Математическое моделирование тепловых полей при индукционно-резистивном обогреве трубопровода | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 14 декабря, печатный экземпляр отправим 18 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Математика

Опубликовано в Молодой учёный №13 (117) июль-1 2016 г.

Дата публикации: 05.07.2016

Статья просмотрена: 531 раз

Библиографическое описание:

Давыдова, М. Ю. Математическое моделирование тепловых полей при индукционно-резистивном обогреве трубопровода / М. Ю. Давыдова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 13 (117). — С. 7-11. — URL: https://moluch.ru/archive/117/31680/ (дата обращения: 05.12.2024).



Перспективным направлением в области электрообогрева трубопроводов является применение индуктивно-резистивной системы нагрева, основное назначение которой — компенсация тепловых потерь нефтепроводов и их предпусковой разогрев. Система индуктивно-резистивного нагрева является самой рентабельной по сравнению с системами электрообогрева сопротивлением и индукционными системами.

Ключевые слова: трубопровод, индукционно-резистивная система, нагревательный проводник, скин-эффект

A promising directionin the field ofelectrical heatingof pipelinesis the use ofthe inductive-coil heating system, the main purpose of which iscompensation of heatlossesin pipelinesand theirpre-startheating. Inductive-coil heating system is themost cost-effectivein comparison with theresistanceheating systems andinduction heating systems.

Keywords:pipeline, inductive- resistive system of heating conductor, skin effect

В зимнее время нефтепроводы различного назначения и диаметра часто дают сбои из-за реологических особенностей транспортируемых нефтепродуктов. Высокая вязкость перекачиваемых продуктов служит причиной перегрузки насосных агрегатов и перерасхода электроэнергии. В связи с этими особенностями применение в нефтяной промышленности обогрева нефтепроводов необходимо для поддержания технологически заданной температуры транспортируемых жидкостей, обеспечения необходимою вязкость нефтепродуктов и необходимой производительности трубопроводов.

Принцип действия ИРСН заключается в использовании специальных нагревательных элементов, использующих явление скин-эффекта и эффекта близости в проводниках на переменном токе [1].

Произведем исследование распределения температур в обогреваемом нефтепроводе.

Исходные данные:

‒ Материал трубопровода — сталь марки «Ст-35»;

‒ Площадь поперечного сечения трубы S = 32,34·10–6 м2

‒ Индукционно-резистивный проводник (ИРП) выполнен из меди

‒ Индукционно-резистивный нагреватель (ИРН) выполнен из никеля

‒ Жидкость в трубе — нефть

‒ Температура окружающей среды -35оС.

К рассмотрению примем ток частотой 50, 500 и 1000 Гц.

Глубина проникновения тока (толщина скин-слоя) определяется выражением [2]:

,(1)

И при рассматриваемых частотах будет равна δ1= 1527 мкм, δ2= 483 мкм и δ3= 341 мкм соответственно.

Плотность тока j убывает с глубиной проникновения в проводник

, (2)

где δ — толщина скин-слоя, м; j0 — плотность тока в скин-слое, А/м2; μ — магнитная проницаемость материала проводника, Гн/м; μ0 — магнитная постоянная, Гн/м; σ– удельная электрическая проводимость материала проводника, См/м; τ — время, с; ω — круговая частота переменного тока, Гц.

Картина температурного поля зависит от объемной плотности тепловыделения, вычисляемой по формуле

,(3)

Так же , поэтому конечная температура нефти в трубопроводе определяется выбором параметров I и f источника питания.

Передача тепла от индукционно-резистивного нагревателя нефтепроводу осуществляется теплопроводностью в месте контакта нагревателя и нефтепровода. Распределение тепла в индукционно-резистивном нагревателе определяется следующим выражением

, (3)

Распределение тепла в нефтепроводе

, (4)

Распределение тепла в движущейся нефти

, (5)

где с1, с2, с3 — удельная теплоемкость материала индукционно-резистивном нагревателя, материала нефтепровода и нефти соответственно, Дж/(кг·К); ρ1, ρ2, ρ3 — плотность материала индукционно-резистивного нагревателя, материала нефтепровода и нефти соответственно, кг/м3; Т1, Т2, Т3 — абсолютная температура индукционно-резистивного нагревателя, нефтепровода и нефти соответственно, К; λ1,λ2,λ3–коэффициент теплопроводности материала индукционно-резистивного нагревателя, материала нефтепровода и нефти соответственно, Вт/(м·К); — оператор Гамильтона; v — скорость транспортируемой нефти, м/с.

Расчет распределения температурных полей произведен в программе ELCUT.

