 |
|
Методика подбора электронагревателя для обогрева резервуаров
В статье предложена упрощенная методика расчета мощности и подбора греющей части системы обогрева для поддержания температуры содержимого резервуаров.
Конфигурацию системы электрообогрева следует выбирать и устанавливать таким образом, чтобы обеспечить достаточное количество тепловой энергии в целях:
- компенсации потерь тепла при поддержании требуемой температуры резервуара при минимальной температуре окружающей среды; или
- повышения температуры объекта и его содержимого (разогрев), в течение заданного периода времени; или
- одновременного решения задач по п. а) и b).
Система электрообогрева резервуаров может быть выполнена на основе нагревательных лент и кабелей и погружных электронагревателей. Для поддержания температуры продукта в резервуаре используются как нагревательные кабели, так и погружные фланцевые электронагреватели. Если речь идет о разогреве и последующем поддержании температуры наиболее эффективно и экономически выгодно использовать именно электронагреватели. Использование погружных электрических нагревателей для обогрева резервуаров чаще всего обходится дешевле, по сравнению с нагревательными кабелями, т.к. электронагреватели обладают рядом преимуществ, по сравнению с нагревательным кабелем:
- ниже стоимость оборудования на единицу выделяемой тепловой энергии за счет более высокого удельного тепловыделения с поверхности нагревательных элементов электронагревателей;
- стоимость монтажных работ по установке электронагревателя на резервуар в десятки раз ниже, по сравнению с системами на основе нагревательных кабелей, т.к. нет необходимости строительства дорогостоящих монтажных лесов и стропильных систем, не требуется проведение каких-либо сварочных работ непосредственно на объекте, соответственно не требуется привлечение большого количества монтажников, сварщиков и других дорогостоящих квалифицированных специалистов, что особенно актуально для удаленных северных районов;
- разница в стоимости увеличивается в пользу электронагревателей при необходимости разогрева продукта для относительно больших резервуаров. При эксплуатации теплоизолированных резервуаров не всегда требуется поддерживать постоянно положительную температуру продукта, т.к. продукт поступает в резервуар с достаточно высокой температурой и за счет большого объема медленно остывает, особенно при «мягких» климатических условиях. В этих случаях служба эксплуатации, как правило, заинтересована в использовании оборудования, которое включается только при необходимости, достаточно быстро разогревает продукт и поддерживает в дальнейшем температуру в течение необходимого времени.
Определение мощности системы обогрева резервуара
Начальный этап выбора любой системы обогрева связан с определением мощностных характеристик системы, т.е. с определением величины тепловых потерь и мощности, необходимой для разогрева. Исходными данными для расчета тепловых потерь резервуара являются:- геометрические размеры обогреваемого резервуара;
- требуемая температура и минимальная температура окружающей среды;
- теплофизические параметры корпуса обогреваемого резервуара и материала теплоизоляции, а именно коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м∙°С).
Где:
В свою очередь термические сопротивления определяются из следующих соотношений:
Где:
Полные теплопотери резервуара определяются как:
где:
При решении задачи разогрева резервуара исходными данными для расчета необходимой мощности являются:
- геометрические размеры обогреваемого резервуара;
- начальная температура разогрева, конечная (требуемая) температура разогрева;
- теплофизические параметры корпуса разогреваемого резервуара, продукта и материала теплоизоляции, а именно плотность ρ, кг/м3, и теплоемкость Ср, Дж/(кг∙°С);
- коэффициент заполнения резервуара продуктом;
- и требуемое время разогрева.
Где:
Тепловые потери резервуара в ходе разогрева изменяются, а именно возрастают с увеличением температуры разогрева. Теплопотери минимальны в начальный момент разогрева и максимальны при конечной (требуемой) температуре резервуара. За время разогрева теплопотери резервуара примерно равны потерям при средней температуре Tср, определенной по следующей формуле:
При расчете потерь тепла на основе теоретических величин не учитываются недостатки, связанные с установкой системы на фактическом месте работы, поэтому рассчитанные значения необходимо увеличить на коэффициент запаса (безопасности). ГОСТ Р МЭК 60079-30-2-2009 рекомендует принимать коэффициент запаса в диапазоне от 10 % до 25 %. Коэффициенты запаса должны использоваться в связи со следующими факторами, влияющими на потерю тепла:
- разрушение теплоизоляции;
- колебания напряжения питания;
- падение напряжения в разветвлениях проводки;
- падение напряжения в электронагревателе;
- качество монтажа теплоизоляции.
Вышеприведенные расчеты теплопотерь и мощности, требуемой на разогрев резервуара справедливы для полностью теплоизолированных резервуаров, включая опоры, фитинги и т.д. (при их наличии), а также при отсутствии фазового превращения продукта в ходе разогрева. В противном случае необходимо выполнить более углубленный расчет.
Для того чтобы без проведения сложных вычислений быстро оценить мощность, необходимую для поддержания температуры и разогрева и самостоятельно подобрать электронагреватель, мы предлагаем использовать приблизительную (оценочную), но простую методику расчетов, которая приведена ниже. Для расчетов необходимо знать объем резервуара, толщину теплоизоляции и температурные параметры.
