Transcript 第四章油品加热系统 - 兰州石化职业技术学院精品课程网站

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兰州石化职业技术学院
油库工艺与设备
第四章油品加热与热力管道计算
主要内容
第一节油品加热与保温的目的及方法
第二节油品加热温度的确定
第三节油罐管式加热器的设计
第四节铁路油罐车的加热计算
第五节输油管路的伴随加热
第六节蒸汽管路的计算
第七节油罐及管路的保温
2
第一节油品加热和保温的目的及方法
1.油品加热的目的：
降粘,提高流动性，降低摩阻，加快装卸速度；促进原
油破乳；
脱水沉降杂质，加速调和，滑油净化再生；
燃料油预热等。
2.油罐及管线保温的目的：
经济目的：减小热损失，降低能耗。
生产目的：方便操作，减少事故发生。
3
加热方法

油罐（车）加热方法
蒸汽直接加热法
蒸汽间接加热法
热水垫层加热法
热油循环加热法
电加热法（电阻加热、感应加热、红外加热等）

油管线加热方法
蒸汽伴随加热法（内伴随、外伴随）
电加热法（直接加热、间接加热、感应加热）
4
第二节油品加热温度的确定
加热起始温度tys
（即冷却过程的终了温度）
加热终了温度tyz
（即冷却过程的起始温度）
5
根据能量平衡可推导出加热起始温度：
油品冷却放出的热量
=油罐向周围介质的散热量
 dQ1=-Gcdt
 dQ2=K∑Fi(t-tj）dτ
 dQ1=dQ2
 -Gcdt= K∑Fi(t-tj）dτ


进行积分
6
加热起始温度的确定
式中：
t ys  t j  t yz  t j e

K
 Fi 
Gc
tys：油品加热起始温度，
tyz：油品加热终了温度
tj：油罐周围介质温度
K：从油品到油罐周围介质的总传热系数
∑Fi：油罐总散热面积
τ：冷却时间
G：油罐内油品总质量
c：油品比热容
7
周围介质温度

地上固定顶油罐
tj 

地上卧罐
ttu  4  1t qi
2  4
t j  tqi
埋地油罐 t j  ttu
tj=年最冷月土壤平均温度

式中：
ttu：最冷月地表平均温
度；
tqi：最冷月油罐周围大
气的平均温度；
φ：油罐的高度和直径的
比值
8
假设条件：




在冷却过程中，油温处处均匀一致；
在整个冷却过程中，油品中无蜡析出；
在整个冷却过程中，油罐的总传热系数为常数；
在整个冷却过程中，油品的比热容为常数。
9
加热终了温度的确定
根据下列因素确定加热终了温度：
 油品性质
 作业性质
 地区及气温
 节约能源
 安全因素
 如果为了输转，加热终温一般可高于凝固点 10～15℃；
 为了防止突沸冒罐，含有水分的油罐其加热终温不应超过
95℃。
11
§4.3油罐加热器的结构和计算
一、油罐管式加热器的种类

按布置形式分
全面加热器：均匀布置在罐内距罐底不高的整个水平
位置。应用于短时间内要从油罐中发出大量油品。
局部加热器：布置在罐内收发油管附近，应用于粘
5 2
度不高（50℃时，粘度小于 7 10 m / s ），但不含
冷至凝固点温度以下的油品，一次收发油量不多的油
品。
§4.3油罐加热器的结构和计算
按结构形式分
分段式加热器：
（1）由¢15～50mm无缝钢管焊接而成，每段管长度小于500mm，以并联、串
联组成一组，组数偶数，对称布置，在收发油管的两侧，每组有独立的
进出口。
（2）安装有一定的坡度
h=iL0+h0
i---坡度，大罐取1/150 ～1/75，小罐取1/75 ～1/50。
L0—分段管组长度
h0—冷水管出口高度，h0=01 ～0.2m
优点：分段管组长度不大，摩阻较小，因此可在较低的蒸汽压力
下工作，可降低入口管的高度，减少加热死角。
蛇管式加热器：
用15～50mm无缝钢管焊接而成，为了安装和维修方便，设置少量法
兰连接，使用导向卡箍，支架具有不同高度，使蛇管沿着蒸汽流动方向
保持一定坡度，需压力高。
局部加热器
 某些为了保证物料输送而需较高储存温度的油罐，由于
其经常性的热能损耗较大，因此 运行费用也大大提高；
若采用降低油品储存温度的方法，可大大减少能耗。
 为了保证物料的 正常输送，可在输送前进入局部加热器
(或集中加热)加热升温，使其升至要求的输送温度。 局
部加热器(集中加热)应布置在罐内出口管管口附近。
局部加热器形式
第三节油罐管式加热器的设计
二、全面加热器的加热面积的计算
Q
F
 1.1 ~ 1.2 
 t1  t2

