Как рассчитать мощность системы обогрева резервуара?

С помощью систем обогрева резервуаров, емкостей, баков и бункеров можно решить следующие задачи:   защита от замерзания жидкостей,  поддержание температуры веществ,  защита от кристаллизации продукта,  предотвращение выпадения твердых фракций нефти,  защита от конденсации, стартовый разогрев.

Практически все задачи, поставленные перед системой обогрева, решаются с путем компенсации теплопотерь, возникающих через ограждающие конструкции, то есть через стенки резервуара.

Существует множество разнообразных форм резервуаров, вариантов исполнения и объема.

Принято группировать резервуары по следующим показателям:

Расположение резервуара: горизонтальное, вертикальное.

Форма: прямоугольная, цилиндрическая, сферическая.

Вид крыши и днища: коническая, сферическая, плоская, блюдцеобразная, пирамидальная, неподвижная или плавающая.

Наличие опор и их тип: расположение на земле, на бетонной плите, на столбчатых опорах, на юбке, на люльках, на юбке.

Установка: на открытом воздухе, в помещении, под землей, частично под землей.

Наличие арматуры: люки, задвижки, уровнемеры, дыхательные клапаны.

Теплоизоляция: поверхность полностью теплоизолирована, без теплоизоляции крыша, стенки покрыты теплоизоляцией частично, не теплоизолированы опоры, опоры с теплоизоляцией.

Цилиндрические резервуары используются чаще всего, поскольку имеют меньшую площадь стен, чем прямоугольные емкости,  при одинаковом объеме. Также цилиндрические резервуары имеют наибольшую механическую стойкость, их изготовление проще, чем сферических.

Большинство резервуаров имеют дыхательные клапаны для выравнивания внутреннего давления с внешним давлением окружающей среды при  загрузке и выгрузке продукта с емкости. Для технического обслуживания на крышах резервуаров размещаются световые и технологические люки.

В резервуарах отношение площади наружной поверхности к объему намного меньше, чем у трубопроводов, поэтому они обладают достаточно большой тепловой инерционностью. Основная задача обогрева резервуаров – компенсация тепловых потерь с целью поддержания температуры жидкости, находящейся в резервуаре. Кривизна поверхности типовых резервуаров невелика, по этой причине используются расчетные формулы для передачи через плоскую многослойную стенку.

Передача тепла из одной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их однородную или многослойную твердую стенку любой формы называется теплопередачей. Теплопередача включает в себя теплоотдачу от более горячей жидкости к стенке, теплопроводность в стенке, теплоотдачу от стенки к более холодной подвижной среде.

Тепловые потери через многослойную стенку можно найти по формуле:

где Q – общие теплопотери с резервуара, Вт;

ΔT – разница температур, °С;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/ (м²/К);

S – общая площадь ограждающих конструкций (боковых стенок, крыши, днища), м².

Разница температур:

где Т_треб. – требуемая температура продукта в резервуаре, °С;

Т_min – минимальная температура окружающей среды, °С.

Коэффициент теплопередачи:

где R – термическое сопротивление ограждающей конструкции, м²*К/Вт.

где α_нар. – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции или не теплоизолированной поверхности к воздуху, Вт/(м²*К);

 - сума термических сопротивлений теплопроводности слоев (стенки резервуара, теплоизоляции);

δ – толщина слоя, м;

λ – коэффициент теплопроводности слоя, Вт/(м*К);

α_вн. – коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки к продукту, который находится в резервуаре, Вт/(м²*К).

Коэффициент теплоотдачи α_нар. от наружной стенки резервуара, расположенного надземным способом, зависит от скорости ветра и степени черноты наружной поверхности. Средняя величина α_нар. составляет 30 Вт/м². Как видим значение  1/α_нар =1/30=0,033 Вт/(м²*К) стремится к нулю, поэтому мало влияет на суммарное термическое сопротивление стенок с теплоизоляцией. Но данный коэффициент должен учитываться при расчете теплопотерь с неизолированных стенок.

Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки к продукту, который находится в резервуаре α_вн. составляет для нефти приблизительно 30-50 Вт/(м²*К), для резервуаров с водой 130-150 Вт/(м²*К). Учитывая приведенные значения можно сделать вывод, что термическое сопротивление перехода тепла от жидкости к стенке (1/ α_вн.) невелико. В расчетах теплоизолированных стенок этой величиной можно пренебрегать.

Применение коэффициента запаса

Коэффициент запаса при расчете тепловых потерь с поверхности резервуара должен применяться во всех расчетах.

Для резервуаров, которые находятся на открытом воздухе, используется коэффициент запаса: 1,1 – для резервуаров защищенные от ветра зданиями, накрытиями, 1,4 – для открытых резервуаров, 1,6 – абсолютно незащищенных.

Для систем электрообогрева на основании саморегулирующегося нагревательного кабеля рекомендуется коэффициент 1,2, для систем на основании резистивного кабеля от 1,3 до 1,4.