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

З о н а III аналогична зоне I и Л'11( = ^ j •

’Геплопотери в единицу времени от поверхности нагревательно­ го элемента для данного случая будут равны

площадку днища, ширина которой равна расстоянию между тру­ бами нагревателя b

Приняв суммарные потери тепла на выделенной площадке дни­ ща равными Qn.h+ Q ah, из общей формы уравнения теплопереда­ чи можно получить значение общего коэффициента теплопередачи через днище

Общий коэффициент теплопередачи через подводную часть корпуса судна при подогреве нефтепродукта определится по вы­ ражению

Пример . Рассчитать средний коэффициент теплопередачи че­ рез подводную часть баржи проекта Р-27 при подогреве. Нефте­

Подогреватель—из труб of==0,057 м, высота расположения подо­ гревателей над днищем—0,08 м. Расстояние между трубами на­ гревателя Ь — 0,6 м. Толщина застывшего слоя мазута на днище

§з. ш =0,08 м. Температура поверхности нагревателей tn.Н=120°С. Расчет . Из выражения (1.11) находим, что температуре за­ бортной воды £W=15°C и толщине застывшего слоя §3дн = 0,08 м соответствует средняя температура мазута М100 t—Q.7,8°С. На обшивке борта при этих условиях слой застывшего мазута будет составлять 83,б =0,056 м. Рассчитывая по методике § 1, находим,

Разбиваем участок распространения тепла от элемента нагревателякднищу на три зоны и по выражениям (1.30) и (1. 31), на-

20

коэффициент теплопередачи через подводную часть баржи при

подогреве мазута /cw = 3,45 — -......

'м2 град

§5. Сравнение результатов расчета с натурными

имодельными испытаниями

Распределение температурных полей при подогреве и остыва­ нии нефтепродукта, влияние судового набора и высоты располо­ жения подогревателей на процесс теплопередачи исследовалось авторами на специальном опытном стенде.

Необходимыми и достаточными условиями теплового подобия при свободном движении жидкости являются:

—геометрическое подобие;

—подобие физических параметров в сходственных точках на­ туры и модели;

—подобие температурных полей на границах;

—одинаковость значений комплекса (Gr Рг) в сходственных точках.

Соблюдение всех этих условий в модели с учетом изменения агрегатного состояния жидкости практически очень сложно. В на­ шем случае в этом нет необходимости, так как оценка коэффи­ циентов теплоотдачи производится по уже полученным .ранее экспериментальным данным. Распространение же тепла через стенку оценивается приближенным расчетным методом в равной степени справедливым как для условий модели, так и натуры. Важно лишь подтверждение приемлемости принятой схемы.

Расположение судового набора и подогревателей (рис. 7) вы­ полнено таким образом, чтобы они заполняли только среднюю часть емкости. Наличие соседних частей, где вместо стального на­ бора установлены деревянные брусья, имеющие низкую -теплопро­ водность, позволяет приблизить условия свободного движения нефтепродукта в рассматриваемой ячейке к действительным. В ка­ честве рабочей жидкости использовано масло цилиндровое 38 с температурой застывания t^=i\7aC, плотностью 0,935 т/л3, кине­

матической вязкостью v = 0,41 см2!сек при 100°С,

Емкость с испытываемым нефтепродуктом устанавливалась на подставках из деревянных брусьев в бак, через который протека­ ла охлаждающая вода. Интенсивность подвода тепла от подогре­ вателей к нефтепродукту находилась в пределах, соизмеримых с

21

реальными. Три стенки были изолированы с помощью асбоцемент­ ных плит, закрепленных эпоксидной смолой. Для уменьшения теплопотерь через крышку, имеющую вырезы для термометров и реек термопар, она накрывалась асбестовой накидкой. В различных точках объема емкости были установлены 28 хромель-копелевых термопар, смонтированных на нескольких рейках. Высота их уста­ новки от днища находилась *в пределах 5—400 мм. Температура измерялась с помощью электронного потенциометра ЭПВ-2-10А, с градуировкой ХК, класс точности 0,5. Средняя температура нефте­

Рис. 7. Расположение набора, подогревателей и термопар в экспериментальной установке

22

При подогреве температура слоев масла, расположенных вы­ ше подогревателя, довольно скоро выравнивается по всему объ­ ему (рис. 8), в то время как в нижних она все время резко зави­ сит от высоты расположения их от днища, что косвенно подтверж­ дает слабое влияние конвекции. В районе расположения набора

температура масла на несколько градусов ниже средней для соот­ ветствующего слоя. Так, на расстоянии 100 мм от днища в месте расположения рейки 1 она на 5°С ниже, чем у рейки 3, хотя пос­ ледняя дальше отнесена от подогревателей. Термопары же рей­ ки 2, находящиеся внутри профиля набора, до конца подогрева фиксировали температуру меньшую температуры застывания.