K0 
 ty 
 2

式中：
F：加热器加热面积，m2；
Q：单位时间内加热器向油品提供的热量，W；
K0：蒸汽通过加热器对油品的总传热系数，；
t1：蒸汽在加热器进口处的温度，℃；
t2：蒸汽在加热器出口处的温度，℃；
ty：加热过程中罐内油品的平均温度，℃。
16
§4.3油罐加热器的结构和计算
关于t1和t2


加热器入口是饱和蒸汽，出口是饱和水，又忽略加热管
中的压降，则有：t2= t1
加热器进口为饱和蒸汽，出口为过冷水，则加热器的加
热面积为：
Q
F
K0  t1  t y 
式中：

为过冷系数
§4.3油罐加热器的结构和计算
罐内油品平均温度 t y
t yz  t j
t ys  t j
t yz  t j
t ys  t j
 2,
时
 2, 时
ty 
t yz  t ys
2
t yz  t ys
ty  t j 
t yz  t j
ln
t ys  t j
§4.3油罐加热器的结构和计算
蒸汽通过加热器对油品的总传热系数K0的计算
K0d 
1
n
di 1
1
1
1

ln

1d1 i 1 2i di  2 d n1
圆筒壁传热
式中：
1：蒸汽对加热管内壁的换热系数( 内部放热系数) ，w/ m2 .C；
d1：( i =1、2. . . . , n) 管子内径，水垢、油污等各层的直径，m；
i：加热管、水垢、油污等的导热系数，w/ m2 .C；
 2：加热器最外层到油品的换热系数( 外部放热系数) ，w/ m2 .C；
d：加热器管外径，m；
§4.3油罐加热器的结构和计算
内部放热系数a1按紊流状态下强制运动放热公式计算：
d
a
N    0.0266Re Pr
1
0.806
1/3
努谢尔特准则
u
c
Pr 
 普朗特准则。反应流体的物理性质
Re 

vd

雷诺准则。反应粘滞性流体的流态
蒸汽导热系数。可从水蒸气物理参数表查取
若考虑相变
1.21
a1  1.163(3400  100V ) l
3
式中：v —加热器进口处的蒸汽速度，一般等于10- 30m/ s;
l —蒸汽从加热器进口至出口所经过的管子长度，
—蒸汽从加热器进口至出口所经过的管子长度， m；
由以上两式计算a1值较大，di与di 1之间差别不大
k
0

1
1/ a2  R
在进行粗略计算时，k0=0.6a2
a2  
 (Pr.Pr)
d
r
n
§4.3油罐加热器的结构和计算
式中：，n —系数，决定于Gr，Pr值，见表4- 7;
d—加热器管子外径，
—加热器管子外径，m；
 y —油品在定性温度下的导热系数w / m.C;


15
y
y

117.5

15
(1  0.00054l )
y
—15C时油品的密度，Kg/ m3 ;
T —油品的定性温度，
C；
§4.3油罐加热器的结构和计算
油品的定性温度取油品平均温度ty和加热器管子外壁温度
的算术平均值，管子外壁温度可先假设。
ad
Nu  努谢尔特准则。反应对流换热的强度

Vd
雷诺方程。反应粘滞性流体强制运动的流态
Re 

g  t d
格拉晓夫准则。流体自然对流的强度
Gr 

 cp
普朗特准则。反应流体的物理性质
Pr 

3
§4.3油罐加热器的结构和计算
式中：
v —流体的流速，m/ s；
g —重力加速度，g =9. 81m/s 2；
  定性温度下流体的运动粘度，m 2 / s；
c —定性温度下流体的比热容，J/Kg.C；
 —定性温度下流体的导热系数，w/m 2 .C；
—定性温度下流体的密度，Kg/m3 ;
t—流体的平均温度与放热壁面温度的差，
C；
—定性温度下流体的膨胀系数，
C 1；
d —决定性尺寸，
—决定性尺寸，m；
§4.3油罐加热器的结构和计算
内部放热时为内径，外部放热时为外径。
定性温度取决于对流换热过程中流体的运动形式，受迫运动的对流换
热，定性温度取流体的温度，自然对流换热，定性温度取流体和换热
壁面的平均值。
比热容c值可从表4-9查得或按下式计算（kJ/kg. ℃）
c
4.1868
d
3
(0.403  0.810 10 t)
15
c  2.018  0.06322(t  100)
式中：d15—油品15℃的相对密度；
t—油品定性温度，℃。
§4.3油罐加热器的结构和计算
单位时间内加热器向油品提供的热量Q的计算
加热器向油品提供的总热量Q包括：
Q1  Gct yz  t ys 
油品升温所需的热量
Næ
融化蜡结晶所需的热量
Q2 
G
100
通过油罐散失于周围介质中的热量


总热量
Q3   Fi K t y  t j 
式中：
Q
1

Q1  Q2   Q3
æ：蜡的溶解潜热
K：油品至油罐周围介质的
总传热系数
τ：油品加热时间
26
§4.3油罐加热器的结构和计算
K的计算
K
Kbi Fbi  Kding Fding  Kdi Fdi
Fdi 
Fbi  Fding  Fdi

