26. Тепловой расчет горячих трубопроводов
Подогретая нефть, двигаясь по трубопроводу, отдает тепло в окружающую среду и постепенно остывает. Выделим на расстоянии х от начала трубопровода участок длиной dx и составим для него уравнение теплового баланса (рис. 2.13).
При движении нефти через рассматриваемый участок она охладится на dT и потеряет в единицу времени количество тепла (изменение теплосодержания)
, где M - массовый расход;
ср - теплоемкость нефти.
Знак “минус” учитывает, что температура нефти по мере удаления от пункта подогрева уменьшается ( dT < 0 ).
Изменение температуры нефти в трубопроводе происходит по следующим причинам:
- отдача тепла в окружающую среду ;
- нагрев нефти вследствие выделения тепла трения ;
- нагрев нефти вследствие выделения из нее кристаллов парафина
, где К - полный коэффициент теплопередачи от нефти в окружающую среду;
D - внутренний диаметр отложений в трубопроводе;
Т - температура нефти в сечении x;
То - температура окружающей среды;
i - средний гидравлический уклон;
e - массовая доля парафина в нефти;
c - теплота кристаллизации парафина;
Тнп, Ткп - температуры соответственно начала и конца выпадения парафина.
Соответственно уравнение теплового баланса для нефти, находящейся в участке трубы длиной dx, примет вид
. (2.12)
Разделяя переменные, получим
. (2.13)
Интегрируя левую часть уравнения (2.13) от 0 до x, а правую от Тн до Т(х), после ряда преобразований получим , (2.14)
где g, а - расчетные коэффициенты ; .
Из формулы (2.14) как частный случай (g = 0, e = 0 ) получается формула Шухова.
Характер изменения температуры нефти в трубопроводе при различных сочетаниях g и e приведен на рис. 2.14.
Из рис. 2.14 видно, что вследствие выделения тепла трения температура нефти несколько превышает температуру окружающей среды. Чем больше в нефти парафина, тем медленнее она остывает.
Полный коэффициент теплопередачи, входящий в формулу (2.14), определяется из уравнения
, (2.15)
где li, Di, Di+1 - коэффициент теплопроводности, внутренний и на- ружный диаметры i - того слоя (отложений, трубы, изоляции);
a1 - внутренний коэффициент теплоотдачи, характеризующий теплоперенос от нефти к внутренней поверхности отложений;
a2 - внешний коэффициент теплоотдачи, характеризующий теплоперенос от внешней поверхности изоляции в окружающую среду;
Dиз - наружный диаметр изоляции.
Внутренний коэффициент теплоотдачи определяется по формуле
, где lн - коэффициент теплопроводности нефти.
Величина числа Нуссельта определяется по экспериментальным формулам в зависимости от режима перекачки, например, по Михееву:
- при ламинарном режиме (Re £ 2000)
,
- при турбулентном режиме (Re ³ 10000)
; ; ;
bt - коэффициент температурного расширения;
Тw - средняя температура стенки трубопровода.
В переходной области 2000 < Re < 10000 величина коэффициента a1 определяется интерполяцией.
Внешний коэффициент теплоотдачи определяется по формуле Аронса - Кутателадзе
, (2.16)
где Hп - приведенная глубина заложения трубопровода,
;
Н - фактическая глубина заложения;
Нсн - высота снежного покрова;
lгр, lсн - коэффициент теплопроводности соответственно грунта и снега;
Nu - число Нуссельта при теплоотдаче в воздух, ;
ao - коэффициент теплоотдачи от поверхности грунта в воздух,
ao » 11,63 Вт/(м×град).
При H/Dиз > 2 вторым слагаемым под знаком логарифма можно пренебречь. Данное равенство выполняется в случае, когда Dиз ³ 600 мм.
Для трубопроводов без специальной тепловой изоляции прокладываемых в грунтах малой влажности, при турбулентном режиме течения с малой погрешностью можно принять К » a2.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.