低流量及低热容气体高温管道的散热分析

聂玲丽

惠生工程(中国)有限公司 上海 201210

在化工装置中，由于高温介质在输送过程中与环境存在温差，介质中的热量会向环境中传递，从而导致高温介质沿管道输送过程中热量的散失，进而导致温度降低。管道热损失在低流量以及低热容气体高温管道中尤为明显。高温气体介质流量越小或热容越低，温降越明显。

高温介质输送过程中的热量散失，会给工艺生产带来以下几个问题：①管道及其组成件在生产过程中的热量损失，使生产工艺操作温度条件发生偏离，影响正常生产工艺，不利于工艺系统的稳定运行；②输送过程中介质的温度降低，造成能耗增加等。因此化工装置中设备和管道的保温设计是关系化工企业优化工艺、稳定操作、安全生产、提高生产能力和节能增效的重要环节。

为了工艺生产的正常运行，需要对高温管道的热传递进行分析计算，分析管道热损失的关键影响因素，针对影响因素提出优化方案。

本文结合实际工程案例，采用HYSYS进行建模，通过改变高温介质流量、管道长度、管道直径、保温材料类型和保温厚度，分别计算管道热损失，通过计算结果分析管道散热的关键影响因素，针对各因素提出相应的改善方案。

1 案例概况

本案例为高温氮气热再生气管道，初始设计条件为：高温再生气量为120 kg/h，再生气加热器出口温度为245℃。再生气管道材质为碳钢，管径为DN40，高温管道长度为50 m。保温材料为膨胀珍珠岩，保温厚度为40 mm。装置常年运行，所在地区年平均风速为5 m/s，年平均气温为27℃。

由于本案例中高温再生气流量较小，计算显示再生气沿管道热损失较为严重，温度降低较快。当再生气到达操作设备时温度已无法满足再生工艺要求。

基于以上情况，本文对高温介质流量、管道长度、管道直径、保温材料类型和保温厚度进行分析，并进行保温设计优化，以期满足工艺需求。

2 基本理论与基本公式

高温介质与环境之间存在三种传热方式：对流传热(强制对流和自然对流传热)、辐射传热和热传导，热量传递模型见图1。

图1 热量传递模型图(符号说明详见文末)

强制对流传热是由外力作用引起流体流动发生的传热，自然对流传热是由温差造成密度差别引起流体的流动发生的传热。由于该案例所在地区年平均风速为5 m/s，故强制对流传热存在于高温介质与金属内壁和保温层外表面与环境空气之间。高温介质与金属壁，保温层外表面与环境空气之间温差较小，辐射传热可以忽略。热传导发生在金属材料和保温材料层，由于金属是热的良导体，管壁导致的温降较小，管内壁温度近似等于外壁温度，因此热传导导致的温降主要存在于保温层。

介质与金属内壁之间的强制对流传热系数：

Nui=0.023Re0.8Pr0.3

(1)[1]

αci=Nuiki/Di

(2)[1]

介质与金属壁之间的辐射传热系数：

(3)[2]

介质与金属壁之间总传热系数：

αsi=αci+αri≈αci

(4)

保温层与环境空气之间的强制对流传热系数：

Nuo=coRemoPr1/3

(5)[1]

αco=Nuoko/D1

(6)[1]

式中系数Co及mo与Re之间的关系见表1。

表1 co及mo与Re之间的关系

保温层与环境空气之间的辐射传热系数：

(7)[2]

保温层与环境空气之间总传热系数：

αso=αco+αro≈αco

(8)

以每平方米保温层外表面积表示的热损失量：

(9)[3]

每米管道长度表示的热损失量：

q=πD1Q

(10)[2]

总散热量：

Q1=qL

(11)[2]

管道总温降：

DT=Q1/CpM

(12)[2]

(符号说明详见文末)

3 计算结果

通过调整高温介质流量、管道长度、管道直径、保温材料类型和保温厚度，利用HYSYS进行模拟，计算结果如下。

3.1 介质流量对散热的影响

介质流量对散热的影响见表2和图2。

可以看出，对于低流量及低热容气相高温管道，介质流量对介质温降影响比较明显。其它条件相同时，当高温介质流量较小时，介质温降较大。当提高管道中高温介质流量时，介质沿管道的温降将得到明显改善。在初始设计时，高温介质流量为120 kg/h，此时介质终点温度为125.3℃。当将高温介质流量提高至原来的4倍时，介质终点温度增加至204.8℃，温降减少了66.4%。这是由于在管道及保温一定的条件下，管道散热面积一定，虽然介质流量的增加提高了内膜传热系数，但是对总传热系数影响很小，管道散热量基本一定，只能通过介质温降来弥补管道散热总量。气体介质流量越小，温降越明显，当提高介质流量时，温降将从本质上得到改善。因此，在满足管道系统水力学及工艺要求条件下，尽可能增加高温介质流量可有效减少管道或者设备内介质的温降，有利于维持工艺操作温度，满足工艺对温度的要求。

