液化天然气装备设计技术·LNG低温阀门卷
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2.10 传热计算

2.10.1 传热机理的设计计算

当管道内有温度不同于周围环境温度的工质流动时,管内流体就要通过管壁与管外的保温层向外发散热量。若阀门泄漏量不变,一段时间后传热趋于稳定,散发热量与管壁温度维持为一定值。其传热机理如图2-9所示。图中,,分别为工质、管道内壁、管道外壁、保温层外壁及环境空气的温度。热量沿径向从管内流体以对流换热方式传递给管道内壁,然后以导热方式从内壁传递至管外壁,再以导热方式从管外壁传递至保温层外壁,最后以对流换热方式传递给周围空气。传递热量的大小与工质的温度和流速有关。

图2-9 传热机理

由于沿工质流动方向(图2-9中的y方向)温度逐渐下降,因此沿管壁和保温层纵向也存在导热热量传递。对管壁纵向温度梯度最大的进口段的壁温测试结果表明:沿管道纵向的管壁导热热量很小,在计算中可以忽略。如某工况下,主汽温度为538℃,距进口2.5m与7.5m处的管壁温度测试值分别为425℃与337℃。由于钢材的热导率较大,壁厚11mm的钢管内外壁的温差仅0.1℃,取钢管内外壁温度近似相等。以进口处5m为控制体进行计算,由管壁纵向导热而散发的热量为,而总的放热热量为仅为的0.085%。沿轴向,管壁前后温度梯度逐渐减小。若管内泄漏量增大,工质对管壁的传热量增加,管道的轴向温度梯度减小,纵向导热量更小。由于纵向导热量更小,可忽略不计。保温层的热导率也可不计。

管内工质通过管壁和保温层以对流-导热-导热-对流4种方式向外传热,忽略管壁和保温层的纵向导热后,上述4种方式长度的热量相等,即,由于工质对管壁的放热系数与工质流速成正比,所以可根据阀前管道外壁温度、周围环境温度、管内流体压力P和进口工质温度来近似计算管道的散热量,从而计算管内流体的流动速度与流量,得到阀门的泄漏量。

管道纵向温度梯度不大,当所取计算控制体足够短时,壁面温度可取其平均值,则管壁与保温层的散热近似为单层均质圆筒壁导热问题,热量传递的计算公式为:

  (2-71)

式中 —管壁或保温层的热导率,

—内外壁的温度差,℃;

—管壁或保温层的内径,m;

—管壁或保温层的外径,m;

—管壁或保温层的长度,m。

对流换热传递热量计算公式为:

  (2-72)

式中 —流体的热导率,

—管道的当量直径,m;

F —换热面积,m2

—传热温差,℃;

Nu —努塞尔数。

工质为蒸汽或水时,对管道内壁的传热为管内受迫对流放热,其努塞尔特数关系式如式(2-73)所示。

层流时采用Hausen方程:

  

(2-73)

湍流时采用Sieder-Tate方程:

  (2-74)

当阀门泄漏量较小时,靠近阀门管段内工质降至饱和温度,蒸汽开始凝结,管内蒸汽不完全凝结时平均努塞尔特数关系式为:

  (2-75)

  (2-76)

式中 —饱和水的密度,kg/m3

—饱和水的热导率;

—饱和水的普朗特数;

—饱和蒸汽的密度,kg/m3

x1x2 —计算控制体进出口的蒸汽干度。

为减少散热损失,关闭窗户后室内风速极低,保温层外壁向周围环境传递热量是以自然对流的方式进行。反应流动特性的准则数在的范围。其水平与竖直圆柱自然对流换热的准则方程式为:

时:

  (2-77)

时:

  (2-78)

2.10.2 保冷层的设计计算

保冷层的绝热方式采用高真空多层绝热,所选用的材料性能如表2-3所示。

表2-3 所选材料性能参数表

根据工艺要求确定保冷计算参数,当无特殊工艺要求时,保冷厚度应采用最大允许冷损失量进行计算并用经济厚度调整,保冷的经济厚度必须用防结露厚度校核。

2.10.2.1 按最大允许冷损失量进行计算

此时,绝热层厚度计算中,应使其外径D1满足式(2-79)要求:

  (2-79)

式中 [Q] —以每平方米绝热层外表面积为单位的最大允许冷损失量(为负值),W/m2;保温时,[Q]应按附录取值;保冷时,[Q]为负值;当Ta-Td≤4.5时,[Q]=-(Ta-Td)αs;当Ta-Td> 4时,[Q]=-4.5αs

λ —绝热材料在平均温度下的热导率,W/(m·℃),取0.05 W/(m·℃);

αs —绝热层外表面向周围环境的放热系数,W/(m2·℃);

T0 —管道或设备的外表面温度,℃;

Ta —环境温度,℃;

D1 —绝热层外径,m;

