Теплофизическая характеристика - грунт
Cтраница 4
Грунты представляют собой многофазные дисперсные системы, в которых вещества могут находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. Процесс теплообмена в такой системе формируется под воздействием кондуктивной, конвективной, радиационной и массообменной проводимости. Учет факторов и явлений, определяющих передачу тепла в грунте, приводит к системе дифференциальных уравнений теплопроводности, массообменаг конвективного и радиационного теплообмена. Вместо указанного-подхода обычно при изучении теплообмена между трубопроводом и грунтом выбирается другой путь, а именно, многообразие всех факторов учитывается при определении теплофизических характеристик грунтов. При этом грунт рассматривается как некоторое квазиоднородное вещество1, к которому применимо уравнение теплопроводности. Выбор такого пути вызван желанием упростить изучение процесса теплового взаимодействия трубопровода с окружающей средой, который в такой общей постановке является чрезвычайно сложным. Правильность же такого подхода подтверждается тем, что влияние многих указанных факторов на передачу тепла в грунте сказывается незначительно. [46]
Режимы работы горячего нефтепровода в условиях пуска в эксплуатацию, остановок перекачки, изменения пропускной способности и температуры подогрева нефти называются переходными. Они характеризуются изменением пропускной способности и температуры нефти при переходе от одного стационарного состояния к другому. Процесс течения нефти по трубопроводу и его тепловой режим в этих условиях являются неустановившимися. Причиной возникновения переходных режимов работы горячих нефтепроводов может явиться плановое или аварийное отключение отдельных насосных агрегатов или НС, тепловых печей или теплообменников ТС, заполнение трубопровода нефтью при его пуске, остановка перекачки и ее возобновление, последовательная перекачка нефтей с различными физическими свойствами, подключение или отключение отборов и подкачек нефти по трассе трубопровода, сезонное колебание температуры воздуха и теплофизических характеристик грунта. Указанные причины приводят к изменению параметров перекачки: температуры, давления, пропускной способности. Причем отклонение любого из этих параметров от стационарного состояния, если не производится специального регулирования системы, приводит к соответствующему изменению всех остальных. Так, например, при аварийном отключении станции подогрева в трубопровод начинает поступать холодная нефть, имеющая более высокую вязкость по сравнению с подогретой нефтью. [47]
Необходимо отметить, что для определения теплофизических характеристик различных типов грунтов ( песчаных, глинистых, суглинков и др., как мерзлых, так и талых) предложено большое число полуэмпирических и эмпирических зависимостей. В этом случае коэффициент теплопроводности определяется в зависимости от влажности и плотности грунта, причем зависимости самые разные - от линейных до логарифмических. Аналогичные уравнения предложены разными авторами и для определения теплоемкости. Однако следует заметить, что определение этих характеристик по предложенным полуэмпирическим уравнениям дает весьма различные результаты: расхождения составляют 100 %, а иногда и более. Наиболее целесообразным представляется непосредственное экспериментальное определение теплофизических характеристик грунтов для получения достоверных данных и последующего их использования при расчетах тепловых режимов газопроводов. [48]
При тепловых расчетах трубопроводов, эксплуатирующихся при стационарном режиме, коэффициент теплопередачи принимают постоянным как по длине трубы, так и во времени. Однако, как показывают наблюдения и эксперименты [1], даже в этом случае коэффициент теплопередачи изменяется по длине трубопровода, что объясняется падением температуры нефтепродукта по длине. Изменение температуры жидкости приводит к изменению ai по длине трубы, а изменение температуры грунта вызывает изменение аг. Учесть изменение всех многообразных факторов, влияющих на / С, достаточно сложно, а в большинстве случаев и нецелесообразно из-за громоздкости получаемых конечных выражений. Это можно также объяснить и тем, что входящие в выражение для К теплофизические характеристики грунта и жидкости определяют с некоторой погрешностью. [49]
