2482

Элементарный объем жидкости dV , прошедшей через отверстие за бесконечно малый промежуток времени dt, рассчитывают по формуле

где H – глубина жидкости в сосуде в данный момент времени;s – эффективное проходное (сливное) сечение отверстия.

Глубину Н в течение времени dt считают постоянной. В действительности за это время уровень жидкости в сосуде опустится на величину dH и объем жидкости в нем изменится на dV SdH (S – площадь жидкости для ци-

линдрического вертикального резервуара диаметром d, она равна d2 /4). Знак «минус» взят потому, что с течением времени глубина Н уменьшается и, следовательно, dH будет отрицательной.

Вследствие неразрывности потока

s2gHdt SdH,

где Hн – глубина жидкости в сосуде до начала истечения.

Меняя пределы интегрирования в правой части, принимая коэффициент расхода const и вынося постоянные за знак интеграла, будем иметь

Формула (8.15) применима также к случаю истечения жидкости из отверстия в боковой стенке сосуда. При этом напор Hн (высоту столба жидкости)

отсчитывают от центра отверстия.

121

В качестве примера задачи на опорожнение сосудов переменного по высоте сечения определим время опорожнения железнодорожной цистерны (рис. 8.5), имеющей сливное отверстие А эффективным сечением s [37]. Приняв указанное на рисунке расположение координатных осей, получим

s 2g z

Врассматриваемом случае площадь поперечного сечения сосуда S представляет горизонтальную площадь свободной поверхности жидкости, находящейся в цистерне, соответствующую некоторому уровню z:

где L – постоянная длина цистерны; х – переменная величина, зависящая от значения ординаты z (уровня жидкости в цистерне).

Установим эту зависимость. Вертикальное поперечное сечение цистерны представляет собой окружность. Ее уравнение, отнесенное к началу координат, x2 z r 2 r2. Отсюда x 2 r z z2

и, следовательно,

Подставив полученное значение S в исходное уравнение, найдем

dt 2L2r z z2 dz ,

Рис. 8.5. Общий вид железнодорожной цистерны с нефтепродуктом

122

Вынесем постоянные за знак интеграла и переменим пределы

Сделав подстановку 2r z y, dz dy , после несложных преобразова-

ний в результате интегрирования получим окончательное выражение для определения времени опорожнения цистерны в секундах

Для железнодорожной цистерны модели 15-890 длиной L = 10,3 м, радиусом r = 1,2 м эффективным проходным (сливным) сечением отверстияs= 0,003 м2 (внешний цилиндрический насадок) и объёмом бензина 60 м3

время слива в t, согласно уравнению 8.20, составит 4850 с или 1,35 часа.

8.4. Истечение жидкости через сифонные трубопроводы

Трубопроводы, в которых жидкость движется при давлении ниже атмосферного, называют сифонными (сифон от греч. насос). Сифонные трубопроводы, применяемые для слива нефтепродуктов из цистерн, не имеют нижних сливных приборов. При транспортировке в цистернах нефтепродуктов с малой вязкостью (бензины, керосины, дизельные топлива) для предупреждения утечек и потерь топлива в цистернах нет нижних сливных устройств, поэтому топливо сливается через верхний колпак цистерны (верхний слив). Слив нефтепродуктов через горловину цистерны осуществляется сифонным способом.

Вначале нефтепродукт сливается в промежуточный (нулевой) резервуар, а из него насосами подается в хранилище. Для сифонного слива применяют специальные вакуумные установки.

Расчет сифонных трубопроводов осложнен из-за возможности возникновения в них кавитации. Кавитация (от лат. «cavitas» – полость) – явление образования в движущейся жидкости полостей, заполненных паром или газом. Она возникает в тех случаях, когда давление в каком-либо месте потока становится равным давлению насыщенных паров жидкости при данной температуре. При этом нарушается сплошность потока, а при определенных условиях (например, в сифонных трубопроводах) поток может быть разорван и движение жидкости прекратится.