  1. Пример решения (Жидкость в трубе — нефть. Температура окружающей среды -35оС. Ток источника I = 60 A. Частота тока f1=50 Гц):

C:\Documents and Settings\zaraiskaya\Рабочий стол\картины тп 50 гц\1800 50 гц.jpgC:\Documents and Settings\zaraiskaya\Рабочий стол\картины тп 50 гц\шкала.jpg

Рис.1. Распределение температурного поля в трубе при нагреве с помощью системы ИРСН при частоте тока f1=50 Гц. Время нагрева τ=1800 с.

C:\Documents and Settings\zaraiskaya\Рабочий стол\50 гц\тепловой поток 1800 50 гц.jpg

Рис. 2. Увеличенное изображение распределения температур и тепловых потоков вблизи стенки трубы.

  1. Пример решения (Жидкость в трубе — нефть. Температура окружающей среды -35оС. Ток источника I = 50 A. Частота тока f2=500 Гц)

F:\НИР\500 гц\1800 500г.jpgF:\НИР\500 гц\шкала 100.JPG

Рис. 3. Распределение температурного поля в трубе при нагреве с помощью системы ИРСН при частоте тока f2=500 Гц. Время нагрева τ=1800 с.

F:\НИР\500 гц\поток теплловой0 500гц.jpg

Рис. 4. Увеличенное изображение распределения температур и тепловых потоков вблизи стенки трубы.

  1. Пример решения (Жидкость в трубе — нефть. Температура окружающей среды -35оС. Ток источника I = 60 A. Частота тока f3=1000 Гц)

F:\НИР\1000 гц\1800 и поток 1000 гц.jpgF:\НИР\1000 гц\шкала 1 500 гц.jpg

Рис. 5. Распределение температурного поля в трубе при нагреве с помощью системы ИРСН при частоте тока f3=1000 Гц. Время нагрева τ=1800 с.

F:\НИР\1000 гц\тепловой поток_локал 1000 гц.jpg

Рис. 6. Увеличенное изображение распределения температур и тепловых потоков вблизи стенки трубы.

Вывод: Произведен расчет распределения температурного поля в нефтепроводе с учетом физических свойств материалов и факторов среды. Решения представлены графически в виде распределения температурных полей, шкал температур, так же приведено распределение тепловых потоков от нагревателя.

Как видно из решений, нефть в трубе нагревается до 16 оС, что в принципе делает решение задачи верным, поскольку получен функционирующий обогреваемый нефтепровод в тяжелых температурных условиях окружающей среды. Индукционно-резистивная системы нагрева нефтепровода позволяет поддерживать заданную температуру нефтепродукта в предусмотренных технологическим процессом пределах, что способствует увеличению скорости транспортировки, предотвращению образования твердых фракций и пробок в нефтепроводах, а также сохранению необходимой кинематической вязкости транспортируемого продукта.

Литература:

  1. Нефтеперекачивающие станции / А. А. Коршак. — Ростов н/Д: Феникс, 2015. — 269 с.
  2. Вайнштейн, Л. А. Электромагнитные волны / Л. А. Вайнштейн. — 2.изд.,перераб.и доп. — М.: Радио и связь, 1988. — 440 с.
  3. Бычков, Ю. А. Расчет математических моделей динамических систем аналитически-численным методом. Модели с сосредоточенными и распределенными параметрами. Переходные и периодические режимы. / Ю. А. Бычков, С. В. Щербаков; Санкт-Петербургский гос. электротехн. ун-т «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина). — 2-е изд., перераб., доп. и расш. — СПб.: Изд-во «Технолит», 2010. — 380 с.
Основные термины (генерируются автоматически): индукционно-резистивный нагреватель, частота тока, окружающая среда, температурное поле, время нагрева, материал нефтепровода, помощь системы, распределение тепла, стенка трубы, увеличенное изображение распределения температур.


Ключевые слова

трубопровод, индукционно-резистивная система, нагревательный проводник, скин-эффект

Похожие статьи

Повышение температурного уровня солнечной панели в городе Грозном в зависимости от уровня солнечной инсоляции

Использование солнечных панелей достигает максимальной эффективности в условиях наибольшего уровня солнечной инсоляции, однако низкая эффективность монокристаллических элементов приводит к тому, что часть тепла, не преобразованная в электричество, по...

Эффективность охлаждения газов в пенном слое на провальных тарелках

Рассмотрен подход определения температурных профилей и эффективности охлаждения газов в развитом турбулентном барботажном слое на провальных тарелках в колонных аппаратах. Подход базируется на моделях структуры потока для двухфазных сред. Используютс...

Технологии, способствующие повышению энергоэффективности объектов строительства: аккумулирование теплоты

Данный обзор посвящен проблеме сохранения энергии, производимой в периоды наименьшего её использования. Приводится классификация систем аккумулирования теплоты. Описываются общие принципы, на которых построен процесс сохранения теплоты, а также рассм...