表2 再生气流量对散热的影响

图2 工艺介质流量与介质终点温度、温降、总传热系数及总散热量关系图

3.2 管道长度对散热的影响

管道长度对散热的影响见表3和图3。

表3 管道长度对散热的影响

图3 管道长度与介质终点温度、温降、总传热系数及总散热量关系图

表3及图3表明，管道长度对低流量及低热容气体高温管道热损失影响较大，基本接近线性正比关系。随着高温管道长度的减小，管道总散热量将显著降低。如计算结果所示，当高温管道总长度由原来的50m减少到10m时，介质终点温度由125.3℃增加至213.1℃，管道总温降由原来的119.7℃降低为31.9℃，管道长度减少80%，温降减少73.4%。因此，在满足工艺布置要求的前提下，尽可能缩短高温介质输送管道的长度可显著减少管道热损失，能更有效的满足工艺要求，实现工艺性能。

3.3 管道直径对散热的影响

管道直径对散热的影响见表4和图4。

表4 管道直径对散热的影响

图4 管道直径与介质终点温度、温降、总传热系数及总散热量关系图

表4及图4表明，相同条件下，随着管道直径的增加，总传热系数降低，而传热面积增加，管道系统的热损失增大，温降增加。因此，一定流量的工艺介质在满足工艺管道水力学的要求下，适当缩小高温管道的管径可降低管道系统的热损失，减少总温降。

3.4 保温材料对散热的影响

保温材料对散热的影响见表5和图5。

可以看出，保温材料类型对低流量及低热容气体高温管道的保温效果有直接的影响。随着保温材料导热系数的降低，总传热系数降低，管道的保温效果增加，管道系统散热量减少，总温降减小。本案例初始设计采用的保温材料为膨胀珍珠棉，导热系数为0.099W/(m·K)，此条件下，介质温度沿管道由初始的245℃降为125.3℃。当选用导热系数较小的保温材料时，如选用导热系数为0.02W/(m·K)的气凝胶时，保温材料导热系数减小约80%，总传热系数相应降为约22%。其它条件相同时，此时管道终端温度为210.1℃，总温降将减少70.8%。因此，在经济条件许可的条件下，选择导热系数较小的保温材料能有效减少管道系统的热量散失，进而减少高温介质的温降，从而更好的满足工艺生产对温度的要求。

表5 保温材料导热系数对散热的影响

图5 保温材料导热系数与介质终点温度、温降、总传热系数及总散热量关系图

3.5 保温厚度对散热的影响

保温厚度对散热的影响见表6和图6。

可看出,相同条件下，随着保温材料厚度的增加，管道的总散热量及总传热系数降低，介质温降减少。如当保温材料厚度增加一倍时，管道系统的总温降将减少22.0%，介质终点温度由原来的125.3℃增加至151.7℃。因此，实际生产中，适当增加保温材料的厚度可降低管道系统热损失。

表6 保温厚度对散热的影响

图6 保温厚度与介质终点温度、温降、总传热系数及总散热量关系图

4 结语

综上所述，低流量及低热容量气体高温管道由于热量散失导致的温度降低比较明显。通过调整高温介质流量、管道长度、管道直径、保温材料类型和保温厚度五个方面，分别计算管道热损失，经过分析可以从以下几个方面优化其保温设计：

(1)在满足系统水力学及工艺要求的条件下，尽可能增加介质流量可从本质上减少低热容量介质温降，提高介质末端温度。

(2)在满足布置要求条件下，尽可能缩短高温介质输送管道可显著减少管道系统热损失，进而降低管道系统的温降。

(3)在满足水力学要求条件下，适当缩小管径可减少管道热量散失。

(4)选择保温效果较好的材料，降低保温材料的导热系数，可有效降低管道系统的热量散失，减少高温介质温降。

(5)在满足经济条件下，适当增加保温材料的厚度可减少管道热量散失。

本案例通过提高再生气流量，同时将再生气加热器就近再生设备布置，有效减少了介质沿管道的热量散失，从而使温度满足再生要求。

在实际生产中，可结合实际情况，针对影响管道系统的散热因素进行分析，找出关键因素，结合经济条件，针对关键因素进行改善，考虑现场布置和实际工艺要求等选择最优的方案，从而保证工艺生产的稳定进行。

若以上措施均无法达到工艺对温度的要求，需考虑对低流量高温管道进行热补偿，如：采用蒸汽伴热、导热油伴热及电伴热等方式，保证工艺操作温度满足要求。

符号说明

δA管壁厚度，m；

δB保温层厚度，m；

Tm介质温度，℃；

Ti管壁内侧温度，℃；

To管壁外侧温度，℃；

Ta环境温度，℃；

Ts保温层外表面温度，℃；

Do管道外径，m；

Di管道内径，m；

Dl保温层外径，D1=D0+2δ，m；

ε 黑度；

ki管内侧流体的热导率，W/(m·℃)；

ko保温层外侧流体的热导率，W/(m·℃)；

λA金属的导热系数，W/(m·℃)；

λB保温材料的导热系数，W/(m·℃)；

L 管道长度，m；

Cp介质比热容，J/(kg·℃)；

ρ 介质密度，kg/m3。

u 介质流速；m/s

μ 介质粘度，Pa·s；

Re 雷诺数，Re=Duρ/μ；

Pr 普朗特数，Pr=Cpμ/k；

Nu 努赛尔数，Nu=αD/k；

M 介质流量，kg/h。