Диссертация (Разработка технологии ремонта газопроводов в условиях интенсивного теплоотвода), страница 12

В качестве критической величиныRa, характеризующей переход от ламинарного режима к переходному итурбулентному,былопринятозначение109.Полученнаяграфическаязависимость изменения критической ширины зоны нагрева от давления газа итемпературы нагрева стенки трубы представлена на Рис. 2.10.турбулентный режимламинарный режимРис. 2.10. Диаграммы режимов течения конвективных потоков газа в зоненагрева выборки в зависимости от давления компримированного газа итемпературы предварительного подогреваОбласть диаграммы, расположенная под полученными графиками,определяет ширину зоны нагрева, при которой конвективный поток имеетламинарный режим течения.

Область выше расчетных кривых соответствуетпереходному и турбулентному режиму. Как видно из полученных данных, дляминимально допустимой ширине зоны подогрева, равной 200 мм (раздел 1.2)79переход из ламинарного режима в переходный и турбулентный происходит приизбыточном давлении газа в газопроводе в диапазоне от 0,35 МПа до 0,45 МПа.При увеличении размеров выборки и, соответственно, увеличении размеровзоны нагрева, критическое значение давления перехода из ламинарного втурбулентный режим будет снижаться.

Аналогичный эффект оказываетпонижение температуры газа, определяющее повышение температурногонапора.Таким образом,в условиях ремонта с избыточным давлением вгазопроводе и временной остановки транспортировки расчёт коэффициентатеплоотдачи можно проводить только для турбулентного режима течениясвободного конвективного потока.СогласноВ.П.

Исаченко [39] при свободной конвекции поверхностей,расположенных в вертикальной плоскости, средний коэффициент теплоотдачипри переходном и развитом турбулентном режиме течения можно определитьиз следующего выражения:̅̅̅̅ = 0,15 ∙ 0,333 ∙ εtNuгде: Nu =α∙R0λ(2.10)– критерий Нуссельта, характеризующий соотношение междуинтенсивностью теплообмена за счёт конвекции и теплопроводности;Ra = Gr ∙ Pr – критерий Рэлея, определяющий поведение газа под воздействиемградиента температуры;εt = (PrPr) – поправка, учитывающая зависимость физических свойствтеплоносителя от температуры; =∙0 32∙ ∙ ∆Т0 – критерий Грасгофа, характеризующий соотношениеархимедовой выталкивающей силой, вызванной неравномернымраспределением плотности газа в неоднородном поле температур, и силойвязкого трения;80 =∙λ– критерий Прандтля, характеризующий влияние физических свойствгаза на теплоотдачу;Pr – критерий Прандтля для газа с температурой равной определяющейтемпературе;Pr – критерий Прандтля для газа с температурой равной температуреповерхности теплообмена;λ – коэффициент теплопроводности газа,Вт;м∙К – определяющий (характерный) размер, м; = min(a, b), где a и b – длина иширина нагретого участка; – ускорение свободного падения,мс2;⁡м2 = ⁡– коэффициент кинематической вязкости газа,Н∙с – коэффициент динамической вязкости газа, – плотность газа,кгм3м2;;;1 – коэффициент объёмного расширения газа, ;КΔT0 = − – определяющая (характерная) разность температур, К;Tw – температура текучей среды вдали от поверхности теплообмена (запределами теплового пограничного слоя), К;Tf – температура поверхности теплообмена, К; – удельная изобарная теплоёмкость газа,Джкг∙К.Для наглядности степени влияния каждой из величин, входящих вкритерии подобия, на значение коэффициента теплоотдачи, это выражениебыло представлено в следующем виде:81̅ = 0,15 ∙ 0,333∙ 0,333 ∙0,6660,333∙ 0,333∙ λ0,667∙ΔT0 0,333Rо 0,001∙ εt(2.11)Как видно коэффициент теплоотдачи зависит от теплофизических свойств газа:коэффициента объёмного расширения β, плотности ρ,⁡теплоёмкости cp ,вязкости μ и теплопроводности газа λf , которые в свою очередь зависят отдавления и температуры газа.

