Анализ изменения гидравлического сопротивления трубчатого теплообменника в зависимости от температуры и расхода углеводородного сырья

При гидравлических расчетах трубчатого теплообменника с заданной производительностью обычно определяют гидравлическое сопротивление аппарата ΔР или же выбирают оптимальный диаметр его теплопередающих трубок с целью обеспечения минимального значения ΔР. Нагреваемая жидкость по трубкам движется благодаря перепаду ее энергии в их концевых участках, что создается работой насоса. По известной величине ΔР подбирают тип насоса для перекачки сырья через теплообменник и выбирают его рациональный гидродинамический режим эксплуатации [1].

Гидравлическое сопротивление (потери напора) ΔР складывается из потерь: напора на трение ΔР_тр и на преодоление местных сопротивлений ΔР_мс. При этом величину ΔР_тр по длине теплопередающих труб L теплообменников определяют по выражению [2,3,4]:

ΔР_тр = λ(Ln/d_вн)(ν²p/2),                                                                        (1)

где L – длина одной трубки, м; n – количество трубок в аппарате, шт; ν и p –средняя скорость (м/с) и плотность (кг/м³) потока.

Известно, что диаметр трубок d_вн определяют в зависимости от расхода теплоносителей V (м³/с) или G (кг/с) [2,3]:

ν= 4V/πd_вн²n                                                                               (2)

или

ν= 4G/pπd_вн²n.                                                                             (3)

Влияние гидравлического сопротивления опытного и промышленного трубчатых теплообменников DР_тр к величине энергетических расходов N_н (Вт) на перекачку нагреваемого углеводородного сырья установлено расчетным путем по (1).

Расчеты изменения гидравлического сопротивления ΔР опытного двухтрубного теплообменника [5,6] по длине его теплопередающей трубы L выполнены для случаев нагревания нефти с плотностью p₂₀ = 853 кг/м³ в диапазоне средней температуры нефти t_cр = 20÷60 ^оС при ее расходах V = 10, 15 и 20 л/мин. Параметры теплопередающих труб обоих теплообменников – L = 6 м, d_вн = 0,02 м и шероховатость их стенки составляет D_э = 0,001 м.

На рис. 1 отражены изменения гидравлического сопротивления ΔР (Па) опытного теплообменника по длине теплопередающей трубы L (м) при расходах нефти V = 10, 15 и 20 л/мин.

Рисунок 1. Изменение величины ΔР (Па) опытного теплообменника по его длине L (м) в зависимости от расхода нефти V (л/мин) при 20 ^оС: 1 - 10; 2 - 15; 3 - 20

Как видно из рисунка, с ростом расхода нефти V величина ΔР аппарата по его длине L интенсивно растет по наклонной линии. Анализ расчетных данных показывает, что при V = 10 л/мин гидравлическое сопротивление ΔР в конце трубы опытного теплообменника увеличивается от 445 до 1649 Па (в 3,7 раза), при V = 15 л/мин от 820 до 2627 Па (в 3,2 раза) и при V = 20 л/мин от 1299 до 3708 Па (в 2,86 раза).

Увеличение расхода нефти от 10 до 15 л/мин повышает величины ΔР в начальном участке труб аппарата в 1,84 раза, что в конце трубы падает до 1,59 раза. При двукратном увеличении расхода нефти (от 10 до 20 л/мин) величина ΔР в концевых участках трубы аппарата составляет соответственно в 2,92 раза (в начале) и 2,25 раза (в конце).

На рис. 2 отражены изменения величины ΔР по длине труб опытного теплообменника при расходе нефти V = 10 л/мин, в зависимости от средней ее температуры t_cр = 20, 30, 40, 50 и 60 ^оС. Как видно из рисунка, при постоянном расходе нефти с ростом ее температуры сопротивление аппарата ΔР по длине трубы L также возрастает по наклонной прямой.

Рисунок 2. Изменение величины ΔР (Па) опытного теплообменника по его длине L (м) в зависимости от средней температуры нагреваемой нефти t_cр (^оС): 1 - 20; 2 - 30; 3 - 40; 4 - 50; 5 - 60 при ее расходе V = 10 л/мин

Анализ изменения величины ΔР показывает, что процессе перекачки нефти расходом V = 10 л/мин при 20 ^оС, величина ΔР опытного аппарата в концевых участках трубы растет от 445 до 1649 кПа (в 3,7 раза). При заданном расходе нефти, повышение ее температуры в ходе нагревания приводит к росту величины ΔР аппарата: при t_cр = 30 ^оС - в 3,7 раза; 40 ^оС -
в 3,2 раза; 50 ^оС - в 2,95 раза и 60 ^оС - в 2,75 раза.

В целом, в температурном интервале от 20 до 60 ^оС изменение величины ΔР по длине трубы опытного теплообменника L составляет от 1,48 до 1,994 раза.

На рис. 3 изображены изменения гидравлического сопротивления ΔР промышленного теплообменника 10Е07 Бухарского НПЗ [7] по длине трубного пучка L при регламентированных расходах нефти V = 67, 100,5 и 134 м³/ч с температурой 20 ^оС.

Рисунок 3. Изменение величины ΔР (кПа) теплообменника 10Е07 по длине трубного пучка L (м) при 20 ^оС в зависимости от его производительности V (м³/ч) по нефти: 1 - V = 67; 2 - 100,5; 3 - 134

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что при перекачке по трубкам нефти, изменение величины ΔР теплообменника 10Е07 по длине трубного пучка L возрастает в среднем в 6 раз, в зависимости от его производительности (при 67 м^з/ч - 6,14 раза, 100,5 м^з/ч - 5,99 раза и 134 м^з/ч - 6,0 раза). Увеличение производительности теплообменника в 1,5 раза (от 67 до 100,5 м^з/ч) приводит к повышению ΔР в начальном участке трубного пучка от 2,31 раза и его небольшое падение до 2,25 раза в конце трубчатки. При двукратном увеличении расхода нефти в аппарате (от 67 до 134 м^з/ч) рост его гидравлического сопротивления ΔР повышается в среднем в 4 раза (в начале трубного пучка - 4,1 раза, а в конце - 4,0 раза).

Таким образом, в диапазоне средней температуры нефти 20÷60 ^оС гидравлическое сопротивления опытного аппарата по длине его трубы повышается в 3-3,5 раза, а повышение расхода нефти в пределах 10-20 л/мин приводит к росту сопротивления аппарата от 1,5 до 2,0 раза. В диапазоне производительности по нефти 67-134 м^з/ч сопротивление теплообменника 10Е07 по длине трубного пучка интенсивно повышается по наклонной прямой в 6 раз. Двукратное увеличение производительности теплообменника приводит к росту гидравлического сопротивления его трубного пучка от 2,3 до 4 раза. Результаты исследования пригодны для определения эффективных гидродинамических режимов работы промышленных трубчатых теплообменников.