книги из ГПНТБ / Кутыркин, В. А. Расчет параметров некоторых систем подогрева нефтепродуктов учебное пособие для курсов ИТР

Министерство речного флота РСФСР

Горьковский институт инженеров водного транспорта

В. А. Кутыркин, В. G. Цветков

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НЕКОТОРЫХ СИСТЕМ ПОДОГРЕВА

НЕФТЕПРОДУКТОВ

Учебное пособие для курсов ИТР

Горький

1974

ВВЕДЕНИЕ

Перевозка высоковязких и застывающих нефтепродуктов в неф­ теналивных судах, как правило, связана с применением различ­ ных способов подогрева, обеспечивающих снижение вязкости до

альные масла, а также некоторые светлые нефтепродукты / (напри­ мер, бензолы, имеющие температуру застывания ^з=Н-5°С).

Впервые подогрев высоковязких нефтепродуктов для облегче­ ния их транспортировки по трубопроводам был предложен рус­ ским инженером-механиком, впоследствии академиком, В. Г. Шу­ ховым и применен на построенном им в 1879 году для фирмы Лианозова нефтепроводе [5].

На речном транспорте нашей . страны нефтеподогрев начали применять в 1924 году, когда к началу навигации в Астрахани скопилось большое количество судов с парафинистыми мазутами, выгрузка которых была возможна только в жаркое время (тогда впервые были применены трубчатые змеевиковые паровые подо­ греватели переносного типа). Были срочно оборудованы средства­ ми подогрева нефтестанции, а некоторые баржи—стационарными системами подогрева. Первый на Долге опыт их использования был проведен на металлической нефтеналивной барже «Жар-пти­ ца», имеющей грузоподъемность 6550 т [1].

В настоящее время все суда, предназначенные для транспор­ тировки вязких нефтепродуктов, оборудованы системами подо­ грева.

Г ла в а I. ОЦЕНКА ПОТЕРЬ ТЕПЛА

ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Определение теплопотерь нефтеналивных судов является весь­ ма сложной задачей, поскольку в массе нефтепродукта процессы теплообмена происходят как путем чистой теплопроводности, так и конвекций. Затрудняют решение задачи особенности набора корпуса судна, на конструкциях и обшивке которого при перевоз­ ке вязких нефтепродуктов образуется застывшая корка.

В большой мере теплопотери зависят и от температуры нефте­ продукта. При высокой температуре усиливается конвекция неф­ тепродукта в танках и конвекция воздуха в подпалубном про­

3

странстве и в воздушных полостях судов с двойными бортами и днищем. Толщина застывшей корки при этом сравнительно мала. Кроме того, теплопотери увеличиваются и в связи с большой ве­ личиной температурного напора относительно внешней среды.. Ве­ личины теплопотерь судна зависят и от внешних метеорологиче­ ских условий-—температуры воды и воздуха, скорости и направле­ ния ветра, а также от скорости движения судна и скорости тече­ ния воды.

Особенно интенсивное охлаждение нефтепродукта наблюдает­ ся во время погрузки его в судно, когда он перемещается относи­ тельно поверхностей охлаждения, часть тепла здесь расходуется на повышение теплосодержания металла корпуса. При этом тем­ пература нефтепродукта снижается по сравнению с температурой в наливном трубопроводе на 10+15%. От успокоившегося нефте­ продукта к бортовым поверхностям тепло отводится в основном за счет естественной конвекции; к палубе—за счет лучеиспуска­ ния и конвекции в газовоздушной прослойке между зеркалом и палубой. Наконец, в сторону днища обвод тепла осуществляется в -основном за счет теплопроводности, так как охлаждаемые слои, имеющие более высокую плотность, находятся внизу. В принципе этот процесс нужно рассматривать как охлаждение твердого те­ ла. Однако ввиду особенностей конструкций корпусов судов, на­ личия судового набора, прорезывающего слои застывшего нефте­ продукта и оказывающего определенное влияние на интенсив­ ность теплопередачи, точное решение задачи весьма затрудни­ тельно и в настоящее время отсутствует. Это вынуждает прибе­ гать к различного рода ограничениям и упрощениям, допустимость которых приходится проверять экспериментально.