На Рис. 2.11 представлены зависимоститеплофизических характеристик метана от абсолютного давления в интервалеот 0,1МПа до 25 Мпа при температуре +20 0С в соответствии со справочнымиданными [56].Рис. 2.11. Зависимость теплофизических характеристик метана от абсолютногодавления при температуре +20 0СИз графика видно, что при увеличении абсолютного давления метанапрактически прямо пропорционально растёт его плотность, в два разаповышается теплопроводность и вязкость газа при 25 МПа по сравнению сатмосфернымдавлением, а соответствующий росттеплоёмкости газасоставляет 60% .Так как ремонт газопроводов в отличие от их строительства можетпроизводиться в любое время года, то климатический фактор приобретаетособое значение.

Строительство магистральных трубопроводовв северных82регионах страны приводит к необходимости учета влияния температуры натеплофизические параметры газа. На Рис. 2.12 представленыграфикиизменения теплофизических свойств газа при давлении 10 МПа в диапазонетемператур от +20 0С до -40 0С[56].Рис.

2.12. Зависимость теплофизических характеристик метана от температурыпри давлении 10 МПаКак видно из графиков в рассматриваемом интервале температурплотность и теплоёмкость газа с понижением температуры увеличиваются в двараза. При этом рост теплопроводности и динамической вязкости составляет20% и 30%, соответственно.Коэффициент теплоотдачи в компримированный газ зависит так же оттемпературного напора.

В выражении (2.11) эта зависимость учитывается черезΔT0 0,333 и поправку⁡εt , определяющую зависимость физических свойств газа оттемпературы.Влияние величины характерного размера (ширины зоны нагрева) припереходном и турбулентном характере течения практически отсутствует.Коэффициентаконвективнойтеплоотдачизависиттакжеотпространственного расположения теплоотдающей поверхности. Согласно [42]для горизонтальной поверхности теплообмена, обращенной вверх, он в 1,3 раза83большеаналогичногокоэффициентадлявертикальнорасположеннойповерхности:̅гор = 1,3 ∙ αα̅верт(2.12)а для горизонтальной поверхности теплообмена обращенной вниз,соответственно в 0,7 раза меньше:̅гор = 0,7 ∙ αα̅вертДляпромежуточныхрасположенныхподугломположений450можно(2.13)поверхностисчитатьэтитеплообмена,коэффициентысоответственно равными 0,85 и 1,15.Таким образом, проведённый анализ показал, что величина коэффициентаконвективной теплоотдачи от внутренней поверхности трубы зоны нагрева вкомпримированный природный газ при ремонте с временной остановкойтранспортировки зависит в основном от:- температуры и давления газа в трубе, влияющих через теплофизическиевеличины , , , , λ на режим течения газа в зоне нагрева и определяющихвеличину коэффициента теплоотдачи;- температуры нагретого участка трубы, влияющей через температурныйнапор⁡ΔT0 на режим течения газа в зоне нагрева и величину коэффициентатеплоотдачи;- расположения теплоотдающей поверхности в пространстве, определяющейвлияние на теплоотдачу местоположения зоны выборки (нагрева) по периметрутрубы.Был проведёнанализошибки расчёта коэффициента конвективнойтеплоотдачи с применения критериального уравнения В.П.

