Multisectional installation of indirectinduction heating of the liquid

Full Text

Проблема повышения эффективности и эксплуатационнойнадежности нагревательных комплексов в технологических процессах, связанных с переработкой и транспортировкой жидких сред, таких как, например, подогрев нефти и нефтепродуктов при их транспортировке и переработке [1-4], является комплексной и предполагает привлечение современных методов исследования на стыке различных направлений. Одним из перспективных путейрешения проблемы является применение надежных и экологически чистых установок нагрева жидкостей на базе низкотемпературных индукционных нагревателей [5-7]. При проектировании индукционных нагревателей для транспортировки высоковязких нефтей по магистральной трубопроводной системе параметрами, определяющими конкурентоспособность, являются массогабаритные показатели, срок службы, эксплуатационные характеристики, управляемость, надежность, экологичность и др. В работах [8-10] рассматривается многосекционный индукционный нагреватель для транспортировки высоковязких жидкостей, в частности высокопарафинистыхнефтей. Выполнены исследования электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор - труба - жидкость». Показано, что вследствие низкой теплопроводности и высокой вязкости нефти при наличии технологических ограничений на максимальную температуру контактирующих поверхностей трубы и жидкости для трубопроводных системиндукционные нагреватели должны иметь несколько автономных секций с развитой поверхностью теплообмена. В этом случае, как показывает практика, общая длина нагревателя составляет не менее 12÷14м [10]. Повысить интенсивность теплообмена и тем самым уменьшить габаритынагревательной системы при той же производительности можно либо путем создания турбулентности потока за счет высоких скоростей, либо путем перемешивания жидкости в нагреваемом потоке. При практически реализуемых скоростях потока нефти в трубопроводных системах турбулентное течение вязкой жидкости получить не представляется возможным. Решение указанной проблемы путем использования внешнего устройства для перемешивания усложняется наличием высокого давления в трубопроводе, которое предполагает полную герметизацию трубопроводной системы. Одним из способов сокращения длины нагревательной системы является использование устройства, обеспечивающего перемешивание жидкости в процессе ее прохождения через нагреватель. Наличие таких смесителей позволяет значительно сократить длину нагревателя, что в конечном итоге позволит сократить суммарные затраты на нагреватель. В работе [11] рассматривается такой вариант с применением индукционного смесителя на основе трехфазного индуктора с вращающимся ротором в его расточке. Однако предложенная в работе конструкция смесителя не обеспечивает интенсивного перемешивания жидкости, поскольку слои жидкости не изменяют своего положения по сечению потока до входа в смеситель и после выхода из него. Энергия вращения используется на создание дополнительного напора в трубе, что в данном случае не оказывает существенного влияния на процесс перекачки. Положительным эффектом такого устройства является дополнительный подогрев жидкости за счет тепла, выделяемого в роторе смесителя. В связи с этим возникает необходимость разработки конструкции ротора-смесителя, обеспечивающего интенсивное перемешивание жидкости в потоке, и выработки рекомендаций по расчету мощности индуктора,необходимой для интенсивного перемешивания жидкости в зависимости от параметров процесса. Функциональная схемаодной секции исследуемой индукционной нагревательной системы представлена на рис. 1. Здесь индуктор №1 - цилиндрический индуктор для нагрева жидкости, индуктор №2 - трехфазный индуктор с вращающимся магнитным полем. Основная проблема, возникающая при расчете параметров индукционного смесителя, заключается в решении взаимосвязанных гидравлической, электромагнитной и тепловой задач в сопряженных телах сложной конфигурации. В настоящей работе с учетом некоторых допущений рассматривается методика расчета параметров многосекционного нагревателяс индукционным смесителем, обеспечивающим одновременно интенсивное перемешивание и подогрев вязкой жидкости. Задачу интенсивного перемешивания жидкости позволяет решить конструкция, объединяющая достоинства роторов осевого и центробежного типов. Такая конструкция ротора - крыльчатки [12, 13], получившая название диагональной, представлена на рис. 2. Рис. 1.Функциональная схема участка исследуемой установки Ядро потока жидкости через центральное входное окно роторапоступает во внутренний объем ротора и по каналам лопаток изменяет осевое направление движения на радиальное. Из щелей в концевых участках лопаток жидкость выбрасывается в пристенные слои потока, перемешиваясь с ними. Двигающаяся над ядром потока часть среды, не изменяя направления движения, омывает лопатки с наружной стороны и подается ими вперед, параллельно оси трубы. Ротор диагонального типа, как и осевой ротор, не создает существенного сопротивления движению среды в трубе, как и центробежный ротор, но активно перемешивает холодное ядро потока с разогретыми пристенными слоями, снижая температуру этих слоев и выравнивая температуру всего потока жидкости. Рис. 2. Схема ротора диагонального типа смесителя: 1 - труба подачи жидкости; 2 - ротор; 3 - лопатки крыльчатки; 4 - опорный вал; 5 - линия движения потока жидкости Небольшое проходное сечение между наружным диаметром ротора и внутренним диаметром подающей трубы, так называемое пространство щелевого диффузора [14, 15], требует разместить выходное окно из лопатки на ее тыльной поверхности, в конце. Число лопаток ротора и уголих поворота по отношению к оси подающей трубы выбираются таким образом, чтобы отсутствовала возможность свободного пролета жидкости между лопатками без взаимодействия с ними. Число оборотов,об/сек, вала ротора от воздействия потока жидкости определяется по зависимости [14] , где; - скорость потока, двигающегося по трубе, м/с; - ширина пояса лопаток; - расстояние между лопатками, шаг лопаток; - угол между направлением потока и лопаткой; - диаметр вала, на который посажены лопатки. С учетом вращающего момента, создаваемого трехфазной обмоткой индуктора, фактическое число оборотоввала определяется как сумма , где - число оборотов ротора под действием вращающего момента индуктора. Таким образом, число оборотов можно регулировать в зависимости от интенсивности перемешивания жидкости. Для расчета конструктивных и режимных параметров нагревательной системы с учетом специфики предлагаемого устройства используется программный комплекс Elcut 5.9 [16].Так как электромагнитные процессы можно считать практически безынерционными по сравнению с тепловыми, решение электромагнитной и тепловой задач выполняется раздельно, что значительно упрощает и ускоряетпроцедуру расчета [17]. При решении электромагнитной задачи принимаются следующие допущения. Поле принимается квазистационарным. Это допущение позволяет пренебречь токами смещения по сравнению с токами в проводниках. Не учитываются потери на гистерезис в силу их незначительности по сравнению с потерями от вихревых токов. Принятые допущения позволяют упростить решение электромагнитной задачи. Граница раздела магнитных сред описывается системой соотношений (1) Последнее выражение в (1) учитывает скачкообразное изменение вектора напряженности на границе раздела сред. При тангенциальные составляющие напряженности на границе раздела непрерывны: Решение краевой задачи расчета магнитного поля в изотропной среде эквивалентно минимизации энергетического функционала : (2) Для учета нелинейной зависимости в ферромагнитных областях разработан итерационный алгоритм многократного решения результирующей системы уравнений. Определение магнитной проницаемости производится с помощью введения в программу расчета полинома, аппроксимирующего кривую намагничивания. В результате расчета получены кривые распределения удельной мощности нагрева по радиальной и аксиальной координатам нагревателя. Следующим этапом исследования является разработка алгоритма расчета тепловых процессов в сложной физически неоднородной системе сопряженных тел с относительным движением. Удельная плотность мощности внутренних источников тепла и характер их распределения определены при решении электромагнитной задачи. Решение тепловой задачи выполняется с использованием первого закона термодинамики. Запишем его с использованием дифференциальных уравнений для объемных тел [18]: (3) где - векторный оператор; -вектор, характеризующий скорость переноса тепла; -вектор теплового потока; -скорость образования тепла в конечном объеме. Закон Фурье устанавливает связь между вектором теплового потока и температурным градиентом: , (4) где матрица теплопроводности. Объединение уравнений (3), (4) даст уравнение вида . (5) Полученные уравнения используются для решения задач в декартовой системе координат. Задача рассматривается в линейной постановке. Исходными данными для расчета являются: геометрические параметры индукционного нагревателя, теплофизические характеристики материалов нагревателя, реологические характеристики жидкости, их зависимость от температуры, энергетические и технологические ограничения. Выполнен сравнительный анализ результатов расчета длины нагревателя и распределения удельной поверхностной мощности по его длине без смесителя и при использовании индуктора-смесителя. Расчеты выполнены с учетом предельно допустимых значений температуры поверхностного слоя жидкости. Параметры нагревателя: диаметр трубы - 0,34м, начальная температура жидкости - 20 град, средняя температура жидкости на выходе из нагревателя -70 град, предельно допустимая температура контактирующих поверхностей - 150 град, длина первого интервала (участка с максимальным уровнем мощности) составляет 1,1 м, длина нагревателя без смесителя -13,6 м. Как следует из расчетов, алгоритм распределения удельной поверхностной мощности по длине нагревателя с учетом технологического ограничения на температуру пограничного слоя жидкости имеет два участка: первый участок - при максимальной удельной поверхностной мощности , второй -участок движения по температурному ограничению, причем участок движения по ограничению носит существенно нелинейный характер, а его длина является преобладающей, что объясняется ламинарным характером течения и низким коэффициентом теплопроводности нагреваемой жидкости. Нелинейный характер распределения удельной поверхностной мощности, ограничивающий реальные возможности индукционного нагревателя, обусловлен технологическим ограничением на температуру приграничного слоя нефти. Низкий коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости при ламинарном характере течения и жесткие требования к температуре поверхностного слоя приводят к тому, что индукционные нагреватели имеют большую протяженность и могут рационально использоваться только при небольшой производительности нагревательной линии. Реализация участка движения по температурному ограничению при неравномерном распределении удельной мощности по длине представляется достаточно сложной задачей, т. к.требует изготовления катушки индуктора с существенно неравномерным шагом намотки.В связи с этим в работе предложен алгоритм распределения удельной мощности индуктора в виде кусочно-постоянной функции. На рис.3 представлена аппроксимация распределения удельной поверхностной мощности в видекусочно-постоянной функции,а на рис.4- соответствующее температурное распределение по длине в поверхностном слое жидкости и средняя по сечению потока температура. Рис. 3. Аппроксимация распределения удельной поверхностной мощности по длине нагревателя кусочно-постоянной функцией На рис.5 представлены температурные распределения в различных сечениях потока жидкости по длине нагревателя. Как следует из результатов расчета, перепад температуры по сечению потока значительный.Причиной этого является низкая теплопроводность нагреваемой жидкости и ламинарный характер течения. Сразу после первой секции нагревателя температура пограничного слоя медленно двигающейся вязкой жидкости у внутренней стенки трубы вырастает и далее остается постоянной. Ламинарное движение всегда характеризуется низким коэффициентом теплоотдачи. Уменьшение разницы температур между стенкой трубы и пограничным слоем совместно с низким коэффициентом теплоотдачи приводит к существенному снижению отвода теплоты от стенки к жидкости. При постоянной мощности индуктора должна была вырастать температура стенки трубы, но технологическое ограничение на величину температуры стенки на уровне 150 оС вынуждает снижать мощность индуктора. Величина теплового потока от стенки трубы к жидкости продолжает оставаться небольшой в течение всего процесса нагрева. Рис. 4. Распределение температуры жидкости по длине нагревателя: - температура поверхностного слоя жидкости; - средняя по сечению потока температура жидкости Применение смесителей позволяет понизить температуру приграничного слоя жидкости до средней по сечению, вследствие этого вырастет температурный напор между стенкой трубы и приграничным слоем жидкости. Это увеличивает поток тепла от стенки трубы в жидкость, при этом температура стенки трубы останется прежней. Больший отвод теплоты от стенки трубы даст возможность повысить мощность индуктора. Полученные результаты позволяют решить задачу минимизации длины нагревателя, решение которой может существенно повысить технико-экономические показатели процесса. Поиск ведется относительно двух неизвестных: общей длины нагревателя и уровня удельной поверхностной мощности, причем длину секциивыбирают из условия согласования параметров индукторас сетью.Процедура поиска базируется на численном решении обратной задачи теплопроводности для системы тел при наличии технологического ограничения на температуру поверхностного слоя жидкости[19]. Рис. 5. Распределение температуры жидкости по длине нагревателя: 1 - температура приграничного слоя жидкости; 2, 3, 4, 5- температура жидкости в различных сечениях потока На рис. 6 приведены результаты расчета температуры нагревателя в различных сечениях потока. Нагреватель состоит из шести секций. Каждая секция включает проточный нагреватель с индуктором соленоидального типа и трехфазный индуктор-смеситель. Длина секции - 1,2м. Как следует из результатов расчета, длина многосекционного нагревателя с применением индукционного смесителя сократилась с 13,6 до 7,2м. Рис.6. Температурное распределение по длине нагревателя в различных сечениях потока Вывод Высокопроизводительные установки для предварительного подогрева нефти перед транспортировкой по трубопроводной системе имеют несколькоавтономных секций и значительную длину. Высокая вязкость и низкая теплопроводность нефти в сочетании с технологическим ограничением на максимальную температуру нагреваемой жидкости не позволяют использовать все преимущества индукционной технологии для интенсификации процесса нагрева и сокращения массогабаритных показателей нагревателя. Значительное сокращение длины нагревательной системы можно получить лишь при использовании специальных устройств для перемешивания. При использовании смесителей, установленных между нагревательными секциями, задача проектирования индукционного нагревателя минимальной длины сводится к определению предельного значения мощности каждой секции с учетом максимально допустимого значения температуры пограничного слоя нагреваемой жидкости.Предлагаемое устройство -смеситель, выполненный на основе трехфазной индукционной системы с вращающимся магнитным полем и специального ротора-крыльчатки, - позволяет вдвое сократить длину нагревателя.

About the authors

Aleksandr I Danilushkin

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskayast., Samara,443100, Russian Federation

Vladimir E Krivosheev

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskayast., Samara,443100, Russian Federation

Ivan V Vasiliev

Samara State Technical University

Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskayast., Samara,443100, Russian Federation

References

Supplementary files