热油管道的总传热系数在线视频

同学们好

本节课我们继续学习热油管道的温降计算

热油管道的温降计算中

物性参数和总传热系数等关键参数都非常重要

本节课就来学习如何确定主要的物性参数

首先第一个方面是原油和成品油的物性参数

主要包括密度和相对密度

任意温度T下的油品的密度由20摄氏度下

油品的密度以及温度计算得到

其中有一个系数

ξ和ξ'由下述两个公式进行计算

其中这里面有个d20指的是

油品在20摄氏度时的相对密度

第二个重要参数是比热容

原油的比热容曲线如图所示

这里是胜利油田

大庆油田

濮阳油田和任丘油田所产的4种不同的原油

它们的大致规律相同

都是这样的一个曲线

这条曲线上可以分为三段

首先这一条线这个点是析蜡点

温度低于该温度

蜡晶开始析出

这个温度是最大比热容温度

对应于这个比热容中曲线上的最高点

由这两条虚线就把比热容随着温度的变化的

曲线分为三段

分别由三个经验公式来进行计算

这三个公式是过程中常用的

那么一般来说原油和成品油的比热容

为1.6~2.5千焦每千克摄氏度

如果粗略计算的话

可以取2.0千焦每千克摄氏度

第三是导热系数

油品的导热系数由温度和15摄氏度下的

相对密度进行计算得到

一般原油和成品油在管输条件下的导热系数

范围在0.1~0.16瓦每米摄氏度

大致计算时可以取0.14瓦每米摄氏度

如果原油存在半胶凝状态

也就是出现了半固态时

这个导热系数是比液态的时候要大的

第4个重要参数是黏度

工程当中一般常用这样的一个公式进行计算

这个式子一般是适用于低黏度的成品油

及部分的重燃料油

如果将它用于含蜡原油

需要分段计算

以析蜡点作为分界

写出其黏温指数方程

其中这个黏温指数u它约为0.01~0.03之间

对于低黏度的油品来说

对于高黏度的油品来说

大约在0.06~0.1之间

除了管内的油品之外

管外的环境当中

对于埋地管道而言

土壤的物性参数至关重要

土壤的最重要的热物性参数

是土壤的导热系数

它与土质

气象

温度等多种因素有关

变化较大

对于土质而言

包括土壤的种类

孔隙度

含水量

敷设回填土不同于自然土壤

投产后的管道的烘烤的土壤

这等等都会影响到土壤的含水

气象

比如说降雨

下雪

土壤的昼夜和季节的波动

也会影响土壤的导热系数

温度到冬天出现冻土或者是融土的时候

土壤的导热系数也会变化

一般来说在全年当中导热系数不是一成不变的

是随着这些因素的变化而变化的

在管道的设计与运行管理中

为了使用的方便

一般是采用一个统计平均值

知道了土壤导热系数以后

根据土壤根据导温系数的定义

就可以算出来土壤的导温系数

这个图中列出了砂土和黏土

在不同的水的质量分数下的一个导温系数曲线

除此之外

第三个方面

还有管道本身的钢管

保温层和沥青防腐绝缘层的导热系数

对于我们的管道的温降也非常重要

第一

钢管的导热系数比较大

大约在46~50瓦每米摄氏度

对于预应力的混凝土管为0.6~1.2瓦每米

摄氏度

保温层的导热系数

埋地管道常用聚氨酯硬质泡沫塑料

大约在0.035~0.047瓦每米摄氏度之间

沥青防腐绝缘层的导热系数

它是随着温度的上升而降低

一般的热油管道取0.15瓦每米摄氏度

如果这个管道是架空的

还要考虑空气的密度

导热系数和黏度

这张表就列出了不同的温度下

干空气的密度

导热系数和运动黏度

除了这些基本的物性参数之外

管道的总传热系数对于温降的计算也是

至关重要

这也是本节的一个重点

对于任意的管道的流通截面

比如说这个黑色的部分

就代表油流

那黑色的边缘呢就表示的是管道的内壁

油流与管道的内壁之间

是存在对流换热

再往外管道内壁到管道外壁

这个是导热管道外壁

也就是我们的防腐绝缘层的内壁

到防腐绝缘层的外壁

这个也是导热

然后保温层

同样是固体仍然是导热

那么保温层之外

像外界环境这要视情况而定

如果是埋地管道管道外面是土壤

因此是土壤的导热

土壤到地表

土壤的表面与地表之间还有一个

土壤与空气的对流换热

如果是架空管道或者是水中管道

最外圈直接与外界是一个对流换热

那么我们清楚了管道的横截面上的

换热的方式以后

我们就可以列出整个横截面上的

能量的平衡关系

也就是假设我们管道稳定运行了之后

传热达到稳态

我们列出热平衡关系式