4
D2
Fbi   DH
Fding  1   DH  罐顶面积
其中  为油罐的装满系数
27
§4.3油罐加热器的结构和计算
(1)罐壁传热系数K bi
K bi 

a 
1
1bi
1
1

a 2bi  a 3bi
bi
bi
式中：
a 1bi  油品至油罐内壁的内部放热系数，W / m .C;
2
w
 bi  罐壁的导热系数，
 bi  罐壁的厚度，m;
m
.C;
a 2bi  罐壁至周围介质的外部放热系数，w
a 3bi  罐壁至周围介质的辐射放热系数，w
m
2
.C;
m
2
.C;
§4.3油罐加热器的结构和计算
 (Gr.Pr) 油品内部放热系数
a  
h

罐壁至周围介质的外部放热系数
a  c
Re
D
式中：
  空气的导热系数（从表4- 21查）w m .C;
n
y
1bi
qi
n
2bi
2
qi
D  油罐直径，m；
VD
Re  雷诺数，Re=
；

qi
v qi  风速，按最冷月平均风速计算，m/s；
 qi  空气粘度，
m /s；
2
c.n  系数，见表4- 13；
§4.3油罐加热器的结构和计算
罐壁至周围介质的辐射放热系数
t
bi  273  t qi  273
(
) (
)
100
100


a c
t t
式中：
c  黑体的辐射系数c  5.76w/ m .k
4
4
3bi
0
bi
qi
2
0
0
  罐壁黑度，表4-14;
t bi  罐壁平均温度，
C;
t qi  最冷月空气平均温度，
C;
§4.3油罐加热器的结构和计算
罐壁平均温度t bi，它可根据热平衡方程式用试算法求得：
a 1bi
（t y  t bi）=k（
 t qi）
bi t y
先假设 t bi值进行试算，求出a 1bi和k bi，再将t bi、
a 1bi、k bi值
代入上式进行验算，如果两边相等或满足
 t bi 
k （t  t ）- t
a
bi
y
1bi
bi
y
 1C则t bi满足要求。
§4.3油罐加热器的结构和计算
§4.3油罐加热器的结构和计算
（2）罐顶的传热系数 K ding
1
K ding 
1
a
1ding
  0   i 

c

i
1
a 2ding  a 3ding
w
式中：

从油面至气体空间的内部放热系数，
a 1ding
 c  罐内油面上气体空间厚度，m；
m
2
.C；
 c  罐内气体空间中的油气与空气混合物的相当热传导系数
（把有限空间的放热过程当作热传导来处理），w
m
2
.C；
§4.3油罐加热器的结构和计算

  顶板，污垢等的热阻总和， 表示各层厚度，m；

 - 表示各层的导热系数，w / m.C;
a
 从罐顶至周围介质的外部放热系数，w
.C；
m
i
i
i
i
2
2ding
a 3ding  从罐顶至周围介质的辐射放热系数，w
m
2
.C；
从油面至罐内气体空间的内部放热系数a 1ding难于准确计算，
可以从表4- 15数值中确定。
§4.3油罐加热器的结构和计算

c
  k
式中：  油品蒸汽与空气混合气体的导热系数，w / m.C；
 k  对流常数；
 k  （
C Gr.
n
Pr）；
a , a 按a  a 计算，t 改为t 。t
2ding
3ding
2bi
3bi
bi
温度和罐外大气温度的平均值。
ding
可近似的取罐内气体空间
ding
§4.3油罐加热器的结构和计算
（3）罐底的传热系数 K di
1
K di 
 
a

1
1di
di

di
D
8 tu
式中：
a 1di  从油品至罐底的放热系数，W
m
2
.C；
  i  罐底热阻之和，
 i表示油泥沉积物、底板等各层厚度，m；

i
 i表示相应层的导热系数，w / m.C;
 tu  土壤导热系数（表4- 18）w / m.C;
D  油罐直径，m。
a
可按4  29式计算，h改为直径D。并把所求的结果降低30%。
1di
§4.3油罐加热器的结构和计算
计算加热器步骤

Ft
1.求 t 
F
t
t
2.求 t 
t t
t
t

t t
i
j
j

i
yz
j
ys
j
y
yz
j
ys
j
t
tu
 (4  1) t qi
2  4
 2时t y 
>2时t y 
3.假设油罐壁温 t bi
1
4.求定性温度：
t 
( t bi 
2
t
y
)
t
ys
 t yz
2
t
yz
t
ln
t
 t ys
yz
ys
tj
tj
 t j
5.求定性温度下油品参数：
1密度：
d 4  d 4  a(t-15)Kg / m
t
15
 2 粘度：

 t 
20
e
3导热系数：
 y 
  (t  20)
3
m / s
117.5

15
2
 t  000054t w / m.C
y
 4 热容：
c  2.018  0.000322(t  100)KJ / Kg.C
 (t
h
6.求Gr=
3

