Курсач / Доп материалы / Литература / Термодинамика и теплопередача
ЛИТЕРАТУРА 1. Белоконь Н.И. Неизотермическое движение реального газа по трубопроводу // В кн.: Транспорт и хранение нефти и газа. – М.: Труды МИНХ и ГП, 1971, вып. № 97. с. 14–20. 2. Белоконь Н.И. Теплопередача при переменных температурах /Труды Московского нефтяного института, № 2. – М.: Гостоптехиздат, 1940. с. 271–281. 3. Белоконь Н.И. Термодинамика. – М.: Госэнергоиздат, 1954. – 416 с. 4. Газоперекачивающие агрегаты с газотурбинным приводом на магистральных газопроводах: Учебное пособие / Б.П. Поршаков, А.С. Лопатин, С.М. Купцов, К.Х. Шотиди. – М.: ООО «Издательский дом Недра», 2010. – 246 с. 5. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1981. – 417 с. 6. Калинин А.Ф., Купцов С.М., Лопатин А.С. Расчет термодинамических циклов тепловых двигателей. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. – 46 с. 7. Калинин А.Ф. Технология промысловой подготовки и магистрального транспорта природного газа. – М.: МПА-Пресс, 2007. – 323 с. 8. Купцов С.М. Температурный режим скважины. Методическое пособие. – Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. – 111 с. 9. Купцов С.М. Теплофизические свойства пластовых жидкостей и горных пород нефтяных месторождений. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008. – 205 с. 10. Лопатин А.С. Термодинамическое обеспечение энерготехно-логических задач трубопроводного транспорта природных газов. – М.: Изд-во «Нефтяник», 1996. – 82 с. 11. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти: Учебное пособие для вузов. – М.: ФГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. – 816 с. 12. Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности). – М.: Недра, 1987. – 349 с. 13. Потери газа в обвязке компрессорных станций/ Б.П. Поршаков, С.М. Купцов, А.С. Лопатин, К.Х. Шотиди: Учебное пособие. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2001. – 67 с. 14. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп /А.И. Скобло, Ю.К. Молоканов, А.И. Владимиров, В.А. Щелкунов. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. – 677 с. 15. Романенко П.Н, Обливин А.Н., Семенов Ю.П. Теплопередача. – М.: Лесная промышленность, 1969. – 432 с. 16. Теоретические основы теплотехники. Часть I: Термодинамика в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности/ Б.П. Поршаков, А.Ф. Калинин, С.М Купцов, А.С. Лопатин, К.Х. Шотиди. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2005. – 148 с.
Источник
Коэффициент теплопроводности газа
Теория теплопередачи выделяет три вида передачи тепла в пространстве (или теплообмена):
Теплопроводность – это молекулярный процесс, который характеризуется передачей тепла при непосредственном соприкосновении тел с разницей температур за счёт обмена энергией движения структурных частиц.
Конвекция – это движение в пространстве частей среды с разницей температур, причём за счёт переноса самой среды.
Термоизлучение – это теплообмен посредством электромагнитного излучения.
Часто наблюдается совместное протекание всех процессов вместе.
Способность вещества проводить тепло зависит от интенсивности теплового движения его микрочастиц в случаях, когда возникновение конвективных механизмов невозможно. Этот вид теплообмена возникает при разной температуре соприкасающихся веществ.
Совокупность тепловых значений в различных точках вещества называют температурным полем. Такое поле может быть стационарным – если тепловой показатель всех точек не изменяется с течением времени. И стационарным – при изменяющейся температуре в точках в течение какого-нибудь промежутка времени.
Понятие коэффициента теплопередачи
С точки зрения физики явление передачи тепла можно объяснить стремлением любой системы занять положение равновесия, при котором затраты энергии будут минимальными. Система, выведенная из равновесия посредством теплового изменения какой-либо её части, стремится в кратчайшее время восстановить равновесие, выравнивая температуру в разных точках. Микрочастицы переносят тепло, выравнивая температурный показатель– это и есть теплопередача.
Явление переноса тепла мы наблюдаем в твёрдых телах, в жидкостях и в меньшей мере – в газах.
