И слив вязких и застывающих нефтепродуктов

Среднюю расчетную температуру нефтепродукта t_cp 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;
– коэффициент теплопередачи от пара (или другого теплоносителя) к нефтепродукту; Т_ТН – средняя разность температур между теплоносителем и нефтепродуктом, °С (средний температурный напор); – время разогрева нефтепродукта; и – температура пара и конденсата, °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 с_Р, 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 =
= 2730000 кДж. Потери теплоты в окружающую среду уточняют по формуле 9.18.

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 t_н = 130 °С берется из справочника [28]; r – теплота парообразования при t_н = 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
типа «труба в трубе »

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;
5 – клапан выхода конденсата; 6 – клапан входа топлива; 7 – труба нагревательная;
8 – корпус подогревателя; 9 – фланец корпуса; 10 – болт; 11 – крышка; 12 – изоляция;
13 – рёбра нагревательной трубки; А и Б – вход и выход нефтепродукта; В – вход пара;
Г – выход конденсата

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;
2 – кольцевой канал; 3 – изменение температуры; d ₁ – внутренний диаметр
внутренней трубы; D ₁ – наружный диаметр внутренней трубы; d ₂ – внутренний диаметр кольцевого сечения; D ₂ – наружный диаметр кольцевого сечения

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); t_н – средний для поверхности F температурный напор между теплоносителями, °С.

Средний температурный напор t_н 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 (d_э, 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
типа «труба в трубе»

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,
а не воды изменится (для кольцевого сечения). Вязкость нефтепродукта, например масла МС-20, при 20 ^оС больше вязкости воды в 1125 раз. По этой причине изменится режим движения жидкости (число Рейнольдса). Теплоемкость масла МС-20 при 20 °С составляет 2, 043 кДж/(кг∙ К), а воды – 4, 18 кДж/(кг∙ К). Число Прандтля для воды при 30 °С составляет 5, 42, а для масла МС-20 достигает 7310.

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 (α ₁) и от стенки к холодному теплоносителю (α ₂)?

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.