![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Расчет трубопроводов при неизотермическом движении однофазной жидкости
Говоря об изотермическом движении однофазных жидкостей по трубопроводам, мы полагали, что температура, а следовательно, плотность и вязкость жидкости, остается неизменной на всем протяжении потока и в любой точке его поперечного сечения. Однако, реальные потоки жидкости или подогревают в различных печах или теплообменниках или их естественная теплота рассеивается в окружающей среде. При движении продукции скважины от забоя к устью и далее до установок подготовки нефти происходит постепенное понижение температуры и разгазирование флюидов (нефти и воды), транспортируемых по одному трубопроводу. С понижением температуры и разгазированием флюидов увеличивается вязкость нефти (эмульсии), понижается Re и, в конечном итоге, увеличивается гидравлическое сопротивление: t↓ → ν ↑ → Rе ¯ → λ ↑. Падение температуры и глубокое разгазирование особенно нежелательны для высоковязких и парафинистых нефтей. По этой причине транспортирование нефтей на месторождениях Севера должно осуществляться в газонасыщенном состоянии, чтобы снизить их вязкость, а следовательно, и потери от гидравлических сопротивлений. Последняя ступень сепарации в данном случае должна устанавливаться на центральном пункте сбора нефти или на НПЗ. Знание закона распределения температуры флюидов по длине нефтепровода необходимо как для проектировщиков нефтесборной системы, так и для эксплуатационников: для правильной расстановки подогревателей и настройки режима их работы. Для установления закона изменения температуры жидкости по длине трубопровода выделим на расстоянии X от начала трубопровода элементарный участок длиной dX и составим для него уравнение теплового баланса. Потери теплоты от элементарного участка dX в единицу времени в окружающую среду составят:
где k - коэффициент теплопередачи от нефти в окружающую среду. При движении жидкости через рассматриваемый участок dX она охладится на dt oC и потеряет количество теплоты, равное:
- так как температура жидкости по мере удаления от начала трубопровода падает. При установившемся режиме потери теплоты жидкостью должны быть равны теплоте, отдаваемой ею в окружающую среду:
где k – коэффициент теплопередачи от нефти в окружающую среду, Вт/(м2 К); t - температура жидкости на расстоянии X от начала трубопровода; tо - температура окружающей среды; d - внутренний диаметр трубопровода; G - массовый расход нефти, кг/с; CP - удельная массовая теплоемкость нефти, кДж/(кг град). При этом tH > t > t0. При стационарном режиме изменением k по длине трубопровода можно пренебречь. Интегрируя уравнение (5.56) получаем формулу Шухова для расчета температуры в любой точке трубопровода:
Это и есть закон распределения температуры жидкости по длине трубопровода. Температура в конечной точке трубопровода при x=l
где Шу – параметр Шухова:
Если в трубопроводе охлаждается парафинистая нефть и выпадает парафин, то нужно учитывать скрытую теплоту кристаллизации парафина. Черникин В.И. предложил внести для этого изменения в параметр Шухова:
где k – скрытая теплота кристаллизации парафина, равная 226-230 кДж/кг; ε - относительное содержание парафина, выпадающего из нефти; T* - температура, при которой начинается выпадение парафина; Tε - температура, для которой известно ε. При снижении температуры и повышении вязкости нефти увеличивается работа как на преодоление внутреннего трения, так и трения между нефтью и стенкой трубы. Лейбензон Л.С. внес поправку в формулу Шухова, учитывающую работу трения потока жидкости, превращающуюся в теплоту. С учетом поправки Лейбензона формула записывается так:
где i – средний гидравлический уклон. Для нефти CP ~2, 09 кДж/(кг град), для воды CP ~4, 19 кДж/(кг град). В неизотермическом трубопроводе в общем случае могут наблюдаться два режима течения: на начальном участке при сравнительно высокой температуре жидкости – турбулентный режим, а в конце- ламинарный. Температура, соответствующая переходу турбулентного режима в ламинарный, называется критической. Как определить ее? Критическое значение вязкости, при которой турбулентный режим переходит в ламинарный, определяется исходя из значения Reкр:
Вязкость жидкости можно вычислить по формуле Филонова П.А.:
где u– коэффициент крутизны вискограммы, 1/град. Проведем следующие преобразования уравнения (5.63) с учетом уравнения (5.62): Отсюда:
где t - температура нефти, при которой требуется узнать вязкость, oC; tx - произвольная температура, выбранная в рабочем интервале температур; ν x - кинематическая вязкость нефти при температуре tx. Если мы не располагаем экспериментальной кривой температурной зависимости вязкости, то для аналитического определения показателя крутизны вискограммы необходимо знать вязкость нефти ν 1 и ν 2 при двух температурах t1 и t2. Подставляя эти данные в уравнение Филонова (5.63) и логарифмируя его, получим: Вычитая из первого равенства второе, найдем:
Для ориентировочного определения вязкости нефтей в зависимости от их температуры и плотности можно пользоваться графическими зависимостями. Очевидно, что при tKP ≥ tH в трубопроводе только ламинарный режим, а при tKP ≤ tК - режим только турбулентный. При tH > tKP > tK в трубопроводе имеют место оба режима. Длина турбулентного участка lt определится из формулы Шухова:
По этой же формуле определится длина ламинарного участка, заменяя tH на tKP - в числителе и tKP на tK - в знаменателе, а также KT на KЛ. Если в трубопроводе два режима, то температура потока в конце трубопровода:
Потерю напора на трение в неизотермическом трубопроводе определяют отдельно для ламинарного и турбулентного участков. Сумма - дает потерю напора для всего трубопровода: Потеря напора на трение в неизотермических условиях определяется по формуле:
где Δ - поправочный множитель, учитывающий неизотермичность потока вследствие падения температуры как по длине потока, так и радиусу трубы.
|