Файл: Кутыркин, В. А. Расчет параметров некоторых систем подогрева нефтепродуктов учебное пособие для курсов ИТР.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 02.11.2024
Просмотров: 32
Скачиваний: 0
Министерство речного флота РСФСР
Горьковский институт инженеров водного транспорта
В. А. Кутыркин, В. G. Цветков
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НЕКОТОРЫХ СИСТЕМ ПОДОГРЕВА
НЕФТЕПРОДУКТОВ
Учебное пособие для курсов ИТР
Горький
1974
1.
J r
ш л о
АННОТАЦИЯ
В работе дается описание наиболее прогрессивных способов подогрева нефтепродуктов в речных судах. В первой части по результатам исследовании последних лет изложена методика оценки тепловых потерь от нефтепродукта в окружающую сре ду с учетом специфических характеристик корпусов судов (на бор, двойное дно и др.). Приведены данные по натурным и модельным испытаниям. Вторая половина работы посвящена экономической оценке оптимальных параметров элементов си стем подогрева. Вместе с тем приводятся рекомендации по повышению эффективности использования средств подогре ва на речных судах с учетом конкретных условий их эксплу атации.
Работа выполнена в стандартной интернациональной систе ме единиц, что потребовало соответствующего пересчета ряда
показателей и коэффициентов |
в |
эмпирических зависимостях, |
|
заимствованных из других источников. |
__ |
||
Глава I написана Цветковым В. С., главы III— V—Кутыр- |
|||
киным В. А., глава II—совместно обоими авторами. |
|||
Пособие предназначено для |
слушателей |
факультета повы |
|
шения квалификации ИТР. |
Оно |
может |
быть использовано |
студентами при дипломном проектировании, а также специа листами, занятыми проектированием и эксплуатацией систем подогрева.
Научный редактор доцент, к. т. н. Н. П. Морозов.
ВВЕДЕНИЕ
Перевозка высоковязких и застывающих нефтепродуктов в неф теналивных судах, как правило, связана с применением различ ных способов подогрева, обеспечивающих снижение вязкости до
такого значения, |
при котором выгрузка их |
становится |
возможной |
|
и эффективной. |
Особенно |
нуждаются в подогреве вязкие, пара |
||
финистые нефти, |
мазуты, |
битумы, средние |
и тяжелые |
индустри |
альные масла, а также некоторые светлые нефтепродукты / (напри мер, бензолы, имеющие температуру застывания ^з=Н-5°С).
Впервые подогрев высоковязких нефтепродуктов для облегче ния их транспортировки по трубопроводам был предложен рус ским инженером-механиком, впоследствии академиком, В. Г. Шу ховым и применен на построенном им в 1879 году для фирмы Лианозова нефтепроводе [5].
На речном транспорте нашей . страны нефтеподогрев начали применять в 1924 году, когда к началу навигации в Астрахани скопилось большое количество судов с парафинистыми мазутами, выгрузка которых была возможна только в жаркое время (тогда впервые были применены трубчатые змеевиковые паровые подо греватели переносного типа). Были срочно оборудованы средства ми подогрева нефтестанции, а некоторые баржи—стационарными системами подогрева. Первый на Долге опыт их использования был проведен на металлической нефтеналивной барже «Жар-пти ца», имеющей грузоподъемность 6550 т [1].
В настоящее время все суда, предназначенные для транспор тировки вязких нефтепродуктов, оборудованы системами подо грева.
Г ла в а I. ОЦЕНКА ПОТЕРЬ ТЕПЛА
ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Определение теплопотерь нефтеналивных судов является весь ма сложной задачей, поскольку в массе нефтепродукта процессы теплообмена происходят как путем чистой теплопроводности, так и конвекций. Затрудняют решение задачи особенности набора корпуса судна, на конструкциях и обшивке которого при перевоз ке вязких нефтепродуктов образуется застывшая корка.
В большой мере теплопотери зависят и от температуры нефте продукта. При высокой температуре усиливается конвекция неф тепродукта в танках и конвекция воздуха в подпалубном про
3
странстве и в воздушных полостях судов с двойными бортами и днищем. Толщина застывшей корки при этом сравнительно мала. Кроме того, теплопотери увеличиваются и в связи с большой ве личиной температурного напора относительно внешней среды.. Ве личины теплопотерь судна зависят и от внешних метеорологиче ских условий-—температуры воды и воздуха, скорости и направле ния ветра, а также от скорости движения судна и скорости тече ния воды.
