管道温降计算

1管道总传热系数管道总传热系数K指油流与周围介质温差为1℃时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。当考虑结蜡层的热阻对管道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式：1112ln111ln22iinenwiLLDDDKDDDD（1-1）式中：K——总传热系数，W/(m2·℃)；eD——计算直径，m；（对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于无保温埋地管路可取沥青层外径）；nD——管道内直径，m；wD——管道最外层直径，m；1——油流与管内壁放热系数，W/(m2·℃)；2——管外壁与周围介质的放热系数，W/(m2·℃)；i——第i层相应的导热系数，W/(m·℃)；iD，1iD——管道第i层的内外直径，m，其中1,2,3...in；LD——结蜡后的管内径，m；L——所结蜡导热系数。为计算总传热系数K，需分别计算内部放热系数1、自管壁至管道最外径的导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数2。（1）内部放热系数1的确定放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用1与放热准数uN、自然对流准数rG和流体物理性质准数rP间的数学关系式来表示。在层流状态（Re2000），当500PrGr时：13.65ydNu（1-2）在层流状态（Re2000），当500PrGr时：0.250.330.430.11Pr0.15RePrPryyyyybdNuGr（1-3）在激烈的紊流状态（Re104），Pr2500时：0.250.80.441Pr0.021RePrPryyybd（1-4）在过渡区(2000Re104)25.043.001)PrPr(PrbfffdK＝（1-5）式中：uN——放热准数，无因次；CPr——流体物理性质准数，无因次；wfttgdGr3——自然对流准数，无因次；dqvdv4Re——雷诺数；)(Re0ffK——系数；d——管道内径，m；g——重力加速度，g＝9.81m/s2；——定性温度下的流体运动粘度，m2/s；C——定性温度下的流体比热容，J/(kg·K)；vq——流体体积流量，m3/s；——定性温度下的流体密度，kg/m3；——定性温度下的流体体积膨胀系数，可查得，亦可按下式计算：tdd2042045965634023101（1-6）f——定性温度下的流体导热系数，原油的导热系数f约在0.1～0.16W/(m·K)间，随温度变化的关系可用下式表示：153/)1054.01(137.0ftft（1-7）15f——l5℃时的原油密度，kg/m3；ft——油(液)的平均温度，℃；bt——管内壁平均温度，℃；204d——20℃时原油的相对密度。注：上面各式中，参数角标f表示以管内油(液)的平均温度ft为定性温度；角标b表示以管壁温度为定性温度。（2）各处管壁导热的热阻这部分热阻包括钢管、防腐层和保温层的热阻。钢管的导热系数g约为45W/(m·℃)，其热阻可忽略不计；煤焦油瓷漆防腐层导热系数f约为1.1W/(m·℃)，黄夹克保温材料的导热系数b约为0.04W/(m·℃)。对于壁厚g、外包f厚煤焦油瓷漆防腐层的非保温热油管道，钢管及防腐层对总传热系数的影响很小。如忽略内外径的差值，则总传热系数可近似按下式计算：12111iiK（1-8）其中：ffggii对于保温管道，保温层的热阻起决定影响。故对于壁厚g、外包b厚保温材料的保温热油管道：1ln(22)/(2)ln(/)22nbgngiiibDDDD（1-9）(3)外部放热系数2的确定对于埋地敷设管道，当管道的埋设深度(管中心至地表面)小于2m时，采用下面的公式计算：ieisBDB0212（1-10）staiCB（1-11）20)2(eDhC（1-12）]1)2(2ln[2000eeDhDh（1-13）式中：s——土壤的导热系数，W/(m·℃)；eD——与土壤接触的管道外直径，m；ta——土壤至地表空气间的放热系数，W/(m2·℃)；0h——管道埋深(管中心至地表面)，m。该放热系数包括对流放热系数tac和辐射放热系数taR两部分。tac和taR分别用下式确定：atacv0.76.11（1-14）])100273()100273[(44asasRtaRttttC（1-15）式中：av——地表面的平均风速，m/s；——土壤表面折算黑度；RC——辐射系数，可取5.7W/(m2·h4)；st——土壤表面温度，取当地一年中月平均的最低地面温度，℃；at——空气温度，取当地一年中月平均的最低空气温度，℃。当管道理设深度大于2m时，可采用下面的公式计算2：]1)2(2ln[22002eeesDhDhD（1-16）式中符号的意义同前。从上述的公式中可以看出，确定出土壤导热系数是计算埋地管道2的关键。土壤的导热系数与组成土壤固体物质的导热系数、土壤中固体物质颗粒大小的分布、土壤含水率、土壤状态等许多因素有关。用理论计算很难得到准确值，因此推荐采用理论计算与参考类似管道实测值相结合的方法。（4）结蜡层厚度计算在计入原油蜡结晶析出的潜热后，长为dx的微元管道上，热油管道的热量平衡关系式（1-1）可简化为：101lnneLDKDbbD（1-19）其中：1012ln()112iiiwDdbdD（1-20）112Lb（1-21）如取温降为1℃时，从单位质量的原油中析出并沉积到管表面的凝油质量为biT，则在d时间内在轴向温降为dT的dx段上沉积的量为：biLdGGdTdT（1-22）因而使内径缩小了LdD，则：2LLLDdGDdTdx（1-23）将式（1-23）代入式（1-22）得：2biLLDGdTddDTTdx（1-24）0nyKTDTTdTdxGCTkT（1-25）将式（1-25）代入式（1-24）得：0012lnbinLLLyTTDDbbdDdDTTCTkT（1-26）积分后可得：22011010100lnln22222LnLnLLbiyDDDDbbbbbbDDTTTTCTkT（1-27）对于距泵站出口x米处的管路而言，其清管后的运行时间可由下式计算：0LLxV其中，22243ln2nnLLnLLDDDDDDD，则12LnLDD。联解式（1-24）与式（1-27），可求出线路上热泵站出口xm处，经清管后运行小时的结蜡层内径LD，从而求解出结蜡厚度。式中：y，bi——分别为油温的函数，其规律可通过试验求得；LD——结蜡后的管道内径，m；L——结蜡层的导热系数，W/(m·℃)；0L——从下一站收到清管器开始计算的时间，s；LD——运行小时后的结蜡层内径，m；L——运行小时后的结蜡厚度，m；L——为站间距离，m；V——管内流速，m/s；k——蜡的结晶潜热，kJ/kg。2利用苏霍夫公式计算管路温降：对于距离不长、管径小、流速较低、温降较大的管道，摩擦热对沿程温降影响不大情况下，或概略计算温降时，可以忽略摩擦热的作用，得到苏霍夫公式：aLRLeTTTT)(00（2-1）其中GcDKaw（2-2）式中K——总传热系数，W/(m2C)；RT——管道起点温度，C；0T——管道周围土壤温度，C；LT——距起点L处温度，C；wD——管道外直径，m；G——油水混合物质量流量，kg/s；C——油品比热，J/(kgC)。油水CWWCC)1(（W为含水率）（2-3）距地面一定深度1（8米）处视为恒温层，2ft（4C），由热流密度：sfsffttttq20112111（2-4）求得距地面任意深度土壤温度0t，其中可以根据（1-14）、（1-15）求得。式中1ft——地表温度，C；2ft——恒温层处土壤温度，C；0t——距地面任意深度土壤温度，C；——地表大气对流换热系数，W/(mC)；1——恒温层深度，m；2——距地面任意点深度，m；s——土壤导热系数。