теор / Термодинамика и теплопередача, Калинин, Купцов, Лопатин
.pdfТеплопередача в технологических процессах… |
221 |
|
|
Коэффициент оребрения находится в пределах от 7,8 до 23,8. Это связано с тем, что коэффициент теплоотдачи от природного газа к внутренней поверхности теплообменных труб значительно выше коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности труб в окружающую среду.
Оребрение выполняют глубокой спиральной накаткой труб из деформируемого алюминиевого сплава, а также завальцовкой в спиральную канавку на трубе или приваркой металлической ленты или напрессовкой ребер (рисунок 2.45)
Рис. 2.45. Трубы с поперечным оребрением:
а – накатанным; б – завальцованным; в – напрессованным
Основные характеристики некоторых типов АВО, используемых на компрессорных станциях магистральных газопроводах страны представлены в таблице 2.1.
Основы теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов
Взависимости от постановки задачи тепловой расчет теплообменных аппаратов может быть конструктивным (расчеты первого рода) или поверочным (расчеты второго рода).
При конструктивном тепловом расчете известны: вид теплоносителя, температуры теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата, а также расходы теплоносителей. Определяют тепловую мощность и площадь поверхности теплообменного аппарата, с дальнейшим конструированием нового или выбором стандартного аппарата.
При поверочный тепловом расчете известны: тип, характеристика и геометрические размеры ТА, вид и расходы теплоносителей, а также температуры теплоносителей на входе в теплообменник.
Необходимо определить мощность теплообменного аппарата и температуры теплоносителей на выходе из теплообменника.
Воснову теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов положены:
|
|
|
|
Теплопередача в технологических процессах... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
223 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение таблицы 2.2 |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Типы |
|
Характеристики тепло- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
носителей на входе и вы- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчетные соотношения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ТА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
ходе из ТА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
На входе и выходе – на- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q = G r (x − x |
2 |
) ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
сыщенный пар, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q = G c |
pm2 |
(τ |
2 |
− τ ) =W τ, |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
где |
x |
, |
|
x |
2 |
|
– степень сухости насыщенного пара |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
горячего теплоносителя на входе и выходе из ТА |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
На входе – перегретый |
|
|
Q |
|
|
= G [cп |
|
|
|
|
(t |
|
− t |
s1 |
) + r (1− x |
2 |
)]; |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
пар, на выходе – насы- |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
pm1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
щенный пар |
|
|
|
|
Q = G c |
pm2 |
(τ |
2 |
− τ ) =W τ. |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
На входе – жидкость, |
|
|
|
|
|
|
Q = G c |
pm1 |
(t − t |
2 |
) =W |
|
t ; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
на выходе – перегретый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пар |
Q |
2 |
= G |
2 |
|
[cж |
|
|
(t |
s2 |
− τ ) + r |
+ cп |
|
(τ |
2 |
− t |
s2 |
)]. |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pm2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
pm2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
На входе – кипящая жид- |
|
|
|
|
|
|
Q = G c |
pm1 |
(t − t |
2 |
) =W |
|
t ; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
кость, на выходе – пере- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гретый пар |
|
|
|
|
|
|
|
Q |
2 |
= G |
2 |
[r + c |
п |
|
|
|
(τ |
2 |
|
− t |
s2 |
)]. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
pm2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
На входе – насыщенный |
|
|
|
|
|
|
Q = G c |
pm1 |
(t − t |
2 |
) =W |
|
t ; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
пар, на выходе – перегре- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тый пар |
|
|
Q |
2 |
|
= G |
2 |
[r (1− x ) + cп |
|
|
|
(τ |
2 |
− t |
s2 |
)], |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
pm2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
где |
x1 |
|
– |
степень |
|
|
|
сухости |
|
|
насыщенного |
|
пара |
– |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
на входе в ТА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ИспариНа входе – жидкость, |
|
|
|
|
|
|
Q = G c |
pm1 |
(t − t |
2 |
) =W |
|
t ; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
тели |
|
на выходе – сухой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
насыщенный пар |
|
|
|
|
|
|
|
Q |
2 |
= G |
2 |
[c |
ж |
|
|
(t |
s2 |
− τ ) + r ]. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pm2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
На входе –жидкость, |
|
|
|
|
|
|
Q = G c |
pm1 |
(t − t |
2 |
) =W |
|
t ; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
на выходе – насыщенный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пар |
|
|
|
|
Q |
2 |
|
= G |
2 |
|
[c |
ж |
|
(t |
s2 |
− τ ) + r x |
2 |
], |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pm2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
где x |
2 |
– степень сухости насыщенного пара – хо- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лодного теплоносителя на выходе из ТА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
На входе – кипящая жид- |
|
|
|
|
|
|
Q = G c |
pm1 |
(t − t |
2 |
) =W |
|
t ; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
кость, на выходе – насы- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
щенный пар |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q |
2 |
|
= G |
2 |
|
r x′′ . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
На входе и выходе – на- |
|
|
|
|
|
|
Q = G c |
pm1 |
(t − t |
2 |
) =W |
|
t ; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
сыщенный пар |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q2 = G2 r2 (x2 − x1′).