Особенно интенсивное охлаждение нефтепродукта наблюдает ся во время погрузки его в судно, когда он перемещается относи тельно поверхностей охлаждения, часть тепла здесь расходуется на повышение теплосодержания металла корпуса. При этом тем пература нефтепродукта снижается по сравнению с температурой в наливном трубопроводе на 10+15%. От успокоившегося нефте продукта к бортовым поверхностям тепло отводится в основном за счет естественной конвекции; к палубе—за счет лучеиспуска ния и конвекции в газовоздушной прослойке между зеркалом и палубой. Наконец, в сторону днища обвод тепла осуществляется в -основном за счет теплопроводности, так как охлаждаемые слои, имеющие более высокую плотность, находятся внизу. В принципе этот процесс нужно рассматривать как охлаждение твердого те ла. Однако ввиду особенностей конструкций корпусов судов, на личия судового набора, прорезывающего слои застывшего нефте продукта и оказывающего определенное влияние на интенсив ность теплопередачи, точное решение задачи весьма затрудни тельно и в настоящее время отсутствует. Это вынуждает прибе гать к различного рода ограничениям и упрощениям, допустимость которых приходится проверять экспериментально.
§ 1. Процесс теплопередачи от нефтепродукта к воде при одинарном днище с набором
Перевозимые речным транспортом вязкие нефтепродукты, как правило, имеют довольно высокие температуры застывания. В на стоящее время в соответствии с ГОСТом 10585—63 вырабатыва ются топочные мазуты марок 40, 100, 200, температуры застыва ния которых соответственно равны +10, +25 и +36°С.' Для мазутов тех же марок, изготовленных из высокопарафинистых нефтей, она еще выше и составляет +25, +42 и +42°С. Из вестно, что фактическая температура застывания в ряде случаев оказывается выше, чем это предусмотрено ГОСТом.
В большом количестве речным транспортом перевозится мангышлакская нефть. Она отличается значительным содержанием парафина и застывает при +36°С.
Температура верхних слоев воды в реке в течение навигации колеблется от близкой к 0°С (в весенний и осенний периоды) до +20+25°С. Слои разогретого при погрузке нефтепродукта, сопри
4
касающиеся с днищем и бортами корпуса судна, |
которые омывают |
ся с внешней стороны относительно холодной |
речной водой, ох |
лаждаются до температуры более низкой, чем температура засты вания, и становятся неподвижными. Нефтепродукты имеют до вольно низкий коэффициент теплопроводности, поэтому днище и борта корпуса судна как бы покрываются слоем изоляции. Судо вой набор пронизывает этот слой, состоящий из"застывшего и малоподвижного нефтепродукта, и способствует отводу тепла от масс нефтепродукта в забортную воду, выполняя роль тепловых мостов.
Таким образом, теплопередача к забортной воде осуществ ляется через стенку, состоящую из стальной обшивки с набором, покрытых слоем застывшего нефтепродукта. Теплоотдача От под вижных масс нефтепродукта к этой стенке определяется крите риальными уравнениями, полученными экспериментально. Так,:по М. А. Михееву [10] для вертикальных поверхностей
при 1•103< G rP r< ;l •Ю9
Ми — 0,76 (Gr P r f0.25 / Р гг \°'25_
Рг,ст /
при GrPr> 1 •109
0.25
Ми = 0,15 (Gr P r f t%( - ^ — \ ,’
Pr,T /
( 1 . 1 )
( 1 . 2 )
где |
Nи, Gr, Pr, — соответственно критерии Нуссельта, Грасго- |
|||
|
|
фа, Прандтля при средней температуре неф |
||
|
|
тепродукта; |
|
|
|
Ргст— критерий Прандтля |
при температуре стенки |
||
|
— |
(при наличии корки |
застывшего |
нефтепро |
|
|
дукта, . Ргст следует |
рассчитывать |
при тем |
|
|
пературе застывания нефтепродукта). |
||
|
Коэффициент теплоотдачи для борта судна аа равен |
|
||
|
|
|
|
(1,3) |
Здесь I— определяющий линейный размер, м\
X — коэффициент теплопроводности нефтепродукта, —- —
м-град
Для горизонтальной стенки, которой является днище, его зна чение рекомендуется [10] уменьшить на' 30%
®дн = 0,7 ч . |
(1. 4) |
Приведенные зависимости справедливы при установившемся свободном движении жидкости в большом объеме и без измене
5
ния агрегатного состояния. Застывшая корка нефтепродукта пред ставляет собой дополнительное тепловое сопротивление, которое здесь не учитывается.
