Выбор методики и рассмотрение способов повышения эффективности теплообмена в аппаратах кожухотрубчатого типа

Для выбора методики оптимизации рассмотрим основные термодинамические законы процесса теплопередачи.

Во всех теплообменных аппаратах передача тепла от одного потока к другому осуществляется по основному уравнению теплопередачи[11].

где K - коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена; Dtср - средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи, или температурный напор; F - поверхность, через которую осуществляется теплообмен, Q - тепловая нагрузка, передаваемая в процессе теплообмена от одного теплоносителя к другому.

Из уравнения видно, что увеличение поверхности теплообмена, коэффициента теплопередачи и разности температур влечет за собой увеличение тепловой нагрузки. Поверхность теплообмена увеличить нельзя, так как все аппараты имеют фиксированную поверхность. Средняя разность температур зависит от температур потоков на входе и выходе из аппарата и повысить ее можно лишь заменой огорячего потока на другой, обладающий более высокой температурой.

Коэффициент теплопередачи описывается следующей зависимостью[11]:

где aтр - коэффициент теплоотдачи от потока, текущего в трубах к поверхности теплопередачи; aмтр - коэффициент теплоотдачи от потока, текущего в межтрубном пространстве к поверхности теплопередачи; Srзагр - сумм термических сопротивлений загрязнения поверхности теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи для установившегося турбулентного движения жидкости (Re ≥104) в прямой трубе без фазового перехода определяется следующим соотношением[12]:

,

где Nu - критерий Нуссельта;  - критерий Рейндольса;  - критерий Прандтля; Prст - критерий Прандтля при средней температуре стенки аппарата;  - линейная скорость жидкости; V - объемный расход потока; d - внутренний диаметр трубы; c - массовая теплоемкость жидкости; r - массовая плотность жидкости; m - динамическая вязкость жидкости; l - теплопроводность жидкости;

Коэффициент теплоотдачи для установившегося турбулентного движения жидкости (Re ≥104) в межтрубном пространстве без фазового перехода определяется следующим соотношением[12]:

где  - эквивалентный диаметр межтрубного пространства; Dв - внутренний диаметр кожуха; dн - наружный диаметр труб; n - число труб в пучке.

Проанализировав уравнение (4.1) стало ясно, что наибольшее влияние на коэффициент теплопередачи окажет наименьший по своему значению коэффициент теплоотдачи. Из уравнений (4.2) - (4.5) следовало, что наибольшее влияние на коэффициент теплоотдачи в обоих случаях оказывало значение критерия Рейндольса.

Таким образом, из всех переменных, определяющих критерий Рейндольса, изменить возможно было только линейную скорость потока, увеличив объемный расход жидкости через теплообменный аппарат.