Основные особенности гидродинамики и теплообмена в системе циркуляционного подогрева жидкого топлива

Е.В. Торопов, Д.Н. Макаров г. Челябинск, ЮУрГУ, ЧМК

Рассмотрены вопросы гидродинамики и теплообмена в системах циркуляционного подогрева жидкого топлива в условиях нестационарности теплового режима. Численные решения подтвердили достоверность рассмотренной математической модели.

В настоящее время на предприятиях, использующих жидкое топливо в качестве основного, дополнительного или резервного, применяются в основном две схемы поддержания необходимой температуры - со стационарными подогревателями в резервуарах и циркуляционные с выносными подогревателями. Применявшаяся ранее на Златоустовском меткомбинате схема подогрева жидкого топлива с помощью стационарных подогревательных элементов, установленных в резервуарах, была заменена системой циркуляционного подогрева, так как в силу естественного старения и износа теплообменного оборудования на поверхности теплообмена появились неплотности, нарушения герметичности подогревателей поверхностного типа вынудило отказаться от их применения. Недостатками стационарных поверхностных подогревателей для подогрева жидкого топлива также являются большое число соединений и громоздкость и тепловая инерционность стационарных подогревателей, а также невозможность их демонтажа без опорожнения резервуаров.

Применение циркуляционного способа обогрева позволило резко сократить время разогрева топлива, уменьшить его обводнение и вследствие эффективного перемешивания объема топлива в резервуарах высокую однородность температуры и состава топлива. В резервуаре топливо растекается в виде затопленных струй, которые обеспечивают эффективное перемешивание и достижение однородности топлива, а также препятствуют осаждению карбоидов.

Используя данные измерений теплопотерь в окружающее пространство металлических неизолированных резервуаров вместимостью от 300 до 5000 м3 [1], можно отметить, что при температуре топлива 80 °C, температуре окружающего воздуха -30 °C и его скорости 5 м/с теплопотери составляют 258; 357; 503; 843 и 1360 кВт для резервуаров объемом соответственно 300; 500; 1000; 2000 и 5000 м3. При этом для циркуляционного подогрева необходимо подавать топливо, нагретое до температуры 115 °C в количестве 3,6; 5,0; 7,1; 11,9 и 19,2 кг/с.

Эти данные говорят о важности вопроса рациональной организации систем подачи и подогрева топлива, так как тепловая мощность требуемого для этого оборудования превышает 1,0 МВт.

Применение стандартной тепловой изоляции для металлических резервуаров (минераловатные маты толщиной 0,07 м и штукатурка с толщиной слоя 0,02 м) снижают теплопотери в 11-12 раз; пропорционально снижается требуемое количество циркулирующего топлива и мощность оборудования. Применение заглубленных в землю железобетонных резервуаров можно считать приблизительно равноценным применению стандартной тепловой изоляции на металлических резервуарах; при этом количество циркулирующего топлива при температуре 115 °C можно принять в среднем 0,8-2,0 кг/с.

Обобщая данные по тепловым потерям резервуарами для хранения и подогрева жидкого топлива, можно рекомендовать зависимости для определения величины тепловых потерь gn0I поверхностью металлических неизолированных и металлических изолированных и железобетонных подземного хранения соответственно, кВт,

0^=150+0,35^, (1)

5ПОТ=2О+О,О26КР, (2) где Кр - вместимость резервуаров, м3.

Проблемы, встающие при эксплуатации участков для приема, подготовки и хранения жидкого топлива на современном предприятии, можно условно объединить в три группы, напрямую связанные с энергосбережением в этих участках. Первая проблема относится к определению температурно-временной зависимости системы циркуляционного подогрева топлива / = Дт) при заданных расходах подогретого топлива G„, кг/с, и топлива, отбираемого на циркуляционный подогрев G_o, кг/с. Вторая проблема относится к отысканию необходимого соотношения G_n /G_to обеспечивающего поддержание постоянной температуры топлива в резервуарах; третья проблема - отыскание G^G₀, обеспечивающего заданный нагрев топлива в ре-

Теплоэнергетика зервуарах. При этом необходимо учитывать поток топлива, отбираемый на технологические нужды Сд, кг/с, и подачу дополнительного количества топлива для пополнения запаса, G3, кг/с.

Если рассматривать процесс от момента времени т=0 до 7 = т_ь когда в емкости при 7=0 находилась масса топлива М_о, кг, то количество топлива, находящегося в резервуаре к моменту времени 7 = 7] можно определить из материального баланса, кг,

М = M0 + T^Gn+G3-Gtt-Goy (3) Уравнение теплового баланса для подогревателя топлива запишется в виде бп — ^пстт1 (/вых — /вХ )•              (4)

Как показывает практика эксплуатации оборудования участка подготовки жидкого топлива [1], чаще всего реализуются три режима работы системы подогрева. В формуле (4) ZBX, /ВЬ|Х - температура жидкого топлива на входе и выходе подогревателя, ст - теплоемкость топлива, кДж/кг °C.

Первый режим наблюдается при большой тепловой мощности подогревателя топлива; при этом по мере повышения температуры топлива в резервуарах температура топлива на входе в подогреватель t_BX также повышается, что приводит к росту /вых- При этом скорость роста температуры топлива в подогревателе остается постоянной dt/d? = const.

