Диссертация (1026327), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Эта модель может быть использована для анализа работы стенда спрямоточным движением горячего воздуха по внутренней поверхности трубы.Скорость нагрева определяется по формуле (3.20):β=Т maxа ма ρ сδ (1 + м м м )ав ρв св2м.(3.20)91Здесь Tmax – максимальная температура, К; a м = λ мсоответственнокоэффициенттеплопроводности1см ρ м, где λм ; см ; ρ м -материала, Вт/(мК);коэффициент теплоемкости материала, Дж/(кг К) и плотность материала, кг/м3;aв = λв1св ρвλв ; св ; ρв, где-соответственнокоэффициенттеплопроводностивоздуха, Вт/(м К); коэффициент теплоемкости воздуха, Дж/(кг К) и плотностьвоздуха, кг/м3;δм- толщина материала, м.На основе (3.20) могут быть рассчитаны скорости нагрева трубы дляразличных сред передачи тепла, например, песка и воздуха:βпесок = 0,105, К/сβвоздух = 0,00718, К/с.Уравнение (3.19), связывающее наружную ( Tн ) и внутреннюю ( Tв )температуры трубопровода, удобно использовать при обосновании временипроведения испытаний.
Для этого необходимо выделить из уравнения (3.19)функцию вида (3.21). График функции f(t) представлен на Рис. 3.10.f (t ) =1 − е − А(t +τ ),A(t + τ )(3.21)где A = η 1 af 1 + η 2 f 2 . Здесь используются коэффициенты, описанные в (3.17):f1 =r1δ T 2 (r + δ T )2; η1 =1χ; η2 =1µδ2 δ2; a = λT; f 2 = λ В с В ρ В (r + δ T ) ; τ = м + Т .сТ ρTχам аТδTсТ ρ T ( r +2)δ TПроверив на базе экспериментальных данных вид f(t), а затем, принимаявид f(t) за установленный, можно проводить испытания на любой моментвремени t.
Задавая значения наружной и внутренней температур, можноопределить значения функции f(t) по формуле (3.19) и, используя график наРис. 3.10, определить время выхода теплопередачи в ТИМ на стационарныйрежим. Например, для трубы диаметром 60 мм и толщиной ТИМ 25 мм приуказании внутренней температуры 420 оС, а наружной – 60 оС, время выхода настационарный режим составляет порядка 32 минут (Рис. 3.10).92Так же изображенный на Рис. 3.10 график f(t) позволяет рассчитать времявыхода теплопередачи в ТИМ на стационарный режим для труб диаметрами89 мм и 114 мм (ГОСТ 633-80). Представленная методика обоснования временипроведения испытания, основана на принципе сведения к минимуму влиянияпереходных процессов.Рис.
3.10.График функции f(t)Таким образом, в работе предложена математическая модель, на основекоторой можно оценить динамику изменения температуры стенки трубопровода взависимостиотусловийиспользованадляпроизводства,разныхиспытаний.обоснованиясредПолученнаявременииспытанийтеплопередачи(воздуха,модельсможетучетомводыибытьусловийпеска)иконструктивной схемой испытательного стенда.3.6. Выводы по главе 31. Лабораторные эксперименты, проведенные на кольцевых образца и спомощью теплонагревателя, и с помощью тепловентилятора, показали, что93величина коэффициента теплопроводности теплоизолирующего материала наоснове базальтового волокна меньше λ6 = 0,04 Вт/(мК).2. Проведенные исследования с образцами теплоизоляционного материалапоказали существование стационарного режима изменения температуры по слоямобразца.
Получено уравнение теплопроводности, описывающее стационарныйрежим изменения температуры в теплоизоляционном материале.3.Разработаннаяинженернаяметодикавыборатолщиныстенкитеплоизолирующей конструкции в виде цилиндрических скорлуп по требуемомуперепаду температур с учетом лучистого переноса тепла в межпоровомпространстве позволяет вести расчет толщины теплоизолирующего слоя содновременной оптимизацией пористости материала. Полученные результатысоздают основу для выбора технологического решения.4. Проведена математическая оценка параметров конструкции и условийиспытаний теплоизолированных трубопроводов. С помощью предложенноймодели можно провести оценить изменения температуры стенки трубопровода взависимости от различных условий испытаний. Полученную модель можноиспользовать для обоснования времени испытаний, закладывая в нее условияпроизводства, среду теплопередачи и конструктивную схему испытательногостенда.94ГЛАВАЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ4.ИССЛЕДОВАНИЯРАСЧЕТАИРАЗРАБОТКАПАРАМЕТРОВ,ИНЖЕНЕРНОЙПРОЧНОСТНЫЕИМЕТОДИКИТЕПЛОВЫЕИСПЫТАНИЯ ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НКТ ИЗКОРОТКИХ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН И МИНЕРАЛЬНОЙ СВЯЗКИAL2O3Для обеспечения теплоизоляции многослойных композитных насоснокомпрессорныхтрубсзащитно-силовойстеклопластиковойоболочкой,предназначенных для добычи высоковязкой нефти, была разработана технологияизготовления высокопористых теплоизолирующих конструкций из короткихбазальтовых волокон и минеральной связки Al2O3 в виде цилиндров, манжет иполуцилиндров (скорлуп), работоспособных в течение длительного времени притемпературе 420 оС, которые могут быть использованы и в других отрасляхмашиностроения.Длятеплоизоляциирегулярнойчастинасосно-компрессорныхтрубиспользуется покрытие в виде длинных цилиндрических скорлуп, в областисоединения (свинчивания) НКТ между собой применяется профильная манжета, астальная резьбовая муфта НКТ защищается цилиндрическим стаканом изкоротковолокнистой базальтовой теплоизоляции.
При этом силовые элементыНКТ: секции спайдера и гидравлического ключа имеют теплоизоляцию на основестеклянных микросфер и органосиликатного связующего.Большинство запасов нефти на территории Российской Федерации (более70 %) [3, 32, 86-92] - это тяжелая, трудно извлекаемая нефть повышеннойвязкости и плотности, 80 % которой залегает на глубине 2…3 км. Для добычитакой нефти используют термические методы разогрева пластов перегретымпаром с закритическими начальными параметрами (температурой 420…450 °С,давление 35 МПа и более [3, 33, 34, 86, 87, 92-94]) с переходом к нефтеносномупласту пара с температурой 350…400 °C.95Для подачи теплоносителя в пласт с вышеуказанными параметраминеобходимо создать эффективную теплоизоляцию НКТ таким образом, чтобытемпература наружной поверхности трубы в ее регулярной части не превышала60…65°С, а погонная масса теплоизолированной НКТ с проходным диаметром50 мм и с защитной стеклопластиковой оболочкой диаметром 114 мм составлялане боле 10…11 кг/м.[33]В настоящее время для закачки в пласт перегретого пара применяютсядвухслойные стальные вакуумно-теплоизолированные НКТ («термокейсы»), снизкими рабочими давлениями (16 МПа), относительно невысокой температуройпрокачиваемого пара (до 325 °С).
При этом термокейсы имеют большуюпогонную массу, равную 19,6 кг/м и 32,3 кг/м соответственно для проходныхдиаметров 40 мм и 62 мм [4, 91, 92], что ограничивает их применение в скважинахглубиной более 1,5 км.4.1. Разработка инженерной методики расчета эффективного коэффициентатеплопроводности на основе правила суммирования кондуктивного ирадиационного переноса тепла в высокопористой коротковолокнистойтеплоизоляцииОдной из важнейших характеристик, определяющих эффективность работывысокопористой коротковолокнистой теплоизоляции, является теплопроводность.Поэтомуопределениетеплоизоляционногокоэффициентаматериаласучетомтеплопроводностилучистогопереносатакоготепла,обеспечивающего максимально возможное снижение массы теплоизолирующегопокрытия регулярной части НКТ, работоспособной при температурах до 420 °С иболее в течение длительного времени, является важным и актуальнымнаправлением исследований.Передача теплоты в высокопористом волокнистом материале, находящимсявмежтрубномпространствемеждустальнойНКТстеклопластиковой оболочкой, осуществляется посредством:изащитно-силовой96- кондуктивной теплопроводности твердого скелета из коротких волокон,образующих открытую пористую структуру материала;- кондуктивной теплопроводности газа, находящегося в порах;- радиационного переноса тепла в волокнистой пористой структуре.Для упрощения тепловых расчетов на практике используется эффективнаятеплопроводность, основанная на законе Фурье, которая в общем случае являетсясложной функцией, зависящей от многих факторов: температуры, давления газа впорах, размера пор, степени черноты и др., оказывающих различное влияние навеличину эффективного коэффициента теплопроводности.
[95]Для определения потребной толщины теплоизолирующего покрытия НКТнеобходимо найти осредненный коэффициент теплопроводности ТИМ взависимости от его плотности или пористости волокнистой структуры. Приколичественном учете теплообмена в межтрубном пространстве будем считать,что тепловой поток от горячей стенки НКТ к более холодной внешней защитносиловойстеклопластиковойоболочкебудетпередаватьсязасчеттеплопроводности каркаса из базальтовых волокон, сухого воздуха и путемлучистого переноса тепла.
Очевидно, что используемый при таком подходекоэффициенттеплопроводностиявляетсяобобщеннойхарактеристикойпроводимости теплоты в материале - эффективной теплопроводностью. В этомслучаесуммарныйилиэффективныйкоэффициенттеплопроводностипредставляется как сумма трех составляющих:эффгдеБВ ,возд ,рад=иБВконд+возд+рад=конд+рад ,(4.1)- соответственно коэффициенты теплопроводностикаркаса из базальтовых волокон; сухого воздуха, радиационной и кондуктивнойтеплопроводности,конд=БВ+возд ,согласно выражению (4.1).Анализ экспериментальных данных, полученных для коэффициентовтеплопроводности базальтовых волокон диаметром 1,5-3,0 мкм от температуры(Рис. 1.13), в интервале от 20 °С до 500 °С, показывает, что они могут бытьусреднены и аппроксимированы линейной зависимостью вида:97БВ (Т)= λKб [1 + Z([ − [K )],(4.2)где [ – текущая температура; λKб - коэффициент теплопроводности тонкихбазальтовых волокон при температуре [K = 20 °С, λKб = 0,032 Вт/(м·К); Z =1/(170 К)–коэффициентаппроксимации.Дляспокойноговоздухаэкспериментальные значения (Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
