Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1261 вуз, 4603 предмет.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
ac3402546@gmail.com Направление обучения: транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов группа ВН (Вечерняя форма обучения) Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина
Предмет:
Термодинамика и теплопередача
Файл:

Термодинамика и теплопередача в технологических процессах нефтяной и газовой промылшенности

.pdf
Скачиваний:
134
Добавлен:
01.06.2021
Размер:
7.08 Mб
Скачать
☆

Теплопередача 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:

222

Часть 2

 

 

уравнение теплового баланса

Q = η Q = Q

;

(2.245)

1

2

 

 

обобщенное уравнение теплопередачи при переменных температурах

Q = kF Θ

m

,

(2.246)

 

 

 

где η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду, η = 0,95–0,98.

Уравнения теплового баланса (2.245) и теплопередачи при переменных температурах (2.246) справедливы для всех типов рекуперативных ТА любого назначения (нагреватели, холодильники, испарители, конденсаторы и кристаллизаторы).

Но при этом следует учитывать, то что тепловые потоки определяются для каждого из указанных типов рекуперативных ТА по различным расчетным соотношениям, учитывающим специфику теплообмена (таблица 2.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.2

 

Расчетные соотношения по определению тепловых потоков,

 

 

переданных горячим Q и полученных холодным

Q

2

теплоносителями

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Типы

Характеристики тепло-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

носителей на входе и вы-

 

 

 

 

Расчетные соотношения

 

 

ТА

 

 

 

 

 

 

ходе из ТА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Конвек-

Агрегатное состояние

 

Q = G c

pm1

(t − t

2

) =W

 

t ;

тивные

теплоносителей в ТА

 

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

не меняется

 

Q = G c

pm2

(τ

2

− τ ) =W

τ.

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

На входе – перегретый

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ж

 

 

 

 

пар, на выходе – переох-

Q1 = G1 [cpm1

(t1 − ts1) + r1 + cpm1 (ts1 − t2 )];

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лажденный конденсат

 

Q = G c

pm2

(τ

2

− τ ) =W

τ,

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

где cп

 

, cж

 

– средние удельные изобарные те-

 

 

pm1

 

pm1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плоемкости горячего теплоносителя в газооб-

 

 

разном

и

жидком состоянии, t

s1

– температура

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

конденсации горячего теплоносителя

 

 

Конден-

На входе – насы-щенный

 

Q

= G [r x + cж

 

(t

s1

− t

2

)];

саторы

пар, на выходе – переох-

 

 

1

 

 

1

 

1

1

 

 

pm1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лажденный конденсат

 

Q = G c

pm2

(τ

2

− τ ) =W

τ,

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

где x1

– степень сухости насыщенного пара на

 

 

входе в ТА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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′).

224

Часть 2

 

 

На первом этапе конструктивного теплового расчета ТА определяется мощность теплообменного аппарата (таблица 2.2).

По формуле (2.202) рассчитывается коэффициент теплопередачи k, при этом, коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю (α1, α2 ), а также значения термических сопротив-

лений загрязнений и стенки теплообменной трубы находятся по справочной литературе.

Конструируемый или выбираемый стандартный теплообменный аппарат способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей, если его индекс противоточности P при заданных температурных режимах и водяных эквивалентах теплоносителей больше или равен минимальному индексу противоточности Рmin

P ≥ P .

(2.247)

min

 

Минимальный индекс противоточности ТА определяется только температуратурными режимами теплоносителей [2] и находится по соотношению

Pmin =

(t1 − τ1 ) (τ2 − t2 )

,

(2.248)

(t

− t

2

) (τ

2

− τ )

 

 

1

 

 

1

 

 

где t1, t2 – температура горячего теплоносителя на входе и выходе ТА;

τ1, τ2 – температура холодного теплоносителя на входе и выходе ТА.

Рассчитывается средняя разность температур для выбранной схемы движения теплоносителей (2.239), (2.240) и из уравнения (2.246) определяется расчетная площадь поверхности теплообмена

Fр =

Q

.

(2.249)

k Θ

m

 

 

 

 

Затем, оцениваются площади проходных сечений трубного и межтрубного пространства (при условии достижения оптимальных скоростей w движения теплоносителей)

f =

G

.

(2.250)

ρ w

 

На базе полученных расчетных значений площади теплообмена и проходных сечений, либо определяются расчетным путем геометрические характеристики теплообменного аппарата (число ходов, диаметр, длина, количество, схема расположения трубок, число сегментных перегородок и т. д.), либо из каталога выбирается стандартный теплообменный аппарат.

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

226

Часть 2

 

 

– межтрубному пространству

θмп =

kF

;

 

 

 

(2.256)

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мп

 

 

 

 

 

 

 

 

θтп

 

=

θмп

 

 

 

θ

=

 

 

 

4. Средний температурный напор

 

 

 

 

t(τ)

тп

 

t(τ)мп

.

