油气集输用相变加热设备传热计算分析.pdf

第 3 8卷第 5 期 2 0 0 9年 9月 石油化工设备 P ETRC 卜 CHE M I CAL EQUI PMENT V0 1 ．3 8 No． 5 Se pt ． 2 00 9 文章 编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 0 9 0 5 0 0 4 6 0 4 油气集输用相变加热设备传热计算分析 苏海鹏 天津中油现代石油设备有 限公 司 ，天津3 0 1 7 1 2 摘要 以 目前在 油气集输 过程 中广泛应 用 的相 变加 热 设备 为 基 础 ， 重 点 分析 了常 用相 变加 热 设备 热传 递 的形式 和设计 计 算过程 中传 热计 算公 式 的应 用 ， 明确 了相 变加 热设备 设 计计 算的 方 法 ， 使 传 热计 算 更接 近 于设备 的 实际运 行 状 态 ， 提 高 了设 计 计算 的准 确性 。 关键 词 加热设备；相变；油气集输；传热计算 中图分 类号 T E 9 7 4 ． 2 文献 标 志码 A Pu bl i c Fun c t i on LBa s e ByVa l r A s Si n gl e， By Va l x As Si n gl e As Si n gl e LBa s e P I ／ 4* r 2*x x A 3 ／ 3 End Func t i o n Pub l i c Fun c t i on LBowAr e a By Va l r As S i n g l e， By Va l h As S i ng l e As Si ngl e L Bo wAr e a LB o w r ， 一 r h 一 LBo w r ， 一 r End Fun c t i on Pu bl i c Fu nc t i on LBo w By Va l r As Si n gl e， By Va l X As S i n g l e As S i n g l e L Bo w 一2* x ／ 2*S q r r2一 x 2 r 2 ／ 2 Ar c s i n x ／ r En d Fu nc t i o n Pu bl i c Fun c t i on Ar c s i n By Va l X As Si n gl e I f X一 1 Th e n Ar c s i n PI ／ 2 End I f I f X一 一1 Th e n Ar c s i n一 ～PI ／ 2 End I f I f x 1 And x 一 1 Th e n Ar e s i n At n x ／ S q r 一X*X 1 En d I f End FtU n c t j o n 2 ． 2 计算验证 以 D一1 0 0 0 mm、 L一3 0 0 0 mm 的标 准椭 圆封 头卧式容器为例进行计算 ， 在软件程序 中依次输入 1 0 0 mm， 2 0 0 mm， ⋯⋯， 1 0 0 0 mm等高度 ，计算结 果 见表 1 。 表 1 不 同液位高度时 的介质体 积 液位高度 介质体积 液位高度 介质体积 ／ mm ／ m。 ／ ram ／ m0 1 O 0 0 ． 1 3 2 0 0 0 6 0 0 1 ． 6 7 0 3 3 3 2 0 0 0． 3 6 8 2 9 O 7 0 0 1 ． 99 6 3 0 2 3 0 0 0 ． 6 6 O 9 6 2 8 0 0 2 ． 2 8 8 9 7 4 4 0 0 0 ． 9 8 6 93 1 9 0 0 2 ． 5 2 5 2 6 4 5 0 0 1 ． 3 2 8 6 3 2 1 00 0 2 ． 6 5 7 2 6 4 按文献E 4 ] ， 由液位高度 H 与容器 内直径 D 的 比值 ， 可 查 得 系 数 K， 计 算 得 出 H 一 5 0 0 mm 时 ， V一1 ． 3 2 8 IT I 。 ， 当 H一1 0 0 0 mm 时 ， V一2 ． 6 5 7 m。 ， 对 照表 1 可 见 软件计 算更 精确 快捷 。 3 结 语 由文中给 出的计算公式 以及计算程序 ， 可根据 液位高度值快速准确地计算 出不同形式封头 的卧式 容 器及球 形 储罐 内的介 质体 积 ， 方便 而有 效 地 提 高 工作效率。 参 考 文 献 [ 1 ] 罗祖帖． 容 器液位 标尺快 速标定 [ J ] ． 石 油化工 设备 ， 2 0 0 4 ， 3 3 2 5 8 5 9 ． [ 2 ] 同济大学数学教研室． 高等数 学[ M] ． 北京 高等教 育 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 刘瑞新 ， 李 树东 ， 万朝 阳． Vi s u a l b a s i c程序 设计 教程 F M] ． 北 京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 贺匡国． 化工容器及设备 简明设计手册 [ M] ． 北京 化学 工业 出 版 社 ， 1 9 8 9 ． 杜 编 收 稿 日期 2 0 0 9 - 0 4 1 4 作者简介 苏海鹏 1 9 7 8 一 ， 男 ， 陕西商州人 ， 工程师 ， 学 士 ， 长期从事锅 炉压力容器 、 油 田集输设备 的研发设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 苏海鹏 油气集输用相变加热设备传热计算分析 He a t Tr a n s f e r Ca l c u l a t i o n An a l y s i s o f Ph a s e Ch a ng e He a t i n g Ap p a r a t u s i n Oi l - g a s Ga t h e r i n g a n d Tr a n s p o r t a t i o n S U Ha i p e ng Ti a n j i n P e t r o Ch i n a Mo d e r n P e t r o l e u m Eq u i p me n t Co ．I ． t d ．，Ti a n j i n 3 0 1 7 1 2 ，Ch i n a A b s t r a c t Ba s e d n t he ph a s e c h a ng i n g he a t i n g e qu i p m e nt wi de l y us e d i n t he o i l g a s g a t h e r i n g a n d t r a ns po r t a t i o n， t he p a p e r f o c u s e s o n a n a l y z i ng t h e t y pe o f he a t t r a n s f e r a n d t he a p p l i c a t i o n o f he a t t r a n s f e r c a l c u1 a t i o n f o r mul a i n t h e de s i gn pr o c e s s ， a n d ma ke s t he de s i gn me t ho d d e f i n i t e ．I t ma ke s t h e he a t t r a n s f e r c a l c ul a t i o n c t o s e t o t he a c t u a 1 r u nn i ng c o nd i t i on o f t he e qu i p m e nt ， i m pr ov e s t he a c c u r a c y o f de s i gn c a l c u l a t i on， a nd p r o vi de s r e f e r e nc e f o r t he s i mi l a r p r o du c t s ． Ke y wor ds h e a t i ng e q ui pme n t ； p ha s e c ha n gi ng； oi l g a s ga t he r i n g a nd t r a ns p o r t a t i on； he a t t r a n s f e r c a l c { 1 】 at j 0 n 随着传热 理论 与技 术 的不 断 发展 和 进 步 ， 应用 相变换 热技 术 的加 热 设 备 特 别 是 真 空 相 变 加 热 设 备 ， 在油 气集输 加 热 中得 到 了广泛 的应 用 。