Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Процессы тепломассопереноса при транспортных операциях с застывающими жидкими нефтепродуктами 12
1.1. Низкотемпературные свойства жидких нефтепродуктов и проблемы их железнодорожных перевозок в осенне-зимний период... 12
1.2. Подвижной состав для вязких наливных грузов и средства их разогрева при выгрузке. Современное состояние вопроса 24
1.3. Применяемые методы расчета транспортных операций с наливными грузами при железнодорожных перевозках 37
1.4. Применение уравнений математической физики для описания процессов охлаждения и разогрева застывающих нефтепродуктов 52
1.5. Физическое моделирование тепловых и гидродинамических процессов. Основные критерии подобия 56
1.6. Численные методы в задачах математического моделированияпроцессов тепломассопереноса и их программное обеспечение 67
1.7. Постановка задач и вводимые математические модели 73
1.8. Выводы 78
ГЛАВА 2. Развитие представлений об охлаждении жидких нефтепродуктов при их транспортировании в условиях низких температур 80
2.1. Влияние атмосферных осадков на внешнюю теплоотдачу с поверхности цистерны (трубопровода) 80
2.2. Метод расчета среднеобъемной температуры нефтегруза в цистерне при неравномерном внешнем теплосъеме с её поверхности 91
2.3. Влияние фактора смачиваемости поверхности цистерны (трубопровода) на внешнюю теплоотдачу при осадках 95
2.4. Термогравитационная конвекция жидкости в замкнутом объеме 101
2.5. Пограничный слой в жидком нефтепродукте при термогравитационной конвекции 113
2.6. Применение модели «условно-неподвижной среды» в описании процесса охлаждения нефтепродукта в цистерне 133
2.7. Выводы 149
Глава 3. Модели процессов тепломассопереноса в нефтепродуктах при их перевозках в цистернах 152
3.1. Влияния термогравитационной конвекции на скорость охлаждения горячих жидких нефтегрузов 152
3.2. Компьютерное моделирование охлаждения циркулирующего нефтепродукта при различных значениях коэффициента конвекции (прогнозируемый эксперимент) 163
3.3. Математическая модель процесса охлаждения нефтегруза в железнодорожной цистерне с тепловыми аккумуляторами 169
3.4. Модель охлаждения слабоциркулирующего жидкого нефтепродукта в цистерне с многослойной стенкой котла 179
3.5. Выводы 186
ГЛАВА 4. Стендовые эксперименты, результаты наблюдений и их обработки 188
4.1. Моделирование условий теплообмена цистерны с нефтепродуктом и окружающей среды 188
4.2. Экспериментальное оборудование и его характеристики 192
4.2.1. Стенд для имитации внешних условий охлаждения ЗНГ 192
4.2.2. Модельная емкостъ 195
4.2.3. Модельные жидкости 201
4.2.4. Установка для измерения теплофизических характеристик
4.2.5. теплоаккумулирующих материалов 203
4.2.5. Вспомогательная установка для изучения процессов получения крупных гранул нефтебитума с защитной оболочкой 207
4.3. Результаты исследований динамики охлаждения модельных жидкостей в стендовых условиях 209
4.3.1. Охлаждение горячих жидкостей в цилиндрических сосудах при обтекании их воздушно-водными потоками («внешняя задача»).. 209
4.3.2. Влияние смачиваемости поверхности нагретого тела на теплоотдачу внешнему воздушно-водному потоку 214
4.3.3. Исследование циркуляционного движения э/сидкости при естественной конвекции в модели цистерны 223
4.3.4 Охлаждение модельных жидкостей при подавлении их естественной конвекции имитаторами тепловых аккумуляторов 229
4.4. Выводы 239
ГЛАВА 5. Тепловые аккумуляторы для железнодорожной цистерны 242
5.1. Конструктивные характеристики тепловых аккумуляторов и свойства теплоаккумулирующих материалов (ТАМ) 242
5.1.1. Тепловой аккумулятор с углеводородными ТАМ 249
5.1.2. Тепловой аккумулятор с ТАМ на основе солевой смеси Локка 250
5.2. Внутренний теплоперенос в теплоаккумулирующих материалах. Результаты экспериментов 253
5.3 Физические модели теплопроводности ТAM на основе солей кристаллогидратов и их смесей 264
5.4 Выводы 270
ГЛАВА 6. Теория и модели тепловых процессов при затвердевании и плавлении вязких нефтепродуктов и теплоаккумулирующих материалов 272
6.1. Модель размыва загустевшей фракции нефтегруза при его вынужденной конвекции в приближении задачи Стефана 273
6.2. Модели регенерационных тепловых процессов в теплоаккумулирующих материалах 287
6.3. Временная тепловая изоляция стенок цистерны из пористого слоя отвержденного нефтепродукта 306
6.4. Образование и размыв теплоизолирующей оболочки из пористого отвержденного нефтепродукта 316
Выводы 327
ГЛАВА 7. Модели новых технологий и средств доставки застывающих нефтепродуктов на объекты общепромышленного и военного назначения 329
7.1. Устройство двухступенчатого разогрева высоковязкого продукта в железнодорожной цистерне 329
7.2. Применение каталитического горения углеводородов в транспортных операциях с застывающими наливными грузами 343
7.3. Производство нефтебитумов в виде гранул с защитной оболочкой 368
7.4. Выводы 390
ГЛАВА 8. Оценки экономических эффектов 393
8.1. Цистерна с тепловыми аккумуляторами. Цистерна с устройством двухэтапного размыва загустевшего нефтегруза 393
8.2. Экономический и оперативный эффекты от способа перевозки нефтебитумов в виде гранул с защитной оболочкой 412
8.3. Выводы 416
Заключение 417
Применяемые аббревиатуры и пояснения к ним 423
Приложение 425
Список использованной литературы 436
- Подвижной состав для вязких наливных грузов и средства их разогрева при выгрузке. Современное состояние вопроса
- Метод расчета среднеобъемной температуры нефтегруза в цистерне при неравномерном внешнем теплосъеме с её поверхности
- Компьютерное моделирование охлаждения циркулирующего нефтепродукта при различных значениях коэффициента конвекции (прогнозируемый эксперимент)
- Временная тепловая изоляция стенок цистерны из пористого слоя отвержденного нефтепродукта
Введение к работе
Актуальность проблемы. В работе рассмотрены проблемы химмотологии жидких нефтепродуктов моторных и котельных топлив, легких и тяжелых технических масел, нефтебитумов и др. при их железнодорожных перевозках в холодное время года.
Названные продукты изменяют свои характеристики при охлаждении, в силу чего относятся к застывающим наливным грузам (ЗНГ). Они широко потребляются промышленностью, сельским хозяйством, транспортом и Вооруженными Силами РФ, что обуславливает большие объемы их перевозок.
Научная значимость проблемы определяется не полным развитием научно-обоснованных представлений о протекании тепломассообменных процессов в ЗНГ при транспортных операциях с ними. Если для конечных операций по их выгрузке и перегрузке разработаны удовлетворительные методики расчетов, основанные на эмпирических формулах, полученных из практики эксплуатации применяемого оборудования, то теории и математические модели, описывающие динамику охлаждения ЗНГ, их застывание при перевозках и восстановление текучести при выгрузке, еще далеки от завершения.
Актуальность проблемы обусловлена необходимостью снижения стоимости доставки ЗНГ в условиях холодного климата России. Проблема существует уже многие годы и в настоящее время требует новых научных и инженерно-технических решений в силу следующих обстоятельств: 1. В настоящий момент в России более 50% тяжелой колесной и гусеничной техники гражданского и военного назначения эксплуатируется на дизельных топливах (ДТ) различных марок, разработанных по ГОСТ 305-82 для использования, как в летнее, так и зимнее время. Но в последнее десятилетие неуклонно и быстрыми темпами сокращается выпуск зимних марок ДТ. Их доля в общем объеме производства опустилась до 10... 12%, тогда как по условиям климата России она должна быть не менее 60. 70%.
Летние ДТ выпускаются в достаточном количестве, но при охлаждении ниже минус 5оС, и без применения депрессорных присадок, которые все еще находятся в стадии разработки, они теряют свою кондиционность, и их перевозки в холодное время года запрещены нормативными документами.
-
Решение задач развития экономики страны, включая её промышленные предприятия, водный транспорт, строительство и ремонт автомобильных дорог, требуют роста объема железнодорожных перевозок вязких нефтепродуктов: мазутов, масел, нефтебитумов и др. Их доставка затруднена необходимостью разогрева нефтегрузов при выгрузке, который требует затрат времени, тепловой энергии и специального оборудования. После слива в цистернах остаются высоковязкие остатки, которые удаляют с дополнительными энергозатратами и образованием больших количеств отходов. Годовой простой цистерн под сливом и очисткой на железных дорогах РФ превышает 1 млн. вагоно-часов, а на разогрев нефтегрузов при сливе тратится до 600 тыс. тонн условного топлива, с ростом объема перевозок вязких ЗНГ эти цифры будут расти.
-
Разрушение объекта малоразветвленной железнодорожной сети в чрезвычайных ситуациях требует выгрузки топлив в полевых условиях и передаче их по необогреваемым полевым магистральным трубопроводам (ПМТ), выполненным по временным технологическим схемам в обход барьерного места. В зимнее время эта транспортная операция может создать большие трудности в доставке жидких топлив на предприятия, в населенные пункты, на корабли ВМФ и др., так как с охлаждением, и сопутствующим ему ростом вязкости, топлив передающая способность трубопроводов резко снижается до полной её потери. Предварительный разогрев топлив в цистернах передвижными энергетическими установками требует большого времени, трудозатрат и не решает полностью поставленных задач, если трубопровод имеет длину превышающую 500м.
Устранение или даже минимизация перечисленных трудностей при перевозках ЗНГ в холодное время года требуют знания характера протекающих теп- ломассообменных процессов при всех транспортных операциях с ними, но полные физико-математические модели этих процессов еще требуют разработки.
Становится невозможным прогнозирование состояния охлаждаемых вязких нефтегрузов при перевозках и разогреве с разжижением при выгрузке.
Решение поставленной научной проблемы связано с построением теории физических и математических моделей процессов тепло-массообмена в цистернах, трубопроводах, в теоретическом обосновании необходимости установки в цистернах новых дополнительных элементов и использовании новых способов перевозок застывающих жидких нефтепродуктов, альтернативных существующим.
Целью работы является разработка научных основ, методов и средств по модернизации транспортных операций с ЗНГ в осенне-зимний период с повышением показателей их рентабельности и оперативной эффективности.
Основными показателями рентабельности являются сокращение продолжительности перевозок, снижение стоимости выгрузки и очистки цистерн, сохранение кондиционности перевозимых нефтегрузов.
Показателем оперативной эффективности является снижение времени доставки топлив с их выгрузкой в полевых условиях и передачей по ПМТ в места развертывания и временного базирования войск и сил МЧС.
Предметом исследования являются процессы тепло-массообмена при транспортных операциях с ЗНГ: перевозке в цистернах, выгрузке, перекачке по ПМТ, очистке цистерн от остатков нефтегруза.
Объектом исследования являются нефтепродукты, проявляющие низкотемпературные свойства (НТС) при охлаждении: летние дизельные топлива, флотские и котельные мазуты, масла, нефтебитумы, а также материальные средства их доставки (цистерны, необогреваемые трубопроводы) и альтернативные применяемым в настоящее время устройствам и системам, средства разогрева нефтегруза (теплоаккумулирующие материалы и катализаторы глубокого низкотемпературного окисления углеводородов).
Методика исследования была основана на развитии теории и построении моделей процессов тепло-массообмена для существующих и новых транспортных технологий, повышающих эффективность перевозок ЗНГ при низких температурах воздуха, с применением стендового и компьютерного экспериментов.
Основой теоретических методов являлись положения математической физики, теории конвективного тепломассопереноса, гидромеханики, теории подобия и размерностей и математической статистики. Расчеты производились на ЭВМ с использованием пакетов ANSYS 5.6, Maple 9 и комплекса оригинальных программ, написанных на языке «FORTRAN» (версия CVF-6.6).
Достоверность положений и выводов теории, а также компьютерных расчетов, подтверждена сравнением их с результатами стендовых экспериментов и полученными при их обработке эмпирическими формулами.
Задачами исследования были создание теории и моделей процессов тепло-массообмена при транспортных операциях с ЗНГ и выдачей на их основе рекомендаций по реализации новых технологий перевозки, выгрузки и передачи по полевым трубопроводам. Задачи решались по двум направлениям: первое было связано с созданием теории охлаждения перевозимых нефтегрузов в цистернах, второе с разработкой расчетных методов по восстановлению их текучести при выгрузке и передаче по ПМТ.
Новизна работы отражает представленные теории и модели протекающих процессов тепло-массообмена и конструкторские предложения по модернизации технологических операций транспортирования ЗНГ.
Научная новизна работы включает предложенные автором: 1. Новую модель процесса охлаждения нефтегруза в цистерне с учетом его термогравитационной конвекции (ТГК). В качестве основной величины,
характеризующей процесс, предлагается использовать коэффициент конвекции sK, определяемый по темпу охлаждения цистерны.
Новый вид критериальной зависимости для внешнего коэффициента теплоотдачи, учитывающей водность набегающего потока воздуха при наличии атмосферных осадков, а также фактор смачиваемости водой наружной поверхности цистерны (или трубопровода).
Комплекс работ по исследованию охлаждения жидкости в цистерне с блоком тепловых аккумуляторов, предназначенных для подавления ТГК горячего нефтегруза.
Теорию и модели процессов теплопередачи от теплоаккумулирующего материала (ТАМ) к нефтепродукту, обтекающему тепловой аккумулятор, а также тепловых процессов в рабочем теле самих тепловых аккумуляторов при наличии в нем фазовых переходов с протяженной зоной плавления. Прикладная новизна работы включает разработку новых технологий:
-
по сохранению высокой температуры основной массы (~80%) жидкого нефтегруза за счет подавления ТГК установленными в цистерне тепловыми аккумуляторами;
-
создания временной, удаляемой при выгрузке, внутренней тепловой изоляции на стенке котла из перевозимого вязкого нефтепродукта - «пористого мазутного теплоизолирующего слоя» (ПМТС) с целью сохранения температуры нефтегруза при перевозках, снижения затрат времени и тепла при сливе и очистке цистерны, а также уменьшения загрязняющих выбросов в атмосферу;
-
поддержания высокой температуры и низкой вязкости нефтепродуктов в цистернах и ПМТ путем применения гидрофобных покрытий на их внешней поверхности и использования для подогрева нефтегруза низкотемпературного (~200оС) окисления углеводородов на катализаторе;
-
производства крупных (~5...6 см) «гранул» дорожного нефтебитума с защитной оболочкой, предотвращающей их слипание и имеющей высокий
коэффициент отражения солнечной радиации, для обеспечения их перевозок на платформах или в полувагонах в виде насыпного груза.
Практическая значимость работы заключается в доказанной возможности круглогодичного использования подвижного состава, находящегося в обороте, для доставки ЗНГ в осенне-зимний период с обеспечением:
-
экономии времени, трудовых и энергоресурсов при выгрузке, снижении стоимости перевозок и увеличении оборота цистерн;
-
полного слива ЗНГ в полевых условиях с последующей их передачей по полевым магистральным трубопроводам при низких температурах;
-
перевозок нефтебитумов на платформах и полувагонах в качестве насыпных грузов с облегченными условиями выгрузки;
-
снижения потребности в специализированном подвижном составе для перевозок ЗНГ в соответствии с условиями обстановки (в чрезвычайных ситуациях, угрожаемый период, военное время).
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в расчетно-конструкторских работах Научно-внедренческого центра (НВЦ) «Вагоны» и ОАО «Конструкторское бюро специального машиностроения» (КБСМ). Служба коммерческой работы в сфере грузовых перевозок ОАО «РЖД» использует материалы диссертации в экономических оценках по повышению объема перевозок наливных грузов существующим подвижным составом.
Введенные методики расчета охлаждения нефтепродуктов при перевозках используются в учебном процессе ВТИ ЖДВ и ВОСО по дисциплинам: «Военные сообщения», «Специальная подготовка транспорта», «Организация грузовой и коммерческой работы. Грузоведение». На защиту выносятся теоретические разработки, рассматривающие: 1. Возникновение и развитие ТГК при охлаждении горячих жидкостей в котлах цистерн различных модификаций и способы её подавления.
-
-
Модели «условно неподвижной среды» для жидкости, движущейся при ТГК в горизонтальном цилиндре с охлаждаемыми стенками.
-
Вид критериальной зависимости числа Нуссельта для вынужденной конвекции внешней среды с учетом атмосферных осадков и влияния смачиваемости водой поверхности цистерны (трубопровода).
-
Два способа подавления ТГК в цистерне: активным путем за счет создания противотоков жидкости тепловыми аккумуляторами и пассивным за счет создания внутренней тепловой изоляции стенок котла из перевозимого вязкого нефтепродукта, переведенного в состояние ПМТС.
-
Двухэтапный способ размыва застывшего продукта во всем объеме котла.
-
Способ получения дорожных нефтебитумов в виде крупных гранул с защитной оболочкой, предотвращающей их слипание при перевозках и хранении.
-
Способы разогрева транспортируемых жидких нефтепродуктов в цистернах и трубопроводах за счет низкотемпературного горения газообразных углеводородов на поверхности катализатора.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях периода 2000...20Пгг: «Фундаментальные исследования в технических университетах» (С.Пб, ГПИ, 2000 г), «Технология энергоснабжения, строительство и эксплуатация инженерных систем» (С.Пб, ГПИ, 2000), «Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену» (МЭИ, Москва, 2002), «Актуальные проблемы защиты и безопасности» (РАР и АН, С.Пб., 2003, 2004) «Подвижной состав XXI века» (С.Пб., ПГУПС, 2002), «Математика в ВУЗЕ»: (Псков 2001, Мурманск 2007, Петрозаводск 2010, Великие Луки 2011, Гатчина 2012).
По материалам диссертации автором опубликовано 58 печатных работ, из них 15 охранных документов (свидетельств на полезную модель, патентов на изобретение и свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ).
Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, имеющие научную новизну и практическую значимость, получены лично автором, который выполнил теоретические исследования, руководил разработкой программного обеспечения с составлением алгоритмов решения задач тепло - и массообмена, проводил стендовые испытания и математическую обработку экспериментальных данных.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, восемь глав, заключение и приложение. Она изложена на 342 страницах машинописного текста, содержит 128 рисунков и 65 таблиц. Список использованных литературных источников включает 341 наименование.
Подвижной состав для вязких наливных грузов и средства их разогрева при выгрузке. Современное состояние вопроса
Для этих топлив характерно фазовое расслоение, сопровождающееся выпадением частиц высокоплавких н-парафинов, содержание которых в топливе составляет -20%. Фазовое расслоение протекает необратимо, повторный нагрев не восстанавливает характеристик топлива. Переохлаждение летнего ДТ за время транспортирования в цистернах означает его безвозвратную потерю, так как его характеристики будут резко отличаться от стандарта по важнейшему параметру - цетановому числу. По установленным нормативам летние ДТ перевозят только при положительных температурах воздуха.
Проблемы перевозок ДТ возникли в самое последнее время. При общем росте объема производства топлив с 49 млн.т. в 2000г. до 71 млн.т. в 2008г. наблюдается резкое (-25% в год) сокращение выпуска зимних и «арктических» марок топлив из-за их высокой себестоимости по сравнению с летними топливами. Из общего объема выработки ДТ на долю зимних и «арктических» сейчас приходится не более 11... 12%, тогда как с учетом климатических условий России она должна составлять не менее 40...45%. В Восточной Сибири доля «арктических» топлив должна составлять 15... 17%, а она опустилась до 1% [20].
Наиболее перспективным способом улучшения НТС летних дизельных топлив считается применение депрессорных присадок, понижающих температуру их застывания до минус 20С. Но применение топлив с присадками типа ДЭП-Т, ДЭП-М, ДИТО-ЭЗп связано с риском отказа техники. Риск обусловлен возможностью расслаивания топлив, и накопления кристаллов твердой фазы в нижней части емкостей, возможностью осмолення топлив при хранении, недостаточной эффективностью присадок в депарафинизированных топливах и др. [20]. Поэтому в РФ применяются не отечественные, а импортные присадки, что ставит нашу страну в зависимость от их поставок. В итоге ДТ с депрессорными присадками на вооружении у силовых структур РФ не стоят, а в зимнее время топлива разбавляют авиационными керосинами (что создает их дефицит).
Нефтяные топлива (мазуты) [4,5,6,7,8,61,97,253,258]. У темных нефтяных топлив НТС проявляются в росте вязкости с понижением температуры. При вязкости продукта v превышающей значение vniax =1,5-10 3 м/с2, его слив из цистерны самотеком становится невозможным. Загустевшей фракцией нефтегруза назовем его часть с вязкостью v vmax, а жидкой фракцией его часть с вязкостью V 0,3vinax. Температурой застывания считается температура, при которой вязкость продукта достигает значения vniax.
Флотские мазуты Ф-5, Ф-12 и Ф-20 (ГОСТ 1526-57) включают дизельные фракции и имеют высокую стоимость. Их температура застывания равна минус 5...8С. Котельные мазуты маркируются по вязкости при температуре плюс 50С в условных градусах: М20, М40, М60, М80 и Ml 00 (ГОСТ 1501-57) - большей цифре в марке отвечает большая вязкость продукта. Их температуры застывания лежат в интервале от плюс 10 до плюс 40С (табл. 1.1.4).
Высоковязкие нефтепродукты {нефтебитумы) [4,222,226,272]. Наибольшие объемы перевозок приходятся на дорожные и строительные битумы
Отличительной особенностью НТС нефтебитумов (различных марок по ГОСТ 22245-76 и ГОСТ 11955-82), характерны высокие вязкость (40...200ВУ), температуры перехода в жидкое состояние (плюс 70... 150С) и температуры размягчения (плюс 30...50С). При более низких температурах нефтебитумы переходят высоковязкое (затвердевшее) состояние.
Битумы перевозят специализированным подвижным составом, где обеспечивается снижение скорости их охлаждения и разогрев перед выгрузкой.
Технические масла [4,242,255,257]. По назначению масла делятся на моторные (для смазки различных типов двигателей) и индустриальные (для смазки машин и механизмов). Наибольшие объемы перевозок приходятся на моторные масла, которые разделяются на масла авиационные (ГОСТ 1013-49), дизельные (ГОСТ 5304-54), автомобильные (ГОСТ 1862-60) и автотракторные. Масла застывают при температурах: авиационные: ниже минус 14... 18С, дизельные ниже минус Ю...25С, автотракторные ниже минус 5...25С.
Видно, что температуры застывания ЗНГ очень высоки для холодного континентального климата России. Так на трассе БАМ отмечались темпера туры воздуха ниже минус 50С, а в республике Коми, где находятся крупные нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ), они опускаются ниже минус 40С.
Температуры вспышки всех перечисленных ЗНГ находятся в следующих интервалах: у бензинов минус 30...20С, у авиационных керосинов и дизельных топлив: плюс 30...90С, у флотских мазутов: плюс 80...90С, у котельных мазутов: плюс 80...125С, у вязких битумов плюс 200...220С [4,5,61,62]. Эти значения надо признать низкими, даже у котельных мазутов и нефтебитумов, которые перед выгрузкой приходится разогревать для восстановления текучести, а низкие температуры вспышки делают пожароопасными многие способы разогрева (например, электроразогрев).
Характеристики основных типов ЗНГ, даны в табл. 1.1.2... 1.1.4. Основные физико-химические характеристики мазутов влияющих на динамику их охлаждения при транспортировании в цистернах, регламентированы ГОСТ 10585-99 от 01.01.2001г. Эти характеристики представлены на рис. 1.1.1 и в табл. 1.1.2. На рис. 1.1.1 показана зависимость от температуры жидкостей Тж их физических параметров: плотности рж, кинематической вязкости уж, теплопроводности Аж и поверхностного натяжения ож. Температурная зависимость кинематической вязкости дана в логарифмическом масштабе. Характеристики других ЗНГ имеют тот же порядок величины.
Особенностью динамики застывания нефтепродуктов является отсутствие четких границ между фракциями и незначительное изменение теплофизических характеристик при переходе из жидкого состояния в загустевшее. При температурах, близких к температуре застывания большинство ЗНГ становятся структурированными реологическими средами, вязкость которых зависит от напряжения сдвига. Для их описания применяют теоретические модели «жидкостей» Эллиса, Лесерсича и Максвелла [145], но наиболее распространена модель бингамовской жидкости. При вязкости v vmax ей удовлетворяют парафинистые мазуты и гудроны. При высоких температурах, когда вязкость жидкости V 0,5-10 3 м/с2 (т.е. V 0,3 vnwx) удовлетворительной может считаться классическая модель ньютоновской жидкости [87,239].
Метод расчета среднеобъемной температуры нефтегруза в цистерне при неравномерном внешнем теплосъеме с её поверхности
Из этих соотношений видно, что с ростом вязкости жидкости Уж растут потребные мощности на её перекачку по трубопроводу, а при заданном перепаде давления Ар уменьшается её расход при перекачке. В наибольшей степени это проявляется при ламинарном режиме движения.
В зависимости от характера решаемых задач используются полевые магистральные трубопроводы диаметром 150мм, 200мм и 300мм. (ПМТ-100, ПМТ-200 и ПМТ-300). Выгрузка из четырехосных цистерн маловязких топлив с помощью насосов и перекачка их по трубопроводу продолжается 1,0... 1,5 часов. В этих режимах выгрузки объемный расход жидкости в трубопроводе со- ставляет Gv=0,017...0,011 м /с. Из данных табл. 1.1.2, где показана вязкость топлив находим, что при температурах ниже плюс 10С числа Рейнольдса для мазутов флотских Ф-5, Ф-12 и моторного топлива Д1-1 соответственно равны Яеір ІббО и ReTp-1470 (т.е. ReTp 2300), т.е. топлива будут перекачиваться при (1.3.48) (1.3.49) ламинарном режиме их движения. Охлаждение топлив в трубопроводе сопровождается ростом их вязкости, и, как следует из соотношений (1.3.46) и (1.3.48), потребует увеличения мощности средств перекачки или повлечет снижение расхода жидкости через трубопровод.
Выполненный анализ показывает, что математическое описание применяемых транспортных операций, связанных с перевозкой наливных грузов, основано на стандартных методиках, применяемых в промышленной теплотехнике [16] или эмпирических формулах, полученных на практике.
Основной задачей, требующей своего решения, является сохранение температурно-вязкостных свойств у вязких нефтепродуктов и эксплуатационных характеристик у летних ДТ при их транспортировании в холодное время года. Проблема частично решается установкой тепловой изоляции на цистерны, но по существующему состоянию парка цистерн РФ этот традиционный подход к её решению, как отмечалось выше, не приемлем.
В качестве альтернативных путей автором предлагаются следующее: применение внутренних тепловых источников в виде тепловых аккумуляторов (ТА) регенеративного типа, подавляющих естественную конвекцию горячего нефтепродукта, заполненных теплоаккумулирующим материалом (ТАМ) и работающих по замкнутому циклу плавление - затвердевание; создание временной тепловой изоляции цистерны путем нанесения на её внутренние стенки слоя вязкого нефтегруза, аналогичного транспортируемому, предварительно переведенного в слабовспененное затвердевшее состояние, для легкого размыва слоя и удаления его остатков; использование низкотемпературного ( 200...250С) горения самого перевозимого нефтепродукта (или иных углеводородных топлив) на поверхности катализатора для поддержания необходимой температуры ЗНГ при перевозках в цистерне или передаче через ПМТ; высоковязкие нефтегрузы (дорожно-строительные битумы) предлагается изготовлять в виде крупных ( 5...6 см) «гранул» с защитной оболочкой (являющейся одной из компонент асфальтобетона) для предотвращения слипания и перевозить их как насыпные грузы открытым подвижным составом (на платформах или в полувагонах).
В работе рассмотрены модели гидродинамических и тепловых процессов в жидкости, заполняющей цистерну без аккумуляторов, с встроенными аккумуляторами и, наконец, в самих ТАМах, заполняющих аккумуляторы. Рассмотрена динамика разжижения вязких нефтегрузов в обычном состоянии и в состоянии воздухонасыщенного дисперсоида. Предложен ряд конструкторских решений для транспортных операций с ЗНГ при низких температурах.
Перед тем как перейти к разработке новых математических моделей, для транспортных операций с ЗНГ, дадим краткий обзор принципа их построений и введем необходимые критерии и числа подобия.
В работе представлены два основных направления исследований. Первым являлось изучение самого процесса охлаждения ЗНГ при перевозках без учета фазовых переходов, вторым изучение динамики застывания ЗНГ с переходом в затвердевшее (высоковязкое) состояние и восстановление их текучести при нагревании.
Изучаемыми средами считаются в одних случаях сами нефтепродукты, в других теплоаккумулирующие материалы (ТАМ), которые используются в тепловых аккумуляторах (ТА), планируемых для установки в цистернах.
При наливе в цистерну все ЗНГ имеют сравнительно высокую температуру и низкую вязкость и их можно рассматривать как несжимаемые ньютоновские жидкости, описание движения и охлаждения которых дается системой дифференциальных уравнений Навье-Стокса (1.4.1), сплошности (1.4.2) и конвективной теплопроводности Фурье-Кирхгофа (1.4.3) [15, 87]. Для нестационарной задачи совокупность перечисленных уравнений имеет вид:
Для удобства чтения ряд основополагающих формул будет употребляться в последующих главах со своей нумерацией. — -f (й grad)u = g - a+ vAi7; dr p divu = 0; 8 дх + (z7 grade) = аА. (1.4.1) (1.4.2) (1.4.3) В уравнениях введены следующие физические величины: u{ux,uv,uz) - скорость движения жидкости, м/с; V - её кинематическая вязкость, м2/с; р плотность, кг/м3; а - её температуропроводность, м2/с; g - ускорение свобод ного падения, м/с2; а = Т2 - Т\ и Р = pi- р\- соответственно разность темпера тур и давлений между двумя точками среды. Кроме того, в соотношениях (1.4.1)...(1.4.3) введены операторы: гради ента grad и дивергенции div, а также оператор Лапласа А. Операторы рас сматривались в прямоугольных и цилиндрических координатах.
Компьютерное моделирование охлаждения циркулирующего нефтепродукта при различных значениях коэффициента конвекции (прогнозируемый эксперимент)
Подавление ТГК горячего застывающего нефтегруза с низкой теплопроводностью снижает скорость его охлаждения, так как основная масса жидкости из циркуляционного движения исключается и охлаждается медленно, тогда, как контактирующие с холодной стенкой котла слои застывают до высоковязкого состояния, образуя тепловую изоляцию котла.
Были рассмотрены два способа подавления конвекции нефтегруза, активный и пассивный. Как способ активного подавления ТГК были предложены тепловые аккумуляторы (ТА), установленные внутри котла у его стенок. Нагретые аккумуляторы создают над собой восходящие токи жидкости в непосредственной близости к нисходящим токам, у стенок котла и их наложение смещает циркуляционное движение жидкости к стенкам котла, разбивая его на малые по размерам вихри. Этот циркулирующий слой охлаждается и застывает, образуя при малой теплопроводности нефтепродуктов, своеобразную временную «теплоизолирующую оболочку» из самого перевозимого нефтепродукта. Основная масса нефтегруза, исключенная из циркуляционного движения, длительное время сохраняет высокую температуру и подвижность.
Пассивный способ подавления ТГК также связан с созданием теплоизолирующей оболочки из перевозимого нефтегруза. Из рис. 1.2.16,г видно, что коэффициент поверхностного натяжения о нефтепродуктов мал по величине, а вязкость V быстро возрастает с понижением температуры. Эти свойства благоприятны для перевода вязких жидкостей в состояние дисперсоида. Назовем пористым мазутным теплоизолирующим слоем (ПМТС) слой нефтепродукта, насыщенный на 30...40% мелкими пузырьками воздуха и приведенный охлаждением в затвердевшее состояние.
На станции погрузки ПМТС получается в отдельной емкости при прокачке барботажом через нефтепродукт холодного воздуха с одновременным перемешиванием. Он наносится распылением на внутренние стенки котла, преимущественно на верхнюю его часть и торцы, и охлаждается до перехода в затвердевшее состояние на стадии подготовки цистерны под налив.
Оболочка из ПМТС на верхней части котла способствует переходу горячей жидкости в устойчивое стратифицированное состояние, при котором негативный эффект, создаваемый ТГК жидкости снижается, сходя на нет. Третья задача направлена на изучение тепловых эффектов, получаемых при подавлении ТГК горячего нефтепродукта в цистерне активным и пассивным способами. Для ее решения проводились расчеты распределения температур и тепловых потоков в нефтегрузах, находящихся в цистерне с тепловыми аккумуляторами и в цистерне, имеющей тепловую изоляцию, в виде ПМТС ставился также вопрос о времени охчаждения ПМТС для создания из него теплоизолирующей оболочки.
Важнейшими транспортными операциями, обуславливающими высокую стоимость перевозок вязких нефтепродуктов, являются их выгрузка и перегрузка с использованием ПМТ. Совершенствование этих операций по критериям снижения их себестоимости и повышения оперативной эффективности связано со снижением затрат времени и расходов тепловой энергии на их проведение.
При этом была поставлена четвертая задача, связанная с построением теории тепловых процессов, характеризующих размыв вязких нефтегрузов находящихся в высоковязком (затвердевшем) состоянии. Она сводится к рассмотрению двух вариантов разжижения застывшего нефтепродукта - при наличии и в отсутствие в нем четкой поверхности раздела жидкой и твердой фаз, на которой поглощается теплота фазового превращения. Один из вариантов касался размыва ПМТС, имеющего низкую теплопроводность, другой вариант - npoifeccoe, происходящих в тепловых аккумуляторах при га зарядке и разрядке.
Кроме перечисленных задач, связанных с теоретическим рассмотрением тепловых процессов в застывающих наливных грузах при их перевозке и выгрузке в работе рассматривались три инженерно-технические задачи, связанные с построением моделей, описывающих: работу нового устройства ускоренного слива высоковязких продуктов (растительных и тяжелых машинных масел) при их размыве одновременно в центре цистерны, на её торцах и в нижней части у сливного патрубка; способов разогрева цистерн и полевых магистральных трубопроводов с применением низкотемпературного горения углеводородов на поверхности катализатора и использованием «тепловых труб» для обеспечения теплоподвода; технологический процесс производства дорожных нефтебитумов, в виде крупных твердых «гранул» сферической или эллиптической формы размерами 5.. .6 см с защитной оболочкой, предотвращающей их слипание при перевозках и хранении. Оболочка является одной из составляющих асфальтобетона и не ухудшает качества дорожных покрытий, но позволяет перевозить высоковязкие нефтебитумы открытым подвижным составом, как насыпные грузы.
Временная тепловая изоляция стенок цистерны из пористого слоя отвержденного нефтепродукта
Оценим величину коэффициента конвекции, положив, что его можно вычислить по формуле (2.6.5) и пользуясь первой строкой табл.2.6.1. В качестве примера ЗНГ рассмотрим мазут Ml00, параметры которого возьмем из табл.1.1.2: рж=980 кг/м3; v =l,5 ЮЛі2/с; /ж=0,1Вт/м-С; (1=9,6 10" 1/С.
Возьмем /о=(0,2...О,3)-/?= 30...50см. Подставляя эти значения параметров в (2.6.27) получим: Ra =(0,31... 1,43)-Ю7-(:ГЖ -Гст). В работах З.И.Геллера [7] и Б.С.Белосельского [8] представлено найденное значение критерия Релея в зависимости от разности средних температур мазута и стенки цистерны Ка=(Гж-7 ст)108. Согласие с расчетным значением, полученным по (2.6.33) можно признать удовлетворительным.
Подставляя полученные значения критерия Релея в (2.6.5) найдем и оценочное значение коэффициента конвекции: єк 30...35 для мазута М100, к 42...55 для мазута М40 и єк 65... 70 для мазута М20.
Рассмотрим первый вариант модели условно неподвижной среды (Лэкв = const) и зададимся вопросом о экспериментальном определении коэффициента конвекции єк. Из (2.6.25) и (2.6.26) следует, что построенные в координатах (ln0,Fo) экспериментальные кривые для неподвижной и циркулирующей при ТГК жидкости вырождаются в прямые линии с угловыми коэффициентами а = 2ВІ и а г = 2ВІ єк соответственно, откуда непосредст венно т.е. по измеряемым темпам охлаждения цистерны с циркулирующей и неподвижной жидкостями и находится єк.
Для грубых оценок можно использовать упрощенную формулу: к= —(2.6.34) т2 г2 Необходимое оборудование и методика экспериментальных исследований и полученные результаты представлены ниже. Исходя из (2.6.22) и основных положений теории подобия, где доказывается, что комплекс, составленный из чисел подобия сам является числом по 145 добия, можно утверждать, что подобие лабораторного и натурного процессов охлаждения циркулирующей жидкости будет при: Bi Fo,KB = idem. (2.6.35) Используя соотношение (2.6.27) получаем: Отсюда вытекает, что если определяющий размер модели (радиус) в 7 раз меньше определяющего размера натурного объекта (цистерны) и время охлаждения натурного объекта (21 час, рис. 1.2.7а) в 7 раз больше чем у моде ли, то прочие величины, входящие в (2.6.36) могут быть одинаковыми.
Различие между коэффициентами є (2.6.3) и вк (2.6.31) заключается в следующем. Первый показывает, во сколько раз с наложением конвекционного теплопереноса на кондукционный растет суммарный удельный тепловой поток q (Вт/м2) от горячей стенки канала к его холодной стенке при постоянных зна чениях их температур. Второй коэффициент показывает, во сколько раз при циркуляционном движении жидкости в цистерне и смешивании её горячих и холодных масс растет темп её охлаждения по сравнению с темпом охлаждения неподвижной жидкости. В этом случае уже нет какого-то постоянного перепада температур, уменьшается со временем лишь средняя температура жидкости, величина єкпо мере её охлаждения тоже меняется. Медленное движение нефтепродукта выравнивает температурное поле в нем, уменьшая его среднюю температуру. Масса ЗНГ в цистерне столь ве лика, а охлаждение её столь медленно, что температурное поле внутри цис терны можно считать квазистационарным. При этом величину Ф в формуле (2.1.10) в рамках данной модели можно рассматривать как аналог «параметра Гребера», характеризующего радиальное распределение температур в неограни ченном цилиндре с заданной теплопроводностью [15] при известной температуре его поверхности. Значения этого параметра являются функциями числа Фурье (1.5.23) и критерия Био (1.5.24) и содержатся в литературе [15].
Исходя из значений параметра Гребера, содержащихся в [15] можно получить значения параметра Ф и оценить темп охлаждения ЗНГ в цистерне в модели условно неподвижной среды. Результаты выполненных расчетов показаны в табл.2.6.2. Из неё видно, что при малых значениях критерия Био (Ві=0,1 ...0,5) параметр Ф незначительно меняется со временем охлаждения (определяемым значениями числа Fo), эта зависимость начинает проявляться в значительной мере лишь при ВІ 10).
Сделаем последние замечания. Мы рассматривали ТГК нефтепродукта как стационарный процесс, при котором коэффициент конвекции єк меняется вдоль радиуса котла, не меняется со временем. На самом деле эта величина с течением времени уменьшается от своего начального значения, отвечающего температуре налива до єк = 1. Причина заключается в росте вязкости ЗНГ с понижением температуры - продукт в высоковязком состоянии действительно охлаждается как твердое тело. Оценить охлаждение ЗНГ с учетом зависимости к (г) достаточно просто. Рост вязкости всех видов нефтепродуктов с понижением температуры и изменение во времени температуры ЗНГ в цистерне описываются экспоненциальными законами (1.1.2) и (2.6.18). Поэтому МОЖНО ввести несколько значений коэффициента конвекции к(Гі), SK(l2) и др., отвечающих различным значениям времени охлаждения.
Похожие диссертации на Теория и модели процессов тепломассопереноса при транспортных операциях с застывающими наливными грузами
-