Лабораторная работа по исследованию свойств параллельного и последовательного соединения резисторов беспаечным способом

В работе исследованы свойства и физические законы соединения резисторов без пайки. При построении макетов от монтажа пайкой удается полностью отказаться или свести его к минимуму. Как показал, опыт практическое использование макетных плат позволяют, ...

Проблемы поддержания кислотности растворов для гидропонного выращивания овощей

В статье рассматриваются проблемы гидропонного выращивания овощных культур в Республике Узбекистан, в частности вопросы регулирования кислотности питательных растворов. Методы химического регулирования не дают должного эффекта и имеют ряд существенны...

Создание двухконтурной системы регулирования температуры в электрической печи на базе программируемого логического контроллера

Электрические печи потребляют много электроэнергии, от чего вопросы их рациональной эксплуатации и автоматизации имеют большое значение для промышленности. В работе описан вариант создания двухконтурной системы регулирования температуры в электрическ...

Оптимизация модели системы управления теплообменного оборудования смешения

Из множества современных методов моделирования объектов управления для реализации теплообменных процессов смешения и достижения качества их протекания наибольшую перспективу представляют теоретические методологии, основанные на реализации оптимальных...

Современные подходы к проектированию систем газового лучистого отопления

На сегодняшний день перед наукой стоит одна из важнейших задач — повышение эффективности работы инженерных систем топливно-энергетического комплекса [1]. Для достижения данной цели необходимо совершенствование подходов к разработке проектировочных ре...

Поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ) как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

Рассмотрено поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ) как один из основных методов повышения износостойкости металлорежущего инструмента, способствующее увеличению сроков его службы.

Применение сильфонных компенсаторов на трубопроводах при обустройстве кустов скважин

Целью данной статьи является освещение проблемы разработки новых технологических решений обустройства кустовых площадок месторождений в Тюменской области. Авторами определяются возможность и целесообразность использования сильфонных компенсаторов на ...

Похожие статьи

Повышение температурного уровня солнечной панели в городе Грозном в зависимости от уровня солнечной инсоляции

Использование солнечных панелей достигает максимальной эффективности в условиях наибольшего уровня солнечной инсоляции, однако низкая эффективность монокристаллических элементов приводит к тому, что часть тепла, не преобразованная в электричество, по...

Эффективность охлаждения газов в пенном слое на провальных тарелках

Рассмотрен подход определения температурных профилей и эффективности охлаждения газов в развитом турбулентном барботажном слое на провальных тарелках в колонных аппаратах. Подход базируется на моделях структуры потока для двухфазных сред. Используютс...

Технологии, способствующие повышению энергоэффективности объектов строительства: аккумулирование теплоты

Данный обзор посвящен проблеме сохранения энергии, производимой в периоды наименьшего её использования. Приводится классификация систем аккумулирования теплоты. Описываются общие принципы, на которых построен процесс сохранения теплоты, а также рассм...

Лабораторная работа по исследованию свойств параллельного и последовательного соединения резисторов беспаечным способом

В работе исследованы свойства и физические законы соединения резисторов без пайки. При построении макетов от монтажа пайкой удается полностью отказаться или свести его к минимуму. Как показал, опыт практическое использование макетных плат позволяют, ...

Проблемы поддержания кислотности растворов для гидропонного выращивания овощей

В статье рассматриваются проблемы гидропонного выращивания овощных культур в Республике Узбекистан, в частности вопросы регулирования кислотности питательных растворов. Методы химического регулирования не дают должного эффекта и имеют ряд существенны...

Создание двухконтурной системы регулирования температуры в электрической печи на базе программируемого логического контроллера

Электрические печи потребляют много электроэнергии, от чего вопросы их рациональной эксплуатации и автоматизации имеют большое значение для промышленности. В работе описан вариант создания двухконтурной системы регулирования температуры в электрическ...

Оптимизация модели системы управления теплообменного оборудования смешения

Из множества современных методов моделирования объектов управления для реализации теплообменных процессов смешения и достижения качества их протекания наибольшую перспективу представляют теоретические методологии, основанные на реализации оптимальных...

Современные подходы к проектированию систем газового лучистого отопления

На сегодняшний день перед наукой стоит одна из важнейших задач — повышение эффективности работы инженерных систем топливно-энергетического комплекса [1]. Для достижения данной цели необходимо совершенствование подходов к разработке проектировочных ре...

Поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ) как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

Рассмотрено поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ) как один из основных методов повышения износостойкости металлорежущего инструмента, способствующее увеличению сроков его службы.

Применение сильфонных компенсаторов на трубопроводах при обустройстве кустов скважин

Целью данной статьи является освещение проблемы разработки новых технологических решений обустройства кустовых площадок месторождений в Тюменской области. Авторами определяются возможность и целесообразность использования сильфонных компенсаторов на ...

Задать вопрос