The methods of calculating the heat transfer coefficient in air cooling devices are considered. A com-parison of two methods for calculating the heat transfer coefficient from the outer surface of finned pipes to atmospheric air is performed using the example of air cooling apparatus
heat exchange, heat transfer, air cooling apparatus, coefficient of finning
Аппараты воздушного охлаждения (АВО) используются на нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических и смежных с ними производствах для конденсации паров и охлаждения высокотемпературных жидких сред. Они получили распространение на пожаро- и взрывоопасных производствах, поскольку существенная доля теплоты в этих аппаратах отводится посредством естественной конвекции атмосферного воздуха, что является существенным фактором при аварийных ситуациях.
Площадь теплопередающей поверхности теплообменных аппаратов рассчитывается из основного уравнения теплопередачи:
, (1)
где 
– мощность теплового потока в аппарате, Вт; 
– средняя разность температур теплоносителей по всей поверхности теплообмена, К; 
– коэффициент теплопередачи для пучка оребренных труб, Вт/(м2К).
При проектировании новых и реконструкции существующих АВО одним из важных факторов является выбор обоснованной методики расчета коэффициента теплопередачи. Очевидно, что неточность расчета приводит или к завышению 
и увеличению размеров, металлоемкости и стоимости оборудования, либо к уменьшению и недостаточной эффективности охлаждения.
В литературе приведены различные методики расчета коэффициента теплопередачи для оребренных биметаллических труб, наиболее часто применяющихся в теплообменных секциях АВО.
Расчет по методике [1] осуществляется по формуле:
(2)
где 
– коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя в трубном пространстве, Вт/(м2×К); 
– коэффициент увеличения площади поверхности теплообмена; 
– коэффициент оребрения трубы; 
– наружный диаметр алюминиевой трубы по основанию ребра, м;
– внутренний диаметр стальной трубы, м; 
– эквивалентное термическое сопротивление труб, м2×К/Вт; 
– средний диаметр внутренней трубы, м; 
– приведенный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности труб к воздуху, Вт/(м2×К).
Коэффициент теплопередачи может быть вычислен также по формуле, приведенной в [2]:
(3)
где 
– толщина стенки внутренней трубы, м; 
– коэффициент теплопроводности материала внутренней трубы, Вт/(м×К); 
и 
– термические сопротивления загрязнений на внутренней и наружной поверхностях трубы, м2×К/Вт; 
– контактное термическое сопротивление, м2×К/Вт; 
– наружный диаметр стальной трубы, м; 
– толщина стенки наружной алюминиевой трубы, м; 
– коэффициент теплопроводности материала наружной трубы, Вт/(м×К).
Применяют также формулу для расчета коэффициента теплопередачи через плоскую стенку, отнесенного к наружной поверхности условно неоребренной трубы диаметром [3]:
. (4)
Результаты сравнения методик расчета [1-3] показали [4], что наименьшее значение коэффициента теплопередачи получается при расчете по формуле (3). Использование формулы (2) приводит к незначительному увеличению (не более чем на 3,5%). Значение коэффициента теплопередачи, полученное по формуле (4), на 20–30% больше по сравнению с рассчитанным по формуле (3). Поэтому применение методики, изложенной в [3], при проектировании АВО, может привести к завышению величины коэффициента теплопередачи, недостаточному охлаждению горячего теплоносителя и нарушению технологического процесса.
Поскольку коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубного пучка к воздуху существенно меньше коэффициента теплоотдачи от обрабатываемой среды к внутренней поверхности труб, его значение оказывает значительное влияние на величину . Для расчета также предложены разные подходы. В настоящей работе приведены результаты сравнения методик расчета коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности оребренных труб к атмосферному воздуху.
В методике, приведенной в [3] и рассмотренной в [5], приведенный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности условно неоребренных труб к воздуху рассчитывается в следующей последовательности:
– Скорость воздуха 
по наименьшей площади сечения межтрубного пространства:
, (5)
где 
– число параллельных секций, через которые проходит воздух; 
– рабочая ширина просвета в секции, м; 
– длина труб в секции, м; 
– толщина трубной решетки, м; 
– относительное свободное сечение секции.
– Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности труб к воздуху:
, (6)
где 
– коэффициент, принимаемый в зависимости от значения ; 
, 
, 
, 
– соответственно коэффициент теплопроводности, плотность, коэффициент динамической вязкости и критерий Прандтля для воздуха при средней температуре. Начальную расчетную температуру воздуха принимают на 2-3 °С выше средней июльской температуры, конечную – в зависимости от температуры охлаждаемой жидкости, но не более 60 °С.
– Приведенный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности условно неоребренных труб к воздуху:
, (7)
где 
– коэффициент, принимаемый в зависимости от .
Наряду с описанным подходом в литературе [1, 6] приводятся эмпирические зависимости, учитывающие материальное исполнение аппаратов воздушного охлаждения и величину коэффициента оребрения (таблица 1).
Таблица 1
Эмпирические зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи
|
Материальное исполнение труб |
Коэффициент оребрения |
Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙К) |
|
Б1, Б2 |
9 |
|
|
14,6 |
|
|
|
Примечания. Материальное исполнение Б1 – материал внутренней трубы сталь 20, Б2 – материал внутренней трубы сталь 08Х18Н10Т или сталь 12Х18Н10Т. В приведенных формулах |
||
Представляет практический интерес выполнение сравнительного анализа методик теплового расчета аппаратов воздушного охлаждения, а именно, методик расчета коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности оребренных труб к атмосферному воздуху.
В качестве объекта для расчета был выбран АВО, предназначенный для конденсации пропана на установке ГФУ-1 цеха 17/19 АО "АНХК". Условное обозначение аппарата АВГ-9-Ж-2,5-Б1-В3/8-8-4 означает: аппарат воздушного охлаждения с горизонтальным расположением теплообменных секций; с коэффициентом оребрения труб 9,0; с жалюзи; рассчитанный на условное давление 2,5 МПа; с материальным исполнением секций Б1; с двигателем типа В3; с числом рядов труб 8; c числом ходов по трубам в секции 8 и длиной труб 4 м.
Сравнение полученных результатов расчетов представлено в таблице 2.
Таблица 2
|
Материальное исполнение труб |
Коэффициент оребрения |
Расчетное значение коэффициента, Вт/(м2∙К) |
|
|
|
|
||
|
Б1 |
9 |
60 |
59,2 |
|
14,6 |
48,4 |
52,6 |
|
Результаты расчета коэффициента теплоотдачи к воздуху
Таким образом, сравнительный анализ методик теплового расчета аппаратов воздушного охлаждения показывает, что их использование приводит к близким по значению результатам – расчетные значения коэффициентов теплоотдачи для 
отличаются на 1,4%, а при 
– на 8,7%.
Учитывая, что применение методики, основанной на применении эмпирических формул и описанной в [6], требует меньших трудозатрат, этот подход можно рекомендовать в случаях расчета аппаратов соответствующего материального исполнения. Тепловой расчет аппаратов, для материального исполнения которых отсутствуют формулы в [6], следует применять методику теплового расчета, описанную в [3].
1. Metodika teplovogo i aerodinamicheskogo rascheta apparatov vozdushnogo ohlazhdeniya. M.: VNIIneftemash, 1982.
2. Kuntysh, V.B. Teplovoy i aerodinamicheskiy raschety orebrennyh teploobmennikov vozdushnogo ohlazhdeniya / V.B. Kuntysh, N.M. Kuznecov. – SPb.: Energoatomizdat, 1992. – 278 s.
3. Domanskiy, I.V. Mashiny i apparaty himicheskih proizvodstv / I.V. Domanskiy i dr. Pod obschey redakciey V.N. Sokolova. – L.: Mashinostroenie, 1982. – 188 s.
4. Kuntysh, V.B. Analiz metodik rascheta teploperedachi apparatov voz-dushnogo ohlazhdeniya / V.B. Kuntysh, A.B. Suhockiy, A.Yu. Zhdanovich, A.E. Piir. // Himicheskaya tehnika. – 2015. – № 4. – S. 14-18.
5. Scherbin, S.A. Optimal'nyy koefficient orebreniya trubnogo puchka vozdushnogo kondensatora parov benzina / S.A. Scherbin, I.A. Nikitina I.A. // Sbornik nauchnyh trudov AnGTU. – 2019. – S. 157-161.
6. Sidyagin, A.A. Raschet i proektirovanie apparatov vozdushnogo ohla-zhdeniya / A.A. Sidyagin, V.M. Kosyrev. – N. Novgorod: NGTU im. R.E. Alekseeva, 2009. – 91 s.
