При проектировании индукционных нагревательных установок для нагрева нефти и вязких нефтепродуктов перед транспортировкой по трубопроводам основными параметрами, определяющими оптимальное проектное решение, являются уровень и характер распределения мощности по длине, геометрические размеры нагревателя, найденные с учетом возможных технологических ограничений и частота, определяющая выбор источника питания и другого оборудования системы индукционного нагрева.
Специфические свойства нагреваемых жидкостей, такие, как низкая теплопроводность, высокая вязкость, существенно зависящие от температуры, а так же принципиальные особенности способа индукционного нагрева обусловили необходимость разработки конструкции теплообменного аппарата, значительно отличающейся от существующих конструкций с внешним обогревом паром, жидким теплоносителем или пламенными печами. Эта конструкция представляет собой два осесимметричных стальных цилиндра (рис.1), в кольцевом зазоре между которыми протекает нагреваемая жидкость.
Внешняя труба охватывается катушкой индуктора, создающей переменное электромагнитное поле. Применение конструкции с осесимметричными трубами позволяет увеличить площадь теплообмена за счет распределения мощности источников тепла между трубами нагревателя.
Выбор частоты тока индуктора при нагреве текущей в межтрубном пространстве жидкости симметричным потоком тепла в рассматриваемом случае определяется условиями, при которых мощности, выделяющиеся в трубах, будут равными. Кроме того, уровень мощности, выделяющейся в каждой из труб нагревателя, и их соотношение зависят от электрофизических свойств материала, из которого выполнены трубы нагревателя и толщины их стенок. Минимальная толщина стенки определяется требованиями к механической прочности конструкции теплообменника, работающего при высоких давлениях перекачки, и увеличение толщины трубы ведет к увеличению массогабаритных показателей. В связи с этим становится нецелесообразным варьировать толщину стенки трубы с целью получить требуемое распределение мощности.
Рис.1 Эскиз нагревателя
- Нефтепродукт; 2. Труба; 3. Внутренняя изоляция; 4. Индуктирующий провод; 5. Внешняя изоляция
При известных производительности магистральной линии трубопровода, температуре нагрева и характеристиках перекачиваемой жидкости полная мощность , подводимая к индуктору, может быть определена по известному соотношению [2]:
Для того, чтобы решить вопрос о целесообразности использования преобразователей частоты, определим, насколько изменится распределение мощности между трубам нагревателя при использовании промышленной частоты вместо оптимальной. Как следует из расчетов, для исследуемого объекта оптимальная частота, при которой выполняется условие равенства мощностей во внешней и внутренней трубах, равна 300 Гц. Подставляя в (.4) известные геометрические параметры нагревателя, находим, что при той же плотности тока и частоте 50 Гц мощность, выделяющаяся во внешней трубе, равна 0,39, т.е. уменьшилась на 22% по сравнению с оптимальным значением.
Однако, как показывают расчеты, в рассматриваемой ситуации применение преобразователей частоты вследствие их высокой стоимости оказывается экономически невыгодным, поэтому все дальнейшие исследования выполнены для установок, работающих на частоте 50 Гц. Обеспечить необходимую точность нагрева в этом случае можно, например, за счет увеличения длины нагревателя, что приведет к некоторому увеличению стоимости установки.
При наличии технологического ограничения на максимальную температуру нагреваемой жидкости в процессе нагрева температура стенки трубы так же должна быть ограничена на определенном уровне. Очевидно, что этот предельный уровень температуры трубы соответствует случаю максимальной производительности трубопровода. Так как между температурой стенки трубы и средней по сечению потока температурой жидкости в установившемся режиме перекачки существует однозначная связь, при уменьшении производительности установки температура трубы при неизменной длине нагревателя так же должна быть снижена. В стационарном режиме указанное требование обеспечивается стабилизацией на заданном уровне температуры трубы, что, при переменном коэффициенте теплообмена, приводит к неравномерному распределению мощности по длине нагревателя. Алгоритм распределения удельной мощности по длине нагревателя при различной производительности находится ниже на основании решения тепловой задачи.
Рис. 2 Зависимость оптимальной частоты тока от толщины стенки трубы
Для исследуемого в работе стационарного нагрева жидкости в межтрубном пространстве с одинаковыми условиями теплообмена на поверхностях внешней и внутренней труб можно пренебречь температурным распределением по сечению стенки трубы и считать температуру стенки трубы постоянной. Тогда уравнение теплопроводности в потоке жидкости для стационарного режима при симметричном нагреве принимает вид [2]:
В качестве варьируемых параметров рассматриваются величина рабочего зазора и длина нагревателя. Оптимизация длины нагревателя проводилась методом зондирования пространства параметров проектируемой индукционной установки с последующим выбором оптимального решения из набора альтернативных вариантов. На рис.3 приведены оптимальные соотношения между зазором и длиной нагревателя, обеспечивающего при заданной производительности П=90т/сут., различную заданную точность поддержания температуры жидкости на выходе из нагревателя в установившемся режиме работы.
Здесь требуемая точность поддержания температуры соответственно: 
. Приведенные зависимости позволяют выбрать минимальную длину при заданной производительности и требуемой точности для нагревателя с внешним диаметром трубы 300 мм.
Алгоритм распределения удельной мощности по длине нагревателя при различной производительности может быть определен следующим образом. На основании результатов расчета температурных полей, выполненных по приведенной в работе методике, можно, используя известную зависимость коэффициента теплообмена от температуры [4], рассчитать распределение теплового потока по длине трубы. Поскольку тепловой поток создается вихревыми токами индукционной системы, можно считать, что полученная зависимость характеризует распределение удельной мощности по длине нагревателя.
Рис.3. Оптимальные соотношения между зазором и длиной нагревателя
Для его расчета воспользуемся основным законом Фурье, устанавливающим связь между плотностью теплового потока и градиентом температур [5]:
Расчеты показывают, что уровень мощности по ходу нагрева снижается, что обусловлено ухудшением условий теплообмена, т.е. уменьшением коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к жидкости по мере ее перемещения к выходу. Так как на практике реализовать полученное расчетным путем нелинейное распределение мощности по длине нагревателя не представляется возможным, предлагается ступенчатая аппроксимация функции распределения источников. Количество интервалов постоянства (секций) зависит от уровня мощности нагревателя, требований к плавности регулирования, условий согласования мощности индукционного нагревателя с источником питания. Оптимальным с точки зрения согласования параметров индуктора и трехфазного источника питания является использование многосекционного нагревателя с переменной по ходу нагрева мощностью каждой секции.
Список литературы:
- Губин В.Е. Губин В.В. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. М., Недра, 1982, 296 с.
- Данилушкин В.А., Зубарев С.А., Васильев И.В. Применение систем индукционного нагрева в технологических комплексах подготовки и переработки нефти и нефтепродуктов. Материалы III-й Международной научно–практической конференции «Современные инновации в науке и технике», Курск, 2013г., с.50–53.
- Лыков А.В. Теория теплопроводности.– М.: Высшая школа, 1967 –599 с.
- Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. – М.: Металлургия, 1993. – 279 с.
- Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. Л.: Энергия, 1975. – 183 с.[schema type=»book» name=»ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНДУКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МИНИМАЛЬНОЙ ДЛИНЫ ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ» description=»В данной статье рассматривается оптимальное соотношение частоты и геометрических параметров индукционной системы. Оптимизация длины нагревателя проводилась методом зондирования пространства параметров проектируемой индукционной установки с последующим выбором оптимального решения. Оптимальным с точки зрения согласования параметров индуктора и трехфазного источника питания является использование многосекционного нагревателя.» author=»Данилушкин Василий Александрович, Васильев Иван Владимирович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-25″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_31.10.15_10(19)» ebook=»yes» ]