑛𝐿
𝐺
1
3
= 2,02 ∙ 0,65 ∙ 1147 ∙ (
62∙2
0,5
)
1
3
= 9461,9 Вт/м
2
∙ 𝐾
,
где
=0,65 (при n
p
=9 - число рядов труб по вертикали) для шахматного
расположения труб;
=1147 - значение функции для водяного пара при температуре
конденсации пара.
Термическое сопротивление стенки и загрязнений:
1
𝑈𝑟
ст
=
1
𝑟
загр.1
+
1
𝑟
загр.2
+
𝑑
ст.
𝑙
ст.
=
1
5800
+
1
5800
+
0,002
46,5
= 2578,39 м
2
∙ К/Вт
,
где
1
𝑟
загр.1
= 5800 ВТ/м
2
∙ К
- тепловая проводимость загрязнений со стороны пара;
1
𝑟
загр.2
= 5800 ВТ/м
2
∙ К
- тепловая проводимость загрязнений со стороны кислоты;
t
185
𝑙
ст.
= 46,5 Вт/м ∙ К
- коэффициент теплопроводности стали [1,2].
Коэффициент теплопередачи:
К
′
=
1
(
1
𝛿1
+𝑈𝑟
ст
+
1
𝛿2
)
=
1
1
9461,9
+
1
2578,9
+
1
627,1
= 478,8
ВТ/м
2
∙ 𝐾
.
Поверхностная плотность теплового потока:
𝐽
′
= К
′
∙ ∆𝑡
ст
= 478,8 ∙ 115,5 = 55301,4
ВТ/м
2
.
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
𝐹
р
′
=
𝑄
𝑞
=
1047081
55301,4
= 18,93 м
2
;
Выбираем одноходовый теплообменник внутренним диаметром 325мм с числом
труб n=62 и их длиной 4м и диаметром 25x2 мм, поверхность теплообмена F=19,5 м
2
и
сечением трубного пространства S
1
=2,9·10
-2
м
2
по ГОСТ 15120-79.
С учетом длины труб L=4м пересчитаем значения коэффициента теплоотдачи для
пара, коэффициента теплопередачи, поверхностной плотности теплового потока и
расчетной поверхности.
𝛿
1
= 2,02 ∙ 𝜀 ∙ 𝛽
𝑡
√
𝑛𝐿
𝐺
1
3
= 2,02 ∙ 0.65 ∙ 1147 ∙ (62 ∙
4
0,5
)
1
3
= 11921,3 Вт/м ∙ К
;
𝐾 =
1
(
1
𝛿1
+𝑈𝑟
ст
+
1
𝛿2
)
=
1
1
11921,3
+
1
2578,39
+
1
627,17
= 484
Вт/м
2
∙ 𝐾
;
𝑞 = 𝐾 ∙ ∆𝑡
ст
= 484 ∙ 115,5 = 55902
Вт
м
2
;
𝐹
𝑝
=
𝑄
𝑞
=
1047081
55902
= 18,73 м
2
Число аппаратов:
𝑁 =
𝐹
𝑝
𝐹
=
19,5
18,73
= 1,05
Принимаем N=1 шт.
Запас поверхности теплообмена:
𝐹−𝐹
𝑝
𝐹
𝑝
∙ 100% =
(19,5−18,73)
18,73
∙ 100% = 4,11%
.
Масса аппарата М=820 кг.
Металлоемкость ~ 54,7 кг\м
2
поверхности теплообмена.
Вывод.
Нами был проведен расчет кожухотрубчатого теплообменника (ГОСТ
186
15120-79) с трубами 25х2 мм и теплообменника типа "труба в трубе" (ГОСТ 9930-78),
изготовленного из труб 89х4 мм (наружная труба) и 57х3,5 мм (внутренняя труба) [3,4].
Результаты расчетов показывают, что кожухотрубчатый теплообменник обладает
рядом преимуществ перед теплообменником типа "труба в трубе": имеет выше
коэффициент теплопередачи, меньшую площадь поверхности, меньшую массу, меньшую
металлоемкость и ниже по стоимости. На основании всех этих показателей можно сделать
вывод о том, что рациональнее выбрать кожухотрубчатый теплообменник для обеспечения
должного теплообмена и достижения более высоких тепловых нагрузок на единицу массы
аппарата.
REFERENCES
1.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию
/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1991. 496с.
2.
Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и
природоохранного оборудования; Справочник. Т.2.-Калуга: Издательство Бочкаревой
Н., 2002. 1028 с.
3.
Локотанов Н.С., Ермаков С.А. Методические указания к курсовому проектированию.
Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. 42 с.
4.
Ишмурзин А.А., Храмов Р.А., Процессы и оборудования систем сбора и подготовки
нефти, газа и воды. Уфа – 2003. 125 с.
5.
Авлаярова, Н. М. (2023). Разработка газоконденсатных месторождений с
поддержанием пластового давления.
INNOVATIVE ACHIEVEMENTS IN SCIENCE
2022
,
2
(19), 94-97.
6.
Азизова, Д. Г., Авлаярова, Н. М., Номозов, Б. Ю., & Тукаева, А. А. (2019). К вопросу
текущих проблем эксплуатации пхг и методы их решения.
International academy
journal web of scholar
,
1
(1 (31)), 22-25.