Определение теплофизических характеристик грунта является наиболее сложной и ответственной задачей, так как их значения изменяются и по глубине массива, и по длине трассы трубопровода. Кроме того, значения теплофизических характеристик грунта меняются в течение года в результате сезонной миграции влаги в грунте, вызываемой весенними паводками, дождями, колебанием температур. Свойства верхних слоев почвы, кроме того, могут изменяться даже на протяжении суток из-за конденсации влаги в порах грунта в ночные часы и ее испарения с повышением температуры днем. Наряду с этими факторами на теплофизические свойства грунта значительное влияние оказывает тепловое действие самого трубопровода. Это связано с перемещением влаги в области теплового влияния трубы, возникающим из-за температурного градиента между стенкой трубопровода и близлежащими слоями грунта. Теплофизические характеристики грунта - коэффициент теплопроводности гр, коэффициент температуропроводности агр и удельную теплоемкость сгр - определяют в результате специальных изысканий в полевых условиях или в лаборатории. Число точек измерения теплофизических характеристик грунта по трассе трубопровода и их повторяемость определяются требованиями к точности нахождения А гр, ИГР. [50]
 |
Изменение температуры газа и грунта на участке газопровода Надым. [51] |
Сопоставление характера изменений температуры газопроводов Западной Сибири и Средней Азии показывает их существенное различие. Это связано с различными условиями прокладки газопроводов, различными типами грунтов, хотя диаметры газопроводов сопоставимы. Так, максимальные температуры грунтов на глубине 0 8 - 1 6 м в Западной Сибири составляют 7 и 9 4 С, а в Средней Азии - 28 6 и 29 6 С. Минимальные среднемесячные температуры грунтов в сравниваемых районах соответственно равны - 0 9 и 0 4 С и 3 4 и 7 7 С. Эти различия в условиях прокладки трубопроводов обусловлены в первую очередь теплофизическими характеристиками грунтов и, как видно из приведенных данных, оказывают существенное влияние на тепловые характеристики газопровода, а следовательно, и на энергетические и гидравлические характеристики транспорта газа. На рис. 1.13 показано изменение температуры газа и грунта для газопровода Надым-Пунга диаметром 1420 мм. [52]
Определение теплофизических характеристик грунта является наиболее сложной и ответственной задачей, так как их значения изменяются и по глубине массива, и по длине трассы трубопровода. Кроме того, значения теплофизических характеристик грунта меняются в течение года в результате сезонной миграции влаги в грунте, вызываемой весенними паводками, дождями, колебанием температур. Свойства верхних слоев почвы, кроме того, могут изменяться даже на протяжении суток из-за конденсации влаги в порах грунта в ночные часы и ее испарения с повышением температуры днем. Наряду с этими факторами на теплофизические свойства грунта значительное влияние оказывает тепловое действие самого трубопровода. Это связано с перемещением влаги в области теплового влияния трубы, возникающим из-за температурного градиента между стенкой трубопровода и близлежащими слоями грунта. Теплофизические характеристики грунта - коэффициент теплопроводности гр, коэффициент температуропроводности агр и удельную теплоемкость сгр - определяют в результате специальных изысканий в полевых условиях или в лаборатории. Число точек измерения теплофизических характеристик грунта по трассе трубопровода и их повторяемость определяются требованиями к точности нахождения А гр, ИГР. [53]
Естественно, что для подземного трубопровода дифференциальные уравнения тепло - и массопереноса должны быть по меньшей мере двумерными, чтобы проследить за ходом изменения влажности и температуры грунта хотя бы в сечении. Решение таких задач связано с большими математическими трудностями. Поэтому и в настоящее время при выполнении теплового расчета теплофизические свойства грунтов определяются экспериментально, путем отбора проб для исследования в лабораторных условиях, или выбираются по результатам многолетних наблюдений на действующих трубопроводах. Практика эксплуатации магистральных горячих трубопроводов, а также специальные исследования показали, что по мере прогрева грунта, окружающего трубопровод, идет перераспределение влажностно-температур-ного поля. Ближайший к трубопроводу наиболее прогретый слой грунта оказывается сухим или ( при относительно невысоких ( 300 - 320 К) температурах нагрева) подсушенным. Это приводит к изменению теплофиз ических свойств грунта в зоне влияния трубопровода и в первую очередь к уменьшению коэффициента теплопроводности грунта. Выбор теплофизических свойств грунтов для теплового расчета трубопроводов до сих пор представляет большие трудности. Имеющиеся расхождения у разных исследователей объясняются несовершенством методик измерения параметров, так как для влажных грунтов метод стационарного теплового режима приводит к заметным погрешностям из-за миграции влаги при больших градиентах температур. Но ввиду своей простоты и надежности метод стационарного режима для определения теплофизических характеристик грунтов применяется и в настоящее время наряду с зондовыми методами. Влияние р скелета грунта практически мало сказывается на численных величинах ХТР. В литературе имеется значительное число формул, для которых исходными параметрами являются пористость, порозность, коэффициент теплопроводности при фиксированных условиях и др. Такой подход является весьма сложным из-за отсутствия достоверных данных в соответствующей литературе. [54]
Страницы: 1 2 3 4