Тепловые процессы. Основной закон процесса теплоотдачи. Метод расчета процесса теплоотдачи. Теплообменное оборудование.

Теплообменные процессы сопровождают всю технологию сбора и подготовки нефти. С повышением температуры снижается вязкость эмульсии и соответственно гидравлические сопротивления трубопровода. Повышение температуры ускоряет процессы сепарации, обезвоживания и обессоливания нефти, а также процессы сопутствующие технологии подготовки воды к утилизации в пласт и подготовки нефти до товарной кондиции. Тепловые ресурсы нефтепромыслового объекта – это природный газ, попутный газ и электрическая энергия. Попутный нефтяной газ при правильном его использовании может практически полностью обеспечить необходимым теплом всю систему сбора и подготовки. Если же содержание азота более 60% то его сжигают в факелах т.к. он считается не промышленным.

Передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому осуществляется тремя видами теплообмена: теплопроводностью, конвективным теплообменом и лучистым теплообменом.

Теплопроводность – это процесс распространения теплоты в рабочем теле посредством передачи кинетической энергии от более нагретых молекул к менее нагретым, находящимся с ним в соприкосновении. Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье:

Q = - λ (dt/dl)Fτ ,

где Q – количество передаваемого тепла; λ – коэффициент теплопроводности тела; dt/dl - градиент температуры в направлении передачи тепла; F - площадь поверхности тела, через которую осуществляется теплопроводность; τ - время передачи тепла.

Конвективный теплообмен – перенос теплоты при перемещении и перемешивании более нагретых частиц рабочего тела с менее нагретыми. Расчет конвективного теплообмена производится на основе закона Ньютона – Рихмана по формуле:

Q = α F (t - t ‘) τ ,

где Q – количество передаваемого тепла; α - коэффициент теплоотдачи, характеризующий количество тепла передаваемой в единицу времени единице поверхности стенки от окружающей среды, при разности температуры между средой и стенкой в 1 °C; F - площадь поверхности тела, через которую происходит теплообмен; t и t ‘ соответственно температуры жидкости (теплоносителя) и омываемой стенки; τ - время теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи α зависит от многих факторов таких как: характер движения жидкости ( ламинарный или турбулентный); физические свойства жидкости; скорость движения и направление потока по отношению к омываемой поверхности; форма сечения и длина омываемой поверхности и т.п.

На основе законов теплопроводности и конвективного теплообмена можно вывести формулу теплопередачи через стенку толщиной δ:

Q = ( 1 / ( 1/α 1 + δ/ λ + 1/α 2 ) ) F (t2 - t1) τ = К F (t - t’) τ ,

где К= 1 / ( 1/α 1 + δ/ λ + 1/α 2 ) - коэффициент теплопередачи; t1 и t 2 - соответственно температуры греющего теплоносителя и нагреваемой среды, находящихся по разные стороны от перегораживающей их стенки; α 1 и α 2 - соответственно коэффициенты теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке и от стенки к нагреваемой среде; λ – коэффициент теплопроводности стенки.

К теплообменному оборудованию, наиболее применяемому на промыслах относятся:

- поверхностного типа - типа труба в трубе, кожухотрубчатые, спиральные теплообменные аппараты, змеевиковые, пластинчатые типа “шифер на шифере”, печи типа ПТБ -5, ПТБ – 10, печи типа ПП, печи типа ШБ;

- контактного типа – оросительный и с подвижной насадкой.

Примечание: За более подробной информацией по данному вопросу следует обращаться к лекциям Шаймарданова В.Х. по предмету “Сбор и подготовка скважинной продукции ” от 8.04.03.