Тепловой расчет горячего нефтепровода.

Цель теплового расчета при проектировании магистральных трубопроводов — определить распределение температуры по его длине и оценить тепловые потери. С учетом данных теплового расчета определяют пропускную способность трубопровода, шаг насосных (тепловых) станций, рассчитывают трубопровод на прочность и устойчивость, выбирают тип и толщину теплоизоляции. Рассмотрим порядок теплового расчета нефтепроводов при стационарных гидравлическом и тепловом режимах. Пусть в трубопровод через его начальное сечение поступает нефть, подогретая до температуры Т_н. Тогда на некотором расстоянии х от начала трубопровода вследствие теплообмена с окружающей средой температура нефти понизится до Т (рис. 8.1). Для определения температуры в сечении х выделим элементарный участок длиной dx и рассмотрим его тепловой баланс. Согласно основным законам теплопередачи, количество теплоты, теряемой нефтью, заключенной в данном элементарном объеме 0,25 πD₀²dx, прямо пропорционально температурному перепаду ∆T = Т—Т₀, поверхности теплообмена πD₀dx и обратно пропорционально термическому сопротивлению окружающей среды. Следовательно, количество теплоты, получаемое окружающей средой с температурой Т₀ от элементарного объема нефти составит Потеря нефтью части теплоты в окружающую среду: где G — массовый расход. Если пренебречь теплотой трения и не учитывать фазовые переходы, связанные с кристаллизацией парафина в нефти, то, согласно закону сохранения энергии, величины dq_l и dq₂ должны быть равны между собой, т. е.

Разделяя переменные и интегрируя, получаем или (5) При значительной протяженности нефтепровода (теоретически при х →∞) согласно последней формулы температура нефти приблизится к температуре окружающей среды, равной температуре грунта на глубине заложения трубы в естественном тепловом состоянии в случае подземной прокладки и температуре воздуха при надземной прокладке.

При перекачке вязких нефтей в подогретом состоянии возможны случаи, когда на начальном участке трубопровода имеет место турбулентный режим, а на конечном из-за остывания нефти — ламинарный. Переход из одного режима в другой происходит при критическом числе Рейнольдса Re_кр. Установлено, что для подогретых нефтей,Re_кр = 1000 ÷2000, причем для высокопарафинистых нефтей Re_Kp ближе к нижнему значению, а для вязких нефтей с малым содержанием парафина ближе к верхнему пределу. Так как Re_Kp= 4Q/(πD₀v_кp), то v_кp = 4Q/πD₀Re_кp. Величина v_кp определяет критическую температуру Т_кр, при которой происходит смена режима течения. Используя формулу Филонова—Рейнольдса, получаем Подставим значение Т_кр из последней формулы в формулу Шухова и обозначим параметр Шухова при турбулентном режиме как Шут= К_т πD₀L/(Qρc). Следовательно, на участке 0 ≤ х ≤ х_кр режим течения нефти турбулентный, а при х_кр ≤ х ≤ L — ламинарный. Температуру на обоих участках рассчитывают по формуле (5), в которой величину К определяют соответственно для условий ламинарного и турбулентного режимов течения. Зная длины участков с различными режимами течения жидкости, можно оценить потерю напора в трубопроводе суммированием потерь напора h_∑ == h_т+ h_л, где h_т и h_л — потери напора при турбулентном и ламинарном режимах. При учете выделения за счет трения тепловой баланс участка трубопровода запишется в виде где i — гидравлический уклон. Разделяя переменные, получим Сравнивая полученное выражение с формулой В. Г. Шухова, видим, что при учете теплоты трения прирост температуры нефти ∆ = b(l-ехр (-ах)). Максимальный прирост при х → ∞ ∆_max = b. Для нефтепровода с разными значениями коэффициентов теплопередачи K_i на отдельных участках длиной l_i можно на основании (5) записать