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压缩空气管道管程温降与泄漏分析

   众所周知,从空气压缩机排出的压缩空气是含有大量水、水蒸气,在经过储气罐、过滤器、冷干机、吸干机等设备后,进入供气管道中的压缩空气一般都是饱和的,但在输气过程中产生的温度降落会产生冷凝水在管内积存,这部分水若随压缩空气进入气动系统的设备中,将对气动系统正常运行造成隐患或损坏设备;若进入用气工艺流程中将会影响产品的品质,甚至是危害人的生命安全,比如:在医疗系统中;滞留在管道中会形成冰堵,影响输送效率;同时,管壁受到液态水的侵蚀会腐烂,管道连接件热胀冷缩引起松动等引起管道泄漏,造成泄漏损失。(注:经过吸干机处理后的压缩空气中含水量会更低。)
  为此,在设计与铺设压缩空气输气管道时,我们根据《压缩空气站设计规范》将管道铺设一定的倾斜角度和在管道上设置排水阀来排除这部分冷凝水,但该规范并未说明是否是所有的管都应该是倾斜的。如果是,则对于大型工厂的压缩空气管道铺设将是一大难题;也未说明在何处设置排水阀比较合适,设置的太多会增加施工难度,设置的太少则排水效果不好。因为,管道中的水,主要是由于管程温度降产生的,为此,本文简要分析一下管程温度降,以及管道泄漏所造成的损失会有多大。
 
  1、主管路中压缩空气的温度降
  在压缩空气输气主管道中,空气流速一般都不太大,约16~18m/s,因传输过程中压缩空气温度降低的主要原因是与环境介质热交换引起的。在空压机出口处,压缩空气温度最高,随着输送距离的延长,由于热交换的进行而导致压缩空气温度不断下降,在一定条件下就会产生凝结水。
  对于非热绝缘的金属管道,若不考虑传热面上的污染对散热的影响,在给确定管道长度上的压缩空气的温度降低:
 压缩空气管道管程温降与泄漏分析
  式中:
  T0,Tx——分别为管道起始端和计算段末端压缩空气的温度,K;
  Ta——环境温度,K;
  x——计算段管长,m;
  Cp——空气的定压比热,kJ/(kg·K);
  qm——通过管道的自由空气质量流量,kg/h;
  a1,a1——分别为由空气到金属和由金属到环境空气的散热系数,W/(m2·K);
  dr,dR——分别管道的内径和外径,m;
  ——金属管道壁的导热系数,W/(m·K);
  其中散热系数可由表1查得:
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  2.局部流阻处的温度降
  气动元件中大多数流阻的特性是压力降很小,这时进口和出口的温度可取同一值。但在有些元件(减压阀、节流孔)中,由于压缩空气在元件出口处显著膨胀,其温度下降剧烈,收缩孔附近有可能造成水分冷凝甚至结冰。
  收缩孔出口处的气体温度可由下式确定(约):
 压缩空气管道管程温降与泄漏分析
  式中:
  P1和T1——分别为收缩孔前压缩空气的压力和温度;
  P2和T2——分别为收缩孔后压缩空气的压力和温度;
   压缩空气管道管程温降与泄漏分析——阻力系数,取决于许多因素;
  k——比热比,压缩空气 k=1.4;
  离开收缩孔一段距离后,管道中空气流速又降到接近于收缩孔前的速度,温度也会增到接近于原来的温度。在压力降同时,温度升高又会引起冷凝水的蒸发和降低相对湿度。
  空气通过毛细管流动时会产生节流作用,节流后的空气湿度:
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  对于工业企业系统的压力和温度范围,可取a=1.6~2.5(K/MPa)
  在长的毛细管中,由于摩擦力和环境温度的热交换影响很大,毛细管出口处温度可以认为就等于环境介质的温度Ta。若此时,如果Ta<T1,则可能有冷凝水产生,严重时引起结冰。
  基于理论分析,我们在压缩空气管道设计与铺设时,就有了理论测算工具,可以进行更科学的管网设计与铺设。经过理论分析与测算的管网或路也许比经验铺设的管网好一点。但也许就是这么一点点,用气末端的水会少很多,这就是专业与不专业的区别。
  压缩空气输送管道发生泄漏,不仅会造成极大的能源浪费,还会导致其他运行损失,如压力下降带来的不利影响。对压缩空气系统进行统计分析的结果表明:系统泄漏量经常占到系统产气量的20%~30%,这些泄漏产生的原因主要是管理不善,并随着年限的增加泄漏量会越来越大(见下图),如:管道被腐蚀而破损泄漏、管件连接处松动、使用不当、用气设备和设施的泄漏。那么泄漏处的泄漏量又是如何测算呢?
 压缩空气管道管程温降与泄漏分析
  管道压缩空气泄漏G的估算:
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  式中:
  G1——空气泄漏量,NL/min;
  D——泄漏孔直径,(mm);
   压缩空气管道管程温降与泄漏分析——孔的形状系数,取0.9;
  P1——供气表压力,kgf/cm2;
  当空气泄漏量按Nm3/h计算,供气压力为MPa时,公式可换算为:
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  式中:P——管内空气的绝对压力,bar;
  例:当孔径为3mm,管内空气的绝对压力为0.5MPa时,每小时的泄漏空气量为:
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  基于以上公式,给出了一些经验值如表2,可根据泄漏孔径大小,直接查表得出泄漏量,也可根据表3推算出具体损失费用:
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  2、根据经验,当缝隙泄漏,能听到泄漏声的情况下,一般泄漏量即可达到5NL/min,即0.3Nm3/h。
  压缩空气是极其宝贵的优质能源,不仅在压缩空气转换效率(根据测算,其热效率仅为19.9%)、输送效率低,而且费用比较昂贵,减不压缩空气泄漏,有很大的经济效益。
  总之,随着市场对压缩空气品质与稳定性的要求越来越高,管道的管程温度降在压缩空气中制造水分,腐蚀管道造成泄漏,产生其他微生物污染压缩空气以及其它原因导致泄漏都不符合现代企业管理的要求。为此,可以通过选择更好的管材(如不锈钢管材)、更优的设计、更规范的施工以及更规范的管理来提升输气管道的技术质量与管理质量。
 
  参考文献
  1)浅析如何选用压缩空气输气管道的直径——输气管道系列1-3
  2)浅析压缩空气输气管道压力降对气动机械与生产工艺的影响——输气管道系列2-3
  3)浅析压缩空气输气管道压力降对气动机械的影响——输气管道系列3-3
 压缩空气管道管程温降与泄漏分析

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