Теплопередача в изолированном нефтепроводе
Нефтепроводы
Температура играет важную роль в проекте нефтепровода. Ниже так называемой точки помутнения твердый парафин ускоряет от сырой нефти и начинает накапливаться вдоль стенной внутренней части трубопровода. Восковые депозиты ограничивают нефтяной поток, увеличивая требования к питанию конвейера. При еще более низких температурах — ниже точки потока нефти — эти кристаллы становятся столь многочисленными, что, если позволено заморозить, смазывают, становится полутвердым.
В холодных климатах проводящие потери тепла через стенку трубопровода могут быть значительными. Чтобы сохранить нефть в ее благоприятном диапазоне температур, конвейеры включают некоторые меры по контролю температуры. Нагревание станций, помещенных с промежутками вдоль конвейера, помогает подогреть нефть. Изоляционный лайнер, покрывающий стенную внутреннюю часть трубопровода, помогает задержать скорость охлаждения нефти.
Вязкое рассеяние обеспечивает дополнительный источник тепла. Как смежные пакеты нефтяного потока друг против друга, они несут энергетические потери, которые появляются в форме тепла. Нагревающийся эффект мал, но достаточный к, по крайней мере, частично смещению проводящие потери тепла, которые происходят через изоляционный лайнер.
В определенной толщине изоляции вязкое рассеяние точно балансирует проводящую потерю тепла. Нефть остается при своей идеальной температуре в конвейерной длине, и потребность в нагревании станций уменьшается. С точки зрения проекта эта толщина изоляции оптимальна.
В этом примере вы симулируете изолированный сегмент нефтепровода. Вы затем запускаете скрипт оптимизации, чтобы определить оптимальную толщину изоляции. Этот пример основан на модели Simscape™ ssc_tl_oil_pipeline.
Моделирование факторов
Физическая система в этом примере является сегментом нефтепровода. Изоляция выравнивает стенную внутреннюю часть трубопровода, в то время как почва покрывает стенной внешний вид трубопровода, задерживая проводящую потерю тепла. Предположение упрощения сделано этим, физическая система симметрична о центральной линии трубопровода.
Поток через конвейерный сегмент принят полностью разработанный: скоростной профиль плавной нефти остается постоянным вдоль конвейерной длины. Кроме того, нефть принята ньютонова и сжимаемая: напряжение сдвига пропорционально деформации сдвига, и массовая плотность меняется и в зависимости от температуры и в зависимости от давления.
Нефть вводит конвейерный сегмент при фиксированной температуре, TUpstream, с фиксированным массовым расходом жидкости, Vdot * rho0, где:
Vdot является объемным расходом нефти через трубопровод.
rho0 является массовой плотностью нефти, вводящей конвейерный сегмент.
В конвейерном сегменте вязкое рассеяние нагревает плавную нефть, в то время как тепловая проводимость через стенку трубопровода охлаждает его. Баланс между этими двумя процессами управляет температурой нефти, выходящей из конвейерного сегмента.
Количество тепла, полученное через вязкое рассеяние, зависит частично от нефтяной вязкости и массового расхода жидкости. Чем больше эти количества, тем больше вязкий приток теплоты, и более теплое, нефть имеет тенденцию добираться. Количество тепла, потерянное через тепловую проводимость, зависит частично от тепловых сопротивлений изоляции, стенки трубопровода и слоя почвы. Чем меньше тепловые сопротивления, тем больше проводящая потеря тепла, и вентилятор, нефть имеет тенденцию добираться.
Используя аналогию электрической схемы, объединенное тепловое сопротивление трех существенных слоев, расположенных последовательно, равняется сумме отдельных тепловых сопротивлений:
R, объединенный = стенка R + R ins. + почва R
Принятие стенки трубопровода является тонким, и ее материал является хорошим тепловым проводником, можно безопасно проигнорировать тепловое сопротивление стенки трубопровода. Объединенное тепловое сопротивление является затем просто суммой изоляции и вкладами почвы, R ins. и почва R.
Тепловое сопротивление изолирующего слоя прямо пропорционально своей толщине, (D2-D1)/2, и обратно пропорционально своей теплопроводности, kInsulant. Аналогично, тепловое сопротивление слоя почвы прямо пропорционально своей толщине, z, и обратно пропорционально своей теплопроводности, kSoil.
Рисунок показывает соответствующие размерности конвейерного сегмента. Имена переменных совпадают с заданными в модели. Внутренний диаметр изоляции, D1, является также гидравлическим диаметром конвейерного сегмента.
Модель Simscape
Модель Simscape ssc_tl_oil_pipeline представляет проложенный под землей метрополитен сегмента изолированного нефтепровода. Чтобы открыть эту модель, в командной строке MATLAB®, вводят ssc_tl_oil_pipeline. Рисунок показывает модель.
Блок Pipe (TL) представляет физическую систему в этом примере, то есть, сегменте нефтепровода. Порт A представляет свой вход и порт B его выход. Порт H представляет тепловую проводимость через стенку трубопровода. Блок составляет вязкое нагревание.
Блок Mass Flow Rate Source (TL) обеспечивает скорость потока жидкости через трубопровод. Блок Upstream действует как температурный источник для входа трубопровода, в то время как блок Downstream действует как температурный приемник при выходе трубопровода.
Conduction Insulation-Pipe и блоки Conduction Soil-Insulation представляют тепловую проводимость через слои изоляционного материала и почвы, соответственно. Эти блоки появляются в библиотеке Simscape Thermal как Conductive Heat Transfer. Блок Soil Temperature (Temperature Source) обеспечивает температурное граничное условие в поверхности почвы.