§ 1. Процесс теплопередачи от нефтепродукта к воде при одинарном днище с набором

Перевозимые речным транспортом вязкие нефтепродукты, как правило, имеют довольно высокие температуры застывания. В на­ стоящее время в соответствии с ГОСТом 10585—63 вырабатыва­ ются топочные мазуты марок 40, 100, 200, температуры застыва­ ния которых соответственно равны +10, +25 и +36°С.' Для мазутов тех же марок, изготовленных из высокопарафинистых нефтей, она еще выше и составляет +25, +42 и +42°С. Из­ вестно, что фактическая температура застывания в ряде случаев оказывается выше, чем это предусмотрено ГОСТом.

В большом количестве речным транспортом перевозится мангышлакская нефть. Она отличается значительным содержанием парафина и застывает при +36°С.

Температура верхних слоев воды в реке в течение навигации колеблется от близкой к 0°С (в весенний и осенний периоды) до +20+25°С. Слои разогретого при погрузке нефтепродукта, сопри­

4

лаждаются до температуры более низкой, чем температура засты­ вания, и становятся неподвижными. Нефтепродукты имеют до­ вольно низкий коэффициент теплопроводности, поэтому днище и борта корпуса судна как бы покрываются слоем изоляции. Судо­ вой набор пронизывает этот слой, состоящий из"застывшего и малоподвижного нефтепродукта, и способствует отводу тепла от масс нефтепродукта в забортную воду, выполняя роль тепловых мостов.

Таким образом, теплопередача к забортной воде осуществ­ ляется через стенку, состоящую из стальной обшивки с набором, покрытых слоем застывшего нефтепродукта. Теплоотдача От под­ вижных масс нефтепродукта к этой стенке определяется крите­ риальными уравнениями, полученными экспериментально. Так,:по М. А. Михееву [10] для вертикальных поверхностей

при 1•103< G rP r< ;l •Ю9

Здесь I— определяющий линейный размер, м\

X — коэффициент теплопроводности нефтепродукта, —- —

м-град

Для горизонтальной стенки, которой является днище, его зна­ чение рекомендуется [10] уменьшить на' 30%

Приведенные зависимости справедливы при установившемся свободном движении жидкости в большом объеме и без измене­

5

ния агрегатного состояния. Застывшая корка нефтепродукта пред­ ставляет собой дополнительное тепловое сопротивление, которое здесь не учитывается.

Точный аналитический расчет теплопередачи через днище и борта затруднителен, однако достаточно удовлетворительные ре­ зультаты можно получить, используя метод круговых тепловых потоков [13]. С этой целью выделяется элементарная расчетная

Поверхностное термическое сопротивление теплоотдачи от об- 1

J= 1 V

же пренебречь термическим сопротивлением обшивки корпуса и стального набора высотой менее 100 мм. Помимо этого, тепловое сопротивление слоя нефтепродукта, заполняющего профиль на­ бора, не учитывается и считается, что тепло передается через плос­ кие ребра с высотой, равной высоте стенки профиля, и шириной, равной ширине его полки. Решение сводится к учету дополни­ тельного потока тепла, создаваемого по существу плоским ребром, прорезывающим застывший нефтепродукт и обладающим по срав­ нению с ним примерно в 500 раз большим коэффициентом тепло­ проводности. Вследствие этого степень точности расчета в значи­ тельной мере зависит от высоты профиля набора и его формы. Зоны рассматриваются как проводники тепла, включенные парал­ лельно. Средняя величина коэффициента теплопередачи всей шпа­ ции равна

6

Рис. 1. Расчетная днищевая шпация (конструкция № 1)

7

т

г..............

009

.1

u_

Рис. 3. Конструкция № 3

8

соответственно на -конструкции №. 2, 3, 4. Естественно, что влия­ ние последних будет весьма незначительно (им можно прене­ бречь), а за расчетную принять шпацию конструкции № 1. Опре­ деляющим линейным размером здесь является расстояние между продольными балками, т. е. 1 = 0 ,6 м.

Используя формулы (1.1) — (1.4), находим, -что н — 9,2

Вт

.к2 град

а адН= 6,6- Вт м2 град

Рассматриваемуюшпацию разбиваем на семь зон (рис. 1). Принадлежность величины к зоне обозначаем в индексе римской цифрой, величины, относящиеся к застывшему нефтепродукту —

ли температура забортной воды ниже температуры застывания мазута, то он в зоне I под швеллером из-за охлаждающего эффек­ та швеллера и днища находится в застывшем состоянии. Тепло­ вой поток идет по прямым сначала через тепловое ребро, затем через слой застывшего мазута. Поскольку о3] — ост iV, теплопроходимость зоны определяется по выражению

9