7. Теплоизоляция резервуаров для хранения нефтепродуктов

Согласно технических условий эксплуатации многие типы резервуаров для хранения нефти, а в особенности мазута, требуют подогрева. Мазут, например, должен быть подогрет до температуры 80 ^оС. Подогрев осуществляется через днище с помощью перегретого пара. Для этих целей под днищем прокладывается система трубопроводов или электрических змеевиков. Существует способ подогрева с помощью электрических змеевиков, вмонтированных во внешнюю обшивку резервуара. В любом случае для сохранения некоторое время постоянной температуры хранимой жидкости наружная поверхность резервуара утепляется.

Процесс теплообмена осуществляется естественной конвекцией протекающей в ограниченном пространстве [10]. Согласно упрощенной схеме (см. рис. 9.11) одновременно происходят два процесса: нагревание у горизонтальной поверхности (днища) с поднятием кверху нагретых масс и охлаждение жидкости у стенки (и покрытия) с опусканием вниз охлаждающихся масс. По центральной вертикале резервуара может установиться температура t₁, на внутренней поверхности стенок она окажется равнойt₂. Тогда перепад температур составит. Средняя температура жидкой среды определится как.

Однако к таких условиях установить правильную закономерность изменения коэффициента теплоотдачи отдельно для нагревания и охлаждения жидкости с учетом особенностей циркуляции практически невозможно. Поэтому в инженерных расчетах сложный процесс теплообмена принято рассматривать как элементарное явление передачи тепла путем теплопроводности, используя при этом понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности .

t_е

Н R_o

t_w

δ_k 2 δ δ_k

Рис. 9.11 - Упрощенная схема теплообмена в резервуаре

Величина эквивалентного коэффициента теплопроводности устанавливается простой зависимостью вида

, (9.2)

где - коэффициент конвекции;

λ - коэффициент теплопроводности жидкости при данной температуре, Вт/(м·^оС).

Так как циркуляция жидкости обусловлена разностью плотностей нагретых и холодных частиц и определяется критерием Gr·Pr, то и величина является функцией этого аргумента. Функция произведения этих критериев представляет собой критерий Нуссельта, т.е.Nu = F(Gr·Pr).

Критерий Грасгофа (Gr ) определяется зависимостью

, (9.3)

критерий Прандтля (Pr) имеет вид

, (9.4)

где β – коэффициент температурного расширения, (^оС^-1);

а - коэффициент температуропроводности, м²/с, ;

с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/кг·^оС;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

ν – кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

l - определяющий линейный размер (в данном случае – высота резервуара Н), м;

Δt – температурная разность, ^оС, между поверхностью и жидкостью на достаточном удалении от поверхности (можно принять температуру на вертикальной оси центра резервуара).

В приближенных расчетах по данным М.А. Михеева [10] для области значений аргумента Gr·Pr > 10³ для определения величины используется зависимость вида

. (9.5)

Окончательный вид формулы (9.5) следующий:

. (9.6)

В этой формуле δ - радиус резервуара, м.

Удельное количество тепла, q, Вт/м², передаваемого 1 м² внутренней вертикальной поверхности представляется зависимостью вида

. (9.7)

Величина сопротивления теплопередаче внешней теплоизоляции, R_o, м²∙^оС/Вт, может быть найдена из соотношения

. (9.8)

В формуле (9.8) t_e –температура наружного воздуха. Температура внутренней среды определяется техническим заданием, температура наружного воздуха равняется средней за год.

Приравняв правые части формул (9.7) и (9.8), получим , откуда

. (9.9)

Сопротивление теплопередаче теплоизолирующего слоя (для варианта одного слоя однородного утеплителя) может быть представлено как сумма его термического сопротивления () и сопротивления теплоотдаче у наружной поверхности (), т.е.

R_{o =} +, (9.10)

где λ_k – коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/(м∙^оС).

Из совместного решения уравнений (9.9) и (9.10) находится толщина утеплителя

. (9.11)

В формулах (9.10) и (9.11) величина коэффициента теплоотдачи (α_e, Вт/(м²∙^оС)) у наружной поверхности может быть принята согласно Приложения 9 [11].

Расчет по формуле (9.11) возможен, если заданы параметры внутренней среды (Δt,t₂), а также точно указаны теплофизические характеристики нефтепродуктов.

Согласно СНиП 2.04.14–88 [11] расчет толщины теплоизоляционного слоя производится по нормативной плотности теплового потока, q, Вт/м², проходящего через изолированную поверхность.

Толщина теплоизоляционного слоя _k, м, определяется по формуле

; ,(9.12)

где _k - теплопроводность теплоизоляционного слоя, Вт/(мС);

R_k - термическое сопротивление теплоизоляционной конструкции, м²С/Вт;

R_tot - сопротивление теплопередаче теплоизоляционной конструкции, м²С/Вт;

_e - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции, принимаемый по справочному приложению 9 [11], во всех случаях равен 29 Вт/(м²С);

R_m - термическое сопротивление неметаллической стенки объекта, (если такая имеется в наличие), м²С/Вт.

Величина R_tot в зависимости от исходных условий определяется по формуле

, (9.13)

где t_w – средняя температура вещества, С;

t_e - температура окружающей среды, принимается средней за год [12], С;

K₁ - коэффициент, принимаемый по обязательному приложению 10 [11], для Украины K₁ равен 1.

Дополнительное термическое сопротивление плоских и криволинейных неметаллических поверхностей оборудования определяется по формуле

, (9.14)

где _m и λ_m – соответственно толщина и коэффициент теплопроводности ограждения.

Конструкции теплоизоляции резервуаров с внутренним обогревом

Резервуары емкостью 100-1000 м³ изолируют, как правило, минераловатными прошивными матами [9] в обкладке из металлической сетки или блоками. Маты могут применяться длинноразмерные (длиной на всю высоту резервуара) или обычной длины. Верхние концы матов закрепляют у кровли, а по высоте резервуара – кольцами из поволоки диаметром 5-8 мм, пропущенной через отверстия в уголках, приваренных к поверхности резервуара. Размер полок уголков выбирают таким образом, чтобы длина их была на 10-15 мм больше толщины изоляции.

Отверстия в полках сверлят на расстоянии, равном толщине изоляции, минус 5 мм. Уголки длиной 80-100 мм приваривают через 1 м по окружности резервуара и через 1-2 м по высоте.

Асбестоцементные плоские или волнистые листы применяют в качестве покровного слоя. Покровный слой из асбестоцементных плоских или волнистых листов крепят с перекрытием швов на 50-100 мм по вертикали и горизонтали в подвески-крючки, навешенные через 350-400 мм на кольца для закрепления матов, которые дополнительно стягивают бандажами из упаковочной ленты или проволоки по поверхности асбестоцементных листов. Бандажи устраивают из расчета 2 шт по высоте листа..

Для резервуаров высотой более 6 м применяется конструкция изоляции с креплением на внутреннем каркасе. Внутренний каркас представляет собой систему вертикальных и горизонтальных полос (бандажей) с приваренными к ним штырями, на которые накалываются маты. Дополнительно маты крепят бандажами из упаковочной ленты.

Для кровли предусматривается изоляция способная воспринимать нагрузку от снега и людей. Для этого для резервуаров емкостью до 700 м³ включительно дополнительно устраивается решетчатый каркас из поволоки диаметром 5 мм с ячейками более 350 мм. По каркасу, опирающемуся на кровлю, укладывается покровный слой. Конструкция крепления изоляции на кровле должна противостоять действию ветра.

Для резервуаров емкостью более 700 м³изоляцию кровли следует выполнять каркасными блоками, причем блоки должны повторять форму кровли. Блоки к кровле приваривают. Изоляция кровли и стенок резервуара не должна между собою соединяться. В местах их стыка должен быть устроен температурный шов.

Общий вид изоляции резервуара емкостью более 700 м³показан на рис. 9.12.

Конструкции теплоизоляции резервуаров с наружными обогревающими змеевиками

Изоляция устаивается на некотором расстоянии от боковых стен резервуара. создаваемый при этом зазор должен иметь такой размер, чтобы обеспечить конвективный обогрев стенок резервуара по высоте (обогревающие змеевики расположены в нижней части). Зазор может быть принят равным 150 мм. Для обеспечения такого зазора вокруг резервуара создается каркас из полосовой стали, расположенный на расстоянии 180 мм от стен резервуара (см. рис. 9.13). Каркас соединен специальными подвижными серьгами со стяжными бандажами, укрепленными на резервуаре.

б

а

Рис. 9.12. Изоляция вертикального цилиндрического резервуара с внутренними обогревающими змеевиками минераловатными матами с креплением на внутреннем каркасе [9]

а – общий вид; б, в – блоки для изоляции резервуаров емкостью более 700 м3; 1 – кирпич красный, 2 – рубероид. 3 – подвеска со штырями. 4 – стяжной бандаж, 5 – опорная планка для бандажа, 6 – стяжной болт; 7 – минераловатный мат; 8 – блоки для изоляции кровли; 9 – покрытие кровли металлическими листами; 10 – сшивка; 11 – подвесная скоба из проволоки; 12 – покровный слой из асбестоцементных листов; 13 – бандаж с пряжкой; 14 – стяжной бандаж; 15 – самонарезающийся винт; 16 - козырек из металлического листа; 17 – винт; 18 – скоба; 19 – стяжка; 20 – лента 3х30 мм; 21 – струна; 22 – каркас блока из уголков; 23 – опора блока для приварки к кровле

Рис. 9.13 – Изоляция вертикального цилиндрического резервуара объемом 1000 м³ и более с наружными обогревающими змеевиками теплоизоляционными конструкциями [9]

1 – кирпич красный; 2 – рубероид; 3 – планка для крепления теплоизоляционных конструкций; 4, 6 – стяжной бандаж; 5 - стяжной болт; 7, 8 – подвеска со штырями; 9 – покровный слой из тонколистового металла; 10 – минераловатный мат; 11 – сшивка; 12 – бандаж из упаковочной стали с пряжкой; 13 – самонарезающийся винт; 14 – стяжной бандаж; 15 – асбестоцементные листы; 16 – стяжной винт; 17 – скоба для подвешивания асбестоцементных листов; 18 – болт с гайкой; 19 – покрытие кровли тонколистовым металлом; 20 – изоляция кровли; 21 – скоба; 22 – теплоизоляционная конструкция для изоляции корпуса; 23 – винт; 24 – многоугольник каркаса; 25 – планка каркаса 2х30 мм; 26 – стяжка из проволоки; 27 – штырь; 28 – кронштейн из полосы 4х30 мм; 29 – опорная лапка из ленты 3х30 мм; 30 - диафрагма