此 类设 备的应 用有效 地解决 了传统 加热 炉使用 中存 在的缺 陷 。在丁程应 用 中 ， 不 同 的 流型 区 的 相变 传 热 速 率 及液膜换 热机 理不 同 ， 故 局部 冷 凝 传 热膜 系 数 亦应 有所不同。但各文献推荐的相变加热设备的传热计 算方法 及其 计算公式 不尽一 致 ] 。正确理 解相 变换 热的过 程原理 ， 结合 实际应 用 ， 选 择合适 的设计 计算 方法 与公式 ， 是 1 程技 术人 员在设 计 中关注 的 中心 。 笔者 以此 为 目的 ， 对相 变 加 热设 备 的设 计 传 热 计算 进行 分析和讨 论 。 在 相 变换 热 过程 中 ， 蒸 汽横 掠 水平 管 进行 凝结 放热 ， 冷凝 形 式有 膜 状 冷 凝 和 珠状 冷 凝 图 2 。 由 于珠状 冷凝 不能够 长久 维持 ， 因此 ， 在相变加 热设 备 的 l I 程应用 中 ， 蒸 汽 的冷凝 主要 是膜 状冷凝 。 蒸气空 间 a 膜状凝结 b 珠状 凝结 图 2 两 种 凝 结 方 式 1 相变加热设备的换热原理 2 影响膜状冷凝 的主要 因素 l l 程应用 I f 1 将相 变加热设 备壳 体分 成气 化空 间 和冷凝 相变空 间 ， 换 热器 布 置 于冷 凝 相 变 空 间。燃 料 在燃烧 室燃烧 加热 热媒水 。 从 而产生饱 和蒸 汽 ， 饱 和蒸汽上 升到相 变 空 间 时 。 与 低 于 饱 和温 度 的换 热 管 接触 ， 凝结放 相变 热 ， 将 热量通 过换 热管传 递给 管 内被加 热介 质 。冷凝 放 热后 ， 热媒 冷 凝 回气化 空 间 ， 循环 往复 的将 热量 传递 给换热 管 内被 加热介 质 。 换热 器 的换 热管 通常 采用水平 交叉排 列 和顺排 2种 排列 方式 图 1 ， 以交叉排 列最 为常用 。 { 5 ⋯ 1 I l立一 } { a 叉排 1 换热管排列方式 1 不凝 结气体 相 变 加 热设 备 在 工 程实 际应 用 中所 发生 的膜状 冷 凝 过 程十 分 复 杂 ， 如蒸 汽 中含 有不可 凝结 的气体 如空 气 ， 即使含 量极少 ， 也会对 凝 结换 热产 生十 分 有 害 的影 响 。试验 证 明 ， 水 蒸 气 中质量分 数 1 的空气 能 使 表 面传 热 系 数 降低 6 0 _ 2 】 。这是 因为 随着 蒸 汽 的凝 结 ， 在 靠 近 液 膜表 面的蒸 汽侧 的蒸汽 分压减 小而不 凝结 气体 的分压增 加 ， 蒸汽 在抵 达液膜 表面进 行换 热前 ， 必须 以扩散 的 方 式穿过 聚积 在界 面附近 的不凝 结气体 层 。不凝结 气体 层 的存在增 加 了穿越 的阻 力 ， 同 时蒸 汽 分 压下 降 ， 使 相 应的饱 和蒸 汽温度 下降 ， 减小 了凝 结 的温度 梯度 ， 也使凝结过程削弱 』 。这是真空相变加热炉 得 以广泛 应用 的主 要原 因 ， 同时 也 说 明加 热 炉运 行 时 的排空 及真 空的 实现非 常重要 。 2 凝 结表 面 的几 何形 状 相 变换热 过程 中 ， 由 于表面传 热 系数很 大 ， 冷凝 侧热 阻不 占主导 地位 ] 。 实践证 明采 用 强 化 换 热 措 施 可 以有 效 提 高传 热效 t 髓 蒸 、， b p r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 0 9 年第 3 8卷 率 。