Исаченко (2.10) помаксимальной температуре стенки в нормируемом диапазоне. В Таблице 2.1представлены полученные расчётные значения коэффициента теплоотдачи в84нижней и верхней границе нормируемого диапазона температуры подогрева180-120 0С при температуре окружающего воздуха при проведении ремонтныхработ -40 0С, т.е. для случая наибольшего температурного напора.Таблица 2.1Величина коэффициента теплоотдачи при температуре стенки трубы 180 0С и120 0С и температуре окружающего воздуха при проведении ремонтных работ 40 0САбсолютноедавление газа втрубе, МПа0,10,51351025РасчётТемпература внутреннейповерхности нагретого участкастенки трубы, 0С180120180120180120180120180120180120180120показал,чтоснижениеКоэффициенттеплоотдачи, Вт/м2∙0Смаксимальной15,512,947,040,979,368,8214,9184,9432,4369,61094,1922,01673,41361,9температурыпредварительного подогрева нагретого участка в результате охлаждения врассматриваемых диапазонах температур приводит к снижению коэффициентатеплоотдачи на 10-16% при давлении до 10 МПа и до 19% при 25 МПа, однакозавышение скорости охлаждения в нормируемом интервалев результатетакого допущения составляет не более 8%.

Таким образом, для дальнейшихрасчётов с достаточной для практического применения точностью возможноприменятькоэффициенттеплоотдачи,соответствующийзначению нормируемой температуры подогрева.максимальному85Используя выражение (2.11) с учётом указанных упрощений былирассчитаны величины коэффициента конвективной теплоотдачи в зависимостиот давления и температуры газа в трубе при регламентируемых температурахподогрева стенки 180 0С и 130 0С и вертикальном расположении выборки(Таблицы 2.2, 2.3).Таблица 2.2.Величина коэффициента конвективной теплоотдачи в зависимости от давленияи температуры газа в трубе при температуре стенки 1800САбсолютное давлениегаза в трубе, МПа0,51351025Коэффициент теплоотдачи ,Вт/м2КТемпература газа0-40 С00С+200С47,038,235,379,362,457,3214,9146,9130,9432,4236,9203,51094,1551,4421,21673,41387,01056,3Таблица 2.3.Величина коэффициента конвективной теплоотдачи в зависимости от давленияи температуры газа в трубе при температуре стенки 1300САбсолютное давлениеКоэффициент теплоотдачи, Вт/м2КТемпература газагаза в трубе, МПа-400С00С+200С0,541,934,031,5170,355,350,83188,6128,9114,95375,5205,7176,710928,0467,7357,2251370,51113,6848,186Как видно из полученных данных, наиболее значительное влияние навеличину коэффициента конвективной теплоотдачи оказывает давление,повышение которого приводит к росту величины коэффициента в зависимостиоттемпературы газа на 40-80 Вт/м2градусов на 1 МПа.

Так же росткоэффициента теплоотдачи до двух раз вызывает падение температуры газа втрубе.НадиаграммахРис.2.13графическипредставленоизменениекоэффициента поверхностной теплоотдачи от абсолютного давления газа втрубе и температуры окружающего воздуха при проведении ремонтных работминус 400 С и плюс 200 С при нагреве стенки трубы до 1800 С и 1300 С ивертикальном расположении выборки (базового коэффициента теплоотдачи̅ верт .)Рис. 2.13. Зависимость коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхностистенки трубы от давления и температуры газа Т0 при подогреве до1800С и 130 0С87Исходя из полученных значений коэффициента теплоотдачи и данныхтеплофизических характеристик металла труб (раздел 2.1) можно найти2величину коэффициента температуроотдачи = в зависимости от остаточнойтолщины стенки трубы на участке ремонта.

На Рис. 2.14представленаполученная графическая зависимость.Рис. 2.14. Значение коэффициента температуроотдачи от величинытеплоотдачи при различной остаточной толщине стенки трубыС использованием выражений (2.3) и (2.4) были получены графики (Рис.2.15-2.18), характеризующие изменение скорости охлаждения металла выборокв интервалах температур 180 0С – 120 0С и 130 0С – 80 0С в зависимости отдиаметра (ширины) выборки, фактической ширины участка дополнительногоподогрева, остаточной толщины стенки трубы после выборки. При построенииграфиков учитывались начальные температуры стенки трубы и газа, которыепринимались равными температуре окружающего воздуха на момент88а)б)Рис. 2.15.