Pr 
 c

y
2
 t)
注意单位KJ  J
r
 (Gr.Pr)
7.求a  
h
y
1bi
n
第四章 油品加热与热力管道计算
8.求Re=
VD


c


qi
: 查表4  12
qi
a 2bi
qi
D
Re 查表4  13，得c,n值
n
9.已知 黑度值，辐射系数c 0  5.67w / m .k
2
t
bi  273  t qi  273
(
) (
)
100
100
a   c
t t
4
3bi
4
0
bi
10.求K biK bi 
1
a
 t bi 
4
k （t
a
bi
y
1bi

qi


1
bi
bi

1
a 2bi  a 3bi
忽略
 t bi）- t y <1C
1bi
如果小于1，假设壁温合适，否则返回到第三步。


bi
bi
第四章 油品加热与热力管道计算
12.求K dingK ding 
1
    
a

 a
1
0
i
1ding
c
i
1
13.求K diK di 
D



a
 8
K F K F
K
F
14.求KK 
F
15.求Q Q  KF( t  t )
1
di
1di
bi
bi
di
ding
ding
i
3
3
y
1

2ding a 3ding
j
tu
di
di
§4.3 油罐加热器的结构和计算
N
16.求Q Q 
G
2
2
100
17.求Q Q  Gc( t yz  t ys)c定性温度下热容
1
1
1
18.求Q Q= (Q  Q )  Q
1
2
3
2
1
19.假设加热器的壁温，定性温度t  ( t y  t bi )
2
t
20.求定性温度下的 t，
d 4，c，
y
21.求Gr和Pr
得出，n值
§4.3 油罐加热器的结构和计算
 (Gr.Pr)
22.求a  
d
y
n
2
23.求k 0 
24. t y 
1
1 a2  R
k （t
a
0
z
 t y）- t bi <1C
2
如果小于1，则合适，否则返回到19步。
25.F=
Q
 t y）
k（
0 tz
26.L=
F
D
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.3油罐加热器的结构和计算
1.例4  2
大气平均温度为  4C，地面温度为0C
没有凝结石蜡，
72h，从5C升至30C。
2.地上保温立式油罐总传热系数
k bi 


bao
bao
罐顶不保温，罐底不保温，K求法同
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.3油罐加热器的结构和计算
3直接埋土非金属油罐K值
K bi 
 
a

1
1bi
K ding 
1
a
K di 
1ding



bi
1
H 
 2

bi
1
0

c
 
a

1di
di
di
tu
'
D

8

i
i

tu
  1
 a
1
1

tu
tu
1
a
'
tu
§4.3油罐加热器的结构和计算
4.地上卧式油罐总传热系数K
同地上不同保温油罐K bi计算
5. 地下卧式油罐总传热系数K
1
K 
1
1

i
 
a
1bi
 a
i
2tu
a 2tu指油罐表通过土壤至大气的外部放热系数，W
m
2
它可采用地下埋管经土壤向大气放热公式计算：
a 2tu 
2 tu
2


'
'
H   tu / a tu  1
 H   tu / a tu
Dm  2(
)  4(
) 
D


D
.C
四、蛇管式加热器分段长度的计算


F
L
 nl
D
加热器总长
蛇管式加热器分段长度
D C P  P
l 3
2
H g
2
1
2
2

iZ  i N 




K
t

t
 0 Z y 
2
式中：
D：加热器管外径，m；
C=0.00005m-1；
P1：加热器进口蒸汽压力，Pa；
P2：加热器出口蒸汽和冷凝水压力，Pa；
tZ：饱和蒸汽温度，℃；
λH：汽水混合物的摩阻系数。
45
分段式加热器计算
 它是由几根平行管组成分段，蒸汽的压降较小，一般
不易出现冷凝水过冷。
 分段的长度，可参照上述蛇管每节长度的计算方法，
但此时几根平行管中蒸汽的质量流量总和才是分段的
蒸汽质量流量G，分段的总管长等于各平行管长度之和。
 以上介绍的是根据水力和热力计算来确定不发生冷凝
水过冷情况下的加热器每节的最大管长和加热器的分
节数，但实际上加热器究竟分成几节，还应考虑到方
便加热作业的需要。
三、蒸汽耗量的计算
Q
GZ 
iZ  i N
式中：
GZ：加热器蒸汽耗量，kg/s；
Q：加热所需总热量，W；
iZ：加热器进口处干饱和蒸汽的热焓值，J/kg；
iN：加热器出口处饱和冷凝水的热焓值，J/kg；
47
第四节 铁路油罐车的加热计算
 采用带蒸汽加热套的罐车（G12型和G17型）输送原油和其
它高粘度油品。
 蒸汽加热套在油罐车的下半部，把Pg≤0.3MPa的蒸汽通入
蒸汽套，不需要等罐车中的全部油品升温到卸车温度就可
以卸车。
 具有卸车速度快、罐车中留存的残油少等优点。
 缺点：热效率不够高，有许多热量经蒸汽套外壁散失于大
气中。
蒸汽加热套设计计算内容
确定加热时间
确定蒸汽耗量
49
q1
Næ
Q1  Gc t yz  t ys   G
100
Q1
Q3
q2
Q1为油品升温及溶解蜡结晶所需要的热量,J；
Q3为单位时间内蒸汽通过加热套传递给油品的热量，W;
q1为通过油罐车上表面散失于周围大气中的热量，J；
q2为通过加热套散失于周围大气中的热量，J；
50
油罐车加热时间
Q1  q1

