И слив вязких и застывающих нефтепродуктов
Среднюю расчетную температуру нефтепродукта tcp определяют по формуле при (9.19) где и – начальная и конечная температура нефтепродукта, °С; – температура окружающей среды, °С. Температура окружающей среды для наземных и полуподземных резервуаров (9.20) где и – температура грунта и воздуха, окружающих резервуар; и – поверхности резервуара, соприкасающиеся с грунтом и воздухом. Тепловой поток (мощность, Вт) необходим для разогрева всей массы нефтепродукта (9.21) где – расход тепла, затрачиваемый на потери тепла в окружающую среду. Поверхность нагрева трубчатых подогревателей (м2) определяют по формуле или (9.22) где F – поверхность нагрева подогревателя; Ф – тепловой поток, кДж/с; Общую длину L трубы подогревателя при принятом диаметре d находим из выражения (9.23) и, соответственно, число секций n при длине труб в секции l (9.24) Массовый расход m пара (кг/c) на подогрев нефтепродукта (9.25) где и – соответственно, энтальпия пара и конденсата, кДж/кг. Пример расчета. Определить необходимое количество теплоты Q, кДж, требуемое для нагрева паром (см. рис. 9.1) нефтепродукта массой М = 500000 кг за 3 часа на величину перепада температуры °С, при удельной массовой теплоемкости сР, равной 2,1 кДж/(кг∙К). По формуле 9.3 находим кДж. Учитывая, что примерно 30 % теплоты уходит в окружающую среду через стенки цистерны, действительная величина Q будет равна 1,3∙2100000 = Мощность парового нагревателя за один час (3600 с) Ф = Q / = 2730000 / 3600 = 758,3 кВт. Так как нагрев нефтепродукта производится в течение 3 часов, то мощность нагревателя составит 758,3 / 3 = 252, 7 кВт. Нагрев нефтепродукта производится паром. На входе в нагреватель температуру насыщения пара принимаем t 1 = 130 °С, что соответствует давлению насыщения 2,7·105 Па. Степень сухости насыщенного пара x = 0,9. На выходе из нагревателя пар конденсируется, его температуру принимаем t2 = 100 оС. Определим энтальпию влажного насыщенного пара на входе в теплообменник. кДж/кг, где – энтальпия кипящей жидкости при насыщении tн = 130 °С берется из справочника [28]; r – теплота парообразования при tн = 130 оС. Энтальпия конденсата кДж/кг. При известных значениях и по формуле 9.25 определяют требуемый расход пара. кг/с или 432 кг/ч. 9.3.2. Выбор основных параметров теплообменника Теплообменники типа «труба в трубе» широко используются при разогреве нефтепродуктов. Преимущество таких теплообменников заключается в простоте конструкции, и они могут быть собраны из стандартных элементов. При необходимости поверхность теплообмена может быть увеличена за счет установки нескольких секций. На рис. 9.6 показан секционный паровой подогреватель топлива ПТС типа «труба в трубе». Горячий пар входит через клапан 4, проходит по трубе 7 и выходит через клапан 5 в виде конденсата. Проходя по трубе, пар нагревает ее и отдает теплоту через стенки трубы 7 нефтепродукту. Холодный нефтепродукт под действием перепада давления входит в подогреватель через клапан 6, а выходит через клапан 3. Нефтепродукт, проходя через кольцевое сечение подогревателя, увеличивает свою температуру, снижая вязкость и увеличивая текучесть. Массовый расход пара и нефтепродукта регулируется проходными сечениями клапанов.
Рис. 9.6. Подогреватель топлива секционный типа ПТС: 1 и 2 – опоры неподвижные; 3 – клапан выхода топлива; 4 – клапан входа пара;
На рис. 9.7 показан разрез теплообменника типа «труба в трубе». Горячий теплоноситель движется по внутренней трубе, а нефтепродукт – по кольцевому каналу. Теплота передается от одного теплоносителя к другому через цилиндрическую стенку.
Тепловой поток теплоносителя в трубе определяется из выражения , (9.26) в кольцевом канале , (9.27) где m 1, m 2 – массовые расходы теплоносителей во внутренней трубе и кольцевом канале соответственно, кг/с; t 11, t 12 – температура на входе и выходе внутренней трубы, °С; t 21, t 22 – температура на входе и выходе кольцевого канала, °С. При установившемся режиме теплообмена . При равенстве уравнений 9.26 и 9.27 получается баланс теплового потока.