首先管道的总传热的热流密度

或者是总传热的热流量

他沿着整个的径向应该是不变的

它应该就等于管道内壁的

与油流的一个对流换热

其中这个D是管道的计算直径

α1是油流至管内壁的放热系数

D1就对应于管道的内径

这个热流量应该等于什么呢

应该等于沿着径向往外导热的热流量

也就是通过中间的管壁

防腐层保温层这三层的热流量

这个λi就是各层的导热系数

Di和Di+1就是各层的内径和外径

那么Tbi和Tbi+1就是各层的内外壁的

地面的温度

再往外就是管道系统的最外层

也就是我们保温层的外壁与外界的

一个对流换热的

或者是导热的这样的一个热流量

这个α2就是管道系统外壁至土壤的放热系数

如果有保温层的话

这个管道系统的外壁指的是保温层的外壁

如果没有保温层

就指的是防腐层的外壁

这个Dω就是指管道系统最外围的直径

那么列出这样的一个热平衡关系式以后

我们观察它的形式就可以发现

如果把这一项这一项和这一项分别除到

它各自的分母上去

那留剩下来的分子

我们根据等比定理把这三个等式相加

就可以约去中间的所有的这些地面温度

右边的分子就是Ty减去T0

左边的分子也是Ty减去T0

这样我们就可以把这个式子进行化简

得到这样的一个关系式

从这样的一个关系式

它所反映出来的物理含义

我们首先来看一下

左边这个KπD/1就是单位管长

右边的第一项就是油流对流换热的热阻

右边第二项就是

钢管壁

防腐层

保温层等各层的导热的热阻

右边最后一项是管外导热或者对流换热的

热组

也就是说当传热达到稳定的时候

整个管道沿径向的总的热阻是由三部分组成的

第一是管内的对流换热

第二是中间各层的导热以及管外的对流换热

或者导热

最终由这个式子就可以得出

总传热系数的计算式

或者说是它的定义式

其中我标红的α1和α2是管内壁和管外壁的

对铝换热系数

中间的λi是中间各个固体层的就是管壁

防护层保温层的导热系数

刚才提到的D计算直径

它取多少呢

因为这个D它不是像D1或者是 Di Di+1

Dω这样

它是一个具体的

管道实体中的某一个具体的直径

而是一个当量的直径

那这个当量直径应该怎么取呢

我们由总传热系数的定义式可以发现

方程的右边是不变的

那也就是说我们取不同的计算直径

算出来的管道总传热系数是不一样的

但二者的乘积是不变的

也就是说从理论上来说

这个计算直径可以取任意的值

这样你算出来的总传热系数是不一样的

那么在工程当中大家交流的时候

就有一个问题

也就是你告诉别人总传热系数的时候

总是要说在计算直径等于多少多少时

总传热系数等于多少

这样交流起来非常不方便

所以在工程当中大家约定俗成

在默认的情况下

不做任何说明的情况下

计算直径取管道的保温层的中径

也就是保温层的内径和外径的中间的那一层

下面就对于总传热系数中的三个关键参数

α1α2和λi进行讨论

首先是α1

也就是油流至管内壁的放热系数该如何计算

这个通过大量的实验

人们提出了很多的经验关联式

根据流态的不同

在不同的分区有不同的经验公式

计算努塞尔数

这是努塞尔数和普朗特数的定义

算数算出以后就可以算出来

油流的对流换热系数α

但是对于原油来说

在管道当中有时会处于非牛顿流体的状态

关于非牛顿流体的对流换热系数

目前还不太成熟

有文献建议沿用牛顿流体的计算式

但其中各项准数

应按照非牛顿流体的物性来进行计算

显然这样的一个近似也是不完全合理的

具体应该怎么处理

详见教材的第四章以及原油流变学基础及应用

等相关课程

第二就是管壁的导热

钢管壁的导热的热阻很小

前面已经说过

导热系数约48瓦每米摄氏度

有时可以忽略

对于非金属管导热系数小

再加上管壁较厚

它的热阻是相当大的

是必须要考虑的

保温层的热阻是最主要的

保温层的热阻是大约是

0.026~0.035瓦每米摄氏度之间

相比于钢管的导热系数而言是

非常小的

因此它的热阻是比较大的

对于凝油层和结蜡层

随运行状态而变化

设计时一般不考虑凝油层和结蜡层

对总传热系数的影响

但核算运行管道的总传热系数时要考虑

凝油的导热系数一般为0.11~0.14

瓦每米摄氏度

石蜡导热系数一般为0.15~0.23瓦每米摄氏度

最后是管外壁至大气的

放热系数

如果是对于地上架空管道

管外壁的放热系数呢是由两个部分所构成的