Q3
t z  tn
K 3 F3 (
 ty )
2
Q3
加热一辆油罐车所需要的蒸汽量

Q1  q1  q2
Q
G

iZ  iN  iZ  iN 
51
第五节输油管路的伴随加热
内、外伴随的含义
伴随管管径和根数的确定
热力计算：蒸汽温度的确定
伴随管路敷设的要求
52
§4.5输油管路的外伴随加热
 对于油库中流量较小或间歇输油而不放空的粘油和易
凝油管路，为防止油品在管路中凝结或在输油过程中
过于增大粘度，常采用蒸汽管线外伴随加热。
 外伴随加热做法：蒸汽管与输油管用保温材料包扎在
一起。
 特点：施工方便、使用可靠、便于检修；热效低。
 要点：水平敷设的输油管，蒸汽伴随管设置在下部，
伴热管流向与油品方向相反，垂直敷设时，伴热管由
上而下流动，有利于排冷凝水。
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.5输油管路的外伴随加热
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.5输油管路的外伴随加热
一、蒸汽管的热平衡
单位长度上自蒸汽管经接触面F d至周围介质放出的热量为
q  k F (t  t )
经接触面F 至气体空间放出的热量
q  k F (t  t )
总热量
q  q q
d
d
d
z
j
c
c
z
e
c
c
z
d
c
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.5输油管路的外伴随加热
二、气体空间的热平衡
接触面Fe至周围介质放热为
q  k F (t  t )
接触面F 至周围介质放热为
q  k F (t  t )
e
e
e
e
j
b
b
e
y
b
b
气体空间放出的总热量等于它向周围介质和管道内油品所
放出的热量之和，也等于它吸收的热量：
q  q q
c
e
b
§4.5输油管路的外伴随加热
三、油管的热平衡
油品升温吸收的热量q
q  Gct
经F 散失的热量
q  k F (t  t )
因此
q  q q
y
a
a
a
a
b
j
y
y
a
y
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.5输油管路的外伴随加热
四、蒸汽温度t z，从t e入手
q
c

 k c Fc( t z  t e)
q
t t 
kF
q
t t 
kF
c
z
e
c
q
b

 k b Fb( t e  t y)
b
e
y
b
q
q

相加得：t  t 
kF kF
q
q

t t 
kF kF
又
q  q q  q q
b
c
y
z
b
b
c
c
b
c
y
z
c
c
e
c
b
b
x
b
a
q
e
c
b
§4.5输油管路的外伴随加热
q
b
 q q
y
a
q q
t  t 
(q  q  q ) 
kF
kF
这里 q 是主要问题，
t t
1
z
y
y
x
c
a
b
e
q
b
(1)
e
c
e
a
b
j
 k bFb( t e  t y)

q
kF
q
t t 
kF
te  ty 
b
b
q
a
 k a Fa ( t y  t j)

a
y
j
a
q
相加得：
t t 
kF
b
e
a
j
b
q

kF
b
a
a
b
a
§4.5输油管路的外伴随加热
而
q
q  k F (t  t )  t  t 
kF
q
q

)
q k F (
kF kF
q q
q
k F (

) 代入(1)式得
kF kF
e
e
e
e
e
j
e
j
e

b
e
e
a
e
b
b
a
y
e
a
a
a
e
b
b
a
a
e
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.5输油管路的外伴随加热

 q q
q
q
q
y
a
a
a
q  q 
 y


(

)
tz ty
kF
k cFc  x a e e k bFb k a Fa  k bFb
(  t j)  Gct k a Fa ( t y  t j) 
1 
k
a Fa t y
 ty 

)
Gct  k a Fa ( t y  t j)  k e Fe(
k cFc 
k bFb
k a Fa 
(  t j)  Gct
k
a Fa t y

1
kF
b
b
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.5输油管路的外伴随加热
整理得：
 k F k F .k F
k
F
k
F


)
t  t  (t  t )(
kF
kF
k F .k F
1
1
kF )
 Gct(


k F k F k F .k F
z
y
y
a
a
b
b
a
a
e
e
a
a
e
e
b
b
c
c
j
b
b
c
c
c
b
c
e
e
b
c
c
§4.5输油管路的外伴随加热
q  q q q q
 k F ( t  t )  k F ( t  t )  Gct  k F ( t  t )
q q q
)  Gct  k F ( t  t )

 k F (t  t )  k F (
kF kF
( t  t )  Gct k F ( t  t )
F
k
)

 k F (t  t )  k F (
kF
kF
 Gct  k F ( t  t )
z
d
d
a
y
e
d
z
e
e
j
a
j
e
a
y
d
d
z
a
d
z
a
a
j
y
b
a
a
a
a
a
y
y
j
b
j
y
a
a
j
e
e
j
a
b
b
d
j
y
e
e
j
a
a
a
§4.5输油管路的外伴随加热
.k F
k
F
整理得：q  ( t  t )(k F  k F 
)  ( t  t )k F
kF
 Gct(1  k F )
kF
a
z
y
j
a
a
e
a
e
e
z
b
e
e
b
b
e
b
j
d
d
§4.5输油管路的外伴随加热
油库中的热伴随，一般只考虑油品保温，很少加热
q  0
q q
 k F k F .k F
k
F
k
F
 t  t  ( t  t )(


