动力蒸汽管道温压损失的理论分析和模拟计算.pdf
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1、47第 43 卷第 5 期能 源 工 程动力蒸汽管道温压损失的理论分析和模拟计算袁野(华陆工程科技有限责任公司,陕西 西安 710065)摘要:针对工程设计中常见的蒸汽管道,首先根据理论分析,得到蒸汽管道的压降和温度损失的计算公式,然后在Aspen Plus 中进行严格模拟计算,对分析结果加以验证。结果表明理论分析和模拟计算结果比较吻合,在已知管道的基本信息后,可以据此计算出管道的温压损失,这对于工程设计具有较大的借鉴意义。关键词:动力蒸汽管道;温度损失;压降;理论分析;严格模拟中图分类号:TK28文献标识码:ADOI:10.16189/j.nygc.2023.05.007Theoretica
2、l analysis and simulation calculation of the temperature loss and pressure drop for power steam pipeYUAN Ye(Hualu Engineering&Technology Co.,Ltd,Xian 710065,China)Abstract:In this paper,the calculation equations for temperature loss and pressure drop are first obtained by theoretical analysis.Second
3、 the rigorous simulation is carried out to verify the results of the analysis.Results show the theoretical analysis is in agreement with the simulation calculation and the temperature loss and pressure drop for power steam pipe could be obtained based on the basic information of pipes,which provieds
4、 significant reference to engineering design.Key Words:power steam pipes;temperature loss;pressure drop;theoretical analysis;rigorous simulation收稿日期:2023-05-12作者简介:袁野(1990),男,陕西西安人,硕士,工程师,主要从事化工工艺设计工作。0引言在化工生产中,动力蒸汽管道是经常使用的管道,该管道具有温度和压力较高并且输送距离较长的特点,而在实际生产中,由于有压降和温度的损失(比如温度下降过多造成的蒸汽在管壁冷却成水),经常会出现输送的
5、蒸汽的压力或过热度不能满足下游用户要求的情况,所以控制动力蒸汽输送过程中的压降和温度降就显得尤为重要。虽然已经有不少文献1-3给出了计算的公式,但是却始终缺乏清晰和具有总结性的计算过程和结论,而且在计算时,压降相对容易计算,温度却因为需要查较多的参数并且过程较为复杂而让不少设计人员望而却步。计算结果也缺乏有效的验证。本文旨在通过总结明确的计算过程而让压降和温度降的计算变得更加容易和简洁。1管道压降的计算根据化工系统手册4,管道的摩擦压降计算公式为:(1)或(2)式中,Pf 压降,Pa;摩擦系数,无量纲;f 范宁摩擦系数;L 管长,m;Le 当量直管长,m;D 管道内径,m;VOL.43No.5
6、Oct.2023第 43 卷第 5 期2023 年 10 月能 源 工 程ENERGY ENGINEERING48VOL.43No.5袁野:动力蒸汽管道温压损失的理论分析和模拟计算u 流体平均流速,m/s;流体密度,kg/m3;雷诺数 Re 的定义为:(3)式中:介质黏度;摩擦系数 的计算:a).Re 2000 时 (4)b).2000 Re 4000 按湍流处理,或者(5)c).Re 4000 时,(6)式中:绝对粗糙度 表示管子内壁突出部分的平均高度,是相对粗糙度;如果有始、末点高度变化,则总的压降P=Pf+g(Z2 Z1)(7)式中:Z1、Z2 始、末点高度;g 重力加速度,取 9.81
