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          壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析

             【壓縮機(jī)網(wǎng)】眾所周知,從空氣壓縮機(jī)排出的壓縮空氣是含有大量水、水蒸氣,在經(jīng)過儲(chǔ)氣罐、過濾器、冷干機(jī)、吸干機(jī)等設(shè)備后,進(jìn)入供氣管道中的壓縮空氣一般都是飽和的,但在輸氣過程中產(chǎn)生的溫度降落會(huì)產(chǎn)生冷凝水在管內(nèi)積存,這部分水若隨壓縮空氣進(jìn)入氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)備中,將對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行造成隱患或損壞設(shè)備;若進(jìn)入用氣工藝流程中將會(huì)影響產(chǎn)品的品質(zhì),甚至是危害人的生命安全,比如:在醫(yī)療系統(tǒng)中;滯留在管道中會(huì)形成冰堵,影響輸送效率;同時(shí),管壁受到液態(tài)水的侵蝕會(huì)腐爛,管道連接件熱脹冷縮引起松動(dòng)等引起管道泄漏,造成泄漏損失。(注:經(jīng)過吸干機(jī)處理后的壓縮空氣中含水量會(huì)更低。)
            為此,在設(shè)計(jì)與鋪設(shè)壓縮空氣輸氣管道時(shí),我們根據(jù)《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》將管道鋪設(shè)一定的傾斜角度和在管道上設(shè)置排水來排除這部分冷凝水,但該規(guī)范并未說明是否是所有的管都應(yīng)該是傾斜的。如果是,則對(duì)于大型工廠的壓縮空氣管道鋪設(shè)將是一大難題;也未說明在何處設(shè)置排水比較合適,設(shè)置的太多會(huì)增加施工難度,設(shè)置的太少則排水效果不好。因?yàn)椋艿乐械乃饕怯捎诠艹虦囟冉诞a(chǎn)生的,為此,本文簡(jiǎn)要分析一下管程溫度降,以及管道泄漏所造成的損失會(huì)有多大。
           
            1、主管路中壓縮空氣的溫度降
            在壓縮空氣輸氣主管道中,空氣流速一般都不太大,約16~18m/s,因傳輸過程中壓縮空氣溫度降低的主要原因是與環(huán)境介質(zhì)熱交換引起的。在空壓機(jī)出口處,壓縮空氣溫度最高,隨著輸送距離的延長(zhǎng),由于熱交換的進(jìn)行而導(dǎo)致壓縮空氣溫度不斷下降,在一定條件下就會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水。
            對(duì)于非熱絕緣的金屬管道,若不考慮傳熱面上的污染對(duì)散熱的影響,在給確定管道長(zhǎng)度上的壓縮空氣的溫度降低:
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析
            式中:
            T0,Tx——分別為管道起始端和計(jì)算段末端壓縮空氣的溫度,K;
            Ta——環(huán)境溫度,K;
            x——計(jì)算段管長(zhǎng),m;
            Cp——空氣的定壓比熱,kJ/(kg·K);
            qm——通過管道的自由空氣質(zhì)量流量,kg/h;
            a1,a1——分別為由空氣到金屬和由金屬到環(huán)境空氣的散熱系數(shù),W/(m2·K);
            dr,dR——分別管道的內(nèi)徑和外徑,m;
            ——金屬管道壁的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);
            其中散熱系數(shù)可由表1查得:
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析
            2.局部流阻處的溫度降
            氣動(dòng)元件中大多數(shù)流阻的特性是壓力降很小,這時(shí)進(jìn)口和出口的溫度可取同一值。但在有些元件(減壓閥、節(jié)流孔)中,由于壓縮空氣在元件出口處顯著膨脹,其溫度下降劇烈,收縮孔附近有可能造成水分冷凝甚至結(jié)冰。
            收縮孔出口處的氣體溫度可由下式確定(約):
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析
            式中:
            P1和T1——分別為收縮孔前壓縮空氣的壓力和溫度;
            P2和T2——分別為收縮孔后壓縮空氣的壓力和溫度;
             壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析——阻力系數(shù),取決于許多因素;
            k——比熱比,壓縮空氣 k=1.4;
            離開收縮孔一段距離后,管道中空氣流速又降到接近于收縮孔前的速度,溫度也會(huì)增到接近于原來的溫度。在壓力降同時(shí),溫度升高又會(huì)引起冷凝水的蒸發(fā)和降低相對(duì)濕度。
            空氣通過毛細(xì)管流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生節(jié)流作用,節(jié)流后的空氣濕度:
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析
            對(duì)于工業(yè)企業(yè)系統(tǒng)的壓力和溫度范圍,可取a=1.6~2.5(K/MPa)
            在長(zhǎng)的毛細(xì)管中,由于摩擦力和環(huán)境溫度的熱交換影響很大,毛細(xì)管出口處溫度可以認(rèn)為就等于環(huán)境介質(zhì)的溫度Ta。若此時(shí),如果Ta<T1,則可能有冷凝水產(chǎn)生,嚴(yán)重時(shí)引起結(jié)冰。
            基于理論分析,我們?cè)趬嚎s空氣管道設(shè)計(jì)與鋪設(shè)時(shí),就有了理論測(cè)算工具,可以進(jìn)行更科學(xué)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)與鋪設(shè)。經(jīng)過理論分析與測(cè)算的管網(wǎng)或路也許比經(jīng)驗(yàn)鋪設(shè)的管網(wǎng)好一點(diǎn)。但也許就是這么一點(diǎn)點(diǎn),用氣末端的水會(huì)少很多,這就是專業(yè)與不專業(yè)的區(qū)別。
            壓縮空氣輸送管道發(fā)生泄漏,不僅會(huì)造成極大的能源浪費(fèi),還會(huì)導(dǎo)致其他運(yùn)行損失,如壓力下降帶來的不利影響。對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果表明:系統(tǒng)泄漏量經(jīng)常占到系統(tǒng)產(chǎn)氣量的20%~30%,這些泄漏產(chǎn)生的原因主要是管理不善,并隨著年限的增加泄漏量會(huì)越來越大(見下圖),如:管道被腐蝕而破損泄漏、管件連接處松動(dòng)、使用不當(dāng)、用氣設(shè)備和設(shè)施的泄漏。那么泄漏處的泄漏量又是如何測(cè)算呢?
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析
            管道壓縮空氣泄漏G的估算:
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析
            式中:
            G1——空氣泄漏量,NL/min;
            D——泄漏孔直徑,(mm);
             壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析——孔的形狀系數(shù),取0.9;
            P1——供氣表壓力,kgf/cm2;
            當(dāng)空氣泄漏量按Nm3/h計(jì)算,供氣壓力為MPa時(shí),公式可換算為:
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析
            式中:P——管內(nèi)空氣的絕對(duì)壓力,bar;
            例:當(dāng)孔徑為3mm,管內(nèi)空氣的絕對(duì)壓力為0.5MPa時(shí),每小時(shí)的泄漏空氣量為:
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析
            基于以上公式,給出了一些經(jīng)驗(yàn)值如表2,可根據(jù)泄漏孔徑大小,直接查表得出泄漏量,也可根據(jù)表3推算出具體損失費(fèi)用:
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析
            2、根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)縫隙泄漏,能聽到泄漏聲的情況下,一般泄漏量即可達(dá)到5NL/min,即0.3Nm3/h。
            壓縮空氣是極其寶貴的優(yōu)質(zhì)能源,不僅在壓縮空氣轉(zhuǎn)換效率(根據(jù)測(cè)算,其熱效率僅為19.9%)、輸送效率低,而且費(fèi)用比較昂貴,減不壓縮空氣泄漏,有很大的經(jīng)濟(jì)效益。
            總之,隨著市場(chǎng)對(duì)壓縮空氣品質(zhì)與穩(wěn)定性的要求越來越高,管道的管程溫度降在壓縮空氣中制造水分,腐蝕管道造成泄漏,產(chǎn)生其他微生物污染壓縮空氣以及其它原因?qū)е滦孤┒疾环犀F(xiàn)代企業(yè)管理的要求。為此,可以通過選擇更好的管材(如不銹鋼管材)、更優(yōu)的設(shè)計(jì)、更規(guī)范的施工以及更規(guī)范的管理來提升輸氣管道的技術(shù)質(zhì)量與管理質(zhì)量。
           
            參考文獻(xiàn)
            1)淺析如何選用壓縮空氣輸氣管道的直徑——輸氣管道系列1-3
            2)淺析壓縮空氣輸氣管道壓力降對(duì)氣動(dòng)機(jī)械與生產(chǎn)工藝的影響——輸氣管道系列2-3
            3)淺析壓縮空氣輸氣管道壓力降對(duì)氣動(dòng)機(jī)械的影響——輸氣管道系列3-3
           壓縮空氣管道管程溫降與泄漏分析

          來源:本站原創(chuàng)

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