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，由于高溫介質在輸送過程中與環境存在溫差，介質中的熱量會向環境中傳遞，從而導致高溫介質沿管道輸送過程中熱量的散失，進而導致溫度降低。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。高溫氣體介質流量越小或熱容越低，溫降越明顯。

高溫介質輸送過程中的熱量散失，會給工藝生產帶來以下幾個問題：①管道及其組成件在生產過程中的熱量損失，使生產工藝操作溫度條件發生偏離，影響正常生產工藝，不利于工藝系統的穩定運行；②輸送過程中介質的溫度降低，造成能耗增加等。因此化工裝置中設備和管道的保溫設計是關系化工企業優化工藝、穩定操作、安全生產、提高生產能力和節能增效的重要環節。

為了工藝生產的正常運行，需要對高溫管道的熱傳遞進行分析計算，分析管道熱損失的關鍵影響因素，針對影響因素提出優化方案。

本文結合實際工程案例，采用HYSYS進行建模，通過改變高溫介質流量、管道長度、管道直徑、保溫材料類型和保溫厚度，分別計算管道熱損失，通過計算結果分析管道散熱的關鍵影響因素，針對各因素提出相應的改善方案。

1 案例概況

本案例為高溫氮氣熱再生氣管道，初始設計條件為：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。裝置常年運行，所在地區年平均風速為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，計算顯示再生氣沿管道熱損失較為嚴重，溫度降低較快。當再生氣到達操作設備時溫度已無法滿足再生工藝要求。

基于以上情況，本文對高溫介質流量、管道長度、管道直徑、保溫材料類型和保溫厚度進行分析，并進行保溫設計優化，以期滿足工藝需求。

2 基本理論與基本公式

高溫介質與環境之間存在三種傳熱方式：對流傳熱(強制對流和自然對流傳熱)、輻射傳熱和熱傳導，熱量傳遞模型見圖1。

圖1 熱量傳遞模型圖(符號說明詳見文末)

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

介質與金屬內壁之間的強制對流傳熱系數：

Nui=0.023Re0.8Pr0.3

(1)[1]

αci=Nuiki/Di

(2)[1]

介質與金屬壁之間的輻射傳熱系數：

(3)[2]

介質與金屬壁之間總傳熱系數：

αsi=αci+αri≈αci

(4)

保溫層與環境空氣之間的強制對流傳熱系數：

Nuo=coRemoPr1/3

(5)[1]

αco=Nuoko/D1

(6)[1]

式中系數Co及mo與Re之間的關系見表1。

表1 co及mo與Re之間的關系

保溫層與環境空氣之間的輻射傳熱系數：

(7)[2]

保溫層與環境空氣之間總傳熱系數：

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]

(符號說明詳見文末)

3 計算結果

通過調整高溫介質流量、管道長度、管道直徑、保溫材料類型和保溫厚度，利用HYSYS進行模擬，計算結果如下。

3.1 介質流量對散熱的影響

介質流量對散熱的影響見表2和圖2。

可以看出，對于低流量及低熱容氣相高溫管道，介質流量對介質溫降影響比較明顯。其它條件相同時，當高溫介質流量較小時，介質溫降較大。當提高管道中高溫介質流量時，介質沿管道的溫降將得到明顯改善。在初始設計時，高溫介質流量為120 kg/h，此時介質終點溫度為125.3℃。當將高溫介質流量提高至原來的4倍時，介質終點溫度增加至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，雖然介質流量的增加提高了內膜傳熱系數，但是對總傳熱系數影響很小，管道散熱量基本一定，只能通過介質溫降來彌補管道散熱總量。氣體介質流量越小，溫降越明顯，當提高介質流量時，溫降將從本質上得到改善。因此，在滿足管道系統水力學及工藝要求條件下，盡可能增加高溫介質流量可有效減少管道或者設備內介質的溫降，有利于維持工藝操作溫度，滿足工藝對溫度的要求。

表2 再生氣流量對散熱的影響

圖2 工藝介質流量與介質終點溫度、溫降、總傳熱系數及總散熱量關系圖

3.2 管道長度對散熱的影響

管道長度對散熱的影響見表3和圖3。

表3 管道長度對散熱的影響

圖3 管道長度與介質終點溫度、溫降、總傳熱系數及總散熱量關系圖

表3及圖3表明，管道長度對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。如計算結果所示，當高溫管道總長度由原來的50m減少到10m時，介質終點溫度由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，實現工藝性能。