Следовательно, устойчивая работа трубопроводов или гидравлических машин возможна только при отсутствии кавитации, т.е. когда абсолютное дав-

123

ление в любом живом сечении потока будет выше давления насыщенных паров жидкости при данной температуре

где pп – давление насыщенных паров жидкости при данной температуре.

Рассмотрим принципы расчета трубопроводов, работающих под вакуумом, на примере сифонного трубопровода.

Сифонным называют самотечный трубопровод, часть которого расположена выше уровня жидкости в сосуде (резервуаре), из которого подается жидкость [37, 61]. Простейшая схема сифонного трубопровода (сифона) в виде изогнутой трубы, соединяющей сосуды 1 и 2, представлена на рис. 8.6. Движение жидкости по трубопроводу осуществляется из верхнего сосуда в нижний за счёт перепада давления (напора) z. Величина z равна разности расстояний от плоскости сравнения до уровня жидкости в сосудах 1 и 2.

Сифонные трубопроводы используют в качестве водосбросов гидротехнических сооружений, для слива нефтепродуктов из цистерн, опорожнения водоемов, при прокладке водоводов через возвышенности. Для приведения сифона в действие его необходимо предварительно заполнить жидкостью. При надлежащей плотности стыков труб сифон продолжает работать как трубопровод и обеспечивает бесперебойное перетекание жидкости из одного сосуда в другой.

х

Рис. 8.6. Схема сифонного слива

Гидравлический расчет сифонного трубопровода делят на два этапа: сначала определяют предполагаемый расход, а затем проверяют выполнение условий его работоспособности.

124

Предполагаемый расход определяют так же, как и в обычном трубопроводе. Расход, полученный в результате расчёта, может быть действительным, если кавитация в сифоне отсутствует, или мнимым, если условия нормальной работы сифона не выполнены (см. неравенство 8.21).

Для проверки условий работоспособности сифона в нем выбирают сечение, где давление предположительно наименьшее («опасное» сечение). Такое сечение должно быть наиболее приподнято над уровнем жидкости сечения а-а 1 сосуда, а из равно приподнятых (если верхний участок трубопровода горизонтальный) – наиболее от него удаленным. Наиболее приподнятым и «опасным» над уровнем а–а жидкости будет сечение х–х (рис. 8.6).

Составим уравнение Бернулли для начального а–а и конечного х–х живых сечений потока [37]

где ра и рх – давление жидкости (нефтепродукта) в сечениях а-а и х-х; z x – вертикальное расстояние от сечения а-а до сечения х-х;

vx – средняя скорость жидкости в трубопроводе (в сечении х-х);

h a –x – потери напора на трение в трубе по длине на участке а-а и х-х.

Если px pп , сифон будет работать.

При расчете сифонов за величину pa принимают минимальное значение атмосферного давления в данной местности, а при определении потерь напора ha x учитывают увеличение эквивалентной шероховатости трубопровода с те-

чением времени.

За величину давления pп принимают давление насыщенных паров жидко-

сти при максимально возможной для данной местности температуре перекачки. Следовательно, проверка работоспособности сифона ведется в расчете на наихудшие из возможных условий.

При работающем сифоне теоретический объёмный расход жидкости в м3/c

125

F – площадь сечения трубопровода, м2.

Если сливать бензин объемом V = 60 м3 из горловины железнодорожной цистерны модели 15-890 при помощи сифонного трубопровода диаметром 10 см в промежуточный резервуар при среднем перепаде напора Z, равном 5 м, то теоретический расход, с учетом уравнения 8.24, составит 0,0077 м3/c, а время слива – 7790 с или 2,16 часа. Время слива в секундах определялось из выражения 8.9 (t = V / Q).

Контрольные вопросы

1.Как определить время слива нефтепродукта в с, если известен его объем в м3 и секундный объемный расход в м3/с?

2.Что называется насадком и с какой целью он применяется?

3.Что называют коэффициентом расхода? Чему он равен для отверстия в тонкой стенке, для насадка и сливного трубопровода определенной длины?

4.Как определяется время истечения (вытекания) нефтепродукта при переменном

напоре?

