ПЕРЕКАЧКА ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

С ПОДОГРЕВОМ

Для снижения гидравлических потерь при перекачке высоковязких нефтей и нефтепродуктов в ряде случаев используют подогрев. Трубопроводы, по которым транспортируют подогретые жидкости, называют горячими.

Хотя плотность вязких нефтей и нефтепродуктов зависит от температуры, ее изменениями во многих случаях можно пренебречь, считая ρ≅ ρ₀ = const. В то же время зависимостью ν(T) вязкости от температуры пренебрегать нельзя, поскольку от вязкости существенно зависит гидравлическое сопротивление транспортируемой жидкости.

Изменения кинематической вязкости ν (м²/с) нефтей и нефтепродуктов в зависимости от температуры T (⁰С) можно рассчитать по формуле Рейнольдса-Филонова:

в которой ν₁ − вязкость жидкости при температуре T₁ , а коэффициент κ (1 /⁰С ) зависит от индивидуальных свойств жидкости. Для определения κ достаточно знать вязкость ν₂ жидкости хотя бы еще при одном значении T₂ температуры:

В системе единиц СИ кинематическая вязкость ν измеряется в Стоксах (Ст): 1 Ст = 10^-4 м²/с; санти Стокс – это 1/100⋅Ст: 1 сСт = 10^-6 м²/с.

Удельная теплоемкость C_v (Дж/кг⋅⁰С) и коэффициент λ_н (Вт/м⋅⁰С) теплопроводности нефти или нефтепродукта хотя и зависят от температуры, но могут приближенно приниматься постоянными: С_v≈1900 ÷ 2100 Дж/(кг⋅⁰С ); λн. ≈ 0,1÷ 0,2 Вт/(м⋅⁰С).

Теплоемкость трубы, в которой течет нефть или нефтепродукт, определяется теплоемкостью материала, из которого эта труба изготовлена. Теплоемкость трубной стали сравнительно невелика: С_ст ≈500 Дж/(кг⋅⁰С ), но коэффициент λ_ст. ее теплопроводности во много раз больше коэффициента теплопроводности нефти: λ _ст ≈ 40 ÷50Вт/(м⋅⁰С).

Окружающий трубопровод грунт (при подземной прокладке) по своим теплофизическим свойствам может быть весьма разнообразным. Коэффициент λ_гр. теплопроводности грунта равен в среднем λ_гр. ≈ 1 ÷ 2Вт/м⋅⁰С, но может лежать и вне этого диапазона. Для сухих грунтов он значительно меньше, чем для влажных и тем более для сильно обводненных.

Коэффициенты теплопроводности λ_из.изоляционных материалов также сильно зависят от конкретных свойств изоляции и могут изменяться от 0,02 до 0,2 Вт/(м⋅⁰С).

Распределение T(x) температуры нефти или нефтепродукта, имеющей плотность ρ , в стационарном режиме перекачки с расходом Q определяется

где T₀ =T(0) − температура жидкости в начале участка трубопровода;

T_нар −наружная температура (то есть температура окружающей среды);

ρ − плотность жидкости;

d − внутренний диаметр трубопровода;

K − коэффициент теплопередачи от жидкости, текущей в трубопроводе, к окружающей среде.

Если в качестве окружающей среды рассматривается грунт (T_нар.− температура окружающего грунта), то K есть коэффициент теплопередачи от жидкости в грунт; если же в качестве окружающей среды рассматривается воздух на поверхности земли (T_нар.−  температура воздуха), то K есть коэффициент теплопередачи от жидкости, текущей в трубопроводе, в атмосферу. В системе СИ коэффициент K измеряется в Вт/ (м² ⋅⁰С)

Для расчета коэффициента K теплопередачи для трубопровода с несколькими слоями изоляции обычно используют формулу

где λ_s − коэффициенты теплопроводности стенки трубы и концентрических слоев изоляции; D_s+1, D_s − наружный и внутренний диаметры трубы и слоев изоляции;

D, D_нар − наружный диаметр трубы и последнего слоя изоляции, соответственно;

α₁ − коэффициент теплоотдачи от ядра потока нефти или нефтепродукта на стенки трубы, Вт/ (м² ⋅⁰С) ;

α₂ − коэффициент теплоотдачи от трубы в грунт (или от поверхности грунта в окружающий воздух), Вт/ (м² ⋅⁰С) .

Коэффициент α₁ теплоотдачи от ядра потока жидкости на стенки трубы зависит от гидродинамической структуры течения. В среднем этот коэффициент может изменяться от 50 до 300 Вт/ (м² ⋅⁰С) .

Коэффициент α₂ теплоотдачи через грунт в окружающую среду зависит от многих факторов - от свойств самого грунта и от условий съема тепла на поверхности земли; его значения могут составлять 1,0 ÷10,0 Вт/ (м² ⋅⁰С).

Задача 5

По нефтепроводу (D =1020 ×10 мм) транспортируют  нефть ( ρ = 850 кг/м³, C_v = 2000 Дж/(кг ⁰С)) с расходом 2300 м³/ч и температурой начального подогрева T = 650 ⁰C.

Температура Tнар. грунта на глубине заложения трубопровода составляет 8 ⁰С, а суммарный коэффициент K теплопередачи от нефти в грунт равен 1,25 Вт/(м²·⁰С). Определить температуру нефти посредине и в конце 100-км перегона между станциями подогрева. Выделяющимся теплом внутреннего трения пренебречь.

Решение:

Для решения задачи используем формулу В.Г. Шухова.

Подставив в нее исходные данные, получим:

или

Для x = 50000 м имеем:

T(50000) = 8 + 57⋅ exp(−0,36⋅10⁻⁵ ⋅50000) ≅ 55,6 ⁰С.

Для x = 100000 м имеем:

T(100000) = 8 + 57⋅ exp(−0,36⋅10⁻⁵ ⋅100000) ≅ 47,8 ⁰С.

Ответ. 55,6 и 47,8 ⁰С.

Задача 6

Нефтепровод (D=1020×10 мм) покрыт слоем антикоррозийной битумной изоляции (δ_из= 8 мм, λ_из= 0,7 Вт/(м·⁰С)). Считая коэффициент α₁ теплопередачи от нефти к стенке трубы и теплопроводность металла трубы бесконечно большими, а также полагая коэффициент α₂ теплопередачи через грунт в окружающее пространство

равным 2,0 Вт/(м²·⁰С), оценить толщину δ_∗ дополнительного слоя тепловой изоляции (λ_∗ = 01, Вт/(м·⁰С)), которую необходимо нанести на трубопровод, чтобы общий коэффициент K теплопередачи от нефти в окружающее пространство уменьшился вдвое по сравнению со случаем отсутствия такой изоляции.

Решение:

В данном случае можно использовать формулы:

а) Для случая отсутствия тепловой изоляции:

б) Для случая дополнительной тепловой изоляции:

Подставляя в каждую из этих формул численные значения параметров из условия задачи, получаем:

откуда находим: K₁≅1,986, Вт/м²·⁰С.

б) Поскольку K₂=0,5⋅K₁=0, 993 Вт/м²·⁰С, то имеем:

откуда находим: D_∗≅ 1,443 м ⇒ δ_∗ = 0,5 ⋅ (D_∗ − D₁) = 0 ,054 м или 54 мм.

Ответ. 54 мм.