低流量及低熱容氣體高溫管道的散熱分析

聶玲麗

惠生工程(中國)有限公司 上海 201210

在化工裝置中，由于高溫介質(zhì)在輸送過程中與環(huán)境存在溫差，介質(zhì)中的熱量會(huì)向環(huán)境中傳遞，從而導(dǎo)致高溫介質(zhì)沿管道輸送過程中熱量的散失，進(jìn)而導(dǎo)致溫度降低。管道熱損失在低流量以及低熱容氣體高溫管道中尤為明顯。高溫氣體介質(zhì)流量越小或熱容越低，溫降越明顯。

高溫介質(zhì)輸送過程中的熱量散失，會(huì)給工藝生產(chǎn)帶來以下幾個(gè)問題：①管道及其組成件在生產(chǎn)過程中的熱量損失，使生產(chǎn)工藝操作溫度條件發(fā)生偏離，影響正常生產(chǎn)工藝，不利于工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；②輸送過程中介質(zhì)的溫度降低，造成能耗增加等。因此化工裝置中設(shè)備和管道的保溫設(shè)計(jì)是關(guān)系化工企業(yè)優(yōu)化工藝、穩(wěn)定操作、安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)能力和節(jié)能增效的重要環(huán)節(jié)。

為了工藝生產(chǎn)的正常運(yùn)行，需要對(duì)高溫管道的熱傳遞進(jìn)行分析計(jì)算，分析管道熱損失的關(guān)鍵影響因素，針對(duì)影響因素提出優(yōu)化方案。

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，采用HYSYS進(jìn)行建模，通過改變高溫介質(zhì)流量、管道長度、管道直徑、保溫材料類型和保溫厚度，分別計(jì)算管道熱損失，通過計(jì)算結(jié)果分析管道散熱的關(guān)鍵影響因素，針對(duì)各因素提出相應(yīng)的改善方案。

1 案例概況

本案例為高溫氮?dú)鉄嵩偕鷼夤艿?，初始設(shè)計(jì)條件為：高溫再生氣量為120 kg/h，再生氣加熱器出口溫度為245℃。再生氣管道材質(zhì)為碳鋼，管徑為DN40，高溫管道長度為50 m。保溫材料為膨脹珍珠巖，保溫厚度為40 mm。裝置常年運(yùn)行，所在地區(qū)年平均風(fēng)速為5 m/s，年平均氣溫為27℃。

由于本案例中高溫再生氣流量較小，計(jì)算顯示再生氣沿管道熱損失較為嚴(yán)重，溫度降低較快。當(dāng)再生氣到達(dá)操作設(shè)備時(shí)溫度已無法滿足再生工藝要求。

基于以上情況，本文對(duì)高溫介質(zhì)流量、管道長度、管道直徑、保溫材料類型和保溫厚度進(jìn)行分析，并進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)優(yōu)化，以期滿足工藝需求。

2 基本理論與基本公式

高溫介質(zhì)與環(huán)境之間存在三種傳熱方式：對(duì)流傳熱(強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流傳熱)、輻射傳熱和熱傳導(dǎo)，熱量傳遞模型見圖1。

圖1 熱量傳遞模型圖(符號(hào)說明詳見文末)

強(qiáng)制對(duì)流傳熱是由外力作用引起流體流動(dòng)發(fā)生的傳熱，自然對(duì)流傳熱是由溫差造成密度差別引起流體的流動(dòng)發(fā)生的傳熱。由于該案例所在地區(qū)年平均風(fēng)速為5 m/s，故強(qiáng)制對(duì)流傳熱存在于高溫介質(zhì)與金屬內(nèi)壁和保溫層外表面與環(huán)境空氣之間。高溫介質(zhì)與金屬壁，保溫層外表面與環(huán)境空氣之間溫差較小，輻射傳熱可以忽略。熱傳導(dǎo)發(fā)生在金屬材料和保溫材料層，由于金屬是熱的良導(dǎo)體，管壁導(dǎo)致的溫降較小，管內(nèi)壁溫度近似等于外壁溫度，因此熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的溫降主要存在于保溫層。

介質(zhì)與金屬內(nèi)壁之間的強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)：

Nui=0.023Re0.8Pr0.3

(1)[1]

αci=Nuiki/Di

(2)[1]

介質(zhì)與金屬壁之間的輻射傳熱系數(shù)：

(3)[2]

介質(zhì)與金屬壁之間總傳熱系數(shù)：

αsi=αci+αri≈αci

(4)

保溫層與環(huán)境空氣之間的強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)：

Nuo=coRemoPr1/3

(5)[1]

αco=Nuoko/D1

(6)[1]

式中系數(shù)Co及mo與Re之間的關(guān)系見表1。

表1 co及mo與Re之間的關(guān)系

保溫層與環(huán)境空氣之間的輻射傳熱系數(shù)：

(7)[2]

