低溫排液管道氣封高度的計算

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，對低溫排液管道氣封高度的確定給出了計算方法，并選定計算參數進行了計算，分析了影響液柱高度的因素，設計者可以參考該計算方法并結合確定的各種參數來確定氣封的高度，以免造成低溫管道跑冷結霜，降低設備的運行效率，甚至危及設備的安全運行。

低溫管道；排液；氣封

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

圖1　排液管道布置示意圖

1　計算公式的建立與求解

以排液管道及其內部介質為整體研究對象，平衡態下管道的換熱由三部分組成，一是通過管壁的熱傳導，二是通過管道外表面與外界的熱對流，三是管道的熱輻射。熱輻射也是通過管道外表面進行的，可以將其效應和熱對流統一為復合表面換熱。為簡化分析，作以下假設：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. 材料導熱系數及復合表面換熱系數均為常數。則可以將所研究的問題簡化為一維穩態熱傳導問題，導熱微分方程可寫為[3]：

(1)

式中，h為復合表面換熱系數，P為管道外壁周長，t∞為環境溫度，λ為管道的導熱系數，A為管壁橫截面積。

引入過余溫度θ=t-t∞，將其化為關于溫度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算出液柱的高度：

2　計算參數的變化與結果分析

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

圖2　管道中溫度分布

當主管道中為液氧介質時，由圖2可以看出，管道中的溫度隨著管道長度增加而升高，直到升高至面板處的大氣溫度。管道的導熱系數為定值，換熱系數的大小影響溫度升高的速度，換熱系數較小時，通過管道外表面換熱較少，溫度升高較慢，隨著換熱系數增大，管道外表面換熱增多，溫度升高越快。復合表面換熱是由管道外表面進行的熱對流和熱輻射，系數的大小和絕熱材料的導熱能力、顆粒大小、填實度以及冷箱內保護氣流通的速度有關，也受介質與環境之間的溫度差及保溫材料的厚度影響。因為管道在冷箱內是包圍在絕熱材料中間的，所有管道外表面散發的熱量都要通過絕熱材料傳導到冷箱面板，可以根據實際管道的布置和采用的絕熱材料性能，通過計算絕熱材料的導熱量來合理確定復合換熱系數的大小。

2.1復合表面換熱系數對液柱高度的影響

復合表面換熱系數對液柱高度的影響見圖3。由圖3可知，低溫介質為液氮時液柱隨著壓力的升高而增加，因為壓力升高其沸點也升高，當達到臨界壓力時，此時氣液表面對應的為臨界溫度，液柱高度達到最大值，此后管道中的溫度進一步升高，介質以氣態存在。不同的換熱系數液柱高度也不同，隨著換熱系數的變小而增大，通過圖2中溫度的分布我們可以知道，換熱系數較小時溫度升高較慢，故而造成液柱高度變大。對于液氧我們可以得到相同的變化趨勢。比較液氮和液氧液柱高度分布可以看出，在給定的計算參數下，同等壓力時液氮液柱的高度要比液氧略小，這是因為同等壓力時，液氮的沸點要高于液氧，所以液氮達到氣液平衡點的溫度要低，當然也和主管中的介質源溫度有關。同時，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?？梢酝浦?，若介質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　復合表面換熱系數對液柱高度的影響

