Построение расчетных схем процесса нагрева нефти и нефтяных эмульсий в блоке нагрева БН-5,4.

Структурная схема процесса выглядит следующим образом (рис. 2). В теплообменную камеру подаются продукты сгорания газового топлива температурой Tг' и объемным расходом Qг'. Сюда же по трубам подается продукт для нагрева, в рассматриваемом случае это нефть температурой Tн' и объемным расходом Qн'. В теплообменной камере происходит передача теплоты от продуктов сгорания, в результате чего нефть нагревается и выходит из теплообменной камеры температурой Tн'' и объемным расходом Qн''. При этом газ охлаждается и выходит из теплообменной камеры, имея температуру Tг'' и объемный расход Qг''.

 

Рис. 2. Структурная схема процесса теплообмена в печах нагрева ПТБ-10.

Для упрощения понимания процессов, происходящих в теплообменной камере, предположим следующее движение газа и нефти (см. рис. 3).

Рис. 3. Физическая схема процесса.

Теплообмен происходит через стенку трубы толщиной Δ (рис. 4).

Рис. 4. Расчетная схема процесса теплообмена

Рассмотрим основные законы и допущения, имеющие место при создании математической модели процесса нагрева нефти либо нефтяных эмульсий в блоке нагрева [1, гл. IX, с. 222-238].

Передача теплоты от одного тела к другому может осуществляться тогда, когда температура в различных точках тела или системы будет различной.

Количество переносимой теплоты в единицу времени называется тепловым потоком Q, который можно выразить через:

Q = q_i * F_стенки                                                                        (1)

где q_i – удельный тепловой поток, равный тепловому потоку через единицу площади сечения; F_стенки – площадь поверхности стенки трубы.

Для газа будет справедливо уравнение

q_г = α_г * (Т₂ – Т_ст^вн)                                      (2)

где α_г – коэф. теплоотдачи для газа; Т₂ - температура газа; Т_ст^вн - температура внутренней части стенки внутренней трубы.

Для нагреваемой среды (нефти) же справедлива другая зависимость:

q_н = α_н * (Т_ст^наруж – Т₁)                                    (3)

где α_н – коэф. теплоотдачи для нефти; Т_ст^наруж – температура наружной части стенки внутренней трубы; Т₁ – температура нефти.

Предполагая, что система замкнута, можно утверждать, что теплота в данной системе не может бесследно пропасть либо неожиданно появиться из неоткуда. Стало быть, в расчетах принимаем, что вся теплота идет от более нагретого газа к менее нагретой нефти, что можно выразить следующей зависимостью:

q = K (T₂ – T₁)                                           (4)

где К – коэф. теплопередачи, определяющийся количеством теплоты, передаваемой через единицу поверхности в единицу времени от одного агента к другому при единичной разнице температур между ними. Его можно определить по формуле:

                                                  (5)

где δ – толщина стенки; λ_ст – коэффициент теплопроводности материала стенки трубы.

Коэффициент теплоотдачи для газа зависит критерия Нуссельта, характеризующего процесс теплообмена между теплоносителем и стенкой:

Nu = α * d / λ                                                  (6)

где d – диаметр трубы, λ – коэф. теплопроводности.

Сам же критерий Нуссельта, в свою очередь, зависит от числа Рейнольдса и критерия Прандтля:

Nu = 0.021 * Re^0.8 * Pr^0.43                                (7)

где Re – число Рейнольдса, характеризующее режим течения

Re = w * d / v                                             (8)

где w – скорость течения жидкости; d – диаметр сечения; v - кинематическая вязкость.

Pr – критерий Прандтля, характеризующий отношение вязкостных и температуропроводных свойств теплоносителя:

Pr = v * ρ * c / λ                                            (9)

где ρ – плотность жидкости; c – ее удельная теплоемкость.