D0 —阀体外径,m。

由GB 50264—1997查得:兰州市内最热月平均相对湿度ψ=61%,最热月环境温度T=30.5℃,Td为当地气象条件下最热月的露点温度(℃)。Td的取值应按GB 50264—97的附录C提供的环境温度和相对湿度查有关的环境温度相对湿度露点对照表(TaψTd表)而得到,查h-d图知,露点温度Td=22.2℃,当地环境温度Ta=30.5℃,Ta-Td=8.3℃。所以Ta-Td>4.5℃,[Q]=-4.5αs

根据GB 50264查得,αs=8.141W/(m2·℃),所以[Q]=-4.5×8.141=-36.63W/(m2·℃),则

所以保温层的厚度为:

2.10.2.2 按防止绝热层外表面结露进行计算

单层防止绝热层外表面结露的绝热层厚度计算中应使绝热层外径D1满足式(2-80)的要求:

  (2-80)

式中 λ —绝热材料在平均温度下的热导率,W/(m·℃),取0.05 W/(m·℃);

αs —绝热层外表面向周围环境的放热系数,W/(m2·℃);

T0 —管道或设备的外表面温度,℃;

Ta —环境温度,℃;

D1 —绝热层外径,m;

D0 —内筒体外径,m;

Td —当地气象条件下最热月的露点温度,°C。

,则保温层的厚度为:

综上所述,保冷层厚度取整得δ=20mm。所选保温材料的层密度为50/20层/mm,故保温层的层数为50/20×20=50,取50层。

2.10.3 蝶阀最小泄放面积计算

取蝶阀的动作压力等于设计压力,即p=4.6MPa,容器超压限度为4700kPa。

根据GB 150附录B及压力容器安全技术监察规程附件五安全阀和爆破片的设计计算,有完善的绝热保温层的液化气体压力容器的安全泄放量按式(2-81)计算:

  (2-81)

式中 Ws —压力容器安全泄放量,kg/h;

q —在泄放压力下液化气体的汽化潜热,kJ/kg,查表得:

λ —常温下绝热材料的热导率,kJ/(m·h·℃);

δ —保温层厚度,m;

t —泄放压力下的饱和温度,℃取-120℃,即153.15K;

Ar —内容器受热面积,m2,对于椭圆形封头的卧式容器。

  (2-82)

式中 D0 —内容器的外径,m;

L —压力容器总长,m。

代入式(2-82)中得

2.10.4 爆破片的设计计算

内容器的爆破片需要并联安装两只。爆破片的最小排放面积如式(2-83)计算:

  

(2-83)

式中 C —气体特性系数,由气体绝热指数k=1.4可查得

K —爆破片的额定泄放系数,取平齐式接管,K′=0.73;

A —爆破片的最小排放截面积,mm2

pb —爆破片的设计爆破压力,MPa;确定一个高于容器工作压力pw的“最低标定爆破压力”pbmin,爆破片的设计压力pb等于pbmin加所选爆破片制造范围下限0.065;

T —爆破片排放时的液化天然气温度,K;

Z —液化天然气在操作温度压力下的压缩系数,查图可得Z=0.825,所以

取爆破片的最小几何流道直径d=8mm。

由于LNG是易燃易爆的介质,因此爆破片选用爆破不会产生火花的正拱形槽型爆破片,材料选用0Cr18Ni9,夹持器选用LJC型夹持器。其安装使用如图2-10所示。

图2-10 爆破片的安装使用结构

2.10.5 测温装置的选型

槽车的设计压力为1.1MPa,由此可得罐内LNG的最大可能工作温度区间为-162.3~-120.85℃,由手册查得镍铬-考铜热电偶温度计的测温范围为70~300K,即为-203~27℃。此槽车选用镍铬-考铜热电偶温度计作为温度测量装置,并采用自动电子电位差计测量热电偶的热电势。热电偶温度计具有体积小,结构简单,安装使用方便,便于远距离测量和集中控制等优点。其安装使用如图2-11所示。

图2-11 热电偶的安装使用结构

2.10.6 液位测量装置的选型

液位计需在低温下工作,所用的液位计必须满足低温工况的要求,可以选用差压计液面指示仪,差压计液面指示仪是以容器内低温液体液面升降时产生的液柱高度,等于容器气相空间和底部液相静压力之差为原理,通过测量静压力差的大小,来确定被测液体液面的高低。由于蝶阀阀体完全充满LNG时所产生的液柱静压力为:

所以选用型号为CGS-50的差压计液面指示仪。

2.10.7 滴水盘的安装位置

滴水盘表面结露后,冷凝水会流入保冷层,加快保冷层的腐蚀和破坏,因此,为了保证滴水盘表面不结露,要求滴水盘表面的温度高于空气中水蒸气的露点温度。根据滴水盘的温度场函数可以看出,滴水盘表面的温度在径向的方向逐渐增高,故此,为了满足这一条件,只需保证滴水盘的基部温度与空气中水蒸气的露点温度相等即可,即当>时得:

 

 (2-84)

移项整理得:

 

作变量替换,解上式得:

 

 (2-85)

其中,负号在实例计算中将会使得滴水盘的安装位置高于阀盖的最小长度,与实际不符,故舍去,最终得到满足滴水盘表面不结露的条件时,滴水盘在阀盖上的安装位置为:

  (2-86)

其中

  

(2-87)