§ 5. Расчет подогрева нефтепродукта в емкостях

Для правильного подсчета количества тепла, необходимого для подогрева определенного количества нефтепродукта в резервуаре от начальной температуры t_н до конечной t_к в зависимости от мощности, типа подогревателя, температуры окружающей среды и др., надо определить суммарные составляющие тепловых потоков. В общем случае полное количество тепла Q, сообщаемое подогревателем нефтепродукту, складывается из следующих элементов:

q₁ — тепло, необходимое для разогрева количества нефтепродукта весом G от t_н до t_к, имеющего теплоемкость с,

q₂ — тепло, необходимое для расплавления застывшего парафина в количестве G_п (G_п определяется лабораторным путем)

н — скрытая теплота плавления парафина;

q₃ — тепловые потери в окружающую среду

k — полный коэффициент теплопередачи от нефтепродукта в окружающую среду; F — поверхность охлаждения; τ— время разогрева; t_cp — средняя температура нефтепродукта в резервуаре за время разогрева; t_о — температура окружающей среды.

Температуру нефтепродукта в конце подогрева по истечении времени τ можно вычислить по формуле (6.14), которая применительно к условиям резервуара примет вид

(6.40)

Температура окружающей среды для наземных и полуподземных резервуаров

(6.41)

где t_г и t_в — температуры грунта и воздуха, окружающих резервуар; F_г и F_в — поверхности резервуара, соприкасающиеся с грунтом и воздухом.

Для подземных резервуаров t₀ принимается равной температуре грунта на глубине заложения оси резервуара или его середины.

Наибольшую сложность для подсчета q₃ представляет вычисление полного» коэффициента теплопередачи от нефтепродукта в окружающую среду. Для резервуаров значение k должно быть вычислено с учетом характера теплопередачи через стенку k_с, днище k_д и крышу k_к:

(6.42)

где F_c, F_д, F_к — площади стенок, днища и покрытия резервуара.

Значение k_с определяется по формуле (6.3), в которой внутренний коэффициент теплопередачи вычисляется по следующим уравнениям:

при 10⁹ ≥(Cr·Pr)_н ≥ 10³

(6.43)

при (Сr·Рr)_н >10⁹

(6.44)

Для горизонтальных цилиндрических резервуаров при 10⁸ ≥ (Сr · Pr) ≥ 10³

(6.45)

В вышеприведенных уравнениях λ_н — коэффициент теплопроводности нефтепродукта; z — высота наполнения резервуара; D — диаметр резервуара. Индекс «н» означает, что все физические величины для вычислений Рr и Сr выбираются при средней температуре нефтепродукта, индекс «с» означает стенка резервуара. При выборе средней температуры следует руководствоваться следующими рекомендациями:

1) ≤2, тоt_ср = ;

2) если >2, то

3. средняя температура стенки резервуара определяется методом последовательных приближений по формуле

Внешний коэффициент теплопередачи от стенки резервуара в воздух определяется по формуле (6.10). Коэффициент теплопередачи радиацией определяется по формуле (6.11).

Для полуподземных вертикальных цилиндрических резервуаров

где k_с-в и k_с-гр — полные коэффициенты теплопередач через стенку в воздух и через стенку в грунт; F_в и F_гр — площади стенок, соприкасающиеся с воздухом и грунтом; k_с-в определяется по формуле (6.3), а k_с-гр — по следующей формуле:

(6.46)

h_о — глубина погружения резервуара в грунт; α_о — коэффициент теплоотдачи от поверхности грунта в воздух (ориентировочно α_о ≈ 12·10^-3 кВт/(м²·°С). Для подземных горизонтальных цилиндрических резервуаров k ≈ k_с:

(6.47)

где α_2-гр — коэффициент теплопередачи от поверхности резервуара через гpyнт в атмосферный воздух

(6.48)

В изолированных резервуарах основное сопротивление оказывает тепловая изоляция. Поэтому с достаточной для практических расчетов точностью можно пренебречь α₂ и α₁ и считать, что

(6.49)

Коэффициент теплопередачи через крышу резервуара

(6.50)

Коэффициент теплопередачи через днище резервуара

(6.51)

где α'₁ — коэффициент теплоотдачи от зеркала нефтепродукта в газовое пространство резервуара:

для (Рr · Gr)_cр = 50 · 10² ÷ 2 · 10⁷

(6.52)

для (Pr.Gr)_cp >2·10⁷

(6.53)

t_з — температура зеркала нефтепродукта в резервуаре; t_г.п — температура, газового пространства резервуара (ориентировочно t_г.п ≈ 10 + 0,5t_з); δ_г — толщина газового пространства над нефтепродуктом; δ_i и λ_i — толщина листов, и коэффициент теплопроводности металла, теплоизоляции, грунта над подземным резервуаром; λ_эк — эквивалентный коэффициент теплопроводности газовоздушной смеси, который ориентировочно принимается как

(6.54)

λ_в — коэффициент теплопроводности воздуха; ε_к — коэффициент конвекции. Для воздуха

(6.55)

А — безразмерный коэффициент, который при средней температуре газа 0,50 и 100° С соответственно равен 19,4; 16,7 и 14,8.

Для наземных резервуаров k_д и k_к во много раз меньше k_с. Поэтому при раcчетах, не требующих большой точности, коэффициентами k_д и k_к можно пренебречь. Ориентировочно k_д ≈ 0,3 · 10^-3 кВт/(м² · °С); k_к ≈ 1 · 10^-3 кВт /(м² ·°С) и k_с ≈ (5 ÷ 7) · 10^-3 кВт/(м² · °С).

Для железнодорожных цистерн при движении поезда коэффициент k принимается равным k_с и определяется по формуле (6.3), в которой α₁ вычисляется по (6.45), а α₂ — по уравнению

где λ_в — теплопроводность воздуха; L—длина котла цистерны;

ω_ц — сумма скоростей ветра и поезда

D — диаметр цистерны; υ_в — кинематическая вязкость воздуха.

Ориентировочно для цистерн принимается k ≈ (7 ÷ 8)·10^-3 кВт/(м² · °С).

Для нефтеналивных судов

где k_c-вод и k_с-в — полные коэффициенты теплопередачи через борт в воду и через борт в воздух; F_вод и F_в — площади нефтеналивных судов, соприкасающиеся соответственно с водой и воздухом. Для части стенки, обдуваемой воздухом, коэффициент k находится по формуле (6.3), а для части стенки, омываемой водой, — по формуле (6.48), в которой α_2-гр заменяется α_2-вод т. е. коэффициентом теплоотдачи от стенки судна к текущей воде:

(6.56)

где параметры Re и Рr вычисляются по средней температуре воды за бортом и по длине нефтеналивного судна L.