1470
.pdfРис. 11.3. Подземные компенсаторы:
I - Z-образный; II - трапецеидальный симметричный; III - трапецеидальный несимметричный. Места установки: а, б - около НТО, ТС, КС и ГРС; в - около перехода через препятствия; г - около камеры запуска или приема очистных устройств; д - на перемычке между двумя параллельными нитками; е - использо вание поворота трассы при выборе места примыкания отводящего трубопровода.
15. Б-762 |
449 |
При а > 90° отклонения д, и Д2 значительно превыш ают Д:
l + p,cosa |
_ |
р, + cosa , |
|
Ai = ----г— |
а ; Д2 |
—----------А. |
|
sin a |
|
|
sin a |
Для Z-образного участка |
|
|
|
г |
1 _ |
6AEDH |
|
lCT™aJ- |
g l (l + 12p,)’ |
||
где Д - суммарное удлинение (укорочение) продольных плеч £\и£'2. По данному методу рассчитывают надземные трубопроводы и
трубопроводы, проложенные в тоннелях.
При проектировании подземных и надземных (в насыпи) трубо проводов с большими температурными перепадами следует приме нять различного вида компенсаторы-упоры (П -, Г-, Z -образные, трапецеидальные симметричные и несимметричные). Наиболее час то применяют Z -образные компенсаторы (рис. 11.3).
Компенсаторы рекомендуется располагать на участках, сложен ных сухими рыхлыми грунтами, или засыпать рыхлыми податливы ми грунтами, обладающими малой удерживающей способностью против перемещений.
Расчет подземного компенсатора проводят исходя из максимального
продольного перемещения трубопровода \ в месте выхода его из грунта |
|
s |
(11.78) |
До |
|
EFY + P K ’ |
|
где S —эквивалентное продольное сжимающее усилие; у —характе |
|
ристика упругой работы грунта; т|к - жесткость |
компенсатора, т.е. |
усилие, возникающее в компенсаторе от единичного продольного перемещения.
При этом должно выполняться условие (критерий отсутствия
участка предельного равновесия грунта) |
|
|
|
YS |
(11.79) |
|
<1, |
|
’ПР |
14- Лк |
|
EFy |
|
|
|
|
|
где а ПР —предельное сопротивление грунта продольным перемеще ниям трубопровода.
Если это условие не выполняется, продольное перемещение тру бопровода следует определять по формуле
450
. |
S2+ ( o n, / y ) 2 |
(11.80) |
До |
. |
|
|
S TJR + E F c r np ч -^ Е Р ст р ц ,) + 2S -E F C T npT|K — (cJnpTiK / у ) |
|
Эквивалентное продольное сжимающее усилие S определяется по формуле (4.25), а сопротивление грунта продольным перемеще
ниям - |
по формуле (4.27). |
|
Характеристику упругой работы грунта определяют по формуле |
||
|
у = l n НС DХ |
(11.81) |
|
EF |
|
где Сх - |
обобщенный коэффициент касательного сопротивления грунта. |
|
Жесткость компенсатора |
|
|
|
Лк = Е1К /C Ki, |
(11.82) |
где L - |
момент инерции [для трубы |
=— (Di - d 4Y|; Ск. зависит |
от типа компенсатора: |
64 |
|
- для Z -образного компенсатора |
|
|
CKi = — (TIRL2K -2,28R 2LK +1,4R3) + 0,67L3K-2RL2K + 2R2LK |
|
|
Кж |
(11.83) |
|
-1,33R3; |
||
|
-для П-образного компенсатора
сю = — (nRL2K-2 ,2 8 R 2LK +1,4R3) + 0,67L3K+b'L2K-4 R L 2K- 2 R 2LK
кж
-1,33R3; |
(11.84) |
- для Г-образного компенсатора
C K i= iL 3K, |
(11.85) |
где К* - коэффициент уменьшения жесткости гнутых и сварных колен; R —радиус кривизны колена (изгиба оси колена) компенса тора; Ь' - ширина полки компенсатора.
451
Коэффициент уменьшения жесткости гнутых и сварных колен
Кж =А,к /1,65. |
(11.86) |
Параметр Хк зависит от геометрических размеров колена ком |
|
пенсатора, |
|
Хк =5R/rc2p <0,3, |
(11.87) |
где гср - средний радиус трубы.
Радиус кривизны колена R должен быть не меньше 5DH, при этом должно выполняться условие Лк<0,3.
Допускаемые деформации компенсаторов без их предваритель
ной растяжки определяют от зависимости |
|
|
д _ CTK^Ki |
> |
( 11.88) |
т |
||
EDHLKmK |
|
|
где а к —суммарные продольные напряжения в компенсаторе от дей ствия температуры, внутреннего давления грунта; т к — коэффици ент увеличения напряжений в коленах.