Теплопередача в технологических процессах... |
225 |
Целью поверочного расчета является, проверка соответствия, выбранного стандартного (сконструированного) теплообменного аппарата с требуемой тепловой мощностью и обеспечением конечных температур теплоносителей.
Действительная тепловая мощность сконструированного или выбранного стандартного теплообменного аппарата рассчитывается по формуле Н.И. Белоконь
QТА |
= |
|
|
|
|
2 ( t1 − τ1 ) |
. |
(2.251) |
||||
|
|
1 |
|
1 |
|
ek FТА Wm |
+ 1 |
|
|
|||
|
|
1 |
+ |
+ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
ek FТА Wm |
−1 |
|
||||
|
|
W W |
W |
|
|
|||||||
|
1 |
|
|
2 |
|
m |
|
|
|
|
|
Значение коэффициента теплопередачи k в уравнении (2.251) рассчитывается по уравнению (2.202); при этом коэффициенты теплоотдачи теплоносителей рассчитываются по критериальным уравнениям с учетом действительных скоростей теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве.
Действительные характеристики теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата (t2 , τ2 , x2 ) определяются из уравнения теплового баланса
(таблица 2.2).
Основной сложностью определения водяного эквивалента поверхности теплообмена kF или расчетной поверхности Fр (2.249) является вычисление сред-
ней разности температур теплоносителей θm (2.239) и (2.240) для сложных схем
движения в ТА.
В методиках теплового расчета кожухотрубных ТА, принятых в нефтеперерабатывающей промышленности водяной эквивалент поверхности теплообмена рассчитывают на основании введения следующих параметров.
1. Функции эффективности аппарата:
– по трубному пространству |
ε |
тп |
= |
|
t(τ)тп |
, |
(2.252) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
θmax |
|
||
– по межтрубному пространству ε |
|
= |
τ(t)мп |
, |
(2.253) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мп |
|
|
θmax |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где t = t |
− t |
2 |
; |
τ = τ |
2 |
− τ – изменение температур горячего и холодного теп- |
|||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
лоносителей; θ |
max |
= t |
1 |
− τ – максимальный температурный напор в ТА; |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Отношение водяных эквивалентов теплоносителей в трубном и меж-
трубном пространстве ω = |
τ(t)мп |
= |
Wтп |
; |
|
|
|
(2.254) |
t(τ)тп |
|
|
|
|
||||
|
|
Wмп |
|
|
|
|
||
3. Степень передачи теплоты по: |
|
|
|
|
||||
– трубному пространству |
|
θтп |
= |
kF |
, |
(2.255) |
Wтп
Теплопередача в технологических процессах... |
227 |
2.13. Температурный режим скважин
Особенности теплообмена в добывающей скважине
В технологических процессах добычи нефти и газа (рисунок 2.46) или закачки в пласт теплоносителя передача теплоты от скважинной продукции (теплоносителя) к горной породе осуществляется последовательно:
1 – вынужденной конвекцией в текучей среде (скважинная продукция, теплоноситель);
2 – теплоотдачей от текучей среды к стенкам колонны насосно-комп- рессорных труб (НКТ);
3 – теплопроводностью через стенки колонны НКТ; 4 – теплоотдачей от стенок колонны НКТ к флюиду в затрубном про-
странстве; 5 – свободной конвекцией флюида в затрубном пространстве. Если в зат-
рубном пространстве находится газ, то добавляется и теплообмен излучением; 6 – теплоотдачей от флюида в затрубном пространстве к стенкам колонны
обсадных труб (ОК); 7 – теплопроводностью через стенки ОК;
8 – теплопроводностью через цементный камень (ЦК);
9 – теплопроводностью в горной породе (ГП).