В достаточной степени близкими оказались расчетные значе­ ния коэффициентов теплопередачи через прдводную часть-с полу­ ченными при натурных испытаниях. Так,) при подогреве баржи «Болва» (рис. 10) относительная погрешность в их оценке не пре­ вышала 5%- Для оценки точности теоретических расчетов с на­ турными испытаниями в отношении тепловых потерь через палу­ бу также использованы результаты, полученные кафедрой энерге­ тики Астрыбвтуза (табл. 1) на барже пр. Р-27, имеющей Т= 2,6 м,

Н =2,85 м и ^ 8.4= 1940 м2.

Таблица 1

23

-------- г

------------расчет ны е значения Kn0gg при п о до гр ев е;

А —экспери/чентольнЬ/е зн ачен ия SCnogS, полученные

при п одогр еве н еф т еп р одук т а 6 б а р ж еб о я ёа "J/S]

s --------

Рис. !0. Расчетные и экспериментальные значения коэффициентов теплопередачи от нефтепродукта через подводную часть баржи при подогреве

Расхождение результатов расчета и эксперимента составляет 4-*-10%. Положительным в методике расчета тепловых потерь че­ рез палубу при использовании понятия «эффективного коэффици­

ента теплопроводности» Хэф подпалубной газовоздушной прослой­

ки является ее простота, универсальность, возможность выполне­ ния расчетов при отсутствии экспериментальных данных о вели­

чинах коэффициентов теплоотдачи а, и а2

Изложенные выше методики позволяют при расчете учесть все основные факторы, от которых зависят теплопотери, оценить вели­ чины отдельных составляющих общих теплопотерь нефтеналив­ ных судов, что дает возможность осуществить соответствующие мероприятия по их сокращению.

Г л а в а II. ХАРАКТЕРИСТИКА СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ПОДОГРЕВА

По конструктивному исполнению судовые системы подогрева можно разделить на следующие группы:

1) с подогревателями, распространенными на всю площадь днища;

2) с концентрированными подогревателями внутри массы неф­ тепродукта;

3)с концентрированными подогревателями, вынесенными за пределы танков;

4)с использованием в качестве теплопередающей поверхности днища корпуса или отдельных элементов его конструкций;

5)смешанные системы подогрева, сочетающие в себе отдель­ ные элементы из схем, упомянутых выше.

В качестве теплоносителя обычно используются:

—пар (вода);

—выхлопные газы двигателей;

—электрический ток;

—специальные жидкости, имеющие высокую температуру кипения (на речном флоте СССР не применяются).

Источники энергии также разнообразны, чаще всего применя­ ются:

— котлы или автоматизированные котлоагрегаты;

—двигатели внутреннего сгорания, у которых используются выхлопные газы или вырабатываемая ими электроэнергия, иногда утилизируется тепло воды из системы охлаждения этих двигате­ лей;

—газогенераторы.

Возможны различные комбинации конструкций подогрева и ис­ точников тепла. Существующие и испытываемые способы подогре­ ва являются частными случаями приведенной выше классифика­ ции.

26

§ 1. Системы с подогревателями, распространенными на всю площадь днища танков

I е п л о н о с и т ел ь-n а р. Этот способ подогрева является пре­ обладающим на речном нефтефлоте. Стальными трубчатыми по­ догревателями оборудовано свыше 100 барж пароходства «Волготанкер», а также большинство тацкеров пр. 866, 587, 558 (1577), 1553. Возможно различное конструктивное исполнение подогрева­ телей. Наибольшее распространение получили четыре типа: про­ дольно-прямоточный, змеевиковый, батарейный и «ускоренного подогрева» (на стадии эксперимента исследовался подогрев с бар­ ботажем воздухом).

На большинстве речных барж ( — 70%) применена система про­ дольно-прямоточного подогрева, когда трубы 0 32-*-57 проходят вдоль всего судна от носового до кормового коллекторов. На вы­ ходе пароводяной смеси из труб устанавливаются запорные венти­ ли, обеспечивающие регулировку подачи пара, они же дают воз­ можность прбдувки паром, в случае попадания в отдельные трубы нефтепродукта, или воздухом для освобождения от конденсата.

