TRANSPORTATION OF HIGHLY VISCOUS LIQUIDS IN THE HEATED TANKERS
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Saint-Petersburg Mining University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Thermal Engineering and Heat Power Engineering)
Type:
Article
Pages:
from 38
to 44
Status:
Published
Received:
20.08.2015
Accepted:
25.08.2015
Published:
25.08.2015
Subject area:
UDK 661.21.002.6
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
convection, speed, temperature, tank
Abstract (English):
The theoretical and experimental studies of heat and mass transfer processes in the volume of the liquid tank during the transportation of high-viscosity liquids in a pilot plant, like a model of the behaviour of the cargo in the tank of the liquid vessel, are made. The model was isolated and had heaters at the bottom and horizontal light permeable wall in the volume of liquid below the free surface. When processing the results, the theory of similarity and the methods for the numerical simulation were used. The behaviour of the liquid while using the light permeable horizontal wall at the free surface and the formation of the pressure and temperature ranges in the tank were studied. The methods of calculation of the heat and mass transfer processes are proposed and the criterial equations are received. The method of calculation of the energy efficient performance of the tank, using the definition of the thickness of the gap between the outer side and the light wall, is developed, the strength characteristics of the light wall is examined and some advice on its structure is given.
The theoretical and experimental studies of heat and mass transfer processes in the volume of the liquid tank during the transportation of high-viscosity liquids in a pilot plant, like a model of the behaviour of the cargo in the tank of the liquid vessel, are made. The model was isolated and had heaters at the bottom and horizontal light permeable wall in the volume of liquid below the free surface. When processing the results, the theory of similarity and the methods for the numerical simulation were used. The behaviour of the liquid while using the light permeable horizontal wall at the free surface and the formation of the pressure and temperature ranges in the tank were studied. The methods of calculation of the heat and mass transfer processes are proposed and the criterial equations are received. The method of calculation of the energy efficient performance of the tank, using the definition of the thickness of the gap between the outer side and the light wall, is developed, the strength characteristics of the light wall is examined and some advice on its structure is given.
Keywords:
convection, speed, temperature, tank
convection, speed, temperature, tank
Введение С развитием химической, нефтехимической, пищевой и других отраслей промышленности в Прикаспийском регионе резко увеличивается поток грузов, перевозимых водным и морским транспортом. Среди грузов, транспортировка которых связана со значительным энергопотреблением, можно отметить такие высоковязкие нефтепродукты, как мазут и сырая нефть [1]. Разгрузка (слив) и загрузка высоковязких жидкостей на пунктах приема имеют свои особенности. Продукт при длительной транспортировке, даже в летних условиях, охлаждается до температуры, которая затрудняет слив груза на пункте разгрузки, что ведет к потере качества, количества и рентабельности сбыта продукта [2]. От выбранной операции (загрузка или разгрузка) зависит величина потерь продукции, сохранность качества, экологическая безопасность, эксплуатационные затраты и технико-экономические показатели. После отгрузки основной части продукта на стенках и днище танка остается застывший слой продукта, удаление которого сложно, требует больших затрат, а порой экологически небезопасно. Необходим высококвалифицированный подход к данной операции. Как правило, наливные суда изначально оборудуются специальными системами подогрева груза с целью уменьшения его вязкости и обеспечения необходимой производительности погрузки и выгрузки, а технологическая схема транспортировки включает в себя, помимо прочего, операции подогрева продуктов в резервуарах перед погрузкой и предварительного подогрева в танках судна до выгрузки и в ее процессе. Эти системы компенсируют теплопотери, позволяя решать технологическую задачу стабилизации температуры груза. Однако проблема снижения затрат на перевозку остается актуальной. Решением проблемы может стать перевозка в изотермических