Для Z-, П- и Г-образных компенсаторов в формулу (11.88) подстав ляют соответствующее выражение для CKi. Для П- и Г-образных компен саторов результат расчета Дк по формуле (11.88) должен быть удвоен.
Суммарные продольные напряжения в компенсаторе от действия температуры, внутреннего давления и грунта определяют из усло вия, что компенсатор должен работать в упругой стадии (без оста точных деформаций металла):
= R, - 0 . 5’КЦo „ = b ^ - 0 |
i5 ,4,d |
(11.89) |
К2К Н |
25 ’ |
|
где R2 - расчетное сопротивление металла; R2H - нормативное сопро тивление одноосному растяжению, сжатию и изгибу металла труб и свар ных соединений из условия достижения предела текучести; т ' - коэф фициент безопасности по материалу; К н - коэффициент надежности.
Коэффициент увеличения напряжений в коленах компенсато ров вычисляют по формуле
шк |
(11.90) |
Длина подземного участка, на котором происходит перемеще-
452
ние трубопровода около выхода из грунта, может быть найдена при выполнении условия (11.87)
= - 3 + 1пСТпр |
(П.91) |
N 0y Если условие (11.87) не выполняется,
(11.92)
уа ПР
Так как продольные перемещения трубопроводов Д0 зависят от жесткости компенсаторов т)к , расчет последних ведут методом пос ледовательных приближений, т.е. задают размеры компенсатора, оп ределяют компенсирующую способность его Дк и фактическое про дольное перемещение трубопровода Д0 Если ДК<Д0, меняют размеры компенсатора таким образом, чтобы увеличить его компенсирую щую способность. Продольные перемещения трубопровода Д0 долж но быть меньше Дк при любых условиях эксплуатации.
11.5. Примеры расчетов
Пример 11.1. Определить вероятную темпера туру нефти после 30 суток хранения в нетеплоизолированном резер вуаре РВС 10000 со сферической кровлей. Высота взлива нефти 9 м.
Температура закачки нефти в резервуар |
= 323 К. Средняя тол |
щина стенки резервуара 9 мм, кровли - |
4 мм. Коэффициент тепло |
проводности стали Лст = 40 Вт/(м К). Температура воздуха в районе размещения резервуара в период хранения нефти Твоад = 253 К, ско рость ветра на уровне кровли - 2 м/с. Характеристики нефти тако вы: плотность и кинематическая вязкость при 293 К р293 = 890 кг/м3;
v293= 28,8* 10-4 м 2/с ; к о эф ф и ц и е н т |
крутизны ви скограм м ы |
и=0,108 1/К. Температура грунта под днищем резервуара Тф = 275 |
|
К, коэффициент его теплопроводности |
= 1,6 Вт/(м К). Принять |
продолжительность дня tflli = 8,5 ч, интенсивность солнечной радиа |
|
ции в полдень i0 = 200 Вт/м2.
|
|
Решение |
|
1. |
По табл. |
1.8 для резервуара РВС 10000 находим Д р= |
34,2 м; |
Нр= 11,92 м; Н к = 3 |
м. |
|
|
2. |
Площадь |
поверхности днища резервуара, кровли и |
стенки, |
контактирующей с нефтью и газовым пространством,
453
16.Так как Gr -Ргв(Ш>109, то коэффициент теплоотдачи от «зер кала» нефти в газовое пространство резервуара по формуле (11.20)
при Т3= Т ср,
а1к * 1,14 • ^2 9 0 ,5 -2 8 0 = 2,49Вт/(м2 • К).
17.Коэффициент конвекции по формуле (11.24)
ек = 0,18-(115,2-109)0’25 =104,9.
18.Эквивалентный коэффициент теплопроводности газового пространства по формуле (11.22)
Хэ * 0,0249 • 104,9 = 2,61Вт / (м • К ).
19.Кинематическая вязкость воздуха при температуре 253 К по формуле (10.7)
v возд253 |
10"6 |
= 11,2-10"6м2/ с . |
|
|
1 |
|
+ 0 |
|
0,1-253-14,1 |
20.Число Рейнольдса при обдувании резервуара
Reвозд |
2-34 2 |
=6107143. |
z |
||
|
11,2-Ю-6 |
|
21.Коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность воздуха при температуре окружающей среды по табл. 1.5:
^воВД25з = 0,0228 Вт/(м-К); Ср253 = 1009 ДжДкг-К); рвозд253 =1,395 кг/м3.