Совокупность этих тепловых процессов часто называют теплопередачей в скважине [9].
Процесс извлечения нефти или газа на поверхность происходит при изменении давления и температуры. Существенное уменьшение термобарических параметров наблюдается при подъеме нефти от забоя до устья скважины. Снижение давления ниже давления насыщения приводит к изменению состава продукции в скважине – происходит разгазирование нефти и образование нефтегазовых смесей. Обводнение пласта приводит к образованию еще более сложных смесей и скважинная продукция может представлять собой водонефтегазовую смесь.
При движении пластовой жидкости от забоя до устья скважины наблюдается отвод теплоты от скважинной продукции в породу из-за того, что, как правило, температура невозмущенной породы меньше температуры жидкости. Кроме этого, при подъеме жидкости происходит уменьшение давления.
В зависимости от соотношения пластового давления и термодинамических параметров насыщения на каком-то интервале движения потока начинается выделение газов из нефти, которое сопровождается также отводом теплоты.
Отвод теплоты от жидкости, сопровождающий два этих процесса приводит к уменьшению температуры потока по мере его подъема.
Снижение давления потока, которое вызвано трением, сопровождается эффектом дросселирования. Дроссельный процесс характеризуется коэффициентом Джоуля-Томсона Dh , который показывает, как изменяется температура
при уменьшении давления потока.
Теплопередача в технологических процессах... |
229 |
соса. Это оборудование выделяет теплоту, вследствие того, что, как и любое другое, оно работает с КПД меньше 1. Подвод теплоты от источников сопровождается увеличением температуры жидкости.
На приеме центробежного насоса допускается до 25% свободного газа по объему поступающего флюида. При значительном повышении давления и относительно небольшом увеличении температуры жидкости в насосе наблюдается полное растворение газа в нефти.
Растворение газа в нефти сопровождается выделением теплоты (таблица 2.3), что приводит к увеличению температуры жидкости в насосе.
Таблица 2.3
Ориентировочные значения удельной теплоты растворения [8]
№№ |
Газ |
rр, кДж/кг |
пп |
|
|
1 |
Метан |
150 (100 ÷ 200) |
2 |
Этан |
360 (310 ÷ 410) |
3 |
Пропан |
315 (230 ÷ 360) |
Теплота растворения углеводородных газов уменьшается с увеличением температуры и давления.
Свободный газ, попадающий в насос, подвергается сжатию. Как известно, сжатие газа обычно сопровождается существенным повышением его температуры.
Увеличение температуры при текущем давлении газа может не позволить ему раствориться в нефти, что может явиться причиной осложнения работы УЭЦН.
Совокупность рассмотренных процессов, сопровождающих подъем скважинный продукции, вызывает необходимость определения температуры потока по глубине скважины.
Расчет температуры, добываемой нефти, газа или любой скважинной продукции по стволу скважины от забоя до устья, в условиях квазистационарного процесса, базируется на совместном решении уравнений первого начала термодинамики для потока [9]
δQ = dH + δW , |
(2.262) |
и теплопередачи при переменных температурах |
|
δQ = d(kF θm ), |
(2.263) |
с учетом или без учета внутренних источников теплоты δQист . |
|
Элементарный тепловой поток, воспринимаемый жидкостью |
|
δQ = δQж−гп + δQист . |
(2.264) |