Система подогрева змеевикового типа устроена так, что в каждом танке укладывается индивидуальная сеть паропроводов, имеющих вентиль на входе. Подобная система выполнена на ряде барж и танкеров. Она дает возможность осуществлять выборочный подогрев, что делает ее более гибкой, чем прямоточная система по­ догрева. Однако здесь значительно выше стоимость монтажа и ре­ монта.

Танкеры пр. 587 оборудованы системой батарейного подогрева. Здесь п,ар поступает к батареям, состоящим из ряда параллельных труб и расположенным по одной в каждом из шести средних тан­ ков. Этот тип подогревателей достаточно прост в изготовлении и надежен в работе, так как в случае выхода из строя одной трубы в батарее подогрев нефтепродукта продолжает осуществляться. Однако обнаружить поврежденную трубу при ремонте очень труд­ но, так как пар, свободно проходя по соседним трубам, не посту­ пает в испорченную, и место повреждения не выявляется. Кроме того, нефтепродукт, попав в одну из труб, постепенно заполняет всю батарею, выводя из строя все большую поверхность подо­ грева.

Рассмотренные схемы предусматривают обеспечение равномер­ ного подогрева нефтепродукта по всему судну, что экономично для танкеров, где эта операция осуществляется в период рейса. Подогрев же в баржах вызывает непроизводительные простои флота в пунктах выгрузки. Здесь очень важно стремиться к сокра­ щению времени предварительного подогрева. Достигается это за счет более интенсивного подогрева в танках, из которых в первую очередь следует обеспечить вытекание нефтепродукта.

27

В некоторой степени эти преимущества отражены в системе «ускоренного подогрева» Колотилыцикова, где интенсивному ме­ стному подогреву подвергаются участки около клинкетов по пути следования нефтепродукта и в приемной шахте. Местный подо­ греватель здесь выполнен из пучка труб; помещенных в закрытый сверху футляр.

Для придания необходимой текучести всей массы нефтепродук­ та служат обычные подогреватели. Предварительный подогрев нефтепродукта в футляре осуществляется в течение весьма корот­ кого времени, что позволяет почти сразу же приступать к выгруз­ ке. Но мощность пародателя при этом должна быть достаточной для обеспечения нужного прироста теплосодержания нефтепро­ дукта и компенсации имеющихся теплопотерь. На практике этого нет (да и экономически не всегда оправдано), поэтому предвари­ тельный подогрев оказался все равно необходим, хотя время.его ведения уменьшается. Дополнительные затраты на местный подо­ грев здесь не компенсируют эксплуатационных преимуществ. Си­ стема Колотилыцикова в настоящее время сохранена лишь на единичных баржах.

Дальнейшее развитие «ускоренный подогрев» получил в кон­ струкции барж пр. Р-43 [19]. Здесь форсирование предваритель­ ного подогрева осуществляется за счет интенсивного подвода теп­ ла в выделенную группу танков, выгрузку из которой начинают прежде, чем будет подогрет до необходимой температуры весь объем нефуепродукта. Интенсивность ввода тепла по первой груп­ пе танков по расчету И. Л. Рабей составляет на 1 кг нефтепродук­ та 0,7 Вт, что почти в два раза выше, чем при существующей тех­ нологии. Пропорционально увеличиваются и затраты при монта­ же подогрева этой группы танков, что необходимо учитывать при оценке целесообразности оборудования барж системой «ускорен­ ного подогрева». Дополнительные затраты могут свести на нет отмеченные ранее преимущества.

В целом паровой подогрев со стальными трубчатыми подогре­

вателями характеризуется простотой устройства и обслуживания,

большой равномерностью распределения тепла по отдельным сек­ циям подогрева ввиду незначительного снижения температурного напора по длине труб. Однако высокая вязкость и низкое значение коэффициента теплопроводности нефтепродукта затрудняют тепло­ обмен (коэффициент теплопередачи от труб подогревателей состав­ ляет 35—60 Вт/к2град).

В связи с отмеченным приходится развивать площади подогре­

ва, что сопряжено со значительными затратами средств на их обо­ рудование. Относительная величина поверхности подогрева суще­

ствующих баржевых подогревателей составляет около 0,1 ж2/г. Стоимость изготовления и монтажа 1 м2 поверхности нагрева со-

28