Изменение температуры газа в газопроводе с учетом теплообмена

При стационарном изотермическом движении газа массовый расход газа в газопроводе составляет:

Фактически движение газа в газопроводе является не изотермическим. В процессе компримирования газ нагревается. Даже после его охлаждения на КС температура поступающего в трубопровод газа составляет порядка 20-40°С, что существенно выше температуры окружающей среды. Практически температура газа становится близкой к температуре окружающей среды лишь у газопроводов малого диаметра <500мм на удалении 20-40 км от КС, а для газопроводов большего диаметра температура газа всегда выше температуры окружающей среды. Кроме того, необходимо учитывать, что транспортируемый по трубопроводу газ является реальным газом, которому присущ эффект Джоуля-Томсона, учитывающий поглощение тепла при расширении.

При изменении температуры газа по длине газопровода движение газа описывается системой уравнений:

удельной энергии: ;

неразрывности: ;

состояния: ;

теплового баланса

где: - количество теплоты, передаваемое газом в окружающую среду через элементарную поверхность dF в единицу времени, Вт; (количество тепла, получаемое окружающей средой )

- количество теплоты, содержащееся в газовом потоке, Вт; (минус стоит, потому что тепло отводится от потока).

. (1.50)

k - коэффициент теплопередачи от газа в среду, Вт/(м²×град);

Рассмотрим в первом приближении уравнение теплового баланса без учета эффекта Джоуля-Томсона. Разделяя переменные и интегрируя уравнение теплового баланса

, получим: (1.50а)

обозначим за расчетный коэффициент . Величина произведения - есть безразмерная величина и называется числом Шухова. Решая уравнение (1.50) относительно температуры газа в конце газопровода получим:

.

На удалении х от компрессорной станции температура определяется аналогичным образом:

.

Как видно изменение температуры газа носит экспоненциальный характер. Рассмотрим влияние изменения температуры на производительность газопровода.

Рис.1.4 Распределение температуры по длине газопровода.

При движении по участку температура газа постепенно снижается, достигая минимального значения в конце участка. Температурный режим участка определяется рядом факторов: теплообменом с окружающей средой, расширением газа и силами трения в потоке газа. Энергия, затрачиваемая на преодоление сил трения при движении газа возвращается ему повышением температуры. Компенсация работы трения выделяющейся при этом теплотой является внутренним процессом никак внешне себя не проявляющим.