22.Критерий, характеризующий соотношение тепловых потоков, получаемых кровлей за счет солнечной радиации и конвекции, по формуле (11.28)
1л = |
200 |
= 4,3 МО- |
01,395 -1009 • 2 • (269,5 - 253))
23.Интегральный коэффициент внешней теплоотдачи от повер хности крыши к воздуху в дневное время по формуле (11.27)
= 0.00022 • |
3-3,\-1,7 6 |
269,5-253 |
• (4,31 • 10'3) |
= 14,0 Вт/(м2-К). |
|
34,2 |
253 |
|
24.Та же величина, но в ночное время по формуле (11.30) |
||
а [н =0,035 |
0,0228 |
|
0.7060333-6107143°-в = 5,58 Вт/(м! К). |
||
|
34,2 |
|
456
25. Усредненная (за сутки) величина интегрального коэффициента внешней теплоотдачи для крыши по формуле (11.32)
a i J 4 , 0 -8,5 + 5,58(24 -8,5) = 8 |5 б В т/(м , К)
26. Коэффициент теплопередачи от нефти к воздуху через крышу резервуара по формуле (11.19)
|
1 |
1 |
4,41 |
0,004 |
1 |
м2 -К |
|
— |
= ------ |
+ —— + —----- + |
-------= 2,21 |
-------- . |
|
|
Кк |
2,49 |
2,61 |
40 |
8,56 |
Вт |
Следовательно, К к= |
1/2,21 = 0,453 Вт/(м2 К). |
|
||||
27. |
Проверяем правильность выбора температуры крыши по |
|||||
формуле |
|
|
|
|
|
|
'С = 280 - • (280 - 253) = 275,1К .
Так как расхождение ранее принятой температуры крыши и найден ной в результате расчетов составляет
(275,1 -2 7 3 )-(2 6 9 ,5 -2 7 3 )
100% = 160%»5%,
269,5 -273
то требуется повторить расчеты при новой величине Т^.. 28.Задаем Тст=278,9 К и уточняем величины параметров
Тгп =0,5 (290,5+278,9)=284,7 К;
Ргп = 1/284,7 = 3,5 Ы 0 '31/К ; |
|
||
984 7 —283 |
Вт |
||
Лвоад = 0,0251 + (0,0259-0,0251)• ^ |
— = 0,0252 |
— |
|
293-283 |
|
м2 - К |
|
Р г _ = 0,705 - (0,707 - 0,705) • |
284 7 —283 |
|
|
„ 1 |
. . . = 0,705; |
||
|
293-283 |
|
|
4,41-9,81-3,51-10^-(290,5-284,7) |
|
||
Gr = |
|
= 83,0-10’; |
|
(14,37-Ю"6)2 |
|
|
|
Gr • Р г = 83 • 10’ • 0,705 = 58,5• 10’; |
|
||
а ,, = 1,14 -^290,5 -284,7 =2,05 |
Вт/(мг-К); |
|
|
ск = 0,18 • (58,5 • 10’ )°25 =88,5; |
|
||
457
|
Х |
э =0,0252-88,5 = 2,23 Вт/(м2К); |
|
|||||
|
___________200___________ |
|
|
|||||
Io |
|
|
|
|
|
2,74 -10-3; |
|
|
1,395 -1009 - 2 - (278,9 - |
253) |
|
|
|||||
|
|
|
||||||
а ,„ |
|
|
|
|
|
- 1 , 7 6 |
|
|
= 0 ,0 0 0 2 2 - ^ ^ - ( 2 ,7 4 - 1 0 '3) |
|
|||||||
|
|
|
|
|
34,2 |
|
|
|
|
|
|
\ - 3 |
, 2 |
2 |
|
|
|
"278,9-253 |
|
8,06Вт/(м2 |
К); |
|
||||
^ |
|
253 |
) |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
а 1н 0,035 |
° |
* |
• 0 7050,333 -61071430,8 = 5,58В т/(м 2 -К) |
|||||
|
|
34,2 |
|
|
|
|
v |
1 |
8,06-8,5 + 5,58 |
|
(2 4 -8 ,5 ) _ |
Вт/(м2К); |
|
||||
а, = |
|
|
24 |
|
|
= 6,46 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
4,41 |
0,004 |
1 |
м2 -К |
|
|
Кк |
2,05 |
2,23 |
|
40 |
6,46 |
Вт |
|
|
|
|
Кк= |
1/2,62 = 0,382 Вт/(м2 К); |
|
||||
|
|
|
О 382 |
|
|
|
||
Т'„ = 2 8 4 ,7 - - 1- — -(284,7 -253) = 278,8К. |
|
|||||||
ст |
|
|
2,05 |
V |
1 |
|
|
|
Так как
(2 7 8 ,8 -2 7 3 )-(2 7 8 ,9 -2 7 3 )
■100% = 1,7%(5%,
278,9-273
то дальнейшего уточнения температуры крыши резервуара не требуется.
Расчёт коэффициента теплопередачи через стенку, контактирующую с газовым пространством резервуара
29.Так как средняя температура газового пространства нами уже
найдена (Тгп= 284,7 К), то величины Хвоза, Ргп, v ^ , Ргвоад при ней пересчитывать нет необходимости.