)
kF
kF
k F .k F
.k F
k
F
)  ( t  t )k F
q  (t  t )(k F  k F 
kF
y
z
b
y
y
a
a
a
b
b
a
a
e
y
j
a
a
e
e
b
b
c
c
j
c
a
z
e
a
a
e
c
a
e
e
e
z
b
b
j
d
d
§4.5输油管路的外伴随加热
根据图几何关系求得：
F
a
F
b
F
c
F
F
d
e
=
360-
 (D+2
360

a
)

D
360
360-
=
D
360
=
=

360
 (D+2 b )
(D  d)
=2
4
当管路为地面敷设时
k
b

2

(D-d)
2
4
1
1
a
1


1

 a1  a 2
式中：
a 1  油品至管路内上臂的放热系数，W
m
2
.C；
§4.5输油管路的外伴随加热


 管壁和保温层的热阻之和。

a 2  保温层表面的外部放热系数。
a 3  保温层表面的辐射放热系数。
k b 
1
1
'

1
a a
1
'
2
式中：
a 2  保温层内的气体空间至油管壁的放热系数
'
a 1  油品内下壁至油品的放热系数，与a 1求法相同
'
只是方向相反的传热。
k d 
1

1


a2  a3
与油罐传热求法相同
§4.5输油管路的外伴随加热
ke 

a 
1
1
b
''
2
b
1

a2  a3
式中：
a 2与a 2相同，可从表4  23中查得
''



'
b
 保温层热阻
b
a 2  保温层对周围介质的外部放热系数
a 3  保温层外壁的辐射放热系数
设流水器长度
l=
G（i z - i n）
q
z
第六节蒸汽管路的计算
蒸汽管路的水力计算
蒸汽管路的热力计算
疏水器的选择
70
一、蒸汽管路的水力计算

管径的确定
式中：
4G Z
d
 Z v Z
d：蒸汽管内径，m；
GZ：蒸汽的质量流量，kg/s；
vZ：蒸汽的流速，m/s，pp.204表4-25
ρZ：蒸汽的密度，kg/m3；
ρZ1：蒸汽管起点处蒸汽的密度，kg/m3；
ρZ2：蒸汽管终点处蒸汽的密度，kg/m3；
71
管路压降计算
2
L计 vZ2
G
P  Pr  Pj  
 Z  0.81 Z L计 (Pa）
d 2g
d 5 Z
2
G
 0.64  108  5 Z L计 (mmH2O）
d Z
式中：λ：水力摩阻系数（阻力平方区）

蒸汽管：e=0.2mm；
冷凝水管：e=0.5mm
1
2e 

1
.
74

2
lg


d


2
L计：蒸汽管路计算长度，m；
GZ：蒸汽的质量流量
72
计算步骤
•已知PZ1(或PZ2）
•假设PZ2(或PZ1）
•计算  Z
•计算d
假设与计算结果不符
•计算ΔP
•计算出PZ2(或PZ1）
•结束
73
二、蒸汽管路的热力计算

蒸汽管路的热损失Q=1.25qL
式中：
q：单位管长上的热损失，
tZ：蒸汽的平均温度，
tZ  t j
tj：蒸汽管路周围介质温度，
q
对于地上管路，tj=最冷月大气平均温度
 R t  1 t  t 
Z
Z1
Z2
对于埋地管路及管沟敷设的管路，tj=最冷月土壤平均温度
2
∑R：蒸汽到管路周围介质的总热阻
L：蒸汽管路总长
1.25：考虑了支架、法兰、阀门等处的附加热损失。
74
蒸汽管路中的冷凝水量
G 
Q