2.2排液管道長度對液柱高度的影響

排液管道長度對液柱高度的影響見圖4。由于低溫設備或管道在冷箱內的位置以及引出面板的位置不同，所布置的管道長度也會有所不同，短的不到1 m，長的超過10 m。通過圖4可以看出，低溫液體為液氮時，同等壓力下比較L=650 mm和L=1000 mm可知，隨著管道的增長，液柱高度在增加，而當管道進一步增長至L=5000 mm時，液柱略微增高，但不明顯。而對于液氧，由于其蒸發溫度比液氮高，增加L=2000 mm長度，此時其液柱高度也基本達到穩定。當管道比較短時，管道的溫度分布在飽和溫度處受沿管壁的熱傳導和表面傳熱影響，隨著管道伸展長度增加，環境溫度通過管壁熱傳導傳遞過來的熱量減少，飽和溫度處溫度主要靠表面傳熱達到，和表面傳熱系數及外表面積大小有關，所以當管道長度增加到飽和溫度處的溫度基本不受外界溫度熱傳導的影響時，再增加管道長度，液柱高度也會基本保持穩定。雖然液柱高度有一定值，可以保證正常運行時液柱不會超過最高點造成管道結霜，但當管道有向下走向的布置時，其長度也不宜過長，原因是設備運行時，有可能出現壓力不穩定，或者剛開車時閥門存在沒關緊等情況，致使管道中存在低溫液體，此時采取相應措施可以使存在的液體蒸發回到主管再冷凝成液體，在排液管中建立有效的氣封。而當豎直向下管道過長時，蒸發低溫液體需要的時間長，可能使管道結霜從而影響進一步吸熱蒸發，影響管道中的溫度分布，甚至很難建立有效氣封，另外當管道中為液氧時大量低溫液體蒸發還會有碳氫化合物積聚的風險。

圖4　排液管道長度對液柱高度的影響

2.3管徑大小對液位高度的影響

管徑大小對液位高度的影響見圖5。根據排液量的大小，管徑選取一般從DN15到DN80變化。由圖5可以看出，對于同等壓力，管徑變大時液柱高度也增大。通過溫度分布的計算公式可以知道，熱量的傳遞是由管壁沿軸向的熱傳導和外表面的熱交換完成的，分析計算所選取的三個管徑，隨著管徑的增大使得管壁導熱面積增大，導熱熱阻減小。同時，管道的外表面積增大，散熱量增加。但在選定的計算參數下，導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　管徑對液柱高度的影響

2.4環境溫度對液柱高度的影響

環境溫度對液柱高度的影響見圖6。不同地區的環境溫度是不同的，同一地區不同季節或者一天中不同時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增加。因為外界溫度的降低導致熱量通過管壁導熱的速度變小，排液管道溫度變化的曲率減小，故氣液平衡點的高度增加。一旦低溫液體到達最高點將會沿著管道流向冷箱外，低溫的管道將會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行時沒有問題，而在寒冷的冬天則會有結霜的現象發生的原因。

圖6　環境溫度變化對液柱高度的影響

通過以上計算和分析可知，液柱高度的大小和管徑、環境溫度及復合表面換熱系數等相關，另外文中計算是以不銹鋼的導熱系數來計算的，若是鋁管道的導熱系數會遠大于不銹鋼，同等條件下液柱高度也會大于不銹鋼管道的液柱高度。計算沒

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則會影響排液管道中的溫度分布，使得液柱升高，所以排液管道達到設計高度后一般盡快引向面板，同時避免靠近其他低溫管道。對于管道的布置方式，文中假設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，排液管道的最高點則位于近面板處，這樣只要確保低溫液體不超過該最高點即可防止管道結霜，此時文中計算的液柱高度可以等同為液柱長度(允許其超過第一個拐彎點而存在于坡度管內)，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越大，使得管道升溫越快，管道內存在低溫液體的可能性越小，可以更有效防止管道結霜。

3　結束語

排液管道的設計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霜，或者當有向下管道段時形成熱管效應，除了跑冷結霜外，當介質為液氧時還存在碳氫化合物積聚的風險。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度的計算公式，并以液氮和液氧為低溫介質，計算出了其在不同壓力及不同變化參數下的液柱高度。根據計算結果，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計、形成有效的氣封、避免跑冷結霜提供了理論依據。

[1] 李化治. 制氧技術[M]. 北京：冶金工業出版社, 2009.

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

[3] 楊世銘，陶文銓. 傳熱學[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，山東濟寧人，工程師。從事壓力管道設計工作。