CC BY
73
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И МАШИННО-ДВИЖИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
УДК 536.24
Н. В. Селиванов, К. Б. Андрис
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ПЕРЕВОЗКЕ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Объемы перевозок нефти и нефтепродуктов занимают одно из первых мест в объеме всего мирового грузооборота. Затраты на транспортировку нефти и нефтепродуктов составляют значительную часть и составляют до 50 % себестоимости продукции. Снижение затрат на транспортировку нефти и нефтепродуктов различными видами транспорта актуально особенно в настоящее время, когда цены на нефть и нефтепродукты резко выросли. При перевозке высоковязких жидкостей, которые для выполнения отдельных технологических операций (погрузка, выгрузка) требуют обеспечения заданной температуры жидкости в емкости, затраты возрастают за счет расхода тепловой энергии на подогрев и оборудование транспортных емкостей системами подогрева жидких грузов. Введение новых международных стандартов для морских нефтеналивных судов и вывод из эксплуатации танкеров с одинарной обшивкой требуют разработки методов расчета систем подогрева для морских танкеров с двойной обшивкой корпуса и параметров технологической операции при перевозке с учетом влияния качки судна.
Наличие районов добычи нефти в северных районах России и большая доля экспорта нефти и нефтепродуктов морским транспортом, строительство танкеров ледового класса повышают актуальность данной проблемы.
Анализ тенденций и перспектив развития транспорта высоковязких жидкостей (нефти и нефтепродуктов) с подогревом показывает, что для снижения затрат на транспортировку необходимо оптимизировать параметры технологической схемы транспортировки, мощность и массогабаритные параметры системы подогрева жидкого груза. Оптимизация технологической схемы перевозки и системы подогрева связана с расчетами параметров теплового состояния груза, которые в значительной степени зависят от величины тепловых потерь от нефтепродукта в окружающую среду.
Надежные сведения о тепловых потерях особенно необходимы при создании новых конструкций транспортных емкостей, позволяющих снизить затраты тепловой энергии на перевозку высоковязких жидкостей, по оценке эффективности тепловой изоляции транспортной емкости и т. п.
Решение поставленных задач базируется на фундаментальных теоретических и экспериментальных исследованиях процессов теплообмена в емкости при транспортировке высоковязких жидкостей [1-3]. Экспериментальные данные [1], полученные на масштабных макетах судна и лабораторной установке, позволили рассмотреть теплообмен при колебаниях между жидкостью и вертикальной поверхностью в широком диапазоне изменения условий однозначности. Эксперименты показывают, что вынужденное движение, вызванное колебаниями емкости, интенсифицирует процесс теплообмена в 2-4 раза по сравнению со свободной конвекцией. Вынужденное движение жидкости оказывает более сильное влияние на теплообмен на верхней части вертикальной стенки, чем на нижней. Большинство экспериментов проводилось на экспериментальных и лабораторных установках прямоугольной формы. Теплообмен в резервуарах цилиндрической формы изучен недостаточно, данные, которые приводятся различными авторами, разняться между собой в несколько раз, поэтому теплообмен в резервуарах цилиндрической формы необходимо исследовать более подробно.
Нами исследованы процессы теплообмена при свободной конвекции, подогреве и колебаниях в горизонтальной цилиндрической емкости. Эксперименты проводились на масштабном макете цилиндрической формы. Длина экспериментальной стальной цилиндрической емкости 0,8 м, диаметр - 0,3 м, толщина стенок - 2 мм. В качестве рабочей жидкости использовался мазут марки М40, температура застывания которого 25 °С. Датчики располагались по вертикали и измеряли температуру в шести точках, седьмой был закреплен на корпусе (рис. 1).
Рис. 1. Блок датчиков для измерения температуры
Так как температура жидкости в емкости превышает температуру застывания, то жидкость в емкости подвижна, а теплообмен между ней и ограждающими поверхностями емкости происходит в основном за счет естественно конвективного движения (рис. 2).
70 60 50 40 30 20 10 о
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Рис. 2. Результаты экспериментов при свободной конвекции, температура окружающего воздуха 10 °С
Как видно из рис. 2, основная масса жидкости в емкости представляет собой ядро, в котором температура изменяется незначительно (датчики № 3-5), и лишь вблизи ограждающих поверхностей происходит основное изменение температуры. По экспериментальным данным можно сделать вывод, что при свободной конвекции наиболее интенсивное остывание происходит в придонной части емкости (датчики № 1, 2). Темп остывания основной массы нефтепродукта составляет 2,6 °С/час.
Для оценки влияния колебаний транспортной емкости на теплообмен был проведен эксперимент, результаты которого представлены на рис. 3.