式中：  为汽化潜热，J/kg
75
三、疏水器（阀）的选择
疏水器的作用
排水阻汽，提高蒸汽干度。
 疏水器的类型

机械型：利用蒸汽和冷凝水的密度差
恒温型：利用蒸汽和冷凝水的温度差
热动力型：利用蒸汽和冷凝水的热动力
学特性的差异
76
机械型也称浮子型
 原理：利用凝结水与蒸汽的密度差，通过凝结水液位变
化，使浮子升降带动阀瓣开启或关闭，达到阻汽排水目
的。
 特点：机械型疏水阀的过冷度小，不受工作压力和温度
变化的影响，有水即排，加热设备里不存水，能使加热
设备达到最佳换热效率。最大背压率为80%，工作质量
高，是生产工艺加热设备最理想的疏水阀。
 形式：自由浮球式、自由半浮球式、杠杆浮球式、倒吊
桶式等
热静力型疏水阀
 原理：利用蒸汽和凝结水的温差引起感温元件的变形或
膨胀带动阀芯启闭阀门。
 特点：过冷度比较大，一般过冷度为15度到40度，它能
利用凝结水中的一部分显热，阀前始终存有高温凝结水，
无蒸汽泄漏，节能效果显著。
 适用于：在蒸汽管道，伴热管线、小型加热设备，采暖
设备，温度要求不高的小型加热设备上，最理想的疏水
阀。
 热静力型疏水阀有膜盒式、波纹管式、双金属片式等。
热动力型疏水阀
 原理：相变原理，靠蒸汽和凝结水通过时的流速和体积变化
的不同的热力学原理，使阀片上下产生不同压差，驱动阀片
开关阀门。
 特点：因热动力式疏水阀的工作动力来源于蒸汽，所以蒸汽
浪费比较大。结构简单、体积小、耐水击、最大背为50%，
有噪音，阀片工作频繁，使用寿命短。
 热动力型疏水阀有热动力式（圆盘式）、脉冲式、孔板式
疏水器工作流程
锅炉
回水箱
加热器
Z3
P3
Z2
P2
P1
疏水器
锅炉房
80
疏水器选择依据：
工作压差：ΔP=P1-P2
设计排水量：
Gsh：疏水器的设计排水量；
P1：疏水器进口压力
P2：疏水器出口压力
G：计算求得的疏水器排量；
P2  9.81 103 Z  h  P3
即：蒸汽管路中的冷凝水
h：冷凝水管摩阻；
量；
K：排量倍率；
ΔZ：回水箱液面到疏水器出
口间的位差；
连续操作时，K取2~3；
P3：回水箱液面上的压力。
间歇操作时，K取3~4。
81
§4.6蒸汽管路的计算
疏水器选择依据：
工作压差：ΔP=P1-P2
设计排水量：
Q
G
Gsh  KG
r
P1：疏水器进口压力
P2：疏水器出口压力
P2  9.81103  Z  h  P3
Gsh：疏水器的设计排水量； h：冷凝水管摩阻；
G：计算求得的疏水器排量； ΔZ ：回水箱液面到疏水器
即：蒸汽管路中的冷凝水量； 出口间的位差；
P3：回水箱液面上的压力。
K：排量倍率；
连续操作时，K取2~3；
间歇操作时，K取3~4。
Gsh
1
d
4
A
P
疏水器的选择
查样本，满足在工作压差ΔP下，G样本≥Gsh
疏水器的工作压力小于等于疏水器允许最大承
压
选择疏水器时，注意不同类型疏水器的适用条
件
83
第七节油罐及管路的保温
保温管路的热损失率a
qb
a
q
式中:
qb：保温管路单位管长上的热损失，W/m
q：在同样外界条件下，不保温管路单位管长
上的热损失
84
§4.8 油罐和管路保温
一 什么情况下油罐和管线保温？
1在生产中，凡设备和管线内介质的温度要求维持恒定时，
保温。
2 为减少热能损失，介质温度>120℃，且热能需要利用者，
保温。
3为减少冷冻量损失，在冷冻量利用过程中，保冷。
4在输送易凝介质的管线，为防止介质温度降到凝固点以下
而冻结者应予保温，并考虑介质的凝固点高低，考虑是否伴
热。
5为了防止管线内输送的含水液化气因压力下降而产生的自
冷结冻现象堵塞管线应予保温。
6为减少介质由于日晒和外界温度升高而蒸发予保温。
7 为避免操作人员发生烫伤事故，当设备或管线温度高于
90℃，应予保温。
8 为改善操作条件，降低室温，室内的高温设备和管线应保
温。
§4.8 油罐和管路保温
二 对保温材料的要求
1 导热系数小，绝热性能好，在常温下λ<0.1kal/m.h℃
2密度小，机械性能（强度）高。
3物理化学性能稳定，不会因长期使用发生化学变化而腐
蚀管线和设备。
4应有较好的防湿防水性能，因为保温材料是靠内部空隙
中的空气来达到保温的目的。若因为含水，其导热系数猛
增。水的导热系数是空气的24倍。
5价格低、施工方便，使用时间长，易于就地取材。
§4.8 油罐和管路保温
三管路保温层厚度对减少热损失的作用分析
1地面保温管线
同样条件下保温管路与不保温管路热损失的比值
可按下式计算

qb
 
q
式中：qb ——有保温层，单位管长的热损失，w / m ；
q ——无保温层，单位管长的热损失，w / m 。
§4.8 油罐和管路保温
t tj
qb 
Db
1
1
D
1
1

m 
m

1d 2 d 2b
D  2 Db
t tj
q
1
1
D
1

m 
1d 2
d 2 D
§4.8 油罐和管路保温
式中：t、t j —管内流体和管外介质温度，w/m2 C;
d、D、Db —管内径、外径。保温层外径，m；
1、2 —管路内部、外部放热系数w/ m2 .C;
qb
1
 

 2 D D  2 b
D
q
m

2b
D
D  2 b
1
1 D
由于、相对于2、 b要大得多，忽略
和 m 。
1d 2 d
§4.8 油罐和管路保温
单位管长的保温层体积为:

2
V
 D  2 b   D 2 
4

图4—12 P215 保温层体积与 关系分析可知：

（1） 值较小时，V 值急剧增加， 在0.2~0.5范围内

适宜；
b
（2）当  较大或D较小时，取较大的值比较经济；
2
（3）保温材料贵或不耐用，则希望 V 减小、 增大
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
2.地下保温管
对于地下不保温管路
2
2 tu

4h
Dm
D
对于地下保温管路
2
2tu

4h
Db m
D
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
1
1 D 1
4h
 ln 
ln
qb
1d 2 d 2tu D
 
Db
1
1 D 1
1
4h
q
 ln 
ln 
ln
1d 2 d 2b D 2tu Db


 4H  
 1 1 D  1 4h
1 Db
 ln  1      ln   ln  LN   
2b D
 1d 2 d  2tu  D
 Db  

4h





D
D
4h
4h
D
1


D  ln 4h 1     b  ln  4h   b   1    ln 4h   ln Db
ln  ln    ln

D
D
D D
D
D
 4h 
 Db 
 D
b

第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
代入上式
 1 1 D 1 
Db 1
Db 
4h
 ln   1      ln   1    ln   ln 
整理得：
D 2b
D
D
1d 2 d  2tu 

Db 
 e
D 

2 tu b
1d  tu b 
Db
Z
D
tu b
 D   tu b   4h 
 
 
d
D
1

b
tu  b




1

第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
图4—13分析得：
（1）当δ值较大时δ =0.7~.09，即z值变化很大，Db/D却变化很小，相反，
当δ值较小时，如δ =0.1~0.3时，z的微小变化都将引起Db/D较大变化。因
此选取过小的值往往造成保温层显著增厚，一般取δ ≧0.5。
（2）从保温管路的工作情况进行分析，土壤的导热系数可随季节变化很大。
保温材料的导热系数也随工作条件而变化。当、变化时，若选用较大的δ值，
对Db/D影响不大，反之若选用较小的δ值，λtu、λb变化， Db/D变化大，
使等式发生破坏。保温管路的工作状态不稳定，可能使油凝结。
若取δ =0.5，则
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
Db
Z
D
Db
e
D
1

Z
2 tu b
1d  tu b 
tu b
 D    tu b   4h 
 
 
d
D
D
对于薄壁管：
1
d
Db
e
D
2 tu b
1d  tu  b 
b
tu  b
b
 4h  tu  b


 D 
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
D  4h 
b   
2D
b
tu b
e
2 tu b

1d tu  b
D

2
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
四 根据最优经济条件决定保温层厚度
在确定保温层厚度时，应综合考虑保温层投资费用和每年管路的热能消耗
费用，使总费用最小，以地面管路为例说明这种保温层厚度计算方法。
设保温层投资a元/ m3，利率为i。则投资A为
A

D

4
2
b
D
2
 a 1  i 
每年提取的年金B为
n
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
A  B 1  i 
B 

N
D

4
2
b
n 1
 B 1  i 
1 i i

 a 1  i n 1
 
n
D
i 1  i 
n
2
1  i   1
 2
2
 B   Db  D  aN
4
n
n2
   B
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
如果单位管长热量损失为q b，年运行时间为h，热格为b。
则每年消耗的热能费用c为
C  bhqb
所以每年的总费用F为
F  BC 

4
2
2
D

D
 b  aN  bhqb
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
1
D
对于地面保温管路，1和较大，所以忽略热阻和
m
2 d
两项对q 2的影响。
t tj
 qb 
1
D
1
m 
2b d  Db  2
F 

4
 D  D  aN 
2
b
 t  t  bh
j
2
1
D
1
m 
2b d  Db  2
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
令
dF
dDb
0
 1
2b 
2b  t  t j  

2 
D

D
dF  Db
2 b 
 b


aN 
0
2
dDb
2
 Db 2b 

m

D
D

b 2 

第四章 油品加热与热力管道计算
§4.8 油罐和管路保温
整理得
b  t  t j  bh b
Db Db
m


2
D
aN
2
Db  D
b 
2
地上保温管路
1）保温管路的热损失率a应控制在0.2~0.5之间
2）保温管路管径D较小时，应取较大的a值
3）在选择保温材料时，λb越小越好
地下保温管路
一般对于地下保温管路取
（在设计时取0.5或0.6都可以）
a  0 .5
103
GOTONEXTCHAPTER
104
蒸汽直接加热法
蒸汽
105
蒸汽间接加热法
蒸汽
106
热水垫层加热法
蒸汽
107
热油循环加热法
108
内伴随：
109
外伴随：
110
112
115
116
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34.6
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East
2008
West
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