Quá trình truyền nhiệt và các vấn đề liên quan

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ ĐA PHA

2.2 Quá trình truyền nhiệt và các vấn đề liên quan

2.2.1 Sự truyền nhiệt từ lư ường ố a ôi ường bên ngoài

Để có thể mô hình hóa sự truyền nhiệt từ lưu thể trong ống ra môi trường bên ngoài, ta cần phải biết được các thông tin sau:

- Độ dày của thành ống, lớp bảo vệ và lớp phủ cách nhiệt - Ống được chôn hay phơi ngoài môi trường

HVTH: Thập Minh Thư 33 - Độ sâu chôn đường ống

- Dạng môi trường xung quanh (khí, nước…) - Nhiệt độ môi trường

- Hệ số dẫn nhiệt của ống dẫn, lớp bảo vệ, lớp cách nhiệt.

Hình 2-5: Mặt cắt ngang của một đường ống dẫn Các dạng truyền nhiệt từ ống ra môi trường:

- Dẫn nhiệt qua tường và các lớp cách nhiệt

- Truyền nhiệt đối lưu từ lưu thể đến thành ống phía trong và từ thành ống phía ngoài đến môi trường.

- Bức xạ nhiệt: chỉ chiếm tỉ lệ rất nhỏ với hệ có nhiệt độ thấp.

2.2.1.1 Sự dẫn nhiệt qua thành ống

Hình 2-6. Dẫn nhiệt qua thành ống

HVTH: Thập Minh Thư 34 Nhiệt lượng truyền qua 1 m chiều dài ống được tính theo công thức:

 



i i

i

i r

k r H

ln 1

2

, W/m.K, (2.9)

Trong đó:

- H: hệ số truyền nhiệt qua 1m chiều dài ống, W/m.K - ki: hệ số truyền nhiệt của các lớp, W/m.K

- ri: bán kính truyền nhiệt, m

Hệ số truyền nhiệt qua thành ống tính theo đường kính trong của ống:

Di

h H

  , W/m2.K (2.10) Trong đó:

- h: hệ số truyền nhiệt qua thành ống tính theo đường kính trong , W/m2.K - πDi: chu vi trong của ống, m

2.2.1.2 Truyền nhiệ ối lư

Cả bề mặt bên trong và bên ngoài ống dẫn đều tiếp xúc với các lưu chất vì thế truyền nhiệt đối lưu sẽ xảy ra khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa bề mặt thành ống và lưu chất.

Sự truyền nhiệt này xuất hiện tại lớp màng lưu chất sát bề mặt thành ống.

a) Đối lư ội

- Nhiệt được truyền từ lưu chất đến thành ống phía trong.

- Phương trình Dittus-Boelter cho sự truyền nhiệt của dòng chảy xoáy:

Nui  0 . 0255 Rei0.8. Prin (2.11) Với:

 Nu: chuẩn số Nusselt:

f i i

i k

D Nu  h

 Re: chuẩn số Reynolds:

f f f i i

v D



  Re

HVTH: Thập Minh Thư 35

 Pr: chuẩn số Prandtl:

f f pf

i k

C 

 Pr

 n: 0.4 nếu lưu chất bị đốt nóng, 0.3 nếu lưu chất bị làm nguội

 hi: hệ số truyền nhiệt đối lưu nội, Btu/ft2.hr.oF (W/m2.K)

 Di: đường kính trong của ống, m

 kf: hệ số dẫn nhiệt của lưu thể, Btu/ft.hr.oF (W/m.K)

 vf: vận tốc lưu chất, ft/s hoặc m/s

 ρf: khối lượng riêng lưu chất, lb/ft3 hoặc kg/m3

 μf: độ nhớt lưu chất, lb/ft.s hoặc Pa.s

 Cpf: nhiệt dung riêng đẳng áp của lưu chất, Btu/lb.oF (J/kg.K) - Tính chất của lưu thể được đo tại nhiệt độ trung bình của nó.

- Công thức trên được áp dụng khi Re > 10,000 và Pr = 0.7 ÷ 160, chiều dài ống L > 10D - Với chế độ chảy dòng (chảy màng – Re < 2,100), hi được tính nhờ phương trình Hausen:

2/3 Pr Re ) ( 4 . 0 1

Pr Re ) ( 668 . 0 66

. 3



 



 





i i o

i

i i o

i

i

L D

L D

Nu (2.12)

 Với Lo là khoảng cách từ đầu vào của ống đến điểm cần khảo sát.

 Trong hầu hết các trường hợp, Di/Lo ≈ 0 nên ui = 3.66

- Với chế độ chảy trung gian ( 2,100 < Re < 10,000), sử dụng phương trình Gnielinski:

) 1 (Pr

) 8 / ( 7 . 12 1

Pr ) 1000 )(Re

8 / (

3 / 2 2 /

1 



 

i i i

i f

Nu f (2.13)

 Hệ số ma sát được tính từ giản độ Moody:

HVTH: Thập Minh Thư 36 Hình 2-7. Giản đồ Moody [13]

b) Đối lư ại:

- Nhiệt truyền từ thành ống ngoài đến môi trường (nước, không khí…) - Hệ số truyền nhiệt đối lưu ngoại tính theo công thức của Hilpert:

Nuo = C.Reom

.Pro1/3

(2.14) Với:

 Nu: chuẩn số Nusselt:

0 0 0

0 k

D Nu  h

 Re: chuẩn số Reynolds:

o o o o o

v D



  Re

 Pr: chuẩn số Prandtl:

o o o p

o k

C ,  Pr 

 ho: hệ số truyền nhiệt đối lưu ngoại, Btu/ft2.hr.oF (W/m2.K)

 Do: đường kính ngoài của ống, m

 ko: hệ số dẫn nhiệt của lưu thể môi trường, Btu/ft.hr.oF (W/m.K)

 vo: vận tốc lưu thể môi trường, ft/s hoặc m/s

 ρo: khối lượng riêng lưu thể môi trường, lb/ft3 hoặc kg/m3

HVTH: Thập Minh Thư 37

 μo: độ nhớt lưu thể môi trường, lb/ft.s hoặc Pa.s

 Cp,o: nhiệt dung riêng của lưu thể môi trường, Btu/lb.oF (J/kg.K)

 C, m: các hằng số, phụ thuộc khoảng Re.

Bảng 2-2. Giá trị C và m theo Re

Reo C m

4 x 10-1 - 4 x100 0.989 0.330

4 x 100 - 4 x101 0.911 0.385

4 x 101 - 4 x103 0.683 0.466

4 x 103 - 4 x104 0.193 0.681

4 x 104 - 4 x105 0.027 0.805

c) Hệ số truyền nhiệt tổng

- Nhiệt truyền từ lưu thể trong ống ra môi trường được tính theo công thức:

H = UA(Ti – To) (2.15) Với: + H: dòng nhiệt lượng, Btu/hr.ftpipe

+ U: hệ số truyền nhiệt tổng, Btu/hr.oF.ft2 + A: diện tích tiếp xúc, ft2/ftpipe

+ Ti: nhiệt độ lưu thể trong ống, oF + To: nhiệt độ môi trường, oF - Lượng nhiệt đi qua bất cứ vùng nào:

H = hA (Ta - Tb) (2.16) Với: + h: hệ số truyền nhiệt của vùng, Btu/hr.oF.ft2

+ Ta, Tb: nhiệt độ 2 bên của vùng đó.

- Hệ số truyền nhiệt tổng U được tính theo công thức:

RADTN PIPEWL

INSLTN EXTMED

INTFLM

OVRALL 







 1 1 1 1

1

(2.17) Với: + OVRALL: hệ số truyền nhiệt tổng U

+ INTFLM: hệ số truyền nhiệt từ lưu chất  thành trong ống + EXTMED: hệ số truyền nhiệt từ thành ngoài ống  môi trường

HVTH: Thập Minh Thư 38 + INSLTN: hệ số truyền nhiệt của lớp cách nhiệt

+ PIPEWL: hệ số truyền nhiệt của thành ống dẫn + RADTN: mất mát nhiệt do bức xạ

- Tổn thất nhiệt của dòng trong đường ống dẫn ngoài nguyên nhân do truyền nhiệt ra môi trường còn do ảnh hưởng của hiệu ứng Joule – Thompson (hay còn gọi là giãn nở đẳng entropy).

2.2.2 Các vấn đề liên quan ở nhiệt độ thấp

Sự tổn thất nhiệt của lưu thể trong đường ống có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng khi vận hành:

- Sự tích tụ paraffin - Hình thành hydrate

- Ở nhiệt độ thấp, độ nhớt của lưu thể tăng cao, ảnh hưởng đến chế độ làm việc của thiết bị và đôi khi còn hình thành nhũ tương dầu – nước.