Возьмём некий объём идеального газа, заключённый между двумя плоскими стенками. При различающейся температуре этих стенок Т1 и Т2 для каждой из них соответственно, создастся тепловой поток микрочастиц, который переносит тепло от более тёплой стенки к более холодной, выравнивая разницу температур. На этом явлении строится, например, утепляющий эффект окна. Стёкла имеют высокую способность передавать тепло, но заключённый между ними воздух является проводником тепла, в 160 худшим, чем стекло.
Коэффициент теплопередачи – это величина, которую нам помогает вычислить полуэмпирическая формула, она характеризует способность вещества переносить определённое количество тепла за единицу времени.
Для различного рода расчётов существует таблица теплопроводности материалов, поскольку это имеет огромное практическое значение. От этой величины зависит, как можно использовать вещество – как термоизолятор или как теплопроводник.
Коэффициент теплопроводности газов в природе
Формула говорит о том, что идеальный газ прямо пропорционален температуре.То же самое мы наблюдаем у метана, углекислоты, гелия и других природных веществ.
В таблице 1 приведены коэффициенты теплопередачи различных веществ при разных температурах.
Исследования способности проводить тепло в различных условиях проводились, как правило, на примере метана и углекислоты. Это объясняется тем, исследования метана, как самого распространённого в природе, представляют большой интерес. Использование же в экспериментах углекислоты объясняется дешевизной и тем, что её свойства заметно отличаются от свойств прочих природных веществ.
Коэффициент теплопередачи идеального газа не зависит от давления. Способность переносить тепло у природных веществ при различных показаниях давления в умеренном диапазоне тоже будет практически одинаковой. Но это справедливо, если речь идёт не о вакууме или не о слишком высоких давлениях. При крайне низких или крайне высоких давлениях теплопроводность газа будет расти вместе с уровнем теплоты.
В таблице 2 мы видим значения коэффициента теплопроводности для различных газов. Обратите внимание, что величина коэффициента заметно отличается – например, у метана она практически в два раза больше, чем у углекислого газа. Это говорит о том, что применение углекислого газа в качестве термоизолятора будет более обоснованным, чем применение метана или любого другого газа с высокой способностью передавать тепло.
Общие сведения о теплопередаче Теория теплопередачи выделяет три вида передачи тепла в пространстве (или теплообмена): теплопроводность; конвекция; термоизлучение. Теплопроводность – это молекулярный процесс, который характеризуется передачей тепла при непосредственном соприкосновении…
Источник
2.7 Изменение температуры газа в газопроводе
При движении по участку температура газа постепенно снижается, достигая минимального значения в конце участка. Температурный режим участка определяется рядом факторов: теплообменом с окружающей средой, расширением газа и силами трения в потоке газа. Энергия, затрачиваемая на преодоление сил трения при движении газа, возвращается ему повышением температуры. Компенсация работы трения выделяющейся при этом теплотой является внутренним процессом никак внешне себя не проявляющим. Пренебрегая изменением кинетической энергии газа можно считать, что трение не влияет на изменение температуры газа в газопроводе.
Количество теплоты, теряемое газом при движении по трубопроводу, определяется следующей зависимостью
где dQTO – количество теплоты, передаваемое газом в окружающую среду через элементарную поверхность dF в единицу времени, Вт; k – коэффициент теплопередачи от газа в среду, Вт/(м 2 ·град); t – температура газа в элементарном участке трубы dх,°C(в сечении х) t0 – температура среды, °С; D – наружный диаметр трубопровода, м.
При этом температура газа снизится на величину dt (за счет теплопередачи).
Из теплотехники известно, что .
где ср – удельная теплоемкость газа, Дж/(кг·град) при постоянном давлении; М – массовый расход, кг/с.
Одновременно температура газа снижается за счет эффекта Джоуля- Томсона на величину
Учитывая (2.53) и (2.54), запишем полное изменение температуры
Перегруппируем уравнение (2.55) и запишем его в следующем виде:
Решим полученное выражение относительно dx
Приняв постоянной величиной и равной (линейный закон распределения давления), после интегрирования в пределах х от 0 до х и t от tн до t, получаем:
где tH – температура газа в начале участка, град.
Из (2.60) получаем уравнение ВНИИгаза для определения температуры в любой точке участка МГ
При Di =0 уравнение (2.61) переходит в уравнение Г.В. Шухова
Сравнивая (2.61) и (2.62) видим, что по уравнению ВНИИгаза температура газа всегда меньше, чем по уравнению Шухова на величину
Следовательно, температура газа к концу участка может достигать значений меньших, чем температура грунта (рис. 2.6) на величину , которая может составлять (3-5) 0 С.
ҳ
Рис. 2.6 – Изменение температуры газа по длине участка
Средняя температура газа в участке определяется как среднегеометрическая величина
Температура газа, входящая в формулы для гидравлического расчета газопровода, принимается равной tср.
При проектировании МГ коэффициент теплопередачи для подземных трубопроводов определяется по формулам:
где k – коэффициент теплопередачи, Вт / (м 2 ·град); RИЗ – термическое сопротивление изоляции трубопровода, (м 2 ·град) / Вт; аГР – коэффициент теплоотдачи от трубопровода в грунт, Вт/(м 2 ·град); DН – наружный диаметр трубопровода, м; λн – коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(м·град); DИЗ – наружный диаметр изолированного трубопровода, м; λГР – коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м·град); hОЭ – эквивалентная глубина заложения оси трубопровода от поверхности земли, м; δСН – глубина снежного покрова, м; λСН – коэффициент теплопроводности снежного покрова, Вт/(м·град); аВ – коэффициент теплоотдачи от поверхности грунта в атмосферу, Вт/(м 2 ·град); U – скорость ветра, м/с.
Ориентировочное значение k = 1,5 2,0 Вт/(м 2 ·град).
При расчете участка МГ значения давления и температуры газа в конце участка чаще всего бывают неизвестны, и для определения средних значений ими приходится задаваться ориентировочно. В этом случае величину средней температуры газа в участке можно определить, приблизительно используя зависимость
где tк – температура газа в конце участка, град.
Оценить влияние коэффициента теплопередачи на величину конечной и средней температуры газа в участке.
Оценку произведем на примере участка МГ диаметром 1400 мм и длиной 100 км. Производительность газопровода 90 млн. м 3 в сутки при начальных значениях температуры Т1 = 290 К и давления Р1 = 7,36 МПа. Температура грунта Т0 =273 К. Относительная плотность газа Δ = 0,58.
Зададимся для конца участка Р2 = 5,0 МПа и Т2 = 273 К. Рассчитаем средние значения давления и температуры в участке.
Физические свойства газа при РСР и ТСР:
ρст = 0,699 кг/м 3 , z = 0,846, μ = 12·10 -6 Па·с, ср=2,77 Дж/(кг·К), Di=4.01 К/МПа.
Для определения гидравлического режима течения газа найдем QПЕР (2.50)
Расчетное значение коэффициента гидравлического сопротивления составит (2.51):
Из (2.34) определим давление в конце участка
Для определения температуры газа в конце участка и средней температуры газа в участке необходимо предварительно найти значения массовой секундной производительности МГ М и коэффициента а (2.57).
Примем к = 1,0 Вт/(м 2 ·К).
Температура газа в конце участка (2.61):
Средняя температура газа в участке (2.63):
Полученные значения давления в конце участка и средней температуры газа значительно отличаются от принятых величин и требуется их уточнение.
Примем Р2 = 6,04 МПа и тСР =285,4 К и повторим приведенные выше расчеты. Результаты уточненного расчета: РСР = 6,76МПа, z = 0,85, сp = 2,78 КДж/(кг·К),
Di = 3,78 К/МПа, Р2 = 5,97 МПа, a = 2,17·10 -3 1/м, Т2 = 281,6 К, ТСР = 285,7 К.
Примем к = 2 Вт/(м 2 ·К).
Результаты уточненного расчета: z = 0,849, cp= 2,78 КДж/(кг·К),
Di = 3,81К/МПа, а = 4,341·10 -3 1/м, Р2 = 5,98 МПа, Т2 = 279,4 К, ТCP = 284,4 К.
Вывод. При увеличении коэффициента теплопередачи в два раза средняя температура газа снизилась всего на 1,3 градуса, что позволяет сделать вывод о допустимости использования при эксплуатационных расчетах МГ к = (1,5-2,0) Вт/(м 2· К).
Источник