Блок Thermal Liquid Settings (TL) обеспечивает физические свойства нефти, описанной как двумерные интерполяционные таблицы, содержащие зависимость температуры и давления свойств. Таблица суммирует эти блоки.
| Блок | Описание |
|---|---|
| Pipe (TL) | Сегмент Pipeline |
| Conduction Insulation-Pipe | Изоляционная тепловая проводимость |
| Conduction Soil-Insulation | Почва тепловая проводимость |
| Soil Temperature | Температура почвы |
| Upstream | Передайте входной приемник температуры по каналу |
| Downstream | Передайте приемник выходной температуры по каналу |
| Mass Flow Rate Source (TL) | Нефтяной массовый расход жидкости |
| Thermal Liquid Settings (TL) | Нефтяные термодинамические свойства |
Запустите симуляцию
Чтобы анализировать эффективность сегмента нефтепровода, симулируйте модель. Осциллограф Oil Temperature строит восходящие и нисходящие температуры масла. Откройте этот осциллограф. Толщина изоляции около ее оптимального значения, приводящего только к небольшому изменению температуры по 1 000 метров длиной. На уровне ~0.020 K/km температура масла изменяет приблизительно 2 K по 100 километров длиной.
Постройте физические свойства Используя регистрацию данных
Как альтернатива использованию датчиков и осциллографов, можно использовать регистрацию данных Simscape, чтобы просмотреть, как физические свойства нефти и других системных переменных изменяются в процессе моделирования.
Выберите блок Pipe (TL).
На вкладке Simscape Block наверху окна модели, под Review Results, нажимают Results Explorer.
На левой панели окна Simscape Results Explorer расширьте
Pipe (TL)узел, который содержит записанные данные для блока Pipe (TL). Затем расширьтеAиBузлы, которые соответствуют портам A и B блока.Выберите переменную
Tпод узломA, который является восходящей температурой трубопровода, чтобы отобразить его график в правой панели окна Simscape Results Explorer. Чтобы построить несколько переменных целиком, нажмитеCtrlключевая и избранная переменнаяTпод узломB, который является нисходящей температурой трубопровода.
Как ожидалось графики в правой панели окна Simscape Results Explorer эквивалентны результатам осциллографа Oil Temperature.
Можно также использовать Проводник Результатов Simscape, чтобы построить другие физические свойства нефти как функция времени симуляции. Например,
rho_Iнефтяная плотность.
Примечание
Для получения дополнительной информации о логгировании Simscape, займитесь Логгированием Данных моделирования.
Симулируйте эффекты изменяющегося диаметра изоляции
Экспериментируйте с различными значениями для изоляции внутренний диаметр. Путем варьирования этого параметра вы возмещаете баланс между вязким рассеянием, которое нагревает нефть и тепловую проводимость, которая охлаждает нефть.
Открытый Model Explorer.
В панели Model Hierarchy выберите Base Workspace.
В панели Contents кликните по значению параметра D1.
Введите
0.20.
Путем сокращения внутреннего диаметра изолирующего слоя к 0,20, вы увеличиваете толщину изоляции, замедляя потерю тепла через стенку трубопровода через тепловую проводимость. Запустите симуляцию. Затем откройте осциллограф Oil Temperature и автошкалу, чтобы просмотреть полный график.
Новый график показывает температуру масла при выходе трубопровода (главная кривая), который значительно превышает температуру во входе трубопровода (нижняя строка). Вязкое рассеяние теперь доминирует над тепловым энергетическим балансом в конвейерном сегменте. Новая толщина изоляции излагает проблему проектирования: в длинном конвейере 1.1 K/km нагревающийся уровень может повысить температуру масла существенно в приемном конце конвейера.
Попытайтесь увеличить внутренний диаметр изолирующего слоя, D1, к 0,55. Путем увеличения этого значения вы уменьшаете толщину изоляции, ускоряя потерю тепла через стенку трубопровода через тепловую проводимость. Затем запустите симуляцию. Откройте осциллограф Oil Temperature и автошкалу, чтобы просмотреть полный график.
Получившийся график показывает, что температура масла при выходе трубопровода теперь значительно ниже, чем во входе трубопровода. Тепловая проводимость ясно доминирует над тепловым энергетическим балансом в конвейерном сегменте. Эта толщина изоляции также излагает вопросы проектирования: на уровне 0.25K/km нефть, текущая через длинный конвейер, остынет существенно.
Запустите скрипт оптимизации
Модель предоставляет скрипт оптимизации, который можно запустить, чтобы определить оптимальный внутренний диаметр изоляции трубопровода, D1. Скрипт выполняет итерации симуляции модели в различных значениях D1, строя уровни вязкого потепления и проводящего охлаждения друг против друга. Точка пересечения между двумя кривыми идентифицирует оптимальную толщину изоляции для модели:
В окне модели нажмите Optimize, чтобы запустить скрипт оптимизации для изоляции трубопровода внутренний диаметр.
В график, который открывается, визуально определите значение горизонтальной оси для точки пересечения между двумя кривыми.
Оптимальный внутренний диаметр изолирующего слоя составляет 0,37 м. Обновите параметр D1 к этому значению:
Открытый Model Explorer.
В панели Model Hierarchy нажмите Base Workspace.
В панели Contents кликните по значению D1.
Введите
0.37.
Теперь запустите симуляцию. Откройте осциллограф Oil Temperature и автошкалу, чтобы просмотреть полный график. Перепад температур между входом и выходом незначителен.
