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        低流量及低熱容氣體高溫管道的散熱分析

        2021-04-27 13:38:48聶玲麗
        化工設(shè)計(jì) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:工藝

        聶玲麗

        惠生工程(中國(guó))有限公司 上海 201210

        在化工裝置中,由于高溫介質(zhì)在輸送過(guò)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(guò)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(guò)程中的熱量散失,會(huì)給工藝生產(chǎn)帶來(lái)以下幾個(gè)問(wèn)題:①管道及其組成件在生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(guò)改變高溫介質(zhì)流量、管道長(zhǎng)度、管道直徑、保溫材料類(lèi)型和保溫厚度,分別計(jì)算管道熱損失,通過(guò)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(zhǎng)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(wú)法滿(mǎn)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(zhǎng)度、管道直徑、保溫材料類(lèi)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(mǎn)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(jiàn)圖1。

        圖1 熱量傳遞模型圖(符號(hào)說(shuō)明詳見(jiàn)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(jiàn)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(zhǎng)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(shuō)明詳見(jiàn)文末)

        3 計(jì)算結(jié)果

        通過(guò)調(diào)整高溫介質(zhì)流量、管道長(zhǎng)度、管道直徑、保溫材料類(lèi)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(jiàn)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(lái)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(guò)介質(zhì)溫降來(lái)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(mǎn)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(mǎn)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(zhǎng)度對(duì)散熱的影響

        管道長(zhǎng)度對(duì)散熱的影響見(jiàn)表3和圖3。

        表3 管道長(zhǎng)度對(duì)散熱的影響

        圖3 管道長(zhǎng)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(zhǎng)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(xiàn)性正比關(guān)系。隨著高溫管道長(zhǎng)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(zhǎng)度由原來(lái)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(lái)的119.7℃降低為31.9℃,管道長(zhǎng)度減少80%,溫降減少73.4%。因此,在滿(mǎn)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(zhǎng)度可顯著減少管道熱損失,能更有效的滿(mǎn)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(jiàn)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(mǎn)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(jiàn)表5和圖5。

        可以看出,保溫材料類(lèi)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(mǎn)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(jiàn)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(lái)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(yǔ)

        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(guò)調(diào)整高溫介質(zhì)流量、管道長(zhǎng)度、管道直徑、保溫材料類(lèi)型和保溫厚度五個(gè)方面,分別計(jì)算管道熱損失,經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(guò)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(mǎn)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(wú)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(mǎn)足要求。

        符號(hào)說(shuō)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(zhǎng)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。

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