Рассмотрены методики расчета коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи в аппаратах воз-душного охлаждения. Выполнено сравнение двух методов расчета коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности оребренных труб к атмосферному воздуху на примере аппарата воз-душного охлаждения
теплообмен, теплопередача, теплоотдача, аппарат воздушного охлаждения, коэффициент оребрения
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. Методика теплового и аэродинамического расчета аппаратов воздушного охлаждения. М.: ВНИИнефтемаш, 1982.
2. Кунтыш, В.Б. Тепловой и аэродинамический расчеты оребренных теплообменников воздушного охлаждения / В.Б. Кунтыш, Н.М. Кузнецов. – СПб.: Энергоатомиздат, 1992. – 278 с.
3. Доманский, И.В. Машины и аппараты химических производств / И.В. Доманский и др. Под общей редакцией В.Н. Соколова. – Л.: Машиностроение, 1982. – 188 с.
4. Кунтыш, В.Б. Анализ методик расчета теплопередачи аппаратов воз-душного охлаждения / В.Б. Кунтыш, А.Б. Сухоцкий, А.Ю. Жданович, А.Э. Пиир. // Химическая техника. – 2015. – № 4. – С. 14-18.
5. Щербин, С.А. Оптимальный коэффициент оребрения трубного пучка воздушного конденсатора паров бензина / С.А. Щербин, И.А. Никитина И.А. // Сборник научных трудов АнГТУ. – 2019. – С. 157-161.
6. Сидягин, А.А. Расчет и проектирование аппаратов воздушного охла-ждения / А.А. Сидягин, В.М. Косырев. – Н. Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009. – 91 с.
