管道总传热系数计算18

1管道总传热系数

管道总传热系数是热油管道设计和运行管理中的重要参数。在热油管道稳

态运行方案的工艺计算中，温降和压降的计算至关重要，而管道总传热系数是

影响温降计算的关键因素，同时它也通过温降影响压降的计算结果。

1.1 利用管道周围埋设介质热物性计算K 值

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：

（1-1）

1

112ln 111ln 22i i n e n w i L L D D D KD D D D ααλλ-+⎡⎤⎛⎫ ⎪⎢⎥⎝⎭=+++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦

∑式中：——总传热系数，W /(m 2·℃)；

K ——计算直径，m ；（对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于

e D 无保温埋地管路可取沥青层外径）；

——管道内直径，m ；

n D ——管道最外层直径，m ；

w D ——油流与管内壁放热系数，W/(m 2·℃)；

1α ——管外壁与周围介质的放热系数，W/(m 2·℃)；

2α ——第层相应的导热系数，W/(m·℃)；

i λi ，——管道第层的内外直径，m ，其中；

i D 1i D +i 1,2,3...i n =——结蜡后的管内径，m 。L D 为计算总传热系数，需分别计算内部放热系数、自管壁至管道最外径

K 1α的导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数。

2α（1）内部放热系数的确定

1α放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用与放热准数、自然

1αu N 对流准数和流体物理性质准数间的数学关系式来表示[47]。

r G r P 在层流状态（Re<2000），当时：

500Pr <⋅Gr

（1-2）

1 3.65y d

Nu αλ

=

=在层流状态（Re<2000），当时：

500Pr >⋅Gr

（1-3）

0.25

0.330.430.11Pr 0.15Re Pr Pr y y y y y b d Nu Gr αλ⎛⎫==⋅⋅

⎪⎝⎭

在激烈的紊流状态（Re>104），Pr<2500时：

（1-4）

0.25

0.80.441Pr 0.021Re Pr Pr y y y b d λα⎛⎫

=⋅⋅ ⎪

⎝⎭

在过渡区(2000

（1-5）25.043.00

1Pr Pr (

Pr

b

f f

f

d K ⋅λα＝式中：——放热准数，无因次；

u N ——流体物理性质准数，无因次；λ

ρ

υC =

Pr ——自然对流准数，无因次；

()υ

βw f t t g d Gr -=3——雷诺数；υ

πρ

d q vd

v

4Re =

=

——系数；

)(Re 0f f K =——管道内径，m ；

d ——重力加速度，＝9.81m/s 2；

g g ——定性温度下的流体运动粘度，m 2/s ；

υ——定性温度下的流体比热容，J/(kg·K)；

C ——流体体积流量，m 3/s ；

v q ——定性温度下的流体密度，kg/m 3；

ρ——定性温度下的流体体积膨胀系数，可查得，亦可按下式计算：

β

（1-6）

t

d

d

-+-=

20

4

204

5965634023101

β——定性温度下的流体导热系数，原油的导热系数约在0.1～0.16

f λf λW/(m ·K)间，随温度变化的关系可用下式表示：

（1-7）

153/)1054.01(137.0f t f t ρλ-⨯-=——l5℃时的原油密度，kg/m 3；

15f ρ——油(液)的平均温度，℃；

f t

——管内壁平均温度，℃；

b t ——20℃时原油的相对密度。20

4

d 注：上面各式中，参数角标f 表示以管内油(液)的平均温度为定性温度；

f t 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。钢管的导热系数约为45

g λW/(m·℃)，其热阻可忽略不计；煤焦油瓷漆防腐层导热系数约为1.1

f λW/(m·℃) ，黄夹克保温材料的导热系数约为0.04 W/(m·℃)。

b λ对于壁厚、外包厚煤焦油瓷漆防腐层的非保温热油管道，钢管及防腐

g δf δ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：

（1-8）

12

1

1

1i i K δαλα=

++∑其中：f

f

g g i i λδλδλδ+

≈∑对于保温管道，保温层的热阻起决定影响。故对于壁厚、外包厚保温

g δb δ材料的保温热油管道：

（1-9）1ln (22)/(2)ln(/)22n b g n g i i i

b D D D D δδδλλ+⎡⎤+++⎣⎦≈

∑ (3) 外部放热系数的确定

2α在原油长输管道内，液体的流动状态绝大部分是紊流状态，出现层流状态

极少。因此，在热力计算中，确定值将主要使用公式(1-1)。在公式(1-1)中

K 关键的参数是与管道周围许多因素有关的，对于埋地敷设管道：

2α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：

（1-10）

()

i e i

s B D B 0212αλα+=

（1-11）

s

ta i C

B λα=

（1-12）

2)2(e t D h C -= （1-13）

]1)2(2ln[

2000-+=e

e D h

D h α