Tomsk-kuhnja.ru

Кухни Томска
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Коэффициент объемного расширения нефти. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Коэффициент объемного расширения нефти. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

При расчетах технологических режимов работы оборудования и трубопроводов широко используются следующие физические величины: плотность, вязкость, удельная теплоемкость, коэффициент Джоуля-Томсона, давление насыщения, температура кипения, теплотворная способность.

Плотностью называют массу единицы объема вещества.

В общем случае плотность зависит од давления и температуры. В инженерных расчетах связанных с расчетом жидкости чаще всего влиянием давления на плотность пренебрегают. При этом плотность нефти при заданной температуре t можно определить по двум формулам:

где β — коэффициент объёмного расширения, принимаемый в зависимости от плотности нефти при температуре 20 0 С (табл. 1.1).:

Коэффициент объемного расширения нефти

ρ20, кг/м 3β,1/Cρ20, кг/м 3β,1/Cρ20, кг/м 3β,1/C
700 — 7200,001255800 — 8200,000937900 — 9200,000688
720 — 7400,001188820 — 8400,000882920 — 9400,000645
740 — 7600,001118840 — 8600,000831940 — 9600,000604
760 — 7800,001054860 — 8800,000782960 — 9800,000564
780 — 8000,000995880 — 9000,000734980 -10000,000526

где ζ – температурная поправка, кг/(м 3. град);

При определении плотности газа влияние давления учитывается в обязательном порядке. В этом случае для определения плотности применяется уравнение состояния газа (уравнение Менделеева-Клапейрона):

где P – давление газа, Па;

v – удельный объем газа, м 3 /кг;

z – коэффициент сжимаемости газа;

R – газовая постоянная, Дж/(кг . град);

T – температура газа, К.

Коэффициент сжимаемости газа учитывает отличие сжимаемости реального газа по отношению к сжимаемости идеального газа и численно

равняется отношению объема реального газа к объему идеального газа при одинаковых условиях. Коэффициент сжимаемости определяется через приведенные значения давления и температуры газа

где РПР – приведенное давление;

ТПР – приведенная температура;

РКР, ТКР – критические значения давления и температуры газа;

ρCТ – плотность газа при стандартных условиях (Р = 0,1МПа, Т = 293К).

Учитывая, что v=1/ρ, получим выражение для определения плотности газа

Газовую постоянную любого газа можно определить через универсальную газовую постоянную или через газовую постоянную воздуха

где RВ – газовая постоянная воздуха, RВ = 286 Дж/(кг . К);

Δ – относительная плотность газа,

ρВ – плотность воздуха, кг/м 3 .

Плотность газа при стандартных условиях можно определить из уравнения

где ρВСТ =1,205 – плотность воздуха при стандартных условиях, кг/м 3 .

Относительная плотность природного газа составляет величину порядка 0,56 – 0,67. Для метана Δ = 0,55.

При известном значении плотности газа ρ1 при температуре Т1 и давлении Р1 плотность газа при любых условиях можно определить, используя зависимость

Вязкость характеризует способность жидкости и газа оказывать сопротивление их перемещению.

При расчетах течения жидкости и газа по трубопроводам используются понятия динамической и кинематической вязкости

где ν – кинематическая вязкость, м 2 /с;

η – динамическая вязкость, Па . с.

В общем случае вязкость жидкости с повышением температуры уменьшается, а вязкость газа повышается.

Читайте так же:
Можно ли зарядить кирпич

Понятие динамической вязкости чаще используется при расчете газопроводов. При этом она мало меняется по длине газопровода и обычно принимается величиной постоянной при средних значениях температуры и давления. Для случая транспорта природного газа можно принимать

η = 12 . 10 -6 Па . с.

При расчете трубопроводов для транспорта жидкости обычно используется понятие кинематической вязкости. Влияние вязкости на гидравлическое сопротивление трубопровода для транспорта жидкости намного больше по сравнению со случаем транспорта газа, что вызывает необходимость более точного определения вязкости жидкости при температуре ее течения.

