管道总传热系数算

管道总传热系数算

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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 111ln 22i i n e n w i L L D D D KD D D D ααλλ-+⎡⎤⎛⎫ ⎪⎢⎥⎝⎭=+++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦∑ （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500Pr <⋅Gr 时：

1 3.65y d Nu αλ

=

= （1-2） 在层流状态（Re<2000），当500Pr >⋅Gr 时： 0.250.330.430.11Pr 0.15Re Pr Pr y y y y y b d Nu Gr αλ⎛⎫==⋅⋅ ⎪⎝⎭ （1-3）

在激烈的紊流状态（Re>104），Pr<2500时：

0.250.80.441Pr 0.021Re Pr Pr y y y b d λα⎛⎫=⋅⋅ ⎪⎝⎭ （1-4）

在过渡区(2000

25.043.001)Pr Pr (Pr b f

f f d K ⋅λα＝ （1-5）

式中：u N ——放热准数，无因次；

λρυC =

Pr ——流体物理性质准数，无因次； ()

υ

βw f t t g d Gr -=3——自然对流准数，无因次； υ

πρd q vd v 4Re ==——雷诺数； )(Re 0f f K =——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： t d d -+-=2042045965634023101

β （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：

15

3/)1054.01(137.0f t f t ρλ-⨯-= （1-7）

15

f 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：

121

11i i K δαλα=++∑ （1-8） 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g δ、外包b δ厚保温

材料的保温热油管道：

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

b D D D D δδδλλ+⎡⎤+++⎣⎦≈∑ （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：

()i e i s B D B 0212αλα+=

（1-10） s

ta i C B λα= （1-11） 2)2(e t D h C -= （1-12）

]1)2(2ln[2000-+=e

e D h D h α （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 ；