蒸汽管道带空气隔层保温结构传热设计计算

引言

在世界各国的石油化工行业中,每年因保温层下的腐蚀造成的损失多达数十亿美元。

金波从保温层本身造成的腐蚀和管道自身腐蚀机理两个方面说明了保温层下的腐蚀原因,并提出了通过选择合适的防腐涂料、采用合适的保温材料以及加强现场施工管理来阻止或减缓保温材料对管道的腐蚀。

陈广等描述了长输管道保温层下易发生腐蚀的部位,提出了材料表面改性、研制新型缓蚀剂两种防护措施。

以上研究均是针对保温材料及防腐涂料的选择,并没有从保温结构上进行改进来提高管道保温节能效率及解决管道防腐问题。

同时,对带空气隔层的保温结构,《工业设备及管道绝热工程设计规范》(GB50264一2013)等标准规范中也未给出保温层厚度设计计算方法。且在标准规范中,管道保温层厚度的基本计算方法一经济厚度法、表面温度法等均存在一定不足。比如经济厚度法,在工程设计中难以精确确定热能价格、年复利率等参数,工程中应用较少:表面温度法则通过规定保温层外表面最高年均温度及允许的热损确定保温层厚度,但设计计算过程中并未考虑辐射散热量,因而得到的保温层厚度与实际需求也存在一定偏差。

基于此,首先提出了一种带空气隔层的管道保温结构,即在传统保温层与介质输送管道间增设一空气隔层,避免保温材料与管道直接接触。然后根据能量守恒原理,采用迭代试算法,对带空气隔层保温结构做了详细的传热设计计算,并与传统保温结构热散失量做了对比。

1带空气隔层管道保温结构传热分析

1.1传热过程分析

带空气隔层的管道保温结构及其传热计算模型如图1所示。

如图1所示,蒸汽管道带空气隔层保温结构是在传统保温结构(即不带空气隔层,如图2所示)保温层靠近介质输送管道壁面处留有空气隔层,常规保温材料与空气隔层壁面直接接触,避免了与管道壁面的接触,减少了保温材料对管道的腐蚀,大大增加了管道运行的安全性能。

以下计算中,各边界面的壁温均以字母1加相应的边界面编号表示,例如介质输送管道内表面的壁温表示为11:相邻两个边界面间的传热量均以字母Q加相应的边界面编号表示,例如介质输送管道内、外表面间的传热量表示为Q12:最终由保温层向大气环境的散热损失表示为Q5四,总散热损失量为Q散。

由于介质输送管道内表面高温介质输送速度快,内表面处鲁塞尔数Nu较大,从而可推知内表面膜传热系数h也很大,同时在保温条件下散热量绝对值并不大,由牛顿冷却公式0=hAAr可知,介质温度lf与管道内表面温度l1差值也很小,经计算该差值基本都在0.1C的量级,因而工程计算中,完全可近似认为lf=l1。

根据能量守恒原理,图1所示传热过程中,通过不同传热界面间的能量应相等,且均等于最终的散热损失量0散,即有:

1.1.101℃计算

显然,01℃属于固体圆柱面壁面间的传热,应用傅里叶定律,可得输送管道壁面间的传热量为:

式中,入1℃为介质输送管道导热系数:d1为介质输送管道内表面直径:d℃为介质输送管道外表面直径。

1.1.℃0℃2计算

0℃2实际应包括两部分:一是℃、2界面间的辐射传热0℃2辐射,二是℃、2界面间的空气导热(或自然对流)0℃2导热。显然0℃2辐射属于一个物体包覆另一个物体的辐射传热模型,其辐射传热量为:

0℃2导热根据有限空间空气自然对流传热模型进行计算[4],夹层内空气流动状态取决于以夹层厚度6为特征尺寸的格鲁晓夫数Gr,Gr准数计算如下:

式中,αV为热膨胀系数。

当Gr≤℃320时,流动尚难展开,夹层中热量传递为纯导热,此时0℃2导热应按傅里叶公式计算。当Gr>℃320时,0℃2导热则应按牛顿冷却公式计算。

对于水平夹层(地面向上散热):

综上,可得0℃2计算如下:

1.1.2023、034计算

同01℃的计算,023、034都属于固体圆柱面壁面间的传热,应用傅里叶定律可计算得到。

1.1.304。计算

04。实际应包括两部分:一是界面4向大气环境的辐射传热04。辐射,二是界面4与大气环境间的自然对流传热04。对流。显然04o辐射属于一个小物体向无限大空间辐射传热模型,其辐射传热量计算如下:

04四对流参考水平管(因为介质输送管道绝大多数长度段均为水平铺设)自然对流传热量格鲁晓夫数Gr,然后依据牛顿冷却定律公式进行计算。

1.2传热量计算方法一试算法

由以上各传热界面间传热公式(傅里叶定律、牛顿冷却定律、辐射传热计算公式)可见,传热量均可视为壁温的一元函数,即有:

因为其他参数如导热系数入、黏度μ、密度p、计算辐射传热量的发射率s等均为(给定温度下的)物性参数,只要温度确定,其值就是唯一确定的。

而要计算01℃、0℃2、023、034、04四,恰恰不知道的参数就是各边界面1~4的温度l1~l4,于是工程上就提出一种计算方法一试算法,即先假定各边界面1~4的温度l1~l4,然后分别计算得到01℃、0℃2、023、034、04。,再慢慢调整假定的l1~l4,使各边界面传热量满足:01℃=0℃2=023=034=04。,且该值不超过《工业设备及管道绝热工程设计规范》(GB40℃63一℃012)标准中规定的常年运行最大允许散热量,即可认为假定的l1~l4与实际情况完全相符,且此时得到的各界面间的传热量就是最终的散热损失0散。