В настоящее время для определения вязкости ньютоновской нефти используется уравнение Филонова – Рейнольдса

где ν и ν1 – кинематическая вязкость нефти при температуре t и t1;

U – коэффициент крутизны вискограммы, 1/град.

Для определения коэффициента крутизны вискограммы необходимо знать вязкость нефти при двух температурах

Удельная теплоемкостьвещества показывает количество теплоты, которое должно быть подведено к единице массы вещества для повышения его температуры на один градус.

Удельная теплоемкость жидких углеводородов повышается с увеличением температуры и может быть определена из уравнения Крего

где с – удельная теплоемкость углеводорода, Дж/(кг . град);

ρ20 – плотность углеводорода при 20 0 С, кг/м 3 ;

Т – температура углеводорода, К.

Удельная теплоемкость газообразных углеводородов с увеличением температуры уменьшается и повышается с ростом давления

где ср – удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, кДж/(кг . К);

Т – температура газа, К;

Р – давление газа, МПа.

Ориентировочные значения удельной теплоемкости составляют:

— для жидких углеводородов сМ = 2100Дж/(кг . град);

— для газов ср = (2500-2700)Дж/(кг . град).

Коэффициент теплопроводности нефтиλн изменяется в пределах 0,1…0,16. Обычно в расчетах используют среднее значение λн =0,13 ВТ/(м·К). Для более точных расчетов используют формулу Крего-Смита, справедливую для температур 273…473 К.

Коэффициент Джоуля-Томсона(Di) характеризует снижение температуры газа при его расширении вследствие снижения давления (дросселирования) и определяется следующим уравнением

где Di – коэффициент Джоуля-Томсона, К/МПа;

сР – удельная теплоемкость газа, кДЖ/(кг . град);

Т – температура газа, К.

Температура кипения (tК) и давление насыщенных паров (PS) характеризуют переход жидкости в газ и обратно.

Температура кипения – это температура, при которой происходит переход жидкости в газ при данном давлении. С повышением давления температура кипения повышается.

Давление насыщенных паров PS это давление, при котором при заданных термодинамических параметрах и фазовых соотношений происходит переход жидкости в газ. С повышением температуры давление насыщения снижается.

§ 9.3. Тепловое объемное расширение

Измерения показывают, что в пределах не очень большого интервала температур можно считать, что относительное изменение объема пропорционально изменению температуры:

(9.3.1)

Коэффициент пропорциональности а называют температурным коэффициентом объемного расширения. Он показывает, на какую долю своего первоначального значения изменяется объем тела при изменении температуры на 1 К. Коэффициент объемного расширения, как и коэффициент линейного расширения, зависит от природы вещества и температуры. Зависимость а от температуры незначительна и ею можно пренебречь, если интервал изменения температуры невелик. Для большинства твердых тел коэффициент а имеет порядок 10 ‑5 —10 -4 К -1 , т. е. очень мал по сравнению с коэффициентом объемного расширения газов.

Читайте так же:
Ван дамм ломает кирпичи

Из формулы (9.3.1) легко найти выражение для объема тела при любой температуре:

(9.3.2)

В этой формуле значение начального объема V обычно берут при начальной температуре t = 0 °С. Однако и здесь, как в случае линейного расширения, можно пользоваться формулой

(9.3.3)

где V — объем тела при температуре 1x; V2 — объем тела при температуре t2; Δt = t2 t1

Объем полого (пустого) твердого тела (сосуда) при нагревании увеличивается так, как если бы это тело было сплошным. Объем полости в твердом теле (сосуде) при его нагревании увеличивается так, как увеличивался бы объем тела, изготовленного из того же вещества и имеющего форму и размер полости.

Связь между коэффициентами линейного и объемного расширения

Коэффициент линейного расширения α1 и коэффициент объемного расширения а связаны между собой. Эту связь можно найти, рассматривая тепловое расширение тела простой формы, например кубика с ребром l. При нагревании кубика на Δt каждая его сторона увеличится на Δl и станет равной

(9.3.4)

Объем тела при этом будет равен:

Но V =и V = l 3 .

