CC BY
55
УДК 629.12.001.33.061
А. Е. Мазунин
Волжская государственная академия водного транспорта Нижний Новгород
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ПРИ НАГРЕВЕ ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ В НЕФТЕНАЛИВНЫХ СУДАХ
Введение
Увеличение объемов перевозок нефтеналивных грузов (около 14 % ежегодно) обусловливает рост танкерного флота. Так, в 2000 г. было создано предприятие ООО «В. Ф. Танкер» для перевозки нефтепродуктов. В первую навигацию, в 2001 г., работало 10 танкеров и 12 нефтеналивных барж. Суда были переоборудованы из сухогрузов и несамоходного флота, перевозившего сыпучие грузы.
По Евразийскому коридору с 2001 г. было перевезено 8 624 тыс. т грузов, из которых 5 914 тыс. т - нефть и нефтепродукты.
По итогам четырех месяцев 2007 г. через причалы ОАО «Восточный порт» прошло 1 568,4 тыс. т грузов, что на 11 % превышает показатели апреля 2006 г., грузооборот вырос на 3 %.
Непрерывный рост перевозок невозможен без постоянного улучшения технического состояния нефтефлота и совершенствования технологических операций, он зависит также от того, насколько своевременно и качественно будут проводиться работы по подготовке флота к эксплуатации. Одним из видов таких работ является выгрузка из грузовых танков нефти и высоковязких нефтепродуктов, которая обычно связана с их подогревом для придания текучести, обеспечивающей перемещение к приемникам грузовых насосов [1].
Разнообразие систем подогрева, появление новых способов и устройств свидетельствуют
о том, что проблема подогрева груза на судах еще не решена, вопрос о повышении эффективности систем подогрева остается открытым, вследствие чего разработка новых методов нагрева нефтегруза является актуальной [2].
В связи с этим необходим поиск новой системы подогрева груза, позволяющей сократить затраты на нагрев и переоборудование сухогрузов и несамоходного флота. Данной системой вполне может оказаться система сверхвысокочастотного нагрева (СВЧ-нагрева), позволяющая сократить время разогрева, энергетические и экономические затраты по отношению к системе разогрева паром и обеспечить высокие экологические показатели.
В настоящее время установки СВЧ-нагрева нефтепродуктов на нефтеналивных судах не применяются, что подтверждено тематическим поиском и аналитическим обзором.
Возможны два подхода к решению задачи о распределении СВЧ-поля в нефтетанке. Первый подход заключается в рассмотрении нефтетанка как многомодового резонатора, частично заполненного диэлектриком. В данном случае необходимо рассматривать множество типов колебаний, которые изменяются в зависимости от уровня груза, что представляет собой сложную теоретическую задачу [3]. Второй подход основан на приближении геометрической оптики в предположении, что на поверхность нефтегруза в каждой ее точке падает плоская волна, интенсивность и угол падения которой определяются диаграммой направленности излучателя. Этот подход и был использован в предлагаемой работе.
Отличительной особенностью разогрева диэлектрических материалов с помощью СВЧ-энергии является то, что электромагнитное поле проникает в диэлектрик и его энергия преобразуется в тепло внутри диэлектрического материала [4]. Следовательно, для расчета параметров процесса разогрева мазута необходимо решать тепловую задачу для замкнутого объема с внутренними источниками тепла. Она решается с помощью нестационарного трехмерного уравнения теплопроводности при нелинейных граничных условиях [5].
Решение этой задачи в общем виде не представляется возможным. Однако можно достаточно строго оценить параметры процесса разогрева мазута, приняв во внимание следующие условия.
1. Коэффициент температуропроводности мазута мал, что позволяет заменить сложные нелинейные граничные условия (ГУ) 3-го рода на простые ГУ 1-го рода.
2. Длина танка значительно больше его ширины, и при оценке можно пренебречь торцевыми поверхностями.
3. Представляя нефтетанк в виде прямоугольника (пластины), можно свести трехмерную задачу к одномерной.
Решение задачи с внутренними источниками, согласно принципу суперпозиции, может быть получено путем суммирования решений двух задач: первая - без внутренних источников, но с данными начальными и граничными условиями (НУ и ГУ) (^), вторая - с внутренними источниками, но с нулевыми НУ и ГУ (^) [2].
ґ = ї\ + tg.
Для упрощения постановки задачи мы воспользовались связью между решениями задач с внутренними, равномерно распределенными по всему объему тела источниками тепла, и задач с переменными во времени ГУ 1-го или 3-го рода.
tg = tag — ґґ ,
где tg - температура в теле с внутренними источниками тепла к расчетному моменту времени тк;
- адиабатическая температура в теле к моменту времени тк, т. е. температура, которую тело с внутренними источниками приобрело бы при полном отсутствии теплообмена на поверхности.
Эта температура равна:
1 %к
tag = | т .
ср 0
Величина ґґ представляет собой температуру тела без внутренних источников, но при переменной температуре внешнего источника тепла, равной при ГУ 1-го рода:
1 тк =0 =— I Чуйт.
ср 0
Исходя из того, что интенсивность внутренних источников тепла зависит от координаты, истинное распределение источников тепла по координате следует заменить ступенчатым, чтобы можно было принять его в данном слое постоянным по координате.
Задача разбивается на элементарные задачи, каждая из которых учитывает действие источников только в данном слое при отсутствии источников в остальной части тела.
Рассчитаны параметры системы СВЧ-разогрева на примере конкретного теплохода. Установка малогабаритна и включает в себя три основных блока: шкаф выпрямителя (трансформатор) и блок управления, устанавливаемые в зоне надстройки, и мобильный блок СВЧ, укрепляемый непосредственно на горловине нефтетанка (рис.).
Схема установки СВЧ-нагрева высоковязких нефтепродуктов в речных нефтеналивных судах
Заключение
Теоретические и экспериментальные исследования доказывают, что при СВЧ-нагреве (рабочая частота генератора составляет 915 МГц) по отношению к разогреву паром время разогрева сокращается в 3-5 раз. Благодаря отсутствию труб подогревателей нет загроможденности объема танков, не затруднена механизация зачистных работ и не снижена провозная способность судна.
Снижаются и энергетические затраты: при СВЧ-нагреве битумов и гудронов - в десятки раз, при нагреве мазутов и моторных масел эффективность нагрева снижается до 5 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кутыркин В. А., Постников В. И. Специальные системы нефтеналивных судов. - М.: Транспорт, 1983. - 188 с.
2. Рабей И. Л., Сизов Г. Н., Видетский А. Ф. Речные нефтеналивные суда и их техническая эксплуатация. - М.: Транспорт, 1984. - 240 с.
3. Вольман В. И., Пименов Ю. В., Айзенберг Г. З. Техническая электродинамика. - М.: Связь, 1971. - 486 с.
4. СВЧ-э нергетика / Под ред. Э. Окресса. - М.: Мир, 1971. - 258 с.
5. Пехович А. И., Жидких В. М. Расчеты теплового режима твердых тел. - Ленинград: Энергия, 1976. - 348 с.
Статья поступила в редакцию 15.12.2006
THE USE OF SUPERHIGH FREQUENCIES ENERGY FOR HEATING OF HIGH-VISCOSITY OIL PRODUCTS
IN TANKERS
A. Е. Mazunin
The paper deals with the questions of possible application of superhigh frequency electromagnetic radiation for high-viscosity oil products heating in river tankers and evaluation of its efficiency. The method to create a mathematical model of fuel oil heating process in a tanker using superhigh frequencies energy is given. The main parts of the plant and its technical-and-economical indices are also presented there.
S9