1 Вариант – когда требуется поддержание температуры, то теплопотери просто определяются по таблице № 1. В данной таблице приведены типовые расчетные теплопотери резервуаров в зависимости от их объема, разности между минимальной температурой окружающей среды и требуемой температурой резервуара (ΔT1 во второй вертикальной колонке), а также от толщины теплоизоляции. Данные в таблице №1 справедливы для следующих условий: резервуар расположен на открытом воздухе; применяется теплоизоляция, коэффициент теплопроводности которой равен 0,05 Вт/м∙°С.
При изменении условий необходимо выполнить пересчет по формуле:
Суммарные теплопотери резервуара определяются по следующей формуле:
Значение Qтабл.1 необходимо принять по таблице №1, значения коэффициентов K1, K2 и K3 - из таблиц №2, №3 и №4 соответственно.
2 Вариант – когда требуется разогреть продукт от начальной до требуемой температуры, то по таблице № 5 определяется суммарная мощность, необходимая для разогрева продукта, корпуса и теплоизоляции. При этом для получения конечного результата необходимо к полученной мощности разогрева прибавить тепловые потери (1 Вариант) при средней разности температур. В данной таблице приведены типовые расчетные мощности разогрева резервуаров в зависимости от их объема, разности между начальной и конечной температурами резервуара ΔT2, а также от толщины теплоизоляции.
Расчет в таблице №5 произведен для следующих условий: применяется теплоизоляция, коэффициент теплопроводности которой равен 0,05 Вт/м∙°С, время разогрева 8 часов, разогреваемый продукт – вода, коэффициент заполнения резервуара 100%.
При изменении условий, а также для учета тепловых потерь с поверхности резервуара, необходимо ввести корректировку по формуле (7).
Суммарная мощность, необходимая для разогрева резервуара, будет определяться по следующей формуле (7):
Пример расчета:
Исходные данные:
- Резервуар с нефтью объемом 200 м3, коэффициент заполнения 0.8;
- Теплоизоляция: минеральная вата толщиной 100 мм;
- Температура окружающей среды: - 50 °С;
- Требуемая температура поддержания: +30 °С.
- Необходимо поддерживать постоянную температуру +30 °С, и при необходимости разогревать продукт за 24 часа от начальной температуры +10 °С до +30 °С.
Расчет для подбора электронагревателей:
Для решения задачи можно использовать 4 стандартных нагревателя воды мощностью 30 кВт каждый. Применение 4-х стандартных электронагревателей имеет следующие преимущества:
- минимальную стоимость каждого нагревателя, т.к. нет необходимости в разработки электронагревателя индивидуальной конструкции;
- отсутствие избыточного потребления электроэнергии благодаря предусмотренной АСУ, которая включает и выключает систему разогрева только, если того требует изменившиеся температурные характеристики продукта;
- более равномерный прогрев продукта в резервуаре при использовании нескольких нагревателей относительно применения одиночного высокомощного нагревателя;
- запас по мощности разогрева, гарантирующий разогрев даже при значительном изменении условий разогрева и характеристик продукта.
Стоимость 4 взрывозащищенных электронагревателей для нефти составляет 661 000 рублей (без учета стоимости ШУ).
Для решения задачи можно использовать 4 стандартных нагревателя воды мощностью 30 кВт каждый. Применение 4-х стандартных электронагревателей имеет следующие преимущества:
- минимальную стоимость каждого нагревателя, т.к. нет необходимости в разработки электронагревателя индивидуальной конструкции;
- отсутствие избыточного потребления электроэнергии благодаря предусмотренной АСУ, которая включает и выключает систему разогрева только, если того требует изменившиеся температурные характеристики продукта;
- более равномерный прогрев продукта в резервуаре при использовании нескольких нагревателей относительно применения одиночного высокомощного нагревателя;
- запас по мощности разогрева, гарантирующий разогрев даже при значительном изменении условий разогрева и характеристик продукта.
Стоимость 4 взрывозащищенных электронагревателей для нефти составляет 661 000 рублей (без учета стоимости ШУ).
Выводы:
- На поддержание температуры требуются почти на два порядка меньшие мощности, чем для разогрева.
- Мощность, необходимая для разогрева резервуара прямо пропорциональна объему резервуара и разогреваемого продукта и обратно пропорциональна времени разогрева. Используя приведенные оценочные таблицы можно оценить мощности, затрачиваемые на разогрев продукта, и существенно их сократить, увеличивая время разогрева. Данными формулами и таблицами можно пользоваться для заказа оборудования необходимой мощности и для проектных расчетов.
- Для периодического разогрева продукта в резервуарах, выгоднее использовать взрывозащищенные фланцевые электронагреватели ввиду более высокой установленной мощности на площадь нагревательного элемента.
- В отличие от нагревательных лент и кабелей, решение о применении фланцевых погружных электронагревателей на резервуарах должно быть принято до начала монтажа резервуара, или его изготовления на заводе-изготовителе.
Резервуар должен быть оснащен ответными фланцами для крепления нагревателей. Место для расположения фланцев выбирает изготовитель резервуара или организация, осуществляющая разработку проектной документации исходя из габаритных размеров нагревателя и расположения вспомогательного резервуарного оборудования. Как правило, разработчики проектов резервуаров и заводы-изготовители знакомы с данным видом оборудования, и в опросных листах на резервуары присутствуют соответствующие разделы.
Технический отдел ООО «ЧЗКИ» поможет Вам в расчете необходимой мощности обогрева, подборе нагревателей, комплексном устройстве системы электрообогрева с автоматическим управлением
Таблицы к методике:
+7 (351) 700-74-49 