(9.3.5)

Подставляя I из уравнения (9.3.4) в уравнение (9.3.5), получим:

Так как величина α1 очень мала, то при малых изменениях температуры членами иможно пренебречь по сравнению с членом 3α1. Поэтому

(9.3.6)

Итак, температурный коэффициент объемного расширения равен утроенному коэффициенту линейного расширения.

Зависимость плотности вещества от температуры

При изменении температуры тел изменяется и их плотность. Пусть при температуре t1 плотность вещества равна ρ1, а объем тела равен V1. При температуре t2 значения этих величин стали соответственно равными ρ2 и V2. Так как при изменении температуры масса тела т не изменяется, то

Разделив почленно второе равенство на первое, получим

Пользуясь формулой (9.3.3), можно записать

(9.3.7)

Так как αΔt значительно меньше единицы, то для приближенных расчетов можно упростить эту формулу следующим образом:

Пренебрегая выражением (αΔt)2по сравнению с единицей, получим

(9.3.8)

Коррекция объема расширительного бака

Во многих регионах России устойчивая работа автономной системы теплоснабжения в осенне-зимний период обеспечивается применением теплоносителя с низкой температурой замерзания. В подавляющем большинстве случаев используются гликолевые смеси, физико-химические характеристики которых отличаются от параметров воды.

У же более полутораста лет назад в России стали широко применяться системы отопления с теплоносителем. В большинстве случаев это было водяное или паровое отопление. Еще примерно через сто лет начался переход от открытых систем отопления к закрытым, важным элементом которых стал расширительный бак (экспансомат), назначение которого состояло в компенсации температурного расширения теплоносителя (рис.1).

Рис. 1. Конструкция современных мембранных баков

мембранный бак 1

В том случае, если автономная система теплоснабжения была изначально спроектирована в расчете на использование в качестве теплоносителя воды, исходя из ее физических параметров подбирался тип и главное объем расширительного бака. Однако гликолевые смеси имеют другой коэффициент объемного теплового расширения, кинематическую вязкость и теплоемкость (табл.1). Поэтому смена типа теплоносителя с переходом на гликолевые смеси требует и корректировки отопительной системы, в частности, проверки емкости расширительного бака и при необходимости ее коррекции (замены бака).

Читайте так же:
Гиперионский кирпич где находится

Для определения массового расхода (М) теплоносителя требуется рассчитать необходимое отопительной системой количества тепла. Затем расход определяется по формуле:

где ΣQi – требуемый тепловой поток , Вт; с – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг•˚С, ∆t = t – t – разность температур теплоносителя на входе и выходе из системы, ˚С.

Объемный расход в м 3 /ч определяется делением полученного значения на удельный вес теплоносителя. При смене теплоносителя значение имеет увеличение объемного расхода относительно воды – Va/Vв, где Vа и Vв – соответственно, объемы гликолевой смеси и воды. Причем объем первой зависит также от типа гликоля и его концентрации, которые в свою очередь подбираются, исходя из условий эксплуатации. Например, при понижении температуры замерзания смеси на основе этиленгликоля от –20 до –67 ˚С объемные расходы возрастают на 6 и 12 %, соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость относительного объемного расширения от температуры теплоносителя:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

мембранный бак 2

А в системах ГВС с бойлером косвенного нагрева можно применять только нетоксичный, но, увы, более дорогой пропиленглиголь. Коэффициент теплового расширения его растворов, значительно отличающийся от водяного, близок к соответствующим значениям моноэтиленгликолевых водных растворов (табл.2).

Опасный воздух

Переход на антифриз может приводить к завоздушиванию отопительных систем: ведь он имеет более высокий по сравнению с водой коэффициент объемного расширения и емкости расширительного бака, рассчитанного на ее использование, что может оказаться недостаточно. Поэтому при нагреве теплоносителя до рабочих температур (в среднем 85 ˚С) его излишек может быть сброшен через предохранительный клапан. Затем при снижении тепловой нагрузки потребуется подпитка системы, которая обычно осуществляется водой. Растворенные в ней газы выделятся при нагреве и приведут к образованию воздушных пробок, появление которых чревато уже серьезными авариями.

Минимально необходимый объем расширительного бака в закрытой системе отопления можно рассчитать по формуле:

где V1b – начальный объем теплоносителя в баке при холодной системе отопления, м 3 ; ∆Vr – значение расширения теплоносителя при нагреве до рабочей температуры, м 3 ; P2 – давление в расширительном баке при рабочей температуре, бар; P1 – давление в расширительном баке до заполнения системы теплоносителем, бар.

Значение ∆Vr рассчитывается как произведение общего объема теплоносителя в системе, среднего в рабочем температурном диапазоне коэффициента объемного расширения (k) и этого диапазона. Его значение обычно принимается равным 60 ˚С (∆t = tср – t = 80 – 20, ˚С).

При переходе с воды на антифриз важно соотношение V2b/V1b, где V2b и V1b –соответственно, объемы расширительного бака для низкотемпературного теплоносителя и воды. Замена ее на гликолевые растворы концентрацией 40–45 % и, соответственно, с температурой начала кристаллизации 30–35 ˚С в отопительных системах мощностью до 100 кВт потребует увеличения номинальных объемов расширительных баков на 5–15 %, в более производительных системах коррекцию лучше проводить, используя графики зависимости объема от мощности и типа теплоносителя (рис.3) или таблицы пересчета.

Рис. 3. Зависимость объема расширительного бака от мощности системы отопления:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

мембранный бак 3

Важнейший параметр для антифризов – максимальные рабочие температуры. Кипеть при атмосферном давлении большинство гликолевых растворов начинает при 104–112 °C. Однако некоторые производители заявляют рабочие температуры значительно выше, до 150 ˚С и даже больше, вполне приемлемые для гелиосистем. Принципиальное значение этот параметр имеет потому, что в отличие от воды при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов.

Читайте так же:
Лучший кирпич для мангала

Поэтому выбор расширительного бака с запасом на запредельное увеличение температуры смысла не имеет: даже небольшой локальный перегрев приводит к столь серьезным деструктивным изменениям, что должен в принципе потребовать замены всего гликолевого теплоносителя.

Очень важно то, что гликолевые смеси имеют повышенную по сравнению с водой проницаемость или текучесть. Причем вероятность возникновения протечек тем больше, чем больше в отопительной системе соединений. А течи часто обнаруживаются при ее остывании, когда возникают проницаемые для антифриза микроканалы. Поэтому все соединения, выполненные ранее при установке расширительного бака, должны быть доступны для ревизии, не скрыты под облицовкой или замоноличены.

§ 9.3. Тепловое объемное расширение

Измерения показывают, что в пределах не очень большого интервала температур можно считать, что относительное изменение объема пропорционально изменению температуры:

Коэффициент пропорциональности α называют температурным коэффициентом объемного расширения. Он показывает, на какую долю своего первоначального значения изменяется объем тела при изменении температуры на 1 К. Коэффициент объемного расширения, как и коэффициент линейного расширения, зависит от природы вещества и температуры. Зависимость α от температуры незначительна и ею можно пренебречь, если интервал изменения температуры невелик. Для большинства твердых тел коэффициент α имеет порядок 10 -5 —10 -4 К -1 , т. е. очень мал по сравнению с коэффициентом объемного расширения газов.

Из формулы (9.3.1) легко найти выражение для объема тела при любой температуре:

В этой формуле значение начального объема V обычно берут при начальной температуре t = 0 °С. Однако и здесь, как в случае линейного расширения, можно пользоваться формулой

где V1 — объем тела при температуре t1; V2 — объем тела при температуре t2; Δt = t2 — t1.

Объем полого (пустого) твердого тела (сосуда) при нагревании увеличивается так, как если бы это тело было сплошным. Объем полости в твердом теле (сосуде) при его нагревании увеличивается так, как увеличивался бы объем тела, изготовленного из того же вещества и имеющего форму и размер полости.

Связь между коэффициентами линейного и объемного расширения

Коэффициент линейного расширения α1 и коэффициент объемного расширения а связаны между собой. Эту связь можно найти, рассматривая тепловое расширение тела простой формы, например кубика с ребром l. При нагревании кубика на Δt каждая его сторона увеличится на Δl и станет равной

Объем тела при этом будет равен

Подставляя l из уравнения (9.3.4) в уравнение (9.3.5), получим

Так как величина α1 очень мала, то при малых изменениях температуры членами Зα1 2 Δt и α1 2 (Δt) 2 можно пренебречь по сравнению с членом Зα1. Поэтому

Итак, температурный коэффициент объемного расширения равен утроенному коэффициенту линейного расширения.

Зависимость плотности вещества от температуры

При изменении температуры тел изменяется и их плотность. Пусть при температуре t1 плотность вещества равна р1, а объем тела равен V1. При температуре t2 значения этих величин стали соответственно равными р2 и V2. Так как при изменении температуры масса тела m не изменяется, то

Читайте так же:
Кирпич это твердый сплав

Разделив почленно второе равенство на первое, получим

Пользуясь формулой (9.3.3), можно записать

Так как αΔt значительно меньше единицы, то для приближенных расчетов можно упростить эту формулу следующим образом:

Пренебрегая выражением (αΔt) 2 по сравнению с единицей, получим

При нагревании плотность вещества уменьшается.

Тепловое расширение жидкостей

Связи между частицами жидкости, как мы знаем, слабее, чем между молекулами в твердом теле. Поэтому следует ожидать, что при одинаковом нагревании жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела. Это действительно подтверждается на опыте.

Наполним колбу с узким и длинным горлышком подкрашенной жидкостью (водой или лучше керосином) до половины горлышка и отметим резиновым колечком уровень жидкости. После этого опустим колбу в сосуд с горячей водой. Сначала будет видно понижение уровня жидкости в горлышке колбы, а затем уровень начнет повышаться и поднимется значительно выше начального. Это объясняется тем, что вначале нагревается сосуд и объем его увеличивается. Из-за этого уровень жидкости опускается. Затем нагревается жидкость. Расширяясь, она не только заполняет увеличившийся объем сосуда, но и значительно превышает этот объем. Следовательно, жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела.

Температурные коэффициенты объемного расширения жидкостей значительно больше коэффициентов объемного расширения твердых тел; они могут достигать значения 10 -3 К -1 ,

Жидкость нельзя нагреть, не нагревая сосуда, в котором она находится. Поэтому мы не можем наблюдать истинного расширения жидкости в сосуде, так как расширение сосуда занижает видимое увеличение объема жидкости. Впрочем, коэффициент объемного расширения стекла и других твердых тел обычно значительно меньше коэффициента объемного расширения жидкости, и при не очень точных измерениях увеличением объема сосуда можно пренебречь.

Особенности расширения воды

Наиболее распространенная на Земле жидкость — вода — обладает особыми свойствами, отличающими ее от других жидкостей. У воды при нагревании от 0 до 4 °С объем не увеличивается, а уменьшается. Лишь с 4 °С объем воды начинает при нагревании возрастать. При 4 °С, таким образом, объем воды минимален, а плотность максимальна(1). На рисунке 9.4 показана примерная зависимость плотности воды от температуры.

Отмеченное особое свойство воды оказывает большое влияние на характер теплообмена в водоемах. При охлаждении воды вначале плотность верхних слоев увеличивается, и они опускаются вниз. Но после достижения воздухом температуры 4 °С дальнейшее охлаждение уже уменьшает плотность, и холодные слои воды остаются на поверхности. В результате в глубоких водоемах даже при очень низкой температуре воздуха вода имеет температуру около 4 °С.

Объем жидких и твердых тел увеличивается прямо пропорционально росту температуры. У воды обнаруживается аномалия: ее плотность максимальна при 4 °С.

(1) Эти данные относятся к пресной (химически чистой) воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при 3 °С.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector