低溫排液管道氣封高度的計(jì)算

于明彬

[液化空氣(杭州)有限公司，浙江 杭州 310012]

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低溫排液管道氣封高度的計(jì)算

于明彬

[液化空氣(杭州)有限公司，浙江 杭州 310012]

通過理論分析，對(duì)低溫排液管道氣封高度的確定給出了計(jì)算方法，并選定計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，分析了影響液柱高度的因素，設(shè)計(jì)者可以參考該計(jì)算方法并結(jié)合確定的各種參數(shù)來確定氣封的高度，以免造成低溫管道跑冷結(jié)霜，降低設(shè)備的運(yùn)行效率，甚至危及設(shè)備的安全運(yùn)行。

低溫管道；排液；氣封

空分設(shè)備在檢修時(shí)需要將其設(shè)備或管道內(nèi)的低溫液體排掉并復(fù)熱到常溫，然后再進(jìn)行檢修。所以在設(shè)備或管道的低點(diǎn)要設(shè)置排液管道[1]，排液管道的設(shè)置一般是從主管引出后先垂直向上，然后再引向冷箱面板，出面板后加一個(gè)手動(dòng)閥門，需要排液時(shí)便打開該閥門，如圖1(a)所示，這樣的布置可以自然形成氣封，靠近面板處管道內(nèi)部以氣態(tài)存在，低溫液體只存在于遠(yuǎn)離面板的豎直管道內(nèi)。但有時(shí)為了閥門操作等原因，會(huì)使管道在出面板前向下走一段，如圖1(b)所示，此時(shí)更要確保低溫液體不能超過管道最高點(diǎn)，不然會(huì)形成熱管效應(yīng)，造成持續(xù)跑冷而導(dǎo)致管道結(jié)霜[2]。所以豎直管道段的高度設(shè)置非常關(guān)鍵，本文通過計(jì)算排液管道的溫度分布來確定液柱的位置，管道的布置應(yīng)該使低溫液體在各種工況下都不會(huì)超過管道最高點(diǎn)，從而形成有效的氣封，減少管道的跑冷，防止結(jié)霜。

圖1　排液管道布置示意圖

1　計(jì)算公式的建立與求解

以排液管道及其內(nèi)部介質(zhì)為整體研究對(duì)象，平衡態(tài)下管道的換熱由三部分組成，一是通過管壁的熱傳導(dǎo)，二是通過管道外表面與外界的熱對(duì)流，三是管道的熱輻射。熱輻射也是通過管道外表面進(jìn)行的，可以將其效應(yīng)和熱對(duì)流統(tǒng)一為復(fù)合表面換熱。為簡(jiǎn)化分析，作以下假設(shè)：1. 排液管道溫度分布只沿管道軸向變化，沿管壁徑向方向溫度沒有變化；2. 材料導(dǎo)熱系數(shù)及復(fù)合表面換熱系數(shù)均為常數(shù)。則可以將所研究的問題簡(jiǎn)化為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題，導(dǎo)熱微分方程可寫為[3]：

(1)

式中，h為復(fù)合表面換熱系數(shù)，P為管道外壁周長(zhǎng)，t∞為環(huán)境溫度，λ為管道的導(dǎo)熱系數(shù)，A為管壁橫截面積。

引入過余溫度θ=t-t∞，將其化為關(guān)于溫度t的二階齊次常微分方程

(2)

t=θ+t∞，即為溫度沿管道的分布。

對(duì)于特定的低溫液體，若已知其壓力，則可求得飽和溫度[4]，然后由管道中溫度的分布則可以計(jì)算出液柱的高度：

2　計(jì)算參數(shù)的變化與結(jié)果分析

除了研究計(jì)算參數(shù)變化的影響時(shí)給出變化值，其余參數(shù)選取液氮溫度為tN=-195℃，液氧溫度tO=-180℃，環(huán)境溫度為t∞=20℃，管徑為DN=15 mm，壁厚為2.11 mm，導(dǎo)熱系數(shù)取不銹鋼材料在研究溫度范圍內(nèi)的平均值λ=12.2 W/(m·K)，排液管道從主管外壁到面板處總長(zhǎng)度為1000 mm。

圖2　管道中溫度分布

當(dāng)主管道中為液氧介質(zhì)時(shí)，由圖2可以看出，管道中的溫度隨著管道長(zhǎng)度增加而升高，直到升高至面板處的大氣溫度。管道的導(dǎo)熱系數(shù)為定值，換熱系數(shù)的大小影響溫度升高的速度，換熱系數(shù)較小時(shí)，通過管道外表面換熱較少，溫度升高較慢，隨著換熱系數(shù)增大，管道外表面換熱增多，溫度升高越快。復(fù)合表面換熱是由管道外表面進(jìn)行的熱對(duì)流和熱輻射，系數(shù)的大小和絕熱材料的導(dǎo)熱能力、顆粒大小、填實(shí)度以及冷箱內(nèi)保護(hù)氣流通的速度有關(guān)，也受介質(zhì)與環(huán)境之間的溫度差及保溫材料的厚度影響。因?yàn)楣艿涝诶湎鋬?nèi)是包圍在絕熱材料中間的，所有管道外表面散發(fā)的熱量都要通過絕熱材料傳導(dǎo)到冷箱面板，可以根據(jù)實(shí)際管道的布置和采用的絕熱材料性能，通過計(jì)算絕熱材料的導(dǎo)熱量來合理確定復(fù)合換熱系數(shù)的大小。

2.1復(fù)合表面換熱系數(shù)對(duì)液柱高度的影響

復(fù)合表面換熱系數(shù)對(duì)液柱高度的影響見圖3。由圖3可知，低溫介質(zhì)為液氮時(shí)液柱隨著壓力的升高而增加，因?yàn)閴毫ι咂浞悬c(diǎn)也升高，當(dāng)達(dá)到臨界壓力時(shí)，此時(shí)氣液表面對(duì)應(yīng)的為臨界溫度，液柱高度達(dá)到最大值，此后管道中的溫度進(jìn)一步升高，介質(zhì)以氣態(tài)存在。不同的換熱系數(shù)液柱高度也不同，隨著換熱系數(shù)的變小而增大，通過圖2中溫度的分布我們可以知道，換熱系數(shù)較小時(shí)溫度升高較慢，故而造成液柱高度變大。對(duì)于液氧我們可以得到相同的變化趨勢(shì)。比較液氮和液氧液柱高度分布可以看出，在給定的計(jì)算參數(shù)下，同等壓力時(shí)液氮液柱的高度要比液氧略小，這是因?yàn)橥葔毫r(shí)，液氮的沸點(diǎn)要高于液氧，所以液氮達(dá)到氣液平衡點(diǎn)的溫度要低，當(dāng)然也和主管中的介質(zhì)源溫度有關(guān)。同時(shí)，液氧的臨界壓力和臨界溫度均高于液氮，所以液氧的液柱高度最大值也高于液氮。可以推知，若介質(zhì)為氧氮混合液體比如液體空氣，其液柱高度則介于純氮和純氧液柱高度之間。

圖3　復(fù)合表面換熱系數(shù)對(duì)液柱高度的影響

2.2排液管道長(zhǎng)度對(duì)液柱高度的影響

排液管道長(zhǎng)度對(duì)液柱高度的影響見圖4。由于低溫設(shè)備或管道在冷箱內(nèi)的位置以及引出面板的位置不同，所布置的管道長(zhǎng)度也會(huì)有所不同，短的不到1 m，長(zhǎng)的超過10 m。通過圖4可以看出，低溫液體為液氮時(shí)，同等壓力下比較L=650 mm和L=1000 mm可知，隨著管道的增長(zhǎng)，液柱高度在增加，而當(dāng)管道進(jìn)一步增長(zhǎng)至L=5000 mm時(shí)，液柱略微增高，但不明顯。而對(duì)于液氧，由于其蒸發(fā)溫度比液氮高，增加L=2000 mm長(zhǎng)度，此時(shí)其液柱高度也基本達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)管道比較短時(shí)，管道的溫度分布在飽和溫度處受沿管壁的熱傳導(dǎo)和表面?zhèn)鳠嵊绊懀S著管道伸展長(zhǎng)度增加，環(huán)境溫度通過管壁熱傳導(dǎo)傳遞過來的熱量減少，飽和溫度處溫度主要靠表面?zhèn)鳠徇_(dá)到，和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及外表面積大小有關(guān)，所以當(dāng)管道長(zhǎng)度增加到飽和溫度處的溫度基本不受外界溫度熱傳導(dǎo)的影響時(shí)，再增加管道長(zhǎng)度，液柱高度也會(huì)基本保持穩(wěn)定。雖然液柱高度有一定值，可以保證正常運(yùn)行時(shí)液柱不會(huì)超過最高點(diǎn)造成管道結(jié)霜，但當(dāng)管道有向下走向的布置時(shí)，其長(zhǎng)度也不宜過長(zhǎng)，原因是設(shè)備運(yùn)行時(shí)，有可能出現(xiàn)壓力不穩(wěn)定，或者剛開車時(shí)閥門存在沒關(guān)緊等情況，致使管道中存在低溫液體，此時(shí)采取相應(yīng)措施可以使存在的液體蒸發(fā)回到主管再冷凝成液體，在排液管中建立有效的氣封。而當(dāng)豎直向下管道過長(zhǎng)時(shí)，蒸發(fā)低溫液體需要的時(shí)間長(zhǎng)，可能使管道結(jié)霜從而影響進(jìn)一步吸熱蒸發(fā)，影響管道中的溫度分布，甚至很難建立有效氣封，另外當(dāng)管道中為液氧時(shí)大量低溫液體蒸發(fā)還會(huì)有碳?xì)浠衔锓e聚的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4　排液管道長(zhǎng)度對(duì)液柱高度的影響

2.3管徑大小對(duì)液位高度的影響

管徑大小對(duì)液位高度的影響見圖5。根據(jù)排液量的大小，管徑選取一般從DN15到DN80變化。由圖5可以看出，對(duì)于同等壓力，管徑變大時(shí)液柱高度也增大。通過溫度分布的計(jì)算公式可以知道，熱量的傳遞是由管壁沿軸向的熱傳導(dǎo)和外表面的熱交換完成的，分析計(jì)算所選取的三個(gè)管徑，隨著管徑的增大使得管壁導(dǎo)熱面積增大，導(dǎo)熱熱阻減小。同時(shí)，管道的外表面積增大，散熱量增加。但在選定的計(jì)算參數(shù)下，導(dǎo)熱熱阻減小的速率要快于表面換熱熱阻減小的速率，所以隨著管徑的增加，液柱高度有所增加。

圖5　管徑對(duì)液柱高度的影響

2.4環(huán)境溫度對(duì)液柱高度的影響

環(huán)境溫度對(duì)液柱高度的影響見圖6。不同地區(qū)的環(huán)境溫度是不同的，同一地區(qū)不同季節(jié)或者一天中不同時(shí)間的溫度也是不同的，選取從-20～20℃的外界溫度變化。由圖6可知，隨著外界溫度的降低液柱高度會(huì)增加。因?yàn)橥饨鐪囟鹊慕档蛯?dǎo)致熱量通過管壁導(dǎo)熱的速度變小，排液管道溫度變化的曲率減小，故氣液平衡點(diǎn)的高度增加。一旦低溫液體到達(dá)最高點(diǎn)將會(huì)沿著管道流向冷箱外，低溫的管道將會(huì)把空氣中的水分凝華在管壁上。這也是有些空分裝置低溫排液管道在夏天運(yùn)行時(shí)沒有問題，而在寒冷的冬天則會(huì)有結(jié)霜的現(xiàn)象發(fā)生的原因。

圖6　環(huán)境溫度變化對(duì)液柱高度的影響

通過以上計(jì)算和分析可知，液柱高度的大小和管徑、環(huán)境溫度及復(fù)合表面換熱系數(shù)等相關(guān)，另外文中計(jì)算是以不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)來計(jì)算的，若是鋁管道的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)遠(yuǎn)大于不銹鋼，同等條件下液柱高度也會(huì)大于不銹鋼管道的液柱高度。計(jì)算沒

有考慮排液管道附近其他冷源的存在，若有低溫管道與排液管道較近布置時(shí)則會(huì)影響排液管道中的溫度分布，使得液柱升高，所以排液管道達(dá)到設(shè)計(jì)高度后一般盡快引向面板，同時(shí)避免靠近其他低溫管道。對(duì)于管道的布置方式，文中假設(shè)管道的布置是垂直向上到一定高度后水平引到冷箱面板，實(shí)際上引向面板的管道若是帶有水平向上的坡度，然后再沿面板布置一段管道，排液管道的最高點(diǎn)則位于近面板處，這樣只要確保低溫液體不超過該最高點(diǎn)即可防止管道結(jié)霜，此時(shí)文中計(jì)算的液柱高度可以等同為液柱長(zhǎng)度(允許其超過第一個(gè)拐彎點(diǎn)而存在于坡度管內(nèi))，并且管道越靠近冷箱面板，絕熱材料厚度越小，管道的表面換熱系數(shù)越大，使得管道升溫越快，管道內(nèi)存在低溫液體的可能性越小，可以更有效防止管道結(jié)霜。

3　結(jié)束語

排液管道的設(shè)計(jì)要使得其形成有效的氣封，不能讓低溫液體流到冷箱面板處以造成跑冷結(jié)霜，或者當(dāng)有向下管道段時(shí)形成熱管效應(yīng)，除了跑冷結(jié)霜外，當(dāng)介質(zhì)為液氧時(shí)還存在碳?xì)浠衔锓e聚的風(fēng)險(xiǎn)。文中介紹了低溫排液管道的布置方式，給出了低溫液柱高度或長(zhǎng)度的計(jì)算公式，并以液氮和液氧為低溫介質(zhì)，計(jì)算出了其在不同壓力及不同變化參數(shù)下的液柱高度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析了低溫液體在管道中高度變化的原因，為低溫排液管道的合理設(shè)計(jì)、形成有效的氣封、避免跑冷結(jié)霜提供了理論依據(jù)。

[1] 李化治. 制氧技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2009.

[2] 項(xiàng)文娟, 朱明彥, 李志強(qiáng), 等. 低溫液體泵冷箱加溫解凍管道結(jié)冰現(xiàn)象研究和分析[J]. 深冷技術(shù), 2015(2): 54-57.

[3] 楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社, 2005.

[4] DEAN John A. Lange’s handbook of chemistry [G]. New York: McGraw-Hill, INC, 1999.

Calculation of the Height Forming Gas Block for Cryogenic Drainage Pipe

YU Mingbin

[Air liquid (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310012, China]

Through theoretical analysis, it gives a method to determine the height forming natural gas block for cryogenic drainage pipe, then a set of parameters were selected to calculate. According to this result, factors affecting the height of cryogenic liquid were analyzed. Designer can refer to the calculation method providing in this article and their parameters to set the drainage height to avoid losing cold and frosting, which also could decrease the efficiency of plant and even cause plant safety issues.

cryogenic pipe; drainage; gas block

2016-05-27

TQ050.7

A

1007-7804(2016)04-0012-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.004

于明彬(1984)，男，山東濟(jì)寧人，工程師。從事壓力管道設(shè)計(jì)工作。