管道流体温度测量误差分析与计算
发布时间：2017-09-01
室外管道内流体温度的测量,由于受大气温度及风速等的影响,测温套管向大气环境的散热量增加,导致测温误差增大。分析了影响测温误差的各种因素。尤其测温套管是流体温度测量常见的一种测量方式,因此对测温套管所引起的测温误差进行分析是非常必要的。
1、物理模型
测定管道中流体温度时,为了保护温度计,在管道中装有测温套管[1],其结构尺寸见图1,物理模型见图2。
现场的温度测量中,由于暴露于空气中的套管部分0 H 较长,必然向外界环境散失一定的热量,测温套管位于管道内外两部分可以看作两个肋。两个肋通过肋根a的换热量分别为1 q 、2 q ,见图2。而肋根温度0 t 与管道内壁温度w1 t 不相等, 必然有热量的传递, 其换热量为q3 。忽略0 t 在范围g d 内的变化,并且认为管道与测温套管保温效果良好。
2、数学模型
2 . 1 能量方程
由能量守恒定律可知
1 3 2 q + q = q , (1)
式中: 1 q ―管道内流体通过套管向肋根传递的热量,J; 2 q ―套管肋根向管道外空气传递的热量,J; 3 q ―金属管道向肋根传递的热量,J。
2 . 2 各环节通过肋根的换热量计算
(1)管内流体通过套管向肋根的散热量1 q 。
式中: 1 m 系数; 2 l ―金属套管的导热系数,W/(m・K); f t ―管内流体温度,℃; l1 a ―管道内部流体横掠套管表面换热系数,W/(m2・K); 1 H ―肋管在管内的长度,m; c A ―金属套管截面积c l A = p ´d ´d 1 ,m2; l d ―金属套管的壁厚,m; 1 d ―金属套管外径,m。
(2)通过肋根向外界环境¥ t 的散热量2 q ; 2 q 计算方法与1 q 计算方法相同。
(3)金属管道向肋根的导热3 q 。见图(3)。为了研究由管道内壁b点到肋根a点的换热量 ,见图3(a)。将管道沿cd线切开,平展见图3(b),考虑到对称性,只研究四分之一区域,又由于x l >> y l ,并且肋根各点温度均为0 t ,将四分之一圆弧展开为直线,所研究区域为3(c)所示。其中/ 4 1 l D y = p 、/ 4 0 1 l d y = p ,取=1 x l m;进行网格剖分。导热微分方程如式(3),边界条件如(4)。
考虑到该平面与管道内流体,管道外空气的换热,对于结点(i,j)将这部分换热量折合成内热源;
式中: 3 l ―金属管道的导热系数,W/(m・K); w1 t ―管道内壁温度,℃。; g1 a ―管内流体与管内壁的强制对流换热系数,W/(m2・K); i j t , ―结点(i,j)温度,℃; ¥ t ―大气环境温度,℃; 1 D ―管道内径,m; 0 D ―管道外径,m。
肋根结点的相邻结点向肋根结点的导热3 q 可由数值(6)计算求得。式中:W/(m・K); lg d ―金属管道的壁厚,m; 0 n ―所取研究区域肋根的结点数。
2 . 3 肋根温度0 t 、流体温度f t 及测量误差Dt 计算
0 t 由(1)、(2)、(6)式迭代求出:
求3 q 时网格步长选取0.01m, x l 取1m;管外空气参数取干空气、管内流体(由于油田中管道含水率较高)参数取水。按测量温差Dt 的影响因素分下面三种情况进行讨论:
(1)空气侧肋高H0及保温材料导热系数λl的影响。计算参数取= -30 ¥ t ℃、40 1 = H t ℃、0.03 1 H = m、= 0 u 4m/s、= 1 u 0.3m/s、d = 0.04m 0 、d = 0.03m 1 、D = 0.08m 0 、D = 0.06m 1 、d = 0.001m l 、d = 0.001m lg 、= = 2 3 l l 43.2 W/(m・K)。绘制曲线见图4。
图4表明,在 1 l ≤0.12W/(m・K)的前提下,当0 H 为0.01m时误差小于0.2℃,当0 H 为0.02m时误差小于0.55℃,当0 H 为0.09m时误差小于1℃。在 0 H ≤0.09m前提下, 1 l 为0.03W/(m・K)时误差小于0.7℃, 1 l 为0.07W/(m・K)时误差小于0.9℃, 1 l 为0.12W/(m・K)时误差小于1℃。当0 H 为0.01m、 1 l 为0.12W/(m・K)时相对误差约为2.4%。安装套管时应该注意使0 H 高度小于0.02m。
(2)风速u0及肋管壁厚δl的影响。计算参数取0.06 0 H = m、= 1 l 0.2W/(m・K)其余参数与图4参数相同。绘制曲线见图5。图5表明在 0 u ≤4m/s前提下,当l d 为0.001m时误差在0.9～1.1℃范围内,当l d 为0.004m时误差在3.2～4.1℃范围内。在l d ≤0.002时, Dt 随 0 u 变化幅度不大。当l d 为0.004m、 0 u 为4m/s时相对误差约为10%。l d 对Dt 影响较大,这是因为当l d 增加时2 q 增加, 0 t 比金属管道内壁温 w1 t 更低,所以Dt增加。安装套管时应该注意使l d 小于0.002m。
( 3 ) 大气温度 t¥ 及测量温度 H1 t 的影响。计算参数取0.06 0 H = m、= 1 l 0.2W/(m・K)其余参数与图4参数相同绘制曲线,见图6。图6表明在20℃≤ H1 t ≤40℃前提下,当¥ t 为20℃时误差在0～0.3℃范围内,当¥ t 为0℃时误差在0.38～0.6℃范围内,当¥ t 为-30 ℃时误差在1～1.1℃范围内。所以冬季应该考虑增加保温措施。
4、结束语
建立了测温套管误差分析模型,并编制计算程序;绘制图表,定量分析影响误差的6种因素。在影响Dt 的各因素中,套管壁厚l d 影响最大,在空气侧肋高0 H 的影响也比较大,肋管的保温性能、大气温度影响次之;风速影响最小。
摘自：中国计量测控网