При малой тепловой мощности подогревателя температура топлива на выходе из него практически не меняется t_BHX = const, то есть, не зависит от температуры топлива на входе в подогреватель. При эксплуатации системы подогрева в этом режиме температура топлива на выходе t_BHX достигает температуры греющего пара /_вых =/_нас.

Возможен также переходный режим - в начале процесса наблюдается первый режим dt/di = const, затем достигается 1_ВЫХ = /_нас = const то есть, устанавливается второй режим.

При работе теплообменников - подогревателей жидкого топлива в первом режиме /вых = /вх + А/ и с учетом уравнения теплового баланса (4) и уравнения теплопередачи можно написать

^пст (^/ - /вх ) = ^пст (/ /Вх ) +

^+ст[-^ ^{+ т}1 (^п ^{+ G}3 -^G)x^-G^\^{dtl dx +}

+^(/-/ос).                          (5)

Преобразуем (5), разделив его на с_хМ, и приведем к виду

[1 + т, (G_n+G₃-G_R-G₀^/M^dt/dx +

+ [(G3+Gn) + ^/cT]/A/ =

=[G_nAz+G₃/_BX + №_oc /с^М.         (6)

Аналогичное соотношение может быть получено и для второго режима.

При наличии в системе нескольких резервуаров, для любого /-го резервуара можно получить обобщенное уравнение п

-^ + Bif,-’£cytj=Di,(7)

где введены обозначения:

для первого режима cTGn/ +Ej cTGniEt + cTG,ZBX + кПж , Dj = ----------? £^ —   cTM,c для второго режима у _ Е, . р _ «т^щ/вых + cTG3jtBX + kFt0C,

' cTM, ’ 'c для обоих режимов

4=(Gn+G3-Gfl-G0)/M,;

E, = c_TG₃ + kF-,Cy = G_nP_y IM,.

Коэффициент неравномерности расходов топлива от коллекторов подачи подогретого топлива к входу в резервуар Д определяется соответствующим гидравлическим расчетом коллекторной системы.

Для обобщения полученных уравнений их следует записать в матричном виде, приняв п

ва-ем-д,

7=1

тогда dt г

--At — D. dx

Показателем изменения количества топлива в резервуаре в соответствии с (6) является параметр А,: при А, < 0 количество топлива в соответствующем резервуаре уменьшается, при А, > 0 растет, при А, = 0 остается неизменным.

В линейном представлении при постоянном значении параметра А однородное уравнение имеет решение t = t^xpC-Ar), которое описывает переходный процесс с постоянной времени, численно равной параметру Л. В системе (8) обозначено

	/1		«п	«12	«13	«14	«15
	/г		«21	«22	«2з	«24	«25
/ = ■	?з	А = -	«31	«32	«зз	«34	«35
	/4		«41	«42	«43	«44	«45
	/5.		«51	«52	«53	«54	«55.

^2

D = ^D3 ■

А

А,

^ау = В,-С_у >0; / = 1.„5; а_у=-С_у<0.

Решения неоднородной системы (8) можно представить [2] в виде суммы общих решений однородных уравнений без правой части при Д = 0 и частных решений. Такой анализ был произведен в работе [1], где также делается вывод о необходимости численного решения системы (8). Числен-

Торопов Е.В., Макаров Д.Н.

Основные особенности гидродинамики и теплообмена в системе циркуляционного подогрева жидкого топлива

Расчетные зависимости температуры жидкого топлива при циркуляционном нагреве: а) в начале периода; б) в период стабилизации температуры:

1 - G„ = 6,00 кг/с; 2 - Gn = 4,00 кг/с; 3 - G„ = 3,00 кг/с; 4 - G„ = 2,50 кг/с

ное решение системы (8) и исследование полученных данных произведено с помощью стандартного программного комплекса Mathcad - 2001. В применении к системе подогрева жидкого топлива в подземных железобетонных резервуарах ЗМК, имеющей 5 емкостей по 5000 м3, эти решения имеют следующие значения и характеристики. Температура окружающего воздуха принята /ос = - 30 °C зимой и /ос = + 20 °C летом; для изучения процесса нагрева жидкого топлива принято Сд = 0, то есть, поступления жидкого топлива от других источников, кроме подачи циркуляционными насосами, нет. Принята начальная температура топлива перед включением циркуляционного подогрева / = + 30 °C.

Расчеты произведены для четырех значений циркулирующего топлива G„ = 6,00; 4,00; 3,00; 2,50 кг/с; такое соотношение расходов соответствует неравномерному распределению расхода топлива по резервуарам. В зависимости от схемы под ключения резервуаров к подогревателям и насосным установкам, а также в зависимости от гидравлического сопротивления каждого отвода от коллекторов, расход топлива может изменяться от 6,00 до 2,50 кг/с, и это отражено в результатах расчетов.

Результаты расчетов представлены на рисунке раздельно для начального периода нагрева и для периода выхода на стабилизированную температуру и подтверждают надежность и достоверность рассмотренной системы уравнений.