Рис. 3. Результаты экспериментов с обдувом и вибрациями транспортной емкости цилиндрической формы при температуре окружающего воздуха 11 °С
При колебаниях емкости с амплитудой 5-25 мм интенсивность теплообмена увеличивается, по-прежнему остается некоторое ядро, температура которого изменяется более медленно относительно остальных слоев (датчики № 4, 5). Размеры этого ядра меньше, чем при свободной конвекции. Следует отметить, что уже спустя два часа после начала замеров в нижней части емкости образуется малоподвижный слой, равный 2 см (датчик № 1 на рис. 3). При свободной конвекции малоподвижный слой начинал образовываться спустя 6 часов. Таким образом, интенсивность теплообмена при вынужденном движении жидкости увеличилась в 3 раза, что согласуется с экспериментальными данными других авторов [1]. Темп остывания основной массы нефтепродукта составил 3,6 °С/час. Эксперименты показали, что основная масса жидкости в емкости представляет собой практически изотермическое ядро, и лишь вблизи вертикальных, наклонных и горизонтальных поверхностей, при условии, что последние направлены холодной стороной вниз, происходит основное изменение температуры. Этот слой достаточно тонкий и носит характер пограничного слоя. Если температура этих ограждающих поверхностей ниже температуры застывания нефтепродукта, то на них образуется слой застывшего неподвижного нефтепродукта, через который теплота передается теплопроводностью. Это увеличивает термическое сопротивление теплообмена между жидкостью и поверхностью. Толщина этого слоя и величина ее изменения зависят от направления изменения температуры ядра и ее величины, а также интенсивности теплообмена на границе слой-жидкость. При повышении температуры ядра толщина слоя будет уменьшаться, а при понижении - наоборот. Это необходимо учитывать при расчете процессов теплообмена между жидкостью и ограждающими поверхностями. На границе застывшего слоя жидкости и изотермического ядра происходит конвективный теплообмен, движение жидкости и изменение температуры происходят в пограничном слое.
Для детального изучения влияния путевого подогрева или поддержания температуры груза нами был проведен эксперимент при вышеописанных условиях. В отличие от предыдущих экспериментов, после выключения подогревателя, при достижении температуры нефтепродукта 60 °С, включался подогреватель мощностью 650 Вт, находившийся на дне емкости экспериментальной установки. Результаты эксперимента приведены на рис. 4.
При подогреве нефтепродукта температура груза изменяется практически равномерно по всему объему емкости, за исключением нижнего слоя, который находится под подогревателем (датчик № 1 на рис. 4). По сравнению с процессами остывания в процессе подогрева показатели изменения температуры нефтепродукта уменьшаются в 2,5 раза. Темп остывания основной массы нефтепродукта составил 1,57 °С/час, т. е. уменьшился по сравнению с предыдущим экспериментом в 2,3 раза. Экспериментальные исследования показали, что вблизи труб подогревателя формируется устойчивый свободно-конвективный пограничный слой, а над трубой -тепловой след нагретого нефтепродукта, такие же результаты получены и в [1, 3]. Однако по высоте температура следа очень быстро уменьшается вследствие конвективного теплообмена с основной массой нефтепродукта и становится равной его температуре. Конвективное перемешивание основной массы жидкости за счет действия тепловых следов от труб нагревателя увеличивается, температура по ядру нефтепродукта выравнивается и происходит ее повышение. За счет подтекания нефтепродукта к трубам подогревателя скорость движения в МПС на уровне расположения нагревателя увеличивается, и интенсивность теплообмена между конвективным ядром и верхней границей МПС увеличивается. Все это приводит к прогреву МПС, его
неустойчивости и, как следствие, ведет к его разрушению. При этом верхняя граница МПС пе-
ремещается вниз, а предельная минимальная толщина МПС практически равна высоте расположения нижней образующей труб подогревателя над днищем емкости.
Экспериментальные данные для процесса подогрева и поддержания температуры по средней теплоотдаче обобщаются зависимостью
Ш ,,ж = 0,135 • Яа Уж (Цж/Цс )0,17. (1)
В процессе охлаждения жидкости в емкости средний коэффициент теплообмена можно рассчитать по уравнению, которое обобщает экспериментальные данные, полученные на лабораторной установке:
Ки^,ж = 0,844• Яау,ж°,235(цж/цс)°Д7 . (2)
Проведенные эксперименты и полученные зависимости (1)-(2) позволяют определить тепловые потери при перевозке высоковязких нефтепродуктов в диапазоне 6-107 < ЯаУ,ж < 4 • 1012 и 5 < Ргж < 2 • 104.
Зная тепловые потери при транспортировке нефтепродуктов, можно оптимизировать технологическую схему транспортировки, рассчитать систему путевого подогрева, оптимальную толщину теплоизоляционного слоя и тем самым снизить затраты на транспортировку, связанные с перерасходом энергии на разогрев груза в пункте разгрузки. Теоретические исследования,
проведенные нами, показали, что для цистерн цилиндрической формы вместимостью до 30 000 л наиболее перспективным выглядит использование путевого подогрева и теплоизоляции одновременно. Таким образом, мощности путевого подогрева достаточно от 5 до 15 кВт, в зависимости от объема транспортной емкости. При использовании путевого подогрева совместно с теплоизоляцией достаточно подогревателя мощностью 5 кВт, сопротивление теплоизоляционного слоя должно быть равным 0,2 м2-К/Вт.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Селиванов Н. В. Теплообмен высоковязких жидкостей в емкостях: моногр. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2001. - 231 с.
2. Щербаков А. З. Транспорт и хранение высоковязких нефтей и нефтепродуктов с подогревом. -М.: Недра, 1981. - 220 с.
3. Плохов А. В. Совершенствование метода расчета и проектирования систем подогрева груза на речных нефтеналивных судах на основе исследования теплообмена при подогреве вязких нефтепродуктов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Горький, 1974. - 32 с.
Статья поступила в редакцию 8.09.2009
RESEARCH OF THE PROCESSES OF HEAT EXCHANGE
AT TRANSPORTATION OF HIGH-VISCOSITY LIQUIDS
N. V. Selivanov, K. B. Andris
The experimental researches of heat exchange at transportation of high-viscosity liquids are described. The process of free convection, and also the influence of heating and fluctuations on the process of heat exchange in tanks of the cylindrical form are considered in details. The equations generalizing experimental data are given.
Key words: heat exchange, free convection, heating, fluctuations, high-viscosity liquids.