对于介质管道而言,由于其导热性能优良(钢材导热系数一般在30~60w/(m·K)),加之管壁厚度较小,通常在10mm以内,尤其在有保温条件下,内外壁之间温差量级大都在0.1℃,因而设计计算中可进一步假设lf=l1=l℃、l2=l3以简化迭代计算过程。

即只需假设6、l2和l4,并满足0℃2=034=04。即可。实际计算过程中,为进一步简化试算过程,取0℃2、034、04。三者间相对误差在2%(或4%)以内时,可认为试算结果与理论相符,并取三者平均值作为最终散热结果。

2传热计算结果

为使计算过程更加明了,先给出具体算例。

首先考虑图1所示蒸汽管道带空气隔层保温结构设计计算,保温材料选用岩棉玻璃布缝板,管道材质取℃0#碳钢,管内介质为饱和水蒸气,温度为240℃,管道常年运行,管道公称直径为DN100,壁厚为6mm,空气层厚度为10mm,空气隔层管道壁厚为3mm,介质输送管道外表面和空气隔层管道内表面均涂有高反射率的涂料或粘贴有铝箔,反射率取为0.07,保温保护层采用0.6mm厚铝合金板。

以1m长管道为计算对象,其设计计算过程如下:

(1)取管道壁面温度lf=l1=l℃=240℃:环境温度l。按《石油化工设备和管道绝热工程设计规范》(sH/T2010一℃012)取历年年均温度的平均值,该值可由装置当地水文气象数据查询,本文取l。=℃0℃。

(℃)根据假定的温度值,查得介质输送管道导热系数入1=30.7w/(m·K)。保护层铝合金板发射率按《工业设备及管道绝热工程设计规范》(GB40℃63一℃012)表4.8.9查得s=0.14~0.2,为保守计算,本处取s=0.2。最大允许热损失由GB40℃63一℃012附录B查得[0]=188w/m℃。

(2)分别假定l2、l4及保温厚度6,计算0℃2、034,04。:首先假定l2=210℃,l4=30℃,6=120mm。1)计算0℃2。

由式(2)计算得,格鲁晓夫数Gr=℃24.07<℃320,则夹层中为纯导热,即:

则有Q23=Q23导热+Q23辐射=99.81w。

2)计算Q45。

保温材料导热系数入45=0.0314+0.0001981=0.06605w/(m)K)(1为保温层内外表面温度算术平均值),由式(1)计算得:

3)计算Q5。。

由公式(7)计算得:

由公式Q5四对流=hA5(T5-T四)=82.44w,则有Q5四=Q5四对流+Q5四辐射=129.63w。

显然,Q23≠Q45≠Q5四,还需对13、15、6三个参数进行调整,调整时保持6不变,13、15减小。经试算得13=308C、15=37C、6=130mm时,Q23=104.65w、Q45=104.39w、Q5。=106.87w。

由传热过程分析,取最终散热量为Q散=(Q23+Q45+Q5四)/3=105.30w,则单位面积散热量Q'=Q散/A=84.68w/m2,显然小于[Q]=188w/m2,满足标准规范GB50264一2013要求。

对传统保温结构(图2)进行设计计算,同工况下,以1m长管道为计算对象,经试算得12=349.948℃、13=39C(即保温层外表面温度)、6=130mm时,Q12=112.84w、Q23=111.35w、Q3四=115.50w,则Q散=(Q12+Q23+Q3。)/3=113.23w,单位面积散热量Q'=Q散/A=97.99w/m2,小于[Q]=188w/m2,满足标准规范GB50264一2013要求。

以传统保温结构散热量为比较基准,采用带空气隔层保温结构单位面积散热量比传统保温结构可减少

综上,保持管道规格及空气隔层厚度不变,对比计算了饱和水蒸气在150~370℃范围内,传统保温结构与带空气隔层保温结构的单位面积热散失量,具体如表1所示。

从表1得出,带空气隔层保温结构在同保温层厚度情况下,单位面积热散失量比传统保温结构小,更有利于节能,同时还可以防止保温材料与介质输送管道壁面直接接触,减少保温材料对介质输送管道壁面腐蚀,增加安全性能。

3结论

(1)本文提出了带空气隔层保温结构,可有效避免保温材料与介质输送管道壁面的直接接触,减少管道腐蚀发生概率:

并对其传热过程进行了详细分析,介绍了用于带空气隔层保温结构的传热量计算方法一试算法。

(2)以350℃饱和水蒸气、管道规格DN100乂6、空气隔层10mm为例,详细给出了传统保温结构和带空气隔层保温结构的保温层厚度及热损失计算过程,并得出在保温层厚度为130mm情况下,以传统保温结构散热量为比较基准,带空气隔层保温结构比传统保温结构单位面积热散失量减少13.58%。

(3)对比了饱和水蒸气在150~370℃范围内,传统保温结构与带空气隔层保温结构在相同保温层厚度情况下的单位面积热散失量,以及带空气隔层保温结构相对传统保温结构的节能率,计算结果表明,带空气隔层保温结构节能率为12.68%~26.31%。