7、m/s2。2管道的热损失和温度降计算管道的压降比较容易计算,但是热损失和温度降的计算就需要较多的参数和较为复杂的公式。根据设备和管道绝热工程设计规范5,圆筒型单层绝热结构的热损失量为:(8)q=D1Q (9)式中:Q 每平方米绝热层外表面的热损失,W/m2;q 每米绝热层外表面的热损失,W/m;D1 绝热层外径,m;D0 管道外径,m;k 绝热材料的导热系数,W/(mK);s 绝热材料和空气的总传热系数,W/(m2K);T0 管道的外壁温度,K;Ta 环境温度,K;其中,s=r+c(10)(11)(12)r 绝热材料和空气的辐射传热系数,W/(m2K);c 绝热材料和空气的对流传热系数,W/(
8、m2K);绝热材料的黑度;W 当地风速,m/s;Ts 绝热材料的外壁温度,K;(13)求出热损失量后,则温差为(14)其中,T 管道始末端温差,;G 质量流量,kg/h;Cp 比热容,kJ/(kgK);3工业动力蒸汽管道的压降和温度降计算某装置有一蒸汽管道,输送压力 3.8MPa、温度 380的过热蒸汽流去下游的压缩机,如图 1 所示。基本参数如表 1 所示。需要知道压缩机入口的温度和压力,则必须严格计算管道的压降和温度降。图 1 蒸汽管道示意图49第 43 卷第 5 期能 源 工 程表 1 蒸汽管道基本参数管径D/mm直管段长度L/m总当量长度L+Le/m质量流量W/(kgh-1)壁厚/mm
9、绝热层厚度d/mm标高变化(小于 0代表降低高度)H/m总管30090181.454910211.61500支管 12002138.02179007.8140-3支管 22002250.36216237.8140-33.1压降的计算根据式(1)至式(7),计算结果如表 2 所示,表 2压降计算结果总管支管 1支管 2流体速度 m/s14.3911.8114.27相对粗糙度/D 1.5E-042.3E-042.3E-04雷诺数 Re 2.46E+061.34E+061.60E+06流动形式湍流湍流湍流摩擦系数 0.0140.0150.015压降 P/KPa11.42.665.113.2热损失和温
10、度降的计算总管起点的内壁温度为 380,因为采用金属管道的热导率较高,而保温材料的热导率较低,管道的外壁温度接近于内壁温度。已知环境温度Ta=20,当地风速 W=2.7m/s。绝热材料采用硅酸铝纤维(黑度为 0.7),根据设备和管道绝热工程设计规范5,硅酸铝纤维热导率计算方程为:=0.044+0.00015Tm(15)其中,(16)由此可求出绝热材料的热导率。计算时,首先假设绝热材料壁温 Ts=28,根据第二节的公式(8)至式(14),得到热损失和温度降,最后根据式(13)核算绝热材料壁温,若核算的壁温和假设值相差小于 1,则证明假设正确。若大于 0.5,则重新调整 Ts,图 2 是具体的计算
11、框图。整个过程中需要输入的参数为:管道外壁温度 T0(对于常压的碳钢或者不锈钢管道,外壁温度可以近似取内部温度),环境温度 Ta、保温材料外壁温度 Ts(应该在外壁温度和环境温度之间,接近环境温度)、管道外径D0、保温材料外径D1(管道外径+保温层厚度2)、管道内径Di、当地风速、管道总长度 L、介质比热 Cp、介质质量流量 W,最后需要核算壁温。开始输入 T0,Ta,D1,Do,W 等,假设 Ts计算 Tm,c,r,s,Q 和 q计算T核算 TS调整 TS计算出口温度结束判断|TS-TS|0.5是否图 2温度降的计算框图 求出总管的出口温度,代入支管入口温度,同理求出支管出口温度,结果如表
12、3 所示,该表是在 EXCEL 中通过试差 Ts后实现的,表 3 中的第 3 行、第 9-14 行、第 18-20 行是在 EXCEL 中输入式(8)-(14)后,软件自动计算的,其他行是需要用户输入的。在本次案例中,如果第 4 行的TS初值和第 19 行的的差值小于 0.5,则认为TS的取值是合适的。表 3热损失和温度计算结果总管支管 1支管 21管道外壁温度 T0/380378.61378.612环境温度 Ta/2020203平均温度 Tm/200199.30199.304保温材料外壁温度 Ts/2828285保温材料外径 D1/m0.62390.49910.49916管道外径 D0/m0
13、.32390.21910.21917管道内径 Di/m0.30070.20350.20358当地风速 W/(ms-1)2.72.72.79保温材料热导率 k/(Wm-1K-1)0.0740.0730.07310空气热对流系数 c/(Wm-2K-1)11.0411.5311.5311空气热辐射系数 r/(Wm-2K-1)4.154.154.1512空气总传热系数 s/(Wm-2K-1)15.2015.6915.6913基于面积的热损失 Q/(Wm-2)127.24126.09126.0914基于长度的热损失 q/(Wm-1)249.27197.61197.6115管道总长度 L/m181.455
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