Сбор и подготовка / Глава 2+

основные закономерности изучаемых явлений.

Явление теплопроводности состоит в том, что обмен энергии происходит путем непосредственного соприкосновения между частицами тела. При этом в жидкостях и твердых телах (диэлектриках) перенос энергии осуществляется путем упругих волн, в газах – путем диффузии атомов или молекул, а в металлах – путем диффузии сводных электронов. Другими словами, теплопроводность – молекулярный процесс распространения теплоты внутри вещества от более нагретых к менее нагретым.

Изучая явление теплопроводности Фурье установил, что количество тепла, переданного в единицу времени τ через единицу поверхности S, т.е. тепловой поток, пропорционально падению температуры:

g = - λ grad t. (2.58)

Знак «минус» в уравнении указывает, что g является векторной величиной, направление которой совпадает с направлением распространения тепла и противоположно направлению температурного градиента. Множитель пропорциональности λ в уравнении Фурье есть физический параметр вещества, характеризующий способность проводить тепло, который принято называть коэффициентом теплопроводности:

Следовательно, коэффициент теплопроводности определяет собой количество тепла, которое проходит через единичную площадь слоя 1 м при разности температур в один градус.

У различных веществ коэффициент λ различен и для каждого из них зависит от состава и структуры, удельного веса, давления и температуры. В пределах температур с 0 до 50 С теплопроводность жидких углеводородов изменяется от 0,054 до 0,164 Вт/м·ºК (см. рис. 2.20). С увеличением температуры величина λ уменьшается. В практических расчетах значение λ допускается определять по средней арифметической из граничных значений температуры вещества и считать его постоянным.

Коэффициент теплопроводности газов лежит в пределах значений от

Вт/м·ºК (у воздуха – 0,026). С повышением температуры величина λ возрастает, от давления же практически не зависит, за исключением очень высокого (более 200 МПа) и очень низкого (менее 20 мм. рт. ст.). Для смеси

(серебро). Другие металлы, например, имеют следующие значения: нержавеющая сталь – 13,3, чугун – 45, алюминий – 180, золото – 260,

99

красная медь – 340 Вт/м·ºК.

Коэффициент λ Вт/м·К

Рис. 2.20. Теплопроводность веществ

1 – органические газы и пары; 2 – аморфные теплоизоляционные материалы; 3 – масла; 4 – неорганические газы и пары; 5 – органические жидкости; 6 – неорганические жидкости; 7 – неорганические водные растворы; 8 – органические водные растворы; 9 – порошки; 10 – огнеупоры; 11 – кристаллы; 12 – жидкие металлы;

13 – технические металлы; 14 – чистые металлы

Явление конвекции характеризуется переносом энергии за счет перемещения частиц, поэтому может происходить лишь в жидкостях и газах. Обычно принято различать свободную и вынужденную конвекцию.

Следует отметить, что явление конвекции всегда сопровождается явлением теплопроводности, а их совокупное действие называется конвективным теплообменом, теплоотдачей-соприкосновением или просто теплоотдачей.

Свободной (естественной) конвекцией называется движение,

вызываемое разностью плотностей нагретых и холодных частиц вещества. Возникновение и интенсивность свободного движения всецело определяются тепловыми условиями процесса и зависят от рода вещества, разности температур и объема пространства, в котором протекает процесс.

Вынужденной конвекцией называется такое движение жидкости или газа, которое возникает под действием посторонних возмущений, например, под действием ветра, насоса, компрессора или вентилятора. В общем случае наряду с вынужденным одновременно может быть и свободное движение. При больших скоростях влияние свободного движения становится пренебрежительно малым. Количество тепла, передаваемого в единицу времени, определяется по формуле Ньютона:

Q О S(tCT tB),

где α0 – коэффициент пропорциональности, называемый

100

коэффициентом теплоотдачи, Вт/м2 ºК ; tСТ – температура стенки; tВ –

температура вещества; S – поверхность теплообмена.