保溫層與環(huán)境空氣之間總傳熱系數(shù)：

αso=αco+αro≈αco

(8)

以每平方米保溫層外表面積表示的熱損失量：

(9)[3]

每米管道長度表示的熱損失量：

q=πD1Q

(10)[2]

總散熱量：

Q1=qL

(11)[2]

管道總溫降：

DT=Q1/CpM

(12)[2]

(符號(hào)說明詳見文末)

3 計(jì)算結(jié)果

通過調(diào)整高溫介質(zhì)流量、管道長度、管道直徑、保溫材料類型和保溫厚度，利用HYSYS進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果如下。

3.1 介質(zhì)流量對(duì)散熱的影響

介質(zhì)流量對(duì)散熱的影響見表2和圖2。

可以看出，對(duì)于低流量及低熱容氣相高溫管道，介質(zhì)流量對(duì)介質(zhì)溫降影響比較明顯。其它條件相同時(shí)，當(dāng)高溫介質(zhì)流量較小時(shí)，介質(zhì)溫降較大。當(dāng)提高管道中高溫介質(zhì)流量時(shí)，介質(zhì)沿管道的溫降將得到明顯改善。在初始設(shè)計(jì)時(shí)，高溫介質(zhì)流量為120 kg/h，此時(shí)介質(zhì)終點(diǎn)溫度為125.3℃。當(dāng)將高溫介質(zhì)流量提高至原來的4倍時(shí)，介質(zhì)終點(diǎn)溫度增加至204.8℃，溫降減少了66.4%。這是由于在管道及保溫一定的條件下，管道散熱面積一定，雖然介質(zhì)流量的增加提高了內(nèi)膜傳熱系數(shù)，但是對(duì)總傳熱系數(shù)影響很小，管道散熱量基本一定，只能通過介質(zhì)溫降來彌補(bǔ)管道散熱總量。氣體介質(zhì)流量越小，溫降越明顯，當(dāng)提高介質(zhì)流量時(shí)，溫降將從本質(zhì)上得到改善。因此，在滿足管道系統(tǒng)水力學(xué)及工藝要求條件下，盡可能增加高溫介質(zhì)流量可有效減少管道或者設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的溫降，有利于維持工藝操作溫度，滿足工藝對(duì)溫度的要求。

表2 再生氣流量對(duì)散熱的影響

圖2 工藝介質(zhì)流量與介質(zhì)終點(diǎn)溫度、溫降、總傳熱系數(shù)及總散熱量關(guān)系圖

3.2 管道長度對(duì)散熱的影響

管道長度對(duì)散熱的影響見表3和圖3。

表3 管道長度對(duì)散熱的影響

圖3 管道長度與介質(zhì)終點(diǎn)溫度、溫降、總傳熱系數(shù)及總散熱量關(guān)系圖

表3及圖3表明，管道長度對(duì)低流量及低熱容氣體高溫管道熱損失影響較大，基本接近線性正比關(guān)系。隨著高溫管道長度的減小，管道總散熱量將顯著降低。如計(jì)算結(jié)果所示，當(dāng)高溫管道總長度由原來的50m減少到10m時(shí)，介質(zhì)終點(diǎn)溫度由125.3℃增加至213.1℃，管道總溫降由原來的119.7℃降低為31.9℃，管道長度減少80%，溫降減少73.4%。因此，在滿足工藝布置要求的前提下，盡可能縮短高溫介質(zhì)輸送管道的長度可顯著減少管道熱損失，能更有效的滿足工藝要求，實(shí)現(xiàn)工藝性能。

3.3 管道直徑對(duì)散熱的影響

管道直徑對(duì)散熱的影響見表4和圖4。

表4 管道直徑對(duì)散熱的影響

圖4 管道直徑與介質(zhì)終點(diǎn)溫度、溫降、總傳熱系數(shù)及總散熱量關(guān)系圖

表4及圖4表明，相同條件下，隨著管道直徑的增加，總傳熱系數(shù)降低，而傳熱面積增加，管道系統(tǒng)的熱損失增大，溫降增加。因此，一定流量的工藝介質(zhì)在滿足工藝管道水力學(xué)的要求下，適當(dāng)縮小高溫管道的管徑可降低管道系統(tǒng)的熱損失，減少總溫降。

3.4 保溫材料對(duì)散熱的影響

保溫材料對(duì)散熱的影響見表5和圖5。

可以看出，保溫材料類型對(duì)低流量及低熱容氣體高溫管道的保溫效果有直接的影響。隨著保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的降低，總傳熱系數(shù)降低，管道的保溫效果增加，管道系統(tǒng)散熱量減少，總溫降減小。本案例初始設(shè)計(jì)采用的保溫材料為膨脹珍珠棉，導(dǎo)熱系數(shù)為0.099W/(m·K)，此條件下，介質(zhì)溫度沿管道由初始的245℃降為125.3℃。當(dāng)選用導(dǎo)熱系數(shù)較小的保溫材料時(shí)，如選用導(dǎo)熱系數(shù)為0.02W/(m·K)的氣凝膠時(shí)，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)減小約80%，總傳熱系數(shù)相應(yīng)降為約22%。其它條件相同時(shí)，此時(shí)管道終端溫度為210.1℃，總溫降將減少70.8%。因此，在經(jīng)濟(jì)條件許可的條件下，選擇導(dǎo)熱系數(shù)較小的保溫材料能有效減少管道系統(tǒng)的熱量散失，進(jìn)而減少高溫介質(zhì)的溫降，從而更好的滿足工藝生產(chǎn)對(duì)溫度的要求。

表5 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)散熱的影響

圖5 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與介質(zhì)終點(diǎn)溫度、溫降、總傳熱系數(shù)及總散熱量關(guān)系圖

3.5 保溫厚度對(duì)散熱的影響

保溫厚度對(duì)散熱的影響見表6和圖6。

可看出,相同條件下，隨著保溫材料厚度的增加，管道的總散熱量及總傳熱系數(shù)降低，介質(zhì)溫降減少。如當(dāng)保溫材料厚度增加一倍時(shí)，管道系統(tǒng)的總溫降將減少22.0%，介質(zhì)終點(diǎn)溫度由原來的125.3℃增加至151.7℃。因此，實(shí)際生產(chǎn)中，適當(dāng)增加保溫材料的厚度可降低管道系統(tǒng)熱損失。

表6 保溫厚度對(duì)散熱的影響

圖6 保溫厚度與介質(zhì)終點(diǎn)溫度、溫降、總傳熱系數(shù)及總散熱量關(guān)系圖

4 結(jié)語

綜上所述，低流量及低熱容量氣體高溫管道由于熱量散失導(dǎo)致的溫度降低比較明顯。通過調(diào)整高溫介質(zhì)流量、管道長度、管道直徑、保溫材料類型和保溫厚度五個(gè)方面，分別計(jì)算管道熱損失，經(jīng)過分析可以從以下幾個(gè)方面優(yōu)化其保溫設(shè)計(jì)：

(1)在滿足系統(tǒng)水力學(xué)及工藝要求的條件下，盡可能增加介質(zhì)流量可從本質(zhì)上減少低熱容量介質(zhì)溫降，提高介質(zhì)末端溫度。

(2)在滿足布置要求條件下，盡可能縮短高溫介質(zhì)輸送管道可顯著減少管道系統(tǒng)熱損失，進(jìn)而降低管道系統(tǒng)的溫降。

(3)在滿足水力學(xué)要求條件下，適當(dāng)縮小管徑可減少管道熱量散失。

(4)選擇保溫效果較好的材料，降低保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，可有效降低管道系統(tǒng)的熱量散失，減少高溫介質(zhì)溫降。

(5)在滿足經(jīng)濟(jì)條件下，適當(dāng)增加保溫材料的厚度可減少管道熱量散失。

本案例通過提高再生氣流量，同時(shí)將再生氣加熱器就近再生設(shè)備布置，有效減少了介質(zhì)沿管道的熱量散失，從而使溫度滿足再生要求。

在實(shí)際生產(chǎn)中，可結(jié)合實(shí)際情況，針對(duì)影響管道系統(tǒng)的散熱因素進(jìn)行分析，找出關(guān)鍵因素，結(jié)合經(jīng)濟(jì)條件，針對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行改善，考慮現(xiàn)場(chǎng)布置和實(shí)際工藝要求等選擇最優(yōu)的方案，從而保證工藝生產(chǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行。

若以上措施均無法達(dá)到工藝對(duì)溫度的要求，需考慮對(duì)低流量高溫管道進(jìn)行熱補(bǔ)償，如：采用蒸汽伴熱、導(dǎo)熱油伴熱及電伴熱等方式，保證工藝操作溫度滿足要求。

符號(hào)說明

δA管壁厚度，m；

δB保溫層厚度，m；

Tm介質(zhì)溫度，℃；

Ti管壁內(nèi)側(cè)溫度，℃；

To管壁外側(cè)溫度，℃；

Ta環(huán)境溫度，℃；

Ts保溫層外表面溫度，℃；

Do管道外徑，m；

Di管道內(nèi)徑，m；

Dl保溫層外徑，D1=D0+2δ，m；

ε 黑度；

ki管內(nèi)側(cè)流體的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；

ko保溫層外側(cè)流體的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；

λA金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

λB保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

L 管道長度，m；

Cp介質(zhì)比熱容，J/(kg·℃)；

ρ 介質(zhì)密度，kg/m3。

u 介質(zhì)流速；m/s

μ 介質(zhì)粘度，Pa·s；

Re 雷諾數(shù)，Re=Duρ/μ；

Pr 普朗特?cái)?shù)，Pr=Cpμ/k；

Nu 努賽爾數(shù)，Nu=αD/k；

M 介質(zhì)流量，kg/h。