CC BY
46
УДК 536.24
Н. В. Селиванов, С. Н. Головчун, И. С. Берёзина
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ТЕПЛОМАССООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКУ ПРОЦЕССА ПОДОГРЕВА ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Введение
Поиск и внедрение эффективных и энергосберегающих технологий на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях является приоритетным направлением развития отечественной промышленности. С одной стороны, это обусловлено ужесточением экологических нормативов, а с другой - резким повышением мировых цен и объемов потребления топлива. Добыча нефти и её дальнейшая переработка включают в себя множество технологических процессов. Одним из таких этапов по переработке и хранению нефтепродуктов является процесс подогрева высоковязких жидкостей. Необходимость подогрева связана с тем, что для транспортировки, хранения и переработки высоковязких жидкостей должен поддерживаться определенный температурный режим, при котором вязкость будет оптимальной для перекачки. При этом в большинстве случаев используются старые технологии, которые приводят к огромным тепловым потерям. Например, на ТЭЦ в резервуарах с мазутом поддерживается температура не ниже температуры слива, для этого приходится греть весь объем, хотя для производственного цикла требуется лишь небольшая часть от всей массы. Необходимость подогрева всего количества жидкости приводит, в свою очередь, к огромным потерям через ограждающие поверхности. Они могут составлять от 20 до 30 % всей теплоты, расходуемой на подогрев. Более эффективным способом является применение системы крупнопорционного разогрева жидкости [1].
При этом способе греется лишь среда над нагревателем и на определенной высоте над ним она отбирается (рис. 1).
Рис. 1. Система крупнопорционного подогрева высоковязких жидкостей:
1 - нагревательный элемент; 2 - собирающая емкость; 3 - труба отбора разогретого нефтепродукта
Таким образом, на подогрев затрачивается лишь необходимое количество топлива, и резко сокращаются потери через ограждающие поверхности. Но для того чтобы такой метод подогрева был эффективным, нужно знать, на какой высоте над нагревателем следует производить отбор подогреваемой среды. Для того чтобы разрешить эту задачу, необходимо рассмотреть тепломассообмен и гидродинамику в следе над источником тепла. Это позволит определить температуру и расход подогреваемой среды на той или иной высоте над нагревателем. С учетом этого можно будет определить основные параметры системы локального подогрева, такие как диаметр паропровода, давление пара, количество труб нагревательного элемента.
В качестве источника теплоты нами рассмотрен разогрев топлива нагревательным элементом с заданной температурой поверхности (паром). При этом разогрев паром рассматривается как процесс образования факела от линейного источника [2]. С учетом этого основные дифференциальные уравнения, полученные с помощью метода автомодельности, при заданной температуре нагревателя принимают вид [3]:
(1)
V/ . 12
г
Граничные условия:
0" + уРг[/ 6 + уе'] = 0. (2)
Л = 0, 0(0) = / (0) = / "(0) = 0,0(0) = 1, где Л = (у / х )• ^Ог- переменная подобия; х, у - продольные и поперечные координаты;
13 2
Ог = gРЛt—- - число Грасгофа; g - ускорение свободного падения, м/с ; Р - температурный V2
коэффициент объемного расширения, 1/°С; Лt - разность температур, °С; I - характерный размер, длина, м; V - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; Дл) - безразмерная функция
тока; 9(п) = ———— безразмерная температура; ^ - температура на центральной линии факела,
ts _
°С; ta - температура окружающей среды, °С; t - текущая температура, °С.
Решения дифференциальных уравнений получены численно по стандартной программе в системе МаШСАБ методом пристрелки. Результаты расчетов согласуются с уже ранее известными решениями [4-9], что свидетельствует об их достоверности.
В результате анализа полученных данных были найдены зависимости от числа Прандтля для следующих величин [10]: безразмерный массовый расход на единицу длины (формула 3),
среднеинтегральная температура вдоль центральной линии над линейным источником
для теплового (формула (4)) и динамического слоев (формула (5)):
— = 1,3799 • Рг _0,1399 , (3)
I
0т = 0,126Рг0 0201 , (4)
0д = 0,5533Рг _0,4104. (5)
Зависимости (3), (5) позволяют определить массовый расход и среднюю температуру нагреваемой жидкости при заданной высоте над источником теплоты. Для этого нужно задать исходные данные:
_ вид жидкости;
_ начальную температуру подогреваемой жидкости tгр, °С;
_ диаметр трубопровода Д мм;
_ давление пара Р, бар.
Вид и начальную температуру жидкости определяют для конкретного предприятия из условий, а диаметр труб и давление пара выбирают исходя из режима нагрева, т. е. с учетом того, какую температуру и какой массовый расход должна обеспечивать система нагрева. Следовательно, необходимо исследовать влияние параметров В, Р на динамику процесса подогрева высоковязких жидкостей.
Для анализа влияния давления пара были приняты следующие исходные данные:
_ диаметр паропровода В = 45 мм;
_ начальная температура подогреваемого нефтепродукта tгv = 45 °С;
_ нефтепродукт - мазут марки М100.
Задача состояла в том, чтобы проанализировать изменение параметров тепломассообмена и гидродинамики при фиксированном диаметре трубопровода и начальной температуре подогреваемого нефтепродукта при различных значениях давления пара (2, 4, 6 бар).