Cледовательно, коэффициент теплоотдачи (теплообмена) есть количество тепла, передаваемое в единицу времени через поверхность в 1м² при разности температур между поверхностью и обтекаемым веществом

водин градус. Коэффициент теплоотдачи не может быть определен простыми средствами. Теоретические методы позволяют описать явление теплоотдачи только для частных случаев и лишь при многих упрощающих предпосылках и ограничениях. Изучение процессов теплоотдачи в настоящее время развивается как в теоретическом, так и в экспериментальном направлении. Этот коэффициент представляет собой

сумму коэффициентов теплообмена конвекцией αK и излучением αИ; зависит от режима потока, его плотности, направления потока и т.п.

Явление теплового излучения – это процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн. По природе оно отлично от теплопроводности и конвекции и сопровождается превращением тепловой энергии в лучистую и, обратно, лучистой энергии – в тепловую. Излучение энергии происходит

врезультате сложных внутриатомных процессов, возникающих за счет тепловой энергии. При нагревании тела часть энергии неизбежно превращается в лучистую, величина которой определяется температурой.

Носителем лучистой энергии являются электромагнитные колебания с длиной волны от долей микрона (космические лучи) до многих километров (радиоволны). В физике они известны под названием рентгеновских, ультрафиолетовых, видимых – световых, инфракрасных лучей и электромагнитных волн. Здесь наибольший интерес представляют световые и инфракрасные лучи с длиной волны от 0,4 до 40 микрон, которые поглощаются телами с переходом их энергии в тепловую. Эти лучи называют тепловыми, а процесс их распространения – тепловым излучением, или лучеиспусканием. Лучеиспускание свойственно всем веществам и каждое излучает энергию Е непрерывно. При попадании на другие тела эта энергия частью поглощается Eп, частью отражается Eд и частью проходит сквозь тело Eс. В результате этих явлений осуществляется процесс лучистого теплообмена. Отношения этих величин к общему количеству энергии будут характеризовать поглощательную, отражательную и проницательную способность вещества. Обозначим эти свойства вещества через подстрочные индексы и запишем:

1=п+д+с .

Если п = 1, то д = 0 и с = 0. Это означает, что вся лучистая энергия поглощается телом, и такие тела называются абсолютно черными.

Если п = 0, с = 0, а д = 1, то вся энергия полностью отразилась. Такие тела называют абсолютно белыми и зеркальными.

Если п = 0, д = 0, а с = 1, следовательно, вся лучистая энергия прошла сквозь тело. Такие вещества называют абсолютно прозрачными, или

101

диатермичными. В природе не встречается тел, в полной мере соответствующих этим крайним характеристикам, т.е. эти понятия являются

условными. Воздух, например, для тепловых лучей прозрачен, но при наличии в воздухе водяных паров или углекислоты становится полупрозрачным. Твердые тела и жидкости для тепловых лучей практически непрозрачны (атермичны). Вместе с тем имеются вещества, которые прозрачны лишь для определенных длин волн. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых оно практически не прозрачно. Каменная соль прозрачна для тепловых и непрозрачна для ультрафиолетовых.

Точно также обстоит дело и с понятиями поглощения и отражения. Белая поверхность хорошо отражает лишь видимые (солнечные) лучи. На практике это свойство широко используется – белая окраска вагоновцистерн, резервуаров, где инсоляция нежелательна. Примечательно, невидимые тепловые лучи белая краска поглощает так же хорошо, как и темная. Для поглощения и отражения тепловых лучей большее значение имеет не цвет, а состояние поверхности. Независимо от цвета отражательная способность гладких и полированных поверхностей во много раз выше, чем шероховатых. Согласно закону Стефана – Больцмана (1881 г.) энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры:

Е0=С0·Т4,

где С0 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Опыт показывает, что этот закон может быть применен и для всех других так называемых серых тел. Отношение

степенью черноты тела. В соотношении С и С0 – коэффициенты лучеиспускания серого и черного тел; Е и Е0 – энергия излучения серого и абсолютно черного тел, соответственно.