(2.257)

Для 2-, 4- и 6-ходовых одиночных кожухотрубных ТА для определения водяного эквивалента поверхности теплообмена (2.255) достаточно вычислить степень передачи теплоты по трубному пространству

 

ln

2

−U − S

 

θтп = −εтп

 

 

 

 

2

−U + S

,

(2.258)

 

 

 

 

 

 

S

 

где промежуточные параметры U и S определяются по формуле:

U = ε

тп

(1+ ω), S = ε

тп

1+ ω2 .

(2.259)

 

 

 

 

На стадии проектирования (конструктивный расчет) по известным значениям температур на входе и выходе из ТА и расходов теплоносителей оп-ределяют тепловую мощность аппарата Q (таблица 2.2). Затем максимальный температурный напор θmax и (к примеру) функцию эффективности по трубному пространству εтп (2.252). Далее вычисляется степень передачи теплоты по трубно-

му пространству θтп (2.256) и средний температурный напор θ (2.257).

В итоге водяной эквивалент поверхности теплообмена вычисляется из обобщенного уравнения теплопередачи

kF =

 

Q

 

.

(2.260)

 

 

 

 

 

θ

 

В поверочном расчете, в отличие от методики Н.И. Белоконь, вначале рассчитываются конечные температуры теплоносителей.

Определяем действительную степень передачи теплоты по трубному пространству θтп,д по формуле (2.255), решаем уравнение (2.258) относительно эф-

фективности аппарата по трубному пространству εтп,д и по уравнению (2.252)

находим действительный перепад температур теплоносителя в трубах. В итоге имеем

t2,д= t1 − tд = t1 −εтп,д θmax .

(2.261)

Далее по уравнению баланса теплоты находим действительные тепловую мощность ТА и температуру холодного теплоносителя на выходе.

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.

228

Часть 2

 

 

а

б

Рис. 2.46. Условная схема эксплуатационной скважины:

1 – устье; 2 – колонна насосно-компрессорных труб; 3 – обсадная колонна; 4 – цементн ый камень; 5 – пакер; 6 – забой; 7 – горная порода;

8 – установка погружного насоса

Дросселирование вызывает нагрев жидкости (нефти и воды) и охлаждение газа. Из-за различных значений коэффициентов Джоуля-Томсона для нефти, газа и воды (таблица 1.4), а также соотношения их массовых долей возм ожно как охлаждение, так и нагрев потока.

Если добыча скваж инной продукции ведется с применением ус тановки погружного оборудования, то при подъеме жидкости необходимо рассматривать тепловые процессы, которые возникают при работе этого оборудова ния.

На участке скважи ны в интервале работы установки погружн ого центробежного насоса с электроприводом (УЭЦН) наблюдается подвод теплоты к жидкости от электр одвигателя, электрического кабеля и центробежного на-

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)

230

Часть 2

 

 

При подъеме по стволу скважины жидкость охлаждается, отдавая теплоту окружающей горной породе

δQж−гп = (t − tгп ) d(kF),

(2.265)

где t – температура добываемой нефти, оС; tгп = θ0 + Г h

– естественная тем-

пература породы на глубине h, оС; k – коэффициент теплопередачи от жидкости

к

горной породе; F = π d x – площадь поверхности теплопередачи, м2;

d

– внутренний диаметр подъемных труб, м; x – расстояние от забоя ( H )

до глубины h , м; Г – геотермический градиент, оС/м.

На отдельных участках возможно нагревание (охлаждение) жидкости за счет подвода теплоты (или отвода) от источников (стоков) теплоты.

В качестве источников (стоков) теплоты можно рассматривать явления выделения теплоты от скважинного оборудования (УЭЦН, электрокабель), разгазирования нефти или растворения газа в нефти. На элементарном участке скважины длиной dx тепловой поток можно выразить через произведение линейного теплового потока qℓ и длину участка

δQист = qℓ dx.

 

 

(2.266)

Изменение энтальпии в единицу времени для любой скважинной продукции

dH = G c

p

dt − G c

p

D

h

dp ,

(2.267)

 

 

 

 

 

где dp – уменьшение давления на участке, МПа.

 

 

 

При движении потока к устью, располагаемая потенциальная

работа

в единицу времени расходуется на изменение высоты центра тяжести потока (потенциальной энергии) и скорости c (кинетической энергии)

c2

 

 

δW = G g dx + G d

 

.

(2.268)

 

 

2

 

 

 

 

 

Принимая значения коэффициентов по длине элементарного участка dx постоянными, а давление и скорость жидкости линейно зависящими от длины участка, с учетом выражений (2.262) ÷ (2.267), получаем дифференциальное уравнение I начала термодинамики в виде

− [t − θ0 − Г (H − x)] π d k dx + qℓ dx =

 

 

 

 

 

 

c2

.

(2.269)

= G c

p

dt − G c

p

D

h

dp + G g dx + G d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Соседние файлы в предмете Термодинамика и теплопередача
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности