4.1. Вероятная температура нефтепродукта в резервуарах (емкостях) при хранении

Для тепловых расчетов при хранении и отпуске вязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов необходимо знать начальную температуру (перед подогревом), которая зависит от времени хранения, температуры окружающей среды, конструкции, габаритных размеров емкости и т.д. Так как учесть все факторы, от которых зависит температура нефтепродукта в резервуаре, практически невозможно, ее определяют с некоторой степенью вероятности (вероятная температура) по формуле

, (4.1)

где – вероятная температура нефтепродукта в конце периода хранения, ⁰С; – температура окружающей среды, ⁰С; – температура нефтепродукта, с которой он был залит в емкость, ⁰С; – коэффициент теплопередачи от нефтепродукта в окружающую среду, Вт/(м² град); F – полная поверхность охлаждения емкости, м²; – время хранения нефтепродукта, сут; G – масса нефтепродукта, т; – удельная массовая теплоемкость нефтепродукта, Дж/(кг К).

Средняя за время хранения температура нефтепродукта в емкости

. (4.2)

Температуру окружающей среды определяют следующим образом:

– для железнодорожных цистерн

, (4.3)

где – температура воздуха, К.

– для емкостей, находящихся в двух средах

, (4.3а)

где – поверхности емкостей, соприкасающиеся с разными средами, м²; – средние температуры этих сред, К.

Например, стенки надземных и полуподземных резервуаров вступают в контакт с грунтом и воздухом, стенки танкеров – с водой и воздухом.

Для подземных емкостей температура окружающей среды определяется как средняя температура грунта, соответствующая средней части заглубленной емкости.

Коэффициент теплопередачи от нефтепродукта в емкости (резервуаре) в окружающую среду определяют по выражению

, (4.4)

где – коэффициенты теплопередачи через днище, Вт/(м² К); –коэффициенты теплопередачи через стенку в области газового пространства Вт/(м² К); – коэффициенты теплопередачи через стенку в области жидкости, Вт/(м² К); – коэффициенты теплопередачи через крышу резервуара, Вт/(м² К); – площадь поверхности днища резервуара, м²; – площадь поверхности кровли (крыши) резервуара, м²; – площадь поверхности контактирующей через стенку в области газового пространства, м²; – площадь поверхности контактирующей через стенку в области жидкости, м².

Коэффициент теплопередачи через стенку емкости

, (4.5)

где – коэффициенты теплоотдачи от нефтепродукта к стенке емкости, Вт/(м² К); – коэффициенты теплоотдачи от наружной поверхности стенки в окружающую среду, Вт/(м² К); – коэффициенты теплоотдачи от стенки емкости радиацией, Вт/(м² К); – толщина стенки емкости, изоляции, мм; – коэффициент теплопроводности материала, стенки, изоляции, Вт/(м К).

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от нефтепродукта к вертикальной стенке емкости определяют по следующим формулам:

– при (ламинарный режим)

, (4.6)

где – коэффициент теплопроводности нефтепродукта, Вт/(м град).

– при (турбулентный режим)

, (4.7)

– для горизонтальных цилиндрических емкостей и труб при

(4.8)

Индекс «п» означает, что все физические характеристики нефтепродукты выбираются при средней температуре; индекс «ст» - физические характеристики выбираются при средней температуре стенки трубы или емкости.

Если отношение , среднюю температуру определяют как среднеарифметическую величину от начальной и конечной температуру нефтепродукта:

. (4.9)

Если отношение , среднюю температуру определяют как средне логарифмическую величину по формуле

. (4.10)

Так как в выражениях (4.9) и (4.10) конечная температура нефтепродукта является искомая величина , то при определении средней температуры нефтепродукта можно принять, что

, (4.11)

где – температура нефтепродукта, с которой он заливается (закачивается) в резервуар (емкость).

Среднюю температуру стенки резервуара определяют методом последовательных приближений по формуле

. (4.12)

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки в окружающую среду , Вт/(м² К), при вынужденной конвекции (обдувание емкости или надземного трубопровода ветром) определяют по формуле

, (4.13)

где – коэффициенты, величины которых зависят от .

Таблица 4.1

Зависимость коэффициентов и от

5 – 80	0,810	0,40
80 – 5 103	0,625	0,46
5 103 – 5 104	0,927	0,60
более 5 104	0,023	0,80

Коэффициент теплоотдачи радиацией от стенки горизонтальной емкости , Вт/(м² К), определяют по формуле

, (4.14)

где – постоянная Планка; – степень черноты поверхности стенки.

Таблица 4.2

Зависимость от материала и вида поверхности

Наименование
Алюминий шероховатый	0,055
Железо шероховатое	0,242
Железо литое необработанное	0,87…0,96
Сталь окисленная шероховатая	0,94…0,97
Чугун обточенный	0,6…0,7
Чугун шероховатый, сильно окисленный	0,95
Асбестовый картон	0,96
Кирпич красный шероховатый	0,93
Известковая штукатурка шероховатая	0,91
Сажа ламповая	0,95

Для полуподземных вертикальных цилиндрических резервуаров коэффициент теплоотдачи через стенку

, (4.15)

где – коэффициент теплопередачи через стенку в воздух, Вт/(м² К); – коэффициент теплопередачи через стенку в грунт, Вт/(м² К); –поверхность стенки резервуара, соприкасающиеся с воздухом, м²; –поверхность стенки резервуара, соприкасающиеся с грунтом, м².

Коэффициент теплоотдачи через стенку в воздух определяют по формуле (4.5), а в грунт – по выражению

, (4.16)

где – расстояние от поверхности грунта до днища резервуара (заглубление резервуара в грунт), м; – коэффициент теплопроводности грунта, окружающего резервуар, Вт/(м К); – коэффициент теплоотдачи от поверхности грунта в воздух, принимаем равным .

Для подземных горизонтальных цилиндрических резервуаров коэффициент теплоотдачи принимают приближенно равным коэффициенту теплоотдачи через стенку (см. формулу 4.4), в этом случае .

Коэффициент теплоотдачи определяют по формуле

, (4.17)

где R – радиус резервуара, м; – глубина заложения резервуара до оси, м.

Для железнодорожных цистерн при движении поезда коэффициент теплопередачи принимают равным коэффициенту теплопередачи через стенку (см. формулу 2.4), коэффициент теплоотдачи вычисляют по формуле (4.8), а коэффициент теплоотдачи – по формуле

, (4.18)

где – число Рейнольдса при обдувании цистерны ветром

, (4.19)

где – сумма скоростей ветра и поезда, , м/с; –наружный диаметр цистерны, мм; – длина котла цистерны, м.

Коэффициент теплопередачи через днище емкости, установленной на грунте, находят по следующей зависимости

, (4.20)

где – коэффициент теплоотдачи через днище емкости, определяемый по формуле (4.8); – толщина гидрофобного слоя, днища емкости, отложений, воды и т.д., мм; – коэффициенты теплопроводности указанных слоев, Вт/(м К); – диаметр резервуара, мм.

Коэффициент теплопередачи через крышу резервуара

, (4.21)

где – коэффициент теплоотдачи от зеркала нефтепродукта в газовое пространство резервуара:

– при

; (4.22)

– при

, (4.23)

где – температура зеркала нефтепродукта; – температура газового пространства резервуара ориентировочно принимают

, (4.24)

где – высота газового пространства резервуара, м; – эквивалентный коэффициент теплопроводности газовоздушной смеси, Вт/(м К), определяется по формуле

, (4.25)

где – коэффициент теплопроводности газовоздушной смеси, Вт/(м К), определяется по формуле

, (4.26)

где – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м К); – коэффициент теплопроводности паров нефтепродукта, Вт/(м К); – содержание паров нефтепродукта в газовом пространстве резервуара.

При отсутствии данных о величине допускается принимать .

Так как циркуляция жидкости в этом случае обусловлена разностью плотностей нагретых и холодных частиц газовоздущной смеси, данный конвективный теплообмен рассматривается как элементарное явление теплопроводности, характеризуемое коэффициентом конвекции , равным

. (4.27)

Если при расчете по формуле (4.27) получается, что , то принимается равным единице. В качестве линейного размера при вычислении параметра в данном случае берут высоту газового пространства резервуара . Физические константы газовоздушной смеси берут при ее средней температуре.

При отсутствии ветра коэффициент теплоотдачи от крыши в воздух определяют по формулам (4.22) или (4.23) с учетом разности температур . При наличии ветра коэффициент можно определить по формулам вынужденной конвекции или принять его равным .

Для резервуаров типа РВС (резервуар вертикальный стальной) при расчете внешней теплоотдачи Р.Ш. Латыповым рекомендовано пользоваться интегральным коэффициентом теплоотдачи, одновременно учитывающим теплоперенос как конвекцией, так и излучением. В результате обработки данных промышленных экспериментов получены следующие формулы для вычисления днем:

– область жидкости

; (4.28)

– область газового пространства

; (4.29)

– крыша

, (4.30)

где – высота взлива жидкости в резервуаре, м; – высота газового пространства, м; – критерий, характеризующий отношение теплового потока, получаемого стенкой за счет солнечной радиации, к конвективному потоку теплоты; – кинематическая вязкость воздуха, м²/с; – разность температур стенки (крыши) и воздуха, К

, (4.31)

где – температура воздуха днем, К.

Величина вычисляется по формуле

, (4.32)

где – интенсивность солнечной радиации в полдень с учетом облачности, Вт/м²; – плотность и удельная теплоемкость воздуха (см. приложение табл. 1); – температура стенки (кровли), К.

Расчеты интегрального коэффициента теплоотдачи в ночное время выполняются по следующим зависимостям:

– область жидкости

; (4.33)

– область газового пространства (стенка и кровля)

. (4.34)

Усредненная (за сутки) величина интегрального коэффициента теплоотдачи находится по формуле

, (4.35)

после чего находится полный коэффициент теплоотдачи через соответствующую поверхность (стенку, кровлю (крышу), днище) по формуле (4.4), в которой вместо подставляется .

При проведении ориентировочных расчетов для железнодорожных цистерн , а для резервуаров .