Законом Кирхгофа устанавливается связь между излучательной Е и поглощательной способностями П тела, согласно которой отношение этих энергий Е/П для всех тел одинаково и равно лучеиспускательной способности Е0 абсолютно черного тела. Таким образом, учитывая закон можно утверждать, что поглощательная способность П численно равна

степени черноты тела.

Для реальных веществ степень черноты изменяется в пределах от 0 до 1, например, бархат, сажа, копоть – 0,94; вода, лед – 0,92; дерево – 0,88; кирпич красный – 0,9; железо – 0,78, стекло – 0,91. Данных о степени черноты нефтей и нефтепродуктов при анализе опубликованной литературы

102

не обнаружено, хотя, например, для шестнадцати различных красок всех цветов степень черноты колеблется от 0,92 до 0,96.

Известно, что непрозрачность слоев нефти обусловливается наличием в ней асфальтенов и смол. Следует ожидать, что слой темно окрашенной нефти будет нагреваться в течение дня на большее значение вследствие поглощения им солнечной энергии.

Под цветом нефти понимают условную величину, характеризующую окраски нефти и степень ее интенсивности по сравнению с окраской стандартных растворов. Сами углеводороды бесцветны. Как считает большинство ученых, нефтям придают окраску нейтральные смолы. Они обладают интенсивной окраской и сильной красящей способностью. Например, достаточно 0,005% тяжелой нейтральной смолы, чтобы окрасить бесцветный бензин в соломенно-желтый. Следует также предположить, что степень черноты нефти ε зависит и от интенсивности окраски.

По мнению В.М. Рыбака между цветом и количеством смолистых веществ нет прямой зависимости. Действительно, например, для масел одной и той же нефти цвет может в какой-то степени служить критерием обессмоливания, но при переходе к маслам, полученным из других нефтей, нужно считаться с тем, что смолистые вещества разных нефтей обладают различной окраской. Здесь следует напомнить, что существует множество различных видов смол (нефтяные, нейтральные, потенциальные и фактические), принципиально различающихся как по физическим, так и по химическим свойствам. Можно отдельно выделить также карбамидные, фенолоформальдегидные смолы. С оптической точки зрения карбамидные обладают высокой светостойкостью и прозрачны, фенолформальдегидные смолы окрашены в желтый или коричневый цвет, который под воздействием солнечного света может перейти в желто-коричневый цвет или даже черный.

Иногда цвет нефтей пытаются характеризовать количественным содержанием асфальтенов – наиболее высокомолекулярных веществ, имеющих молекулярную массу в пределах 1600 6000. Асфальтены не плавятся, при высокой температуре способны образовывать газы и трудно сгорающий кокс, являются трудно растворимым компонентом, аналогичным в этом смысле различного рода механическим примесям.

Следует ожидать, что цвет нефти будет зависеть также от содержания в ней жиров, парафинов, церезина и т.п. Калориметрическая практика позволяет утверждать, что цвет нефти и нефтепродуктов не является аддитивным свойством и приближается к окраске более темного компонента. Известные методы определения цвета не дают возможности определить концентрацию окрашивающих веществ сравнением интенсивности окраски нефти и образца.

Фотометрические и спектрофотометрические методы анализа с использованием приборов (КФК-2 и СФ-26, СФ-46 и др.) позволяют

103

определить коэффициенты поглощения светового потока КПОГЛ не только в видимой области света с длиной волны 400 760 нм (415 – синий, 500 –

сине-зеленый, 560 – оранжевый, 630 – красный цвета), но и в ультрафиолетовой – 10 400 нм и инфракрасной – 760 1200 нм. Заметим, что около 50% (с длиной волн до 3000 нм) энергии Солнца приходится на инфракрасное излучение.