ЗО.Задаемся ориентировочной температурой стенки Тст = 279 К. 31.Параметр Грасгофа по формуле (7.11)
„4,413-9,81-3,5110'3-(284,7 -2 7 9 )
G r = - ------- |
:------ :---------- |
Ц —:---------- |
4 = 81,б-ю 9 |
(14,37-10-*)
458
32.Произведение параметров
G r-Рг^зд =81,6 1 0 9 -0,0252 = 57,5 109
33. Так как Gr*PrB(m>109, то коэффициент теплопередачи от «зер кала» нефти в газовое пространство резервуара по формуле (11.21) при допущении, что Т3 = Тср,
ос,. «1,14-3/290,5 -2 8 4 ,7 = 2,05 Вт/(м! К).
34.Коэффициент конвекции по формуле (11.24)
£к = 0,1 S *(57,5-109 )0'25 =88,1.
35.Эквивалентный коэффициент теплопроводности газового пространства по формуле (11.22)
Хэ «0,0249-88,1 = 2,22 Вт/(м2*К). Зб.Величина критерия 10 по формуле (11.28).
200
1о =■1,395 -1009 • 2 - (279 - 253) = 2,73 -10_3.
37.Интегральный коэффициент внешней теплоотдачи от повер хности стенки к воздуху в дневное и в ночное время, а также в сред нем за сутки по формулам (11.27), (11.31), (11.32)
|
|
0,843 |
2 -4 ,4Г |
\ 0,668 |
||
а,...=95 - М |
= 7,49В т/(м 2 К); |
|||||
^ £ . ( 2 , 73 -10-3) |
|
|
||||
1дн |
4,41 |
^11,2*10 |
*34,2,1 |
|||
|
||||||
|
|
|
2*34,2 ^ |
= 5,58Вт/(м2 к ) ; |
||
|
а 1н= 0 ,0 3 5 * ^ ^ * 0 ,7 0 5 ° ’333 . |
|
||||
|
,н |
34,2 |
^11,2-10^ J |
|
||
|
|
_ 7,49*8,5 + 5,58 |
(2 4 -8 ,5 ) _ |
|
||
|
а, = |
|
= 6,26 Вт/(м2*К). |
|||
|
|
24 |
|
|
|
|
|
38.Коэффициент теплопередачи от нефти |
к воздуху через стенку |
||||
резервуара, контактирующую с газовым пространством, по формуле (11.19)
1 |
1 |
4,41 |
0,009 |
1 |
„ |
м2 К |
К. |
■+ -?— + |
40 |
+ —— = 2,63 |
Вт |
||
2,05 |
2,22 |
6,26 |
|
|||
|
Кстг = |
1/2,63 = 0,380 Вт/(м2*К). |
|
|||
39.Проверяем правильность выбора температуры стенки
Т_ = 2 8 4 ,7 - 0,380 (284,7 - 253) = 278,8К ; 2,05
459
Так как расчётная величина температуры стенки отличается от ранее принятой на
(278,8 - 273) - (279 - 273)
100% = 3,1 %<5%,
279 -273
то дальнейшего уточнения Тст не требуется.
Расчёт коэффициента теплопередачичерез стенку, контактирующую с нефтью
40.Задаемся температурой стенки Тст= 254 К.
41.Параметры нефти при данной температуре
890 Р254 ~ 1 + 746 ■10-6 • (254 - 293) = 916,7кг/м 3;
с - - ж |
< , и + з ' и -2 и , - , 7 | , й |
; |
|
v254 = 28,8• 10-4 • е^ ,08(254-293) = 0,1944м2/с; |
|
||
156 6 |
|
В т |
|
>.„254 = ^ г ( 1 |
- 0,00047 • 254) = 0,155- |
|
|
890 |
|
м -К |
|
|
0,155 |
= 98,5-10 м /с. |
|
а 2 5 4 “ 1717-916,7 |
|
||
42.Параметр Прандтля при температуре стенки
Рг |
= —0 1944 = 1973401. |
сп |
98,5-Ю"9 |
43.Параметр Грасгофа
|
|
_ 9 3-9,81-746-10 |
-6 (290,5 -254) |
|
|
Г" |
0,1944* |
= 5154. |
|
|
“ |
|||
44. Произведение параметров |
|
|
||
|
|
(Gr ■Рг)п = 5154 |
• 40871 = 0,21 • 109 |
|
45. |
Так |
как (G r-Pr)n < 109,то |
коэф ф ициент теплоотдачи по |
|
формуле |
(11.5) |
|
|
|
=0;7 6 .М ^ .(0 ,2 М 0 3Г |
.Г « 8 7 1 _ ^ |
_Вг_ |
|
9 v |
’ |
U 97340 l j |
м2 - К |
460