强化膜 状冷 凝换 热 的基本 原则 是尽 量减 薄粘 滞 在换 热表 面上 的液 膜层 厚度 ， 一 般 采 用 肋 片 管 比光 管 的表面传 热 系数 可 提 高 一个 数 量 级 ， 采 用 低 肋 片 管可 提高 2 ～4 倍 _ 2 j 。 3 换 热 管表面 的光 滑 程 度 冷 凝 液 膜 在 换 热 管表 面 的湿润 能力 取 决 于 换 热管 表 面 的光 滑 程 度 。 换热管表面光滑度越高 ， 冷凝液膜的湿润能力越弱 ， 其相 应 的液膜 层厚 度 就 越 薄 ， 因而 液 膜层 的导 热 热 阻就 越小 ， 传 热系 数 就越 大 ， 有利 于冷 凝 换 热 ， 相 反 则 不利 于换热 。因此 ， 换 热器 生 产 过 程 中换 热 管 的 保 管 、 防锈和 除锈 就显 得尤 为重要 。 4 换热 管 的布管 方 式 相 变 加 热设 备 中 内置 换热器中换热管 的布管方式对 膜状冷凝有 一定 的 影 响 。 3 传 热计 算 3 ． 1 管外冷凝传热 由于 在 工程 实 际 应用 的相 变加 热 设 备 中 ， 蒸 汽 的冷 凝主要 是 膜状冷 凝 。 因此 ， 为 保证凝 结 效果 ， 相 变加 热设备 的传 热计 算 只能 以膜状 冷凝 的相 关计 算 公式 作为 计算 的依 据l 2 ] 。 相变 换热 属 于对流 换热 ， 换热 器在 换热 过程 中 ， 饱 和蒸 汽是 通 过 自然 上 升 与 换 热 器 管 壁 进 行 接 触 的 。在 实际应 用 的相 变 加 热 设 备 中 ， 卧 式 冷凝 换 热 器在水平管外冷凝， 液膜沿管壁流动的路程不长 ， 流 速不大 ， 属 于层 流 范 畴L 1 ] 。因此 管 外 平 均 表 面传 热 系数 a 的计算 式 为_ 2 ] 0 ．7 2g L g r p 1 2 一 q n1 2 1 r 1 L 以 s 一 w 式中， r为蒸汽相 变潜热 ， 取蒸汽 饱 和温度下 的数 值 ， k J ／ k g 为 冷 凝 液 密 度 ， k g ／ m。 ； - 为 冷 凝 液 导 热 系数 ， w／ m ℃ ； 为冷凝 液 动力 粘度 ， P aS ； t 为冷 凝 液 饱 和 温 度 ， t 为 换 热 管 壁 温 ， o C； n为 水 平管束 在垂 直列 上 的个 数 ， 若 为 单 管 ， 一 1 ； d为 特 征长度 取 管外 径 ， m； g为 重力 加速度 ， m／ s 。 。 式 1 中其 他 物性均 取膜 层 平均 温 度 t 一 t t ／ 2为 定性 温度 j 。 式 1 由 Nu s s e l t 理 论分 析得 到 ， 它忽 略 了 液膜 层 过冷 度 的影 响 ， 同时 假 定液 膜 层 中温 度 呈 线 性 分 布 。实 践与 理论 分析 表 明 ， 对式 1 中 的 r 用 修 正 后 的 r 代替 就可 以克 服这些 影 响L 2 ] ／一r O ． 6 8 C ￡ 一t 2 式 中 ， c 为 比定压 热 容 ， J ／ k g ℃ 。 式 1 只适 用 于 单 管 的计 算 。 实 际上 相 变 加 热 炉换 热器 管通 常 由多 排 横 管 组 成 ， 在 实 际 计算 时 只 要 将 式 1 中 的 特 征 长 度 d 与 管 的 排 数 相 乘 即 可_ 2 ] 。另外 ， 蒸 汽在壳 侧 管束 间冷 凝时 ， 由于管束 的 不 规 则几何 形 状很 复 杂 ， 难 于准 确 推 算 冷凝 传 热 膜 系数 ， 因此 ， 水 平管 束 间 的平 均传 热膜 系数 应乘 以小 于 1的管束修正系数 ， 不同的管束形状的修正系数 可参 考文 献 [ 1 ] 。 3 ． 2 管 内对 流传热 3 ． 2 ． 1 流 态 分析 在 石 油 天然 气 集 输工 程 中 ， 被 加 热 介质 类 型较 多 ， 包括 污水 、 原 油 、 油 水 混 合 物 、 天 然 气 等 ] ， 介质 的物 性也 比较 复 杂 。被 加 热介 质在换 热 管 内一般都 处 于强制 对 流状 态 ， 介 质 在 管 内 的强 制 对 流 有 层 流 和 湍 流 2种 形 式 ， 其 分 界 点 的 临 界 雷 诺 数 R e 一 2 3 0 0 ， 雷诺 数 大 于 1 0 0 0 0后 为 湍流 区 ， 而 一般 认 为 2 3 0 0 R e 1 O 0 0 0的范 围是 过 渡 区 2 ] 。雷诺 数 按 以下公 式 中的 任一个 计算 Re f u d ／ v 3 R 一d u p ／ 4 式 3 ～式 4 中 ， U为 流体线 流 速 ， m／ s ； d为换 热管 定性 尺 寸 ， m； 为 运 动 粘 度 ， m ／ s ； 为 动 力 粘 度 ， P aS ； p为密度 ， k g ／ m。 ； 关 联 因子普 朗特 数为 P r f 一 C 5 式 中， c为 流 体 热 容 ， k J ／ K； 为 流 体 导 热 系 数 ， W ／ m K 。 3 ． 2 ． 2 管 内湍流强制对流换热 管 内湍 流强制 对 流换 热使用 比较广泛 的关联 式 为 D i s t t u s B o e l t e r 公式 _ 1 j N u f 一 0 ．2 3 Re f 。 ～Pr f 。 t 6 或 一。 ， 2 3 砉 ㈩ 式 6 ～式 7 中 ， Nu 为努 塞尔 数 ； 0 t 为 管 内湍流 强 制传 热系 数 ， w／ m K 式 6 ～式 7 适用 于流 体 与壁 面具 有 中等 以下 温差 的场合 ， 中等温差具体数值 视计算准确程度而 定 ， 一般 对气 体 不 超 过 5 O℃； 对 水 不 超 过 2 O ～ 3 0 o C； 对 于 1 ／ 1 2 ／ d 大 的油 类 不超 过 1 0 o Cl 2 ] 。 流体定性温 度 t 取介 质进 、 出口的算术平均值 ， 管 内径 d为特 征 长度 ， 应用 范 围为 雷诺 数 Re 一1 0 ～ 1 ． 2 1 0 ， 普 朗特 数 P r f 一0 ． 7 ～ 1 2 0 ， L ／ d ≥ 6 0 L 为 特征 长度 ， m _ 2 ] 。 式 6 ～式 7 比较适合于低粘度 ≤2 ， f 为管内流体运动粘度 ， 为管外流体运动粘度 流 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 苏海鹏 油气集输用相变加热设备传热计算分析 体的对流传热 ， 对于高粘度流体 ， 推荐使用下式 N “ f 一 0 ． 2 7 Re f 。 。 P r f 。 。 。 8 或 旷o ． z 亨 ” ㈩ 考虑 流体 在 管 内被 加热 过 程 中 由于流 速 、 温 度 场不 均匀性 的影 响 ， 计 算 时在式 6 ～ 式 9 的右 端 应乘 以温度 修正 因子 C _ l , 2 3 。 对 气 体 c 一 ≈1 ． 0 1 0 对液体 C t f ≈1 ． 0 5 1 1 ＼ w ， 式 1 0 ～式 1 1 中 ， 、 分别 为按 流体 平 均 温度 及 壁面温 度计算 的流 体 的动力 粘度 ， P a ． S ； T 、 T 分 别为按流体平均温度及壁面温度计算的流体的定性 温度 ， K。 如果 管 内介 质处 于过渡 流 区 ， 其传 热 系数 a 按 以下公式 计算 a 一口 2 1 6 1 0 ／ RP 1 2 3 ． 2 ． 3 管 内层 流 强制 对 流换 热 在实际lT程换热设备 中， 层流时 的换热常常处 于入 口段 。对 于 圆管 ， 均 匀 热 流 条件 下 的 Nu要 比 均匀壁 温条件 下 的 Nu高 1 9 。因此 ， 层 流 条件 下 热边界层 的影 响不能 忽略 j 。实 际工 程应 用 中推荐 使用 S i e d e r T a t e公式[ 引 N u f 1 ． 8 6 “ 。 “ 式 中， z 为计算 长度 ， m。 式 1 3 的定性温 度为 流体 平 均温 度 t 肚 按壁 温计算 ， 特征 长度 为 管 径 ， 应 用 范 围 R e 0 ． 4 8 ～ 1 6 7 0 o ／ 一 0 ． 0 o 4 4 ～ 9 ． 7 5 ， R e t P r f “ 。 f 丝 ≥ 2 ， 且管 子 处于 均 匀壁 温 。 、 w， 3 ． 3换热 器壁 温 换热 器 的壁温可 根据导 热速率 方程 或对流 传热 速 率方程式 计算 [ 4 _] 丁 一 T～ 口 R 1 ／ A1 1 4 t 一T 一b e／ A 1 5 t 一 t ～ 口 2 R 2 ／ A2 1 6 式 1 4 ～式 1 6 中 ， t 为热 流体 一侧 管 壁 的平 均温 度 ， t 为冷流体的平均温度， ℃； T为冷流体 的平均 温度 ， K； b 为 管壁厚 度 ， mm； A 、 A 、 A 分 别 为被 计 算 管 的 内层 、 外 层 、 中性 层 的换 热 面 积 ， I T I ； 为热 流量 ， W ； R R 分 别 为 管 内 壁 和 管外 壁 的 热 阻 ， m ℃ ／W 若预先知道 a 与 a ， 即可以应用上式求得 T 和 t 。否则 ， 要用试差法确定壁温 引。首先在 t 与 丁之间假设一壁温， 以便计算 a 、 a 以及传热系数 K。然后用 式 1 5 或 者式 1 7 验 证所 假定 的壁温 是 否 正确 。 3 ． 4总传热系数 总传 热系数 K 按 下式 计算 ] 1 一 导 1 7 K a 】 。 ‘ a 2 ⋯ 当壁 面 热 阻 b ／ a较 a 、 a 小 得 多 时 ， 则 b ／ a 可 以忽 略 ， 则 式 1 7 可写 为 K一去一毕 1 8 土 1十 { 21 C 2 当管壁较薄或管径较大时 ， 管外壁面积 、 内壁面 积 以及平 均 面积可 认 为 近似 相 等 ， 则 管壁 传 热 可近 似 当成 平壁计 算 。一 般 金属 壁 热 阻很 小 ， 可 忽 略不 计 ， 则 由式 1 7 和 式 1 8 可得 当 a z ， 则 ， 1 ≈ 1 ， K≈ ； 反 之 a ， 则 1≈ 1 ，K ≈ a z [ 2 ]。 显然 ， 如 a 与 a 相差 很 大 时 ， 总 热 阻绝 大 部分 集 中 在 a小 的 一侧 ， 即 a小 的 一侧 热 阻对 总 热 阻起 主要 作用 。在实 际应用 中 ， 应 充 分 考虑 金 属 和被 加 热介 质 的热 阻 ， 从 而使设 计计算 更接 近合 理 。 4 结 语 在 工程应 用 中根据不 同油气 田甚 至各集 输站场 的物性 数据 和设计 的详 细要 求 ， 合 理 选取 介 质 特性 参 数 ， 仍 然能够 满 足 设 备 的传 热 过程 计 算 。实践 证 明 ， 通 过上述计 算 过程 确 定 的设 计 参 数 以及 设 备结 构布置 ， 基本 满足 了设备在 集输 过程 中的换 热要求 。 油气集输系统工程 中的换热过程 比较复杂， 被加热 介质 的物 性 参数 也 难 于全 面考 虑嘲 ， 在设 计 计算 应 用 中应尽 可能 细化 设 计要 求 ， 有 效 提 高工 程 应用 的 合 理性与 准确性 ， 使 传 热计 算 更 接 近 于设 备 的实 际 运 行状 态 。 参考文献 [ 1 ] 钱颂文． 换热器设计手册[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 陶文铨 ， 杨世铭． 传热学 第 三版 [ M] ． 北京 中国高等教育 出 版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 油气 ff l 油气集输设计技术手册编写组． 油气 田油气集输设计技 术手册E M] ． 北京 石油工业出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 4 ] 李阳初 ， 王耀武． 石油化学 工程基础 [ M] ． 东 营 石油大学 出版 社 ， 1 9 9 6 ． 杜 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m