Для различных газов эта способность испускать и поглощать лучистую энергию различна. Для одно- и двухатомных газов, в частности, для азота, кислорода и водорода, она ничтожна; практически эти газы для тепловых лучей прозрачны – диатермичны. Значительной излучательной и поглощательной способностью, имеющей практическое значение, обладают многоатомные газы: углекислый газ, водяной пар, аммиак и др. У твердых и жидких тел излучение и поглощение происходит в поверхностном слое, а в газах оно происходит в объеме и сопровождается поглощением энергии при прохождении лучей через весь объем.

Анализ существующей литературы показывает, что научные исследования по данному вопросу, проводимые в основном зарубежными авторами, носят лишь качественный характер. Например, в работе Д. Бериджа описывается случай, когда за счет солнечной радиации повышалась температура верхних слоев воды до 45ºС. Вода при этом была покрыта слоем темной нефти. Описательный характер работ исходит из исключительной сложности рассматриваемого вопроса. Дело в том, что связь температуры окружающего воздуха с радиацией дает ошибку до 200%. На степень повышения температуры нефти за счет прямой солнечной радиации оказывают влияние и температура воздуха, и цвет нефти.

Под прямой солнечной радиацией понимается радиация, поступающая на поверхность непосредственно от Солнца радиусом 5 . В системе СИ интенсивность радиации измеряется в Вт/м². Эту величину называют

энергетической освещенностью, облученностью поверхности или

поверхностной плотностью потока излучения. В актинометрии применяется равнозначный термин «интенсивность радиации».

Некоторые практические расчеты целесообразно проводить с использованием альбедо, характеризующим отношение отраженной от поверхности радиации к суммарной радиации.

Из практической теплотехники известно, что на степень поглощения и отражения невидимых тепловых лучей оказывает влияние цвет тела, однако в большей степени здесь имеет состояние свободной поверхности. Действительно, полированные сталь и чугун имеют степень черноты 0,1 0,2, а окисленные и шероховатые – 0,94. Белая шероховатая эмаль поглощает столько же лучистой энергии, сколько и черная, но блестящая. Интересно отметить, что масляные краски шестнадцати различных цветов отражают не более 6 8% тепловых лучей.

В технических справочниках обычно перечисляются общие

104

поглощательные или излучательные свойства поверхностей, использование которых может привести к существенным ошибкам. На самом деле, общая

поглощательная способность зависит не только от природы, температуры, давления и состояния поверхности вещества, но и от распределения падающего излучения по длине волн. Большинство известных тел обладают монохроматической поглощательной способностью. Напомним, что серой поверхностью принято называть такую, поглощательная (отражающая) способность которой одинакова для значительного диапазона длины волн. Известная всем вода поглощает 50 60% излучения с длиной волн около

6500÷9000 нм, а длиной 5800÷6300 – до 80÷90%, 3500÷5500 – только 25÷30%, 2800÷3200 – более 90% и 800÷2300 – менее 15%.

Таким образом, широкий спектр длин волн (до 3000 нм) солнечного излучения, с одной стороны, и имеющиеся ограничения возможностей измерительной техники и сложность состава нефтей, с другой, сдерживают научные исследования поглощательной способности углеводородных сред, таких, как нефти, СУГ и т.д.

Известно, что облученность свободной поверхности Солнцем определяет активность и положение Солнца над горизонтом, а также состояние атмосферы. Активность Солнца по данным актинометрических наблюдений из космоса в течение многих лет остается постоянной. Прямая солнечная радиация J измеряется с помощью актинометров типа Савинова

– Янишевского, АТ – 50 и др. на актинометрических станциях (АС). Расположение АС на территории России крайне неравномерно. Так, например, в районе Западной Сибири имеется лишь одна Омская АС. Поскольку данные актинометрических станций могут распространяться на территорию до 100 км, то в ряде случаев интенсивность прямой солнечной радиации можно рассчитывать с использованием среднестатистических значений интенсивности радиации, в зависимости от широты местности, с вероятностью поступления 0,95.