цистернах. Изотермические цистерны и танки наливных судов значительно дороже и сложнее в эксплуатации, т. к. возникает проблема коррозии в скрытых полостях. Изотермическая ёмкость должна быть заложена в проект транспортного средства изначально, поэтому значительное число существующих судов или просто не могут быть переоборудованы подобным образом, или это будет нерентабельно. Таким образом, устройство для перевозки должно иметь высокоэффективную изоляцию или должно быть оборудовано устройством для подогрева груза в пути следования, или его подогрев необходимо произвести на пункте разгрузки. В связи с этим в числе актуальных проблем - выбор условий работы теплового оборудования в период рейса, расчет температурных режимов транспортировки продуктов и разработка технологического режима транспортировки. Решение этих проблем поможет создать оборудование, обеспечивающее положительные условия транспортировки и хранения высоковязких жидкостей. Моделирование теплообмена между зеркалом свободной поверхности и палубой в танке наливного судна Известно, что потери тепла через палубу составляют 35-38 %. Данная проблема приводит к удорожанию всего технологического режима транспортировки. Снижение потерь тепла за счет оптимизации технологического режима транспортировки и расчета длительности отдельных операций с учетом теплового состояния судна помогает решить задачу снижения энергозатрат без существенных изменений в конструкции танка судна и теплоэнергетического оборудования [3, 4]. Проектирование теплового ограждения или систем подогрева требует определенной информации о теплотехнических качествах изоляционных материалов и процессах теплообмена, происходящих в жидком продукте, и, в частности, о влиянии переменных погодных условий и солнечной радиации на темп охлаждения [5]. Нами были проведены экспериментальные испытания на установке (рис. 1), моделирующей поведение груза в танке наливного судна между зеркалом свободной поверхности и палубой при применении легкой проницаемой горизонтальной перегородки. Модель была изолирована, имела подогреватели в нижней части и легкую проницаемую горизонтальную перегородку в объеме жидкости ниже свободной поверхности. Рис. 1. Экспериментальная установка Для наглядности использовалась жидкость синего цвета. Была получена схема распределения тепловых потоков между палубой и грузом в танке наливного судна (рис. 2). Окружающая среда tв, aв q конвективный q лучистый tг, a Перегородка Груз Рис. 2. Расчетная схема палубы При обработке результатов исследования применялась теория подобия и методы численного моделирования. Для удобства практического использования предложенных критериальных зависимостей определяющим размером была принята высота взлива жидкости в танке [2], а определяющей температурой - средняя температура жидкости в танке: - начальные условия: - граничные условия: Тогда , , . В ходе расчетов были применены основные уравнения теплопроводности (Навье - Стокса, Фурье) [6]. Уравнение Навье - Стокса по оси х: По другим осям уравнение рассчитывается аналогично. Основное уравнение энергии: Балансовое уравнение плотности тепловых потоков имеет вид . (1) Расчетная формула теплового баланса (1) для этого случая представляется уравнением При ламинарном режиме течения жидкости пользуются выражением , (2) где - безразмерный градиент температуры на стенке; С - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа Pr. Коэффициент теплоотдачи от жидкости к зеркалу ее свободной поверхности при числах Ra > 105, используя (2), можно найти по известному критериальному уравнению [7]: , (3) где С - коэффициент, учитывающий наличие зеркала свободной поверхности, С = 0,4. Использование численных методов [3], (2) и (3) при обработке экспериментальных данных и решении поставленной задачи позволило получить следующее уравнение: . (4) При использовании методов численного моделирования были получены также модели поведения груза в танке без перегородки (рис. 3, а) и с перегородкой (рис. 3, б), которые наглядно подтверждают экспериментальные данные. а б Рис. 3. Модель танка: а - без перегородки; б - с перегородкой Модели на рис. 4 позволяют определить распределение температур и скоростей в модели без перегородки и с перегородкой. а б Рис. 4. Поля температур и скоростей в модели танка: а - без перегородки; б - с перегородкой Были получены следующие графики распределения давления в модели с перегородкой (рис. 5). а б Рис. 5. Графики распределения давления: а - над перегородкой; б - под перегородкой Согласно результатам расчетов, вертикальная нагрузка на перегородку составляет 50 Н/м2 и позволяет сделать перегородку в форме полимерной растяжки, которая имеет практически нулевое сопротивление и перфорации. Результаты нашего исследования удовлетворительно согласуются с данными [2], уравнение (4) существенно расширяет область применения решений для нахождения коэффициента теплоотдачи у свободной поверхности жидкости, что существенно облегчает расчеты тепловых потерь в процессе транспортировки и позволяет получить экономию энергоресурсов 8-10 %. Термическое сопротивление воздушной прослойки при м2 · К/Вт, может быть найдено по закону Фурье с использованием эффективного коэффициента теплопроводности [7, 8]: , где . Тогда термическое сопротивление может быть найдено как . Так как промежуточные значения температуры газового объема, зеркала свободной поверхности и поверхности палубы неизвестны, то . Порядок расчета включает задание неизвестных значений температуры зеркала свободной поверхности жидкости и поверхности палубы, после чего по балансовым уравнениям выполняется уточнение их значений и расчеты, при необходимости, повторяются для достижения необходимой точности. На основании полученных данных возможен расчет конструктивных параметров и режимов работы элементов судового энергетического оборудования с учетом применения предложенного энергосберегающего конструктивного элемента - горизонтальной проницаемой перегородки. Тепловая нагрузка на систему подогрева определяется по следующей зависимости: , где - мощность подогревателя, кВт; - потери тепловой энергии от жидкости в окружающую среду через ограждающие поверхности емкости, кВт; - расход тепловой энергии на подогрев жидкости, кВт. Мощность подогревателя определяется по формуле , где - коэффициент теплопередачи подогревателя, Вт/(м2 · К); - поверхность подогревателя, м2; - температура конденсации пара и температура жидкости соответственно. Расход тепловой энергии на подогрев жидкости . Поверхность подогревателя, м2, определяется по формуле Для определения поверхности подогревателя необходимо также знать коэффициент теплопередачи . В качестве теплоносителя в подогревателях чаще всего используется водяной пар, и коэффициент теплопередачи определяется в основном коэффициентом теплообмена от трубы подогревателя к жидкости, т. к. коэффициент теплообмена от конденсирующего пара к трубе подогревателя на 2 порядка выше, чем со стороны жидкости. Заключение Таким образом, в результате исследований: - получены критериальные уравнения и предложена методика расчета тепломассообменных процессов при транспортировке высоковязких застывающих жидкостей наливными судами; - разработана методика расчета энергоэффективного исполнения танка с помощью определения толщины зазора между легкой проницаемой перегородкой, установленной под зеркалом свободной поверхности, в объеме жидкости над подогревателями; изучены прочностные характеристики легкой перегородки и даны советы по ее устройству; - предложены методики расчета конструктивных параметров и режимов работы элементов судового энергетического оборудования, с учетом применения предложенных энергосберегающих конструктивных особенностей; исследован процесс теплообмена при использовании легкой проницаемой горизонтальной перегородки и предложена методика расчёта теплового баланса, расчета сопротивления и прочностной характеристики перегородки; приведен расчет количества энергии на подогрев жидкости и расчет поверхности подогревателя.
1. Morskoy obrazovatel'nyy portal // URL: http://www.moryak.biz/modules.php/name.
2. Scherbakov A. Z. Transport i hranenie vysokovyazkih neftey i nefteproduktov s podogrevom: dis. … d-ra tehn. nauk / A. Z. Scherbakov, 1979.
3. Antipov V. I. Razrabotka metodov resheniya zadach s podvizhnoy granicey i primenenie ego k nekotorym voprosam transporta i hraneniya nefti: dis. … d-ra tehn. nauk / V. I. Antipov. M., 1969.
4. Issledovanie teploobmena pri goryachestruynom podogreve nefteproduktov v tankah tankera. Otchet po NIR. Astrahan': Rybvtuz, 1975.
5. Issledovaniya i raschety teplopoter' v neftenalivnyh sudah: materialy Vsesoyuz. konf. po sovershenstvovaniyu tehnicheskih sredstv nefteperevozok. Astrahan': Volga, 1968.
6. Shlihting H. Teoriya pogranichnogo sloya / H. Shlihting. M.: Izd-vo inostr. lit., 1956. 528 s.
7. Kutateladze S. S. Teploperedacha i gidrodinamicheskoe soprotivlenie / S. S. Kutateladze. M.: Energoatomizdat, 1990. 367 s.
8. Kozdoba L. A. Metody resheniya nelineynyh zadach teploprovodnosti / L. A. Kozdoba. M.: Nauka, 1975. 228 s.