Точный аналитический расчет теплопередачи через днище и борта затруднителен, однако достаточно удовлетворительные ре зультаты можно получить, используя метод круговых тепловых потоков [13]. С этой целью выделяется элементарная расчетная
конструкция, в нашем случае это шпация, |
которая разбивается на |
|||||||
зоны. Определяется теплопроходимость каждой зоны |
|
|||||||
|
|
Щ = — ------------------ > |
|
(1. 6) |
||||
|
|
а |
+ |
£ |
т : |
|
|
|
|
|
|
у ^ 1 kj |
|
|
|
||
где |
г)— площадь г-ой зоны, |
м2\ |
|
|
||||
|
1/а— поверхностное термическое сопротивление состо- |
|||||||
|
|
, . |
|
|
|
м2 |
град |
|
|
|
роны нефтепродукта, |
----------- ; |
|
||||
|
bj— толщина /-го слоя, м; |
|
|
|
||||
|
, |
. , |
|
|
|
|
. |
Вт |
|
kj— коэффициент теплопроводности /-го слоя, |
^ ^ . |
Поверхностное термическое сопротивление теплоотдачи от об- 1
шивки корпуса к |
воде неизмеримо мало по сравнению с другими |
|||
величинами |
и не |
включено в состав формулы |
(1.5). При оценке |
|
суммарного |
термического сопротивления слоев |
п |
§/ |
|
^ |
— можно так- |
J= 1 V
же пренебречь термическим сопротивлением обшивки корпуса и стального набора высотой менее 100 мм. Помимо этого, тепловое сопротивление слоя нефтепродукта, заполняющего профиль на бора, не учитывается и считается, что тепло передается через плос кие ребра с высотой, равной высоте стенки профиля, и шириной, равной ширине его полки. Решение сводится к учету дополни тельного потока тепла, создаваемого по существу плоским ребром, прорезывающим застывший нефтепродукт и обладающим по срав нению с ним примерно в 500 раз большим коэффициентом тепло проводности. Вследствие этого степень точности расчета в значи тельной мере зависит от высоты профиля набора и его формы. Зоны рассматриваются как проводники тепла, включенные парал лельно. Средняя величина коэффициента теплопередачи всей шпа ции равна
т |
|
|
Д * * ' |
( 1. 6) |
|
к =4 - ^ |
-------- , |
|
Р |
ШП |
|
6
где |
|
|
Fwn~ площадь шпации, м2. |
|
|
|
|||||
Средний коэффициент теплопередачи от нефтепродукта к воде |
|||||||||||
через |
подводную |
поверхность |
теплообмена |
определится по |
|||||||
выражению |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
_ |
^6FqТ Кдн/*Д|| |
|
(1.7) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
Fg, |
F№ |
~площади бортовой |
и |
днищевой |
|
поверхностей |
|||
|
|
|
|
теплопередачи к воде, лг2; |
|
|
|||||
|
|
кб, |
кЛп— коэффициенты |
теплопередачи от |
нефтепродукта |
||||||
|
|
|
|
к |
воде через бортовую |
и днищевую поверхно- |
|||||
|
|
|
|
|
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с т и ,----------- . |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
.к2 град |
|
|
|
|
|
|
Пример . Определить коэффициент теплопередачи к воде для |
|||||||||||
баржи |
проекта |
Р-27 через ее подводную |
часть от |
мазута марки |
|||||||
100, |
имеющего |
температуру |
(=34°С |
(коэффициент |
кинематиче |
||||||
ской |
вязкости 30 см2/сек) \ температура воды tw = 15°С. |
||||||||||
Расчет . |
Корпус баржы проекта Р-27 состоит из шпаций раз |
||||||||||
личных |
конструкций |
(рис. 1, 2, 3, 4). Из них наибольшее число |
|||||||||
(на днище |
1292) приходится на |
конструкции № 1, а |
132, 68 и 66 |
Рис. 1. Расчетная днищевая шпация (конструкция № 1)
7