Расчеты позволили получить зависимости удельного массового расхода и средней температуры подогреваемой жидкости на определенной высоте над нагревателем при различных значениях давления пара (рис. 2).
т/1, кг/мс
к, м
а б
~0— Р = 2 бар; —ЕЗ— Р = 4 бар; —А— Р = 6 бар
Рис. 2. Зависимость от высоты над нагревателем при различных значениях давления пара: а - удельного массового расхода; б - среднемассовой температуры
Для анализа влияния диаметра паропровода на процесс подогрева были приняты следующие исходные данные:
_ давление пара Р = 4 ата;
_ соответствующая этому давлению температура пара Гпара = 142,62 °С;
_ начальная температура подогреваемого нефтепродукта ^ = 45 °С;
_ нефтепродукт - мазут марки М100.
В данном случае задача заключалась в том, чтобы проанализировать изменение параметров тепломассообмена и гидродинамики при фиксированном давлении пара и начальной температуре подогреваемого нефтепродукта при различных значениях диаметра паропровода (38, 45, 55 мм).
В результате расчетов были получены зависимости удельного массового расхода и средней температуры подогреваемой жидкости на определенной высоте над нагревателем при различных значениях диаметра паропровода (рис. 3).
к, м к, м
а б
О В = 38 мм; ЕЗ- В = 45 мм; А- В = 55 мм
Рис. 3. Зависимость от высоты над нагревателем при различных значениях диаметра паропровода: а - удельного массового расхода; б - среднемассовой температуры
Опираясь на полученные результаты, можно проектировать эффективные системы подогрева полива.
Заключение
По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
— с ростом давления пара удельный массовый расход увеличивается, как и с увеличением диаметра паропровода;
— влияние диаметра нагревательного элемента на удельный расход подогреваемого нефтепродукта не столь значительно, как изменение давления пара;
— чем больше высота над нагревателем, тем влияние параметров D, P становится более значительным в обоих случаях;
— с ростом давления и диаметра паропровода среднемассовая температура жидкости над нагревателем увеличивается;
— при различных значениях давления значения среднемассовой температуры нагреваемой жидкости на небольшой высоте (менее 0,5 м) сильно различаются, а при росте координаты над нагревателем это влияние не столь велико и температура убывает не столь стремительно;
— при различных значениях диаметра паропровода значения среднемассовой температуры над нагревателем отличаются друг от друга незначительно, что объясняется особенностями теплообмена от труб (с увеличением диаметра трубы площадь теплообмена растет, а коэффициент теплопередачи, наоборот, уменьшается;
— учитывая, что вязкость для мазута М100 имеет значение, позволяющее перекачку при температуре 55-60 °С, можно заключить, что собирающую емкость для разогретого нефтепродукта в обоих случаях можно размещать на высоте от 0,5 до 1 м.
— полученные результаты позволяют определить оптимальные параметры системы подогрева высоковязких жидкостей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. РФ на полезную модель № 65622. Устройство для нагревания нефтепродуктов / Селиванов Н. В., Головчун С. Н.
2. Селиванов Н. В., Головчун С. Н. Тепломассообмен и гидродинамика в следе над линейным источником тепла // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: сб. материалов докл. 5 школы-семинара молодых ученых и спец. академика РАН В. Е. Алемасова. - С. 53-56.
3. Джалурия Й. Естественная конвекция: тепломассообмен. - М.: Мир, 1983. - 134 с.
4. Зельдович Я. Б. Предельные зоны свободно восходящих конвективных потоков // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1937. - Т. 7, № 12. - С. 1463.
5. Schun H. Boundary layers of temperature. Sec. B. 6 of W. Tollmien, Boundary layers // British Ministry
of Supply: German Document Centre, Ref. 3220 T. - 1948.
6. Yih C. S. Laminar free convection due to a line source of heat // Trans. Am. Geophys. Un. - 1952. - 33. - 669.
7. Fujii T. // Int. J. Heat Mass Transfer, 1963. - 6. - 597.
8. Spalding D. B., Cruddace R. G. // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1961. - 3. - 55.
9. GebhardB. et al. // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1970 - 13. - 161.
10. Селиванов Н. В., Головчун С. Н. Исследование процесса подогрева нефтепродуктов при различных
типах нагревательного элемента // 6-й Минский междунар. форум по тепломассообмену ГНУ «ИТМО им. А. В. Лыкова» НАНБ, 19-23 мая: сб. докл. - Минск, 2008. Раздел 6-35. - 10 с.
Статья поступила в редакцию 8.10.2008
RESEARCH OF INFLUENCE OF PARAMETERS OF THE HEATING ELEMENT ON HEAT-MASS EXCHANGE AND HYDRODYNAMICS OF THE PROCESS OF HIGH-VISCOSITY LIQUIDS HEATING
N. V. Selivanov, S. N. Golovchun, I. S. Berezina
The dynamics of the process of high-viscosity liquids heating by means of the heating element with the set temperature of a surface is studied. Taking into consideration lacks of traditional ways of mineral oil heating, the original system large-scale initial heating of fuels is offered. The linear source - steam heating is considered as a heater. The solution of the automodel equations, describing heat-mass exchange and hydrodynamics, helped to find the mass consumption and the temperature of liquid depending on height over a source. The influence of pipe diameter and steam pressure upon dynamics of the heating process is analyzed.
Key words: hydrodynamics, high-viscosity liquids, heating element, large-scale initial heating.