也就是对流换热和辐射换热的一个复合换热

这个第二项就是辐射放热系数

可以取2~5瓦每米摄氏度

第一项是对流换热系数

当雷诺数在1000到2×10的5次方范围

它这个努塞尔数是这么计算

在一般条件下简化为努塞尔数和雷诺数

之间有这么样一个指数的关系

方便计算

对于室内或者沟内管道

努塞尔数是由格拉晓夫数和普朗特数

由这个公式来进行一个近似的计算

管外壁

如果是土壤的话

它的放热系数的确定就比架空管道要复杂的多

对于埋地管道管外壁至土壤的传热

是管道散热的主要环节

管外壁的放热系数是管道散热强度的主要指标

做了以下的简化假设

第一个是半无限大均匀介质连续作用的

限热源导热

把整个的这个从截面上来看的话

管道截面

相对于我们的土壤来说

是一个半无限大均匀介质连续作用的线热源

把这里当成一个线热源

土壤的初始温度是均匀分布的

任意时刻土壤表面温度是不变的

土壤至空气的放热系数趋于无穷大

也就是不考虑土壤与空气之间的热阻

这样就我们就可以采用源汇法进行

分析得到解析解

最终的解析解是这个式子

其中λt是土壤的导热系数

对于不含水的沙土

它是0.22瓦每米摄氏度

ht是管中心的埋深

那就是管中心的

管道的中心

到地表之间的距离

这就是ht

如果管道的埋深相对于管道的最外径

相比大于二

上式就可以简化为这样的一个形式

对于不保温埋地管道进入湍流状态

可以近似的取总传热系数

等于α2

也就是管外壁就是土壤的放射系数

在埋地管道的管外壁

至土壤的放热系数的计算中

有几个问题需要讨论

第一是推导土壤的热阻计算式的假设条件

与实际是不尽相符的

第一是未计入土壤温度随深度变化的影响

管道的热量不是向四周均匀散出的

一般来说是夏季向下散热多

冬季向上散热多

这是由它的温度梯度所决定的

夏季地表温度高

相对来说往管道下方的温差比较大

因此向下散热比较多

冬季地表比较冷

因此向上散热比较多

第二

未计入土壤中水分运移的影响

土壤中的水分存在自然对流

增大热损失

第三

未计入土壤湿度的变化

设计时采用的原状土

施工时采用的回填土和运行当中形成的环状土

湿度是不一样的

会影响到土壤传热的变化

原状土就是我们设计时采用的土壤的物性

而回填土是施工的时候会涉及到回填土

环状土在运行的时候

后面会讲到

由于热油管道对周围土壤的烘烤作用

会在管道周围形成一幢形成一圈环状土

它的湿度不同

所以它的导热系数与原状土和回填土

也是有较大的差异

这里还有一个重要的概念是土壤的热力影响区

离管道的中心5~10米的远处

一般认为土壤就形成了稳定的温度场和湿度场

大多数热油管道投产后

它总传热系数是下降的

对于长期运行的热油管道

国外文献建议土壤的导热系数由该式进行计算

其中那么λg是原始湿度

一半管壁温度下的土壤导热系数

第二项是原始的湿度

自然地温下的土壤导热系数

取这二者的平均值作为土壤的导热系数

管道如果通过石方段

它的导热系数与土壤的导热系数也有较大的

差别

此处要注意一点的是石方段的导热系数

它不等于岩石本身的导热系数

因为石方段还存在砂垫层

碎岩石

回填管沟等等

它并不是完完全全是岩石所包裹的

因此需要近似的把砂垫层作为保温层来进行

计算

砂垫层的导热系数由该式进行计算

还有就是地表上覆层的影响

地表的覆盖层比如说积雪

草皮等

对管道的散热会产生影响

可作为一定当量厚度的土层来考虑

这个当量厚度由该式进行计算

其中 hxu就是覆盖层的厚度

分母上这个λ指的是覆盖层的导热系数

比如说对于密实的积雪

就是0.47瓦每米摄氏度

别的物质的话

也可以取相应的导热系数

然后由这个式子来换算成当量的厚度的土层

进行考虑

考虑的这个当量厚度的土层以后

管道的计算埋深

就是它的实际埋深加上当量的覆盖的土层

讨论了热油管道的总传热系数的各种影响因素

以后

在实际的热油管道的运行管理当中

我们怎么样选用K的值

第一

总传热系数值影响因素众多

难以精确的计算

第二

在设计时

我国均采用经验的方法确定

常采用反算法计算已正常运行的热油管道的

总传热系数

作为同类地区新设计管道的参考值

根据运行中热油管道较稳定工况的运行参数

代入温降公式

反算

既要照顾投产时对加热能力较大的需求

又不致使加热炉容量过大

本节内容就讲到这里

同学们再见