管道总传热系数计算

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

112ln 1

1

1

ln

2

2i i

n e

n

w

i

L L

D D D KD D D D （1-1）

式中：K ——总传热系数，W /(m 2·℃)；

e D ——计算直径，m ；（对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于无

保温埋地管路可取沥青层外径）；

n D ——管道内直径，m ； w D ——管道最外层直径，m ；

1α——油流与管内壁放热系数，W/(m 2·℃)； 2α——管外壁与周围介质的放热系数，W/(m 2·℃)； i λ——第i 层相应的导热系数，W/(m·℃)；

i D ，1i D ——管道第i 层的内外直径，m ，其中1,2,3...i n ；

L D ——结蜡后的管内径，m 。

为计算总传热系数K ，需分别计算内部放热系数1α、自管壁至管道最外径的导热热阻、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1α的确定

放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用1α与放热准数u N 、自然对流准数r G 和流体物理性质准数r P 间的数学关系式来表示[47]。

在层流状态（Re<2000），当Pr 500Gr <时：

1

3.65y

d

Nu （1-2）

在层流状态（Re<2000），当Pr 500Gr >时：

0.25

0.330.430.11

Pr 0.15Re Pr Pr y y

y

y y b

d

Nu Gr （1-3）

在激烈的紊流状态（Re>104），Pr<2500时：

0.25

0.80.44

1

Pr 0.021Re Pr Pr y y y

b

d

（1-4）

在过渡区(2000

（1-5）

式中：u N ——放热准数，无因次；

——流体物理性质准数，无因次；

——自然对流准数，无因次； ——雷诺数；

0(Re )f K f =——系数；

d ——管道内径，m ；

g ——重力加速度，g ＝9.81m/s 2；

υ——定性温度下的流体运动粘度，m 2/s ； C ——定性温度下的流体比热容，J/(kg·

K)； v q ——流体体积流量，m 3/s ；

ρ——定性温度下的流体密度，kg/m 3；

β——定性温度下的流体体积膨胀系数，可查得，亦可按下式计算：

（1-6）

f λ——定性温度下的流体导热系数，原油的导热系数f λ约在0.1～0.16

W/(m ·K)间，随温度变化的关系可用下式表示：

（1-7）

15f ρ——l5℃时的原油密度，kg/m 3

；

f t ——油(液)的平均温度，℃；

b t ——管内壁平均温度，℃；

204d ——20℃时原油的相对密度。

注：上面各式中，参数角标f 表示以管内油(液)的平均温度f t 为定性温度；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g λ约为45 W/(m·℃)，其热阻可忽略不计；煤焦油瓷漆防腐层导热系数f λ约为 1.1 W/(m·℃) ，黄夹克保温材料的导热系数b λ约为0.04 W/(m·℃)。

对于壁厚g δ、外包f δ厚煤焦油瓷漆防腐层的非保温热油管道，钢管及防腐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

2

11

1

i i

K

（1-8）

其中：

对于保温管道，保温层的热阻起决定影响。故对于壁厚g δ、外包b δ厚保温材料的保温热油管道：

1ln (2

2)/(2

)

ln(/)

22

n b

g n g

i i i

b

D D D D （1-9）

(3) 外部放热系数2α的确定

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K 值将主要使用公式(1-1)。在公式(1-1)中关键的参数是与管道周围许多因素有关的2α，对于埋地敷设管道：

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）

（1-11）

（1-12）

（1-13）

式中：s λ——土壤的导热系数，W/(m·℃)；

e D ——与土壤接触的管道外直径，m ；

ta α——土壤至地表空气间的放热系数，W/(m 2·℃)；

0h ——管道埋深(管中心至地表面)，m 。

该放热系数包括对流放热系数tac α和辐射放热系数taR α两部分。tac α和taR α分别用下式确定：

（1-14）

（1-15）

式中：a v ——地表面的平均风速，m/s ；

ε——土壤表面折算黑度；

R C ——辐射系数，可取5.7 W/(m 2·h 4)；

s t ——土壤表面温度，取当地一年中月平均的最低地面温度，℃； a t ——空气温度，取当地一年中月平均的最低空气温度，℃。

当管道理设深度大于2m 时，可采用下面的公式计算2α：

（1-16）

式中符号的意义同前。

从上述的公式中可以看出，确定出土壤导热系数是计算埋地管道2α的关键。土壤的导热系数与组成土壤固体物质的导热系数、土壤中固体物质颗粒大小的分布、土壤含水率、土壤状态等许多因素有关。用理论计算很难得到准确值，因此推荐采用理论计算与参考类似管道实测值相结合的方法。 （4）结蜡层厚度计算

在计入原油蜡结晶析出的潜热后，长为d x 的微元管道上，热油管道的热量平衡关系式（1-1）可简化为[48]：

1

01ln

n

e

L

D KD b b D （1-19）