3.3 管道直徑對散熱的影響

管道直徑對散熱的影響見表4和圖4。

表4 管道直徑對散熱的影響

圖4 管道直徑與介質終點溫度、溫降、總傳熱系數及總散熱量關系圖

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

3.4 保溫材料對散熱的影響

保溫材料對散熱的影響見表5和圖5。

可以看出，保溫材料類型對低流量及低熱容氣體高溫管道的保溫效果有直接的影響。隨著保溫材料導熱系數的降低，總傳熱系數降低，管道的保溫效果增加，管道系統散熱量減少，總溫降減小。本案例初始設計采用的保溫材料為膨脹珍珠棉，導熱系數為0.099W/(m·K)，此條件下，介質溫度沿管道由初始的245℃降為125.3℃。當選用導熱系數較小的保溫材料時，如選用導熱系數為0.02W/(m·K)的氣凝膠時，保溫材料導熱系數減小約80%，總傳熱系數相應降為約22%。其它條件相同時，此時管道終端溫度為210.1℃，總溫降將減少70.8%。因此，在經濟條件許可的條件下，選擇導熱系數較小的保溫材料能有效減少管道系統的熱量散失，進而減少高溫介質的溫降，從而更好的滿足工藝生產對溫度的要求。

表5 保溫材料導熱系數對散熱的影響

圖5 保溫材料導熱系數與介質終點溫度、溫降、總傳熱系數及總散熱量關系圖

3.5 保溫厚度對散熱的影響

保溫厚度對散熱的影響見表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降低，介質溫降減少。如當保溫材料厚度增加一倍時，管道系統的總溫降將減少22.0%，介質終點溫度由原來的125.3℃增加至151.7℃。因此，實際生產中，適當增加保溫材料的厚度可降低管道系統熱損失。

表6 保溫厚度對散熱的影響

圖6 保溫厚度與介質終點溫度、溫降、總傳熱系數及總散熱量關系圖

4 結語

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致的溫度降低比較明顯。通過調整高溫介質流量、管道長度、管道直徑、保溫材料類型和保溫厚度五個方面，分別計算管道熱損失，經過分析可以從以下幾個方面優化其保溫設計：

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

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

(3)在滿足水力學要求條件下，適當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，降低保溫材料的導熱系數，可有效降低管道系統的熱量散失，減少高溫介質溫降。

(5)在滿足經濟條件下，適當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，同時將再生氣加熱器就近再生設備布置，有效減少了介質沿管道的熱量散失，從而使溫度滿足再生要求。

在實際生產中，可結合實際情況，針對影響管道系統的散熱因素進行分析，找出關鍵因素，結合經濟條件，針對關鍵因素進行改善，考慮現場布置和實際工藝要求等選擇最優的方案，從而保證工藝生產的穩定進行。

若以上措施均無法達到工藝對溫度的要求，需考慮對低流量高溫管道進行熱補償，如：采用蒸汽伴熱、導熱油伴熱及電伴熱等方式，保證工藝操作溫度滿足要求。

符號說明

δA管壁厚度，m；

δB保溫層厚度，m；

Tm介質溫度，℃；

Ti管壁內側溫度，℃；

To管壁外側溫度，℃；

Ta環境溫度，℃；

Ts保溫層外表面溫度，℃；

Do管道外徑，m；

Di管道內徑，m；

Dl保溫層外徑，D1=D0+2δ，m；

ε 黑度；

ki管內側流體的熱導率，W/(m·℃)；

ko保溫層外側流體的熱導率，W/(m·℃)；

λA金屬的導熱系數，W/(m·℃)；

λB保溫材料的導熱系數，W/(m·℃)；

L 管道長度，m；

Cp介質比熱容，J/(kg·℃)；

ρ 介質密度，kg/m3。

u 介質流速；m/s

μ 介質粘度，Pa·s；

Re 雷諾數，Re=Duρ/μ；

Pr 普朗特數，Pr=Cpμ/k；

Nu 努賽爾數，Nu=αD/k；

M 介質流量，kg/h。