Состояние атмосферы с актинометрической точки зрения характеризуют прозрачностью, колеблющейся от 0 до 100%: 0% –

непрозрачная атмосфера, 100% – полностью прозрачная. Когда прозрачность атмосферы равна примерно 0,8 или 80%, это значит, что через атмосферу проходит 80% энергии упавшего луча, а остальные 20% рассеиваются взвешенными частичками. Прозрачность атмосферы зависит от влажности, облачности, запыленности и др. За короткий промежуток времени интенсивность радиации может существенно меняться, при этом ее максимум может наблюдаться не только в полдень. Изменчивость количества облачности – главный фактор, определяющий изменчивость поступающей от Солнца прямой радиации.

105

быстринской, трехозерной и сургутской нефтей, которых видно, что температура поверхности tП «на солнце» у шаимской и сургутской нефтей повысилась до 45 и 42ºС, а средняя температура нефтей «в тени» составила

всего лишь 29ºС. Анализируя приведенные данные, можно также отметить, что высокосмолистая шаимская нефть несколько больше подвергается воздействию солнечной радиации, хотя разница температур поверхности у исследованных нефтей не значима.

Следует заметить, что за 9 часов испарения под воздействием солнечной радиации величина потерь σ оказалась в 2 раза большей, чем при испарении «в тени».при сопоставления кривых испарения, полученных при воздействии солнечной радиации, с кривыми испарения тех же нефтей без влияния на них солнечной радиации (с условием равенства температур) отмечается их полная идентичность.

В результате обработки экспериментальных данных была получена формула для расчета температуры верхних слоев нефтей

t ПД 0,5(tHD tBD )(16,94 10 9 J CP 2 , 5 5 DH 1), (2.62)

где tПД – температура поверхности днем, ºС; tНD – температура нефти на начало хранения, ºС; tВD – средняя температура воздуха днем, ºС; JСР – средняя интенсивность прямой солнечной радиации, поступающей на

Для определения температуры поверхности нефти и нефтепродуктов применительно к резервуарам и хранилищам, т.е. когда на поверхность

нефти прямая солнечная радиация не попадает, обычно рекомендуются следующие зависимости:

tΠ 0,5 (tB tH )

и

где tВ и tН – среднесуточная температура воздуха и нефти, ºС.

При расчете среднесуточной температуры поверхности нефти, хранящейся в земляном амбаре, можно принять tН = tНД , на глубине 2/3 от высоты налива h при tH > tB, и 1/3 от h при tH < tB или определить ее

tП 0,5(tB tH ) 0,354 10 9 JCP2,55 2DH (tHD tBD ). (2.64)

При растечении нефти и нефтепродуктов по водной поверхности за tH целесообразно принять температуру воды, замеренную на глубине 0,5 м, где суточные колебания ее величины практически затухают. В случае, когда нефть находится на поверхности почвы, вместо tН может быть использована температура почвы tЗ, замеренная при помощи термометров Савинова или Иванова на глубине 15 см.

Зависимость (2.64) рекомендована для использования в инженерных расчетах, например, при определении потерь от испарения нефти с открытой поверхности. Относительная ошибка при определении температуры поверхности нефти в формуле (2.63) составляет около 20%, при интенсивности радиации JСР 190 Вт/м2. Коэффициент множественной корреляции составил 0,94 и значим с доверительной вероятностью 0,95 по

критерию Стьюдента.

Согласно рекомендациям Н.Н. Константинова за среднесуточную температуру воздуха tВ можно принять температуру воздуха в момент захода Солнца З, допуская при этом синусоидальное изменение температуры в течение суток.

Для более точных расчетов целесообразно использовать следующую формулу: