Введение к работе
Актуальность работы. Тепловая конвекция характерна для большинства технологических процессов и довольно хорошо изучена. Однако интерес к изучению этих задач не становится меньше. В особенности это касается исследования конвективных течений в многофазных многокомпонентных средах, каковыми являются, природные (нефти и битумы) и техногенные (шламы и продукты нефтепереработки) углеводородные системы.
Актуальность изучения конвективного теплообмена в таких системах связана с рядом проблем, возникающих в нефтегазовой отрасли. Одной из них является утилизация нефтяных шламов, очистка резервуаров и накопителей, которые образуются в результате техногенной деятельности в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Нефтяные шламы, как правило, накапливаются в амбарах и представляют собой сложную многофазную гетерогенную систему из смеси окисленных углеводородов (смол, асфальтенов, парафина), песка, растительного слоя земли, воды, солей, различных химических реагентов и т.д. Одной из проблем, возникающей в процессе утилизации нефтяных шламов, является их высокая вязкость, для снижения которой используются различные тепловые методы, в том числе такие как, например электромагнитные, индукционный нагрев и нагрев под воздействием высокочастотного электромагнитного поля (ВЧ ЭМП) резонансной частоты. Преимущество ВЧ ЭМ способа заключается в том, что он является объемным методом и кроме нагрева среды, способствует разрушению водонефтяных эмульсий, которые в большом количестве содержатся в нефтешламах.
Хорошо известно, что учет температурной зависимости вязкости жидкости приводит к существенному изменению картины ее течения. При тепловой конвекции жидкости, вязкость которой зависит от температуры, имеет место дестабилизация восходящего и нисходящего потоков, что приводит к асимметрии течения.
Для случая равномерного тепловыделения и для некоторых частных случаев неравномерного тепловыделения проблема сравнительно хорошо изучена. Наличие внутренних распределенных источников тепла при ВЧ ЭМ воздействии также оказывает влияние на характер теплообмена в жидкости. Происходит образование различных типов конвективных структур и изменение режимов теплоотдачи.
Поэтому интерес представляет изучение свободноконвективных течений в жидкости, вязкость которой зависит от температуры, при наличии внутренних неравномерно распределенных источников тепла. Разнородность состава тяжелых углеводородных систем и наличие зависимости их физико-химических свойств от температуры, давления и т.д. приводит к некоторым особенностям теплового движения в них.
Целью диссертационной работы является изучение механизма возникновения и развития свободноконвективных течений, а также особенностей распространения теплового поля в тяжелых углеводородных системах при индукционном нагреве и под воздействием ВЧ ЭМП.
Достоверность результатов основывается на применении методов механики сплошных сред при разработке математических моделей рассматриваемых процессов и их физической и математической непротиворечивостью в рамках физических законов; подтверждается совпадением с результатами экспериментальных исследований.
Практическая ценность. Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы для оптимизации процесса разогрева промышленных резервуаров, содержащих тяжелые углеводородные среды, вязкость которых при нормальных условиях высока. Кроме того, они необходимы для понимания процессов, происходящих в высоковязких углеводородных жидкостях при воздействии на них разного рода тепловых источников.
Научная новизна работы:
-
Путем математического моделирования выявлены особенности возникновения конвективных течений в тяжелой углеводородной жидкости при индукционном и ВЧ ЭМ воздействии.
-
Предложена зависимость плотности углеводородной жидкости от температуры для учета процессов разгазирования.
-
Изучен механизм распределения теплового поля при нелинейном характере зависимости плотности углеводородной жидкости от температуры.
-
Проведены численные исследования ВЧ ЭМ и индукционного нагрева высоковязкой углеводородной жидкости с учетом нелинейной зависимости ее плотности от температуры и потерь тепла на разгазирование.
Защищаемые положения:
-
Математическая модель нагрева тяжелой углеводородной жидкости при индукционном и ВЧ ЭМ воздействии, с учетом зависимости вязкости жидкости от температуры, а также свободноконвективных течений, возникающих в жидкости в процессе нагрева.
-
Результаты численных исследований индукционного и ВЧ ЭМ воздействия на высоковязкую углеводородную жидкость с учетом нелинейной зависимости плотности жидкости от температуры и потерь тепла на ее разгазирование.
Апробация работы. Основные результаты работы, докладывались на следующих конференциях и научных школах:
Студенческая научно-практическая конференция по физике, Уфа, 2005г.
XIV Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь, 2005 г.
Международная уфимская зимняя школа-конференция по математике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученных, Уфа, 2005 г.
Двенадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-12), Новосибирск, 2006 г.
Студенческая научно-практическая конференция по физике, Уфа 2006 г.
Международная научная конференция «Физика и физическое образование: достижения и перспективы развития», Бишкек, 2006 г.
6 региональная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике, физике и химии, Уфа, 2006 г.
Российская конференция "Механика и химическая физика сплошных сред", Бирск, 2007 г.
Международная конференция. «Потоки и структуры в жидкостях», Санкт-Петербург, 2007 г.
Международная юбилейная научная конференция посвященная 15-летию образования Кыргызско-Российского Славянского университета «Актуальные проблемы теории управления, топологии и операторных уравнений», Бишкек, 2008 г.
Четырнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-14), Уфа, 2008 г.
Научно-практическая конференция «Обратные задачи в приложениях», Бирск, 2008 г.
8 региональная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике, физике и химии, Уфа, 2008 г.
Конференция «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминерологии и нанохимии к нанотехнологиям», Москва, 2008 г.
10th Annual International Conference Petrolium Phase Behavior and Fouling «PETROPHASE 2009», Brazil, 2009.
Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложение в естествознании», посвященной 100-летию БашГУ, Уфа, 2009 г.
Российская конференция «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии», посвященная 70-летию академика Р.И. Нигматуллина, Уфа, 2010 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 21 работах автора, из которых 2 в журналах входящих в перечень ВАК РФ.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 08-01-97032.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 135 страниц, в том числе 43 рисунка. Список литературы состоит из 129 наименований.