Рис. 9.7. Теплопередача через цилиндрическую стенку: 1 – внутренняя труба; По кольцевому каналу движется нефтепродукт, например мазут М-40, который под действием перепада давления, создаваемого насосом, входит в кольцевой канал при температуре 10 °С (t 21), а на выходе из кольцевого канала температура должна повыситься до 40 °С(t 22). Теплоемкость нефтепродукта составляет 2,1 кДж/(кг∙К). Время подогрева 4 ч (14400 с). Масса мазута 20 000 кг. Массовый расход мазута m 2 = M / t составит 1,388 кг/с. Необходимый тепловой поток Ф 2 определяем по формуле 9.27, и он составит 87,4 кДж/с или 87,4 кВт. Далее выбирают вид теплоносителя (пар, горячая вода, нагретый керосин). Допустим, мы выбрали в качестве теплоносителя горячую воду с температурой на входе в теплообменник 90 °С (t 11), а на выходе 50 °С (t 12). Удельную массовую теплоемкость воды примем равной 4,18 кДж/(кг∙К). По формуле 9.26 находим необходимый массовый расход горячей воды при , который составит 0,52 кг/с или 1872 кг/ч. Определив требуемое значение теплового потока Ф для нагрева нефтепродукта, находим необходимую площадь F поверхности горячего теплоносителя (нагревателя), используя уравнение теплопередачи: , (9.28) где к – средний, постоянный для поверхности F коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К); tн – средний для поверхности F температурный напор между теплоносителями, °С. Средний температурный напор tн определяют по формулам 9.15 или 9.16. Коэффициент k теплопередачи рассчитывается по формуле: , (9.29) где a1 – коэффициент теплоотдачи от теплоносителя, протекающего во внутренней трубе, к внутренней поверхности трубы, Вт/(м2×К); a2 – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубы к теплоносителю, протекающему в кольцевом канале, Вт/(м2×К); l T – коэффициент теплопроводности материала внутренней (центральной) трубы, Вт/(м×К); d 1, D 1 – внутренний и наружный диаметры центральной трубы, м. Для нахождения коэффициентов теплоотдачи a1 и a2 по числу Нуссельта необходимо знать теплопроводность материала стенки (l, Вт/(м×К)) и значение эквивалентного диаметра (dэ, м). Число Нуссельта определяют по формулам 9.9 или 9.10 в зависимости от режима движения. Определив значение коэффициента теплопередачи k и средний температурный напор t, по формуле 9.28 находим площадь нагрева F теплообменного аппарата, м2. В зависимости от величины площади нагрева выбираем марку теплообменного аппарата и число секций. 9.3.3. Пример расчета теплообменного аппарата Определить поверхность нагрева и число секций теплообменника типа «труба в трубе» (рис. 9.6). Греющая (горячая) вода движется по внутренней (центральной) стальной трубе ( вт/(м·К). Отношение наружного и внутреннего диаметра трубы равно D 1 /d 1 = 35/32 мм. Температура на входе , расход греющей воды кг/ч [17]. Нагреваемая вода или нефтепродукт движется противотоком по кольцевому каналу между трубами и нагревается от температуры до . Внутренний диаметр внешней трубы d 2 = 48 мм. Расход нагреваемой воды кг/ч. Длина одной секции теплообменника l = 1,75 м. Потерями теплоты через внешнюю поверхность теплообменника пренебречь. Решение. Теплоемкость воды кДж/ (кг·К). Количество передаваемой теплоты [16, 17] кВт. Температура греющей воды на выходе Находим средние арифметические значения температур теплоносителей и значения физических свойств воды при этих температурах: при этой температуре кг/м 3; м 2 /сек; вт/м·град; ; при этой температуре кг/м 3; м 2 /сек; Вт/м·К; . Скорости движения теплоносителей: м/сек; м/сек. Число Рейнольдса для потока греющей воды Режим течения греющей воды турбулентный, и расчет числа Нуссельта и коэффициента теплоотдачи выполняем по формуле 9.9. Число Нуссельта Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении задаемся значением При этой температуре тогда Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубы Вт/ (м 2 ·К). Число Рейнольдса для потока нагреваемой воды где эквивалентный диаметр для кольцевого канала d э = d 2 – D 1 = 48 – 35 = 13 мм. Приняв в первом приближении и, следовательно, , получим: Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой воде Вт/(м 2 ·К). Коэффициент теплопередачи Так как в рассматриваемом случае то с достаточной точностью можно вести расчет по средней арифметической разности температур: Плотность теплового потока Поверхность нагрева Число секций Температуры стенок труб При этих температурах и и поправки на изменения физических свойств жидкости по сечению потока имеют следующие значения: (в расчете было принято 0,92); (в расчете было принято 1,12). Совпадение достаточно точное и можно принять, что F = l,22 м 2и n = 7. Методика расчета теплообменного аппарата при нагреве нефтепродукта, Контрольные вопросы 1. С какой целью подогревают темные нефтепродукты (масла, мазуты)? 2. Почему максимальная температура подогреваемого нефтепродукта должна быть на 15 – 25 оС ниже температуры вспышки? 3. Какие виды теплоносителей используют при подогреве нефтепродуктов? 4. Какие Вы знаете способы подогрева нефтепродуктов? 5. Типы и конструкции подогревателей для транспортных и стационарных емкостей. 6. Основные формулы, используемые при расчете теплообменников. 7. Напишите и поясните уравнения теплового баланса и теплопередачи. 8. Дайте определения безразмерным критериям Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля. 9. Как определяют коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя к стенке (α1) и от стенки к холодному теплоносителю (α2)? 10. Что такое коэффициент теплопроводности материала стенки, например стальной трубы, его значение и единицы величины? 11. Как определяется коэффициент теплопередачи, зависящий от толщины стенки, ее теплопроводности, коэффициентов теплоотдачи к стенке от горячего и холодного теплоносителя? 12. Какова последовательность расчета подогрева нефтепродуктов в емкостях (железнодорожных цистернах)? 13. Методика расчета теплообменника типа «труба в трубе», в котором движется горячий теплоноситель и холодный (нефтепродукт). 14. Последовательность расчета электронагревательных элементов.
|