5.Что называют сифонным трубопроводом, какова методика его расчета и как он применяется при верхнем сливе нефтепродукта?

126

Наиболее часто применяют водяной пар, обладающий высоким теплосодержанием и теплоотдачей, легко транспортируемый и не представляющий пожарной опасности. Обычно используют насыщенный пар давлением 0,3 – 0,4 МПа, обеспечивая нагрев нефтепродукта до 80 – 90 °С.

Горячую воду применяют в тех случаях, когда ее имеется большое количество, так как теплосодержание воды в 5 – 6 раз меньше теплосодержания насыщенного пара.

Горячие газы имеют ограниченное применение, так как они отличаются малой теплоемкостью, низким коэффициентом теплоотдачи, а также трудно организовать их сбор; используются лишь при разогреве нефтепродуктов в автоцистернах и в трубчатых подогревателях на НПЗ.

Электроэнергия – один из эффективных теплоносителей, однако при использовании электронагревательных устройств необходимо соблюдать противопожарные требования. Обнаженная электрическая грелка с накаленной проволокой способна вызвать воспламенение паров нефтепродуктов. В этой связи электроподогрев применяется для нефтепродуктов с высокой температурой вспышки и главным образом для масел перед сливом их из вагонов-цистерн.

Существует несколько способов подогрева водяным паром: разогрев острым паром, трубчатыми подогревателями и циркуляционный подогрев.

Подогрев острым (открытым) паром заключается в подаче насыщенного пара непосредственно в нефтепродукт, где он конденсируется, сообщая нефтепродукту необходимое тепло. Этот способ применяют в основном для разогрева топочного мазута при сливе из железнодорожных цистерн. Недостаток данного способа – необходимость удаления в дальнейшем воды из обводнённого нефтепродукта.

Подогрев трубчатыми подогревателями заключается в передаче тепла от пара к нагреваемому продукту через стенки подогревателя. Здесь исключается непосредственный контакт теплоносителя с нефтепродуктом. Пар, поступая в трубчатый подогреватель, отдает тепло нефтепродукту через стенку подогревателя, а сконденсировавшийся пар отводится наружу, благодаря чему исключается обводнение нефтепродукта.

Циркуляционный подогрев основан на разогреве нефтепродукта тем же нефтепродуктом, но предварительно подогретым в теплообменниках. Циркуляционный подогрев применяют в основном при обслуживании крупных резервуарных парков, а также железнодорожных цистерн.

9.2. Конструкции подогревателей

По конструкции подогреватели в зависимости от назначения делятся на подогреватели при сливе нефтепродуктов из ёмкостей, подогреватели при хранении в резервуарах и подогреватели трубопроводов.

128

Подогреватели при сливе нефтепродуктов различаются по способу подогрева и типу транспортной емкости.

Для подогрева в железнодорожных цистернах применяют следующие подогреватели.

1)Подогреватели острым паром по конструкции представляют собой перфорированные трубчатые шланги, помещенные в толщу жидкости, пар поступает через отверстия в шлангах. Используются только для разогрева мазута, допускающего частичное обводнение.

2)Подогреватели глухим паром подразделяются на переносные и стационарные. Переносные помещают в цистерну только на время разогрева, а по окончании их извлекают (рис. 9.1). Стационарные находятся внутри цистерны постоянно (рис. 9.2). Подогреватели изготавливают из дюралюминиевых труб; состоят из трех секций, помещаемых в цистерну поочередно.

На рис. 9.1 показана цистерна с подогревателем нефтепродукта паром. Паровой подогреватель состоит из трех секций змеевиков – центральной 1 и двух боковых 2. В цистерну опускается вначале центральная секция, а затем заводятся боковые секции.

Рис. 9.1. Паровой змеевиковый подогреватель

Электрический подогрев применяют для снижения вязкости темных нефтепродуктов (мазута, масел). Общая мощность электронагревателей достигает

50 – 70 кВт.

Расчет электрических нагревателей сводится к определению его мощ-

ности:

где U – напряжение сети, В; I – сила тока, А.

129