管道总传热系数计算

1管道总传热系数

管道总传热系数就是热油管道设计与运行管理中得重要参数。在热油管道稳态运行方案得工艺计算中，温降与压降得计算至关重要，而管道总传热系数就是影响温降计算得关键因素，同时它也通过温降影响压降得计算结果。 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得热量，它表示油流至周围介质散热得强弱。当考虑结蜡层得热阻对管道散热得影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式： 1112ln 111ln 22i i n e n w i L L D D D KD D D D a a l l -+轾骣犏琪桫犏=+++犏犏犏臌å （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得平均值，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——管外壁与周围介质得放热系数，W/(m 2·℃)；

i λ——第i 层相应得导热系数，W/(m·℃)；

i D ，1i D +——管道第i 层得内外直径，m ，其中1,2,3...i n =；

L D ——结蜡后得管内径，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得

导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境得放热系数2α。（1）内部放热系数1α得确定

放热强度决定于原油得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 与流体物理性质准数r P 间得数学关系式来表示[47]。在层流状态（Re<2000），当Pr 500Gr

1 3.65y d Nu a l

=

= （1-2） 在层流状态（Re<2000），当Pr 500Gr >g 时： 0.250.330.430.11Pr 0.15Re Pr Pr y y y y y b d Nu Gr a l 骣琪==鬃琪桫

（1-3） 在激烈得紊流状态（Re>104），Pr<2500时： 0.250.80.441Pr 0.021Re Pr Pr y y y b d l a 骣琪=鬃琪桫 （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——定性温度下得流体运动粘度，m 2/s ；

C ——定性温度下得流体比热容，J/(kg·

K)； v q ——流体体积流量，m 3/s ；

ρ——定性温度下得流体密度，kg/m 3；

β——定性温度下得流体体积膨胀系数，可查得，亦可按下式计算：

（1-6）

f λ——定性温度下得流体导热系数，原油得导热系数f λ约在0、1～0、

16 W/(m ·K)间，随温度变化得关系可用下式表示：

（1-7）

15

f ρ——l5℃时得原油密度，kg/m 3；

f t ——油(液)得平均温度，℃；

b t ——管内壁平均温度，℃；

204d ——20℃时原油得相对密度。

注：上面各式中，参数角标f 表示以管内油(液)得平均温度f t 为定性温度；角标b 表示以管壁温度为定性温度。

（2）各处管壁导热得热阻

这部分热阻包括钢管、防腐层与保温层得热阻。钢管得导热系数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·℃) ，黄夹克保温材料得导热系数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得非保温热油管道，钢管及防腐

层对总传热系数得影响很小。如忽略内外径得差值，则总传热系数可近似按下式计算：12111i i K d a l a =++å （1-8） 其中：

对于保温管道，保温层得热阻起决定影响。故对于壁厚g δ、外包b δ厚保温

材料得保温热油管道：

1ln (22)/(2)ln(/)22n b g n g i i i b D D D D d d d l l +轾+++臌»å

（1-9） (3) 外部放热系数2α得确定

在原油长输管道内，液体得流动状态绝大部分就是紊流状态，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)中关键得参数就是与管道周围许多因素有关得2α，对于埋地敷设管道：当管道得埋设深度(管中心至地表面)小于2m 时，采用下面得公式计算：

（1-10）

（1-11）

（1-12）

（1-13）

式中：s λ——土壤得导热系数，W/(m·℃)；

e D ——与土壤接触得管道外直径，m ；

ta α——土壤至地表空气间得放热系数，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与辐射放热系数taR α两部分。

tac α与taR α分别用下式确定：

（1-14）

（1-15） 式中：a v ——地表面得平均风速，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得最低地面温度，℃；

a t ——空气温度，取当地一年中月平均得最低空气温度，℃。

当管道理设深度大于2m 时，可采用下面得公式计算2α：

（1-16）

式中符号得意义同前。

从上述得公式中可以瞧出，确定出土壤导热系数就是计算埋地管道2α得关键。土壤得导热系数与组成土壤固体物质得导热系数、土壤中固体物质颗粒大小得分布、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得方法。（4）结蜡层厚度计算

在计入原油蜡结晶析出得潜热后，长为d x 得微元管道上，热油管道得热量平衡关系式（1-1）可简化为[48]：

101ln n e L D KD b b D -轾骣=+犏琪犏桫臌 （1-19）