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1、中国工程热物理学会 传热传质学第十一届年会 编号：管道流体温度测量误差分析与计算赵军刘晓燕 石成 李晓庆大庆石油学院土木建筑工程学院 黑龙江大庆 163318jun_4524267摘要：分析了采用测温套管引起流体温度测量误差的机理，考虑测温套管位于管道外侧的部分，建立了误差计算模型，通过实例给出测量误差在各种因素影响下的计算图表，定量分析影响误差的6种因素。关键词：流体；温度；管道；测温套管；误差 9 / 91引言在油田的生产运行中，为了保证管道及设备的正常运行，进行温度测量是必不可少的，而油田管道内流体温度测量大多采用测温套管。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。尤其室外管
2、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。本文考虑测温套管位于管道外侧的部分，对于影响测温误差的各种因素进行分析，这种分析方法，没有见到国内外相关报道。物理模型图1 测温套管及管道的结构尺寸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，其结构尺寸如图所示。物理模型如图所示。图2 测温套管及管道的表面换热系数及温度由于暴露于空气中的套管部分较长，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、，如图。而肋根温度与管道内壁温度不相等，必然有热量的传递，其换热量为 。忽略
3、在范围内的变化，并且认为管道与测温套管保温效果良好。由于管道内流体的速度已知，实测温度即管道中肋管顶端温度，如果已知，则可算出流体温度，进而算出测量误差，因而计算误差的关键是计算出。3 数学模型3.1能量方程由能量守恒定律可知 （）式中：管道内流体通过套管向肋根传递的热量，J；套管肋根向管道外空气传递的热量，J；金属管道向肋根传递的热量，J。3.2对流换热系数计算23.2.管内流体与管内壁的强制对流换热系数 （） （）式中：管内流体的努塞尔数；管内流体的雷诺数；管内流体的普朗特数；n常数，取0.3；流体导热系数，W/(mK)；管道内径，m。3.2.2管外空气横掠管外壁的对流换热系数 （）（）定
4、性温度： ；式中： 管外空气的努塞尔数；管外空气的雷诺数；管外空气的普朗特数；定性温度下空气导热系数，W/(mK)；管道外径，m。管道外壁平均壁温，。C，n值见参考文献2。3.2.3管外空气与套管外侧的对流换热系数努塞尔数按公式（）计算 （）定性温度为：；式中：套管保温层外径，m.；套管保温层外侧的平均壁温，；环境空气温度，。的计算公式如下：，即 （）式中：管外部的金属套管的平均壁温，；肋根温度，；空气侧肋管顶端金属温度，；金属套管外径，m.；套管保温层的导热系数，W/(mK)3.2.4管道内部流体横掠套管表面换热系数努塞尔数按公式（）计算，物性参数为管道内流体参数 （）定性温度为：；式中：定
5、性温度下流体导热系数，W/(mK)；管道内肋管顶端金属温度，；管道内液体温度，。3.2.5管外空气与套管内部大空间自然对流换热系数（）（10）定性温度：；式中：管外空气的格拉晓夫数，；套管位于管道外部的长度，m。C、n值见参考文献2。3.3各环节通过肋根的换热量计算23.3.1管内流体通过套管向肋根的散热量（11）式中：金属肋管截面积，m2；金属套管的导热系数，W/(mK)； 金属套管的壁厚，m。3.3.2通过肋根向外界环境的散热量（12） （13）式中：套管位于管道内部的长度，m。保温材料的导热系数，W/(mK)。3.3.3金属管道向肋根的导热图3 管道内壁的网格剖分 如图(3)所示，为了研
6、究由管道内壁b点到肋根a点的换热量 ，如图3(a)所示，将管道沿cd线切开，平展如图3(b)，考虑到对称性，只研究四分之一区域，又由于，并且肋根各点温度均为，将四分之一圆弧展开为直线，所研究的区域为(c)所示。其中、，取m；进行网格剖分。导热微分方程如式（14），边界条件如（15） （14） （15）式中：管道内壁温度，。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； （16）式中： （17）结点(i,j)的面积，m2。肋根结点的相邻结点向肋根结点的导热可由数值计算求得，即 （18）式中：金属管道的导热系数，W/(mK)；金属管道的壁厚，m；肋根的结
7、点数。3.4肋根温度、流体温度及测量误差计算由（1）、（11）、（12）、（18）式迭代求出。 （19）3.5程序框图 Y Nq1+q3q2Nt0=(tshang+txia)/2Yt00t00图4 程序框图输出：t0，tf，tl0，ln，tH0，q2；l1，q1；q3 txia=t0t00=t0t0=(tshang+txia)/2tshang=tH0， txia=tH1给定初值：1、2、d0、d1、D0、D1、H0、H1、l、lg、u1、u0、0；g=(D0-D1)/2，tH0=t；l=1g0、g1、tw1、tw0tshang=t0 txia=t0000 4 计算结果求时网格步长选取0.01m
8、，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。按测量温差的影响因素分下面三种情况进行讨论： 4.1空气侧肋高H0及保温材料导热系数l的影响图5 测量误差t随空气侧肋高H0及保温材料导热系数l变化图计算参数取、）。绘制曲线如图5所示。图5表明在0.12W/(mK)的前提下，当为0.01m时误差小于0.2，当为0.02m时误差小于0.55，当为0.09m时误差小于1。在0.09m前提下，为0.03W/(mK)时误差小于0.7，为0.07W/(mK)时误差小于0.9，为0.12W/(mK)时误差小于1。当为0.01m、为0.12W/(mK)时相对误差约为2.4%。安装
9、套管时应该注意使高度小于0.02m。4.2风速u0及肋管壁厚l的影响图6 测量误差t随风速u0及肋管金属壁厚l变化图计算参数取、其余参数与图5参数相同。绘制曲线如图6所示。图6表明在4m/s前提下，当为0.001m时误差在0.91.1范围内，当为0.002m时误差在22.5范围内，当为0.004m时误差在3.24.1范围内。在0.002时，随变化幅度不大。当为0.004m、为4m/s时相对误差约为10%。对影响较大，这是因为当增加时增加，比金属管道内壁温更低，所以增加。安装套管时应该注意使小于0.002m。4.3大气温度及测量温度的影响图7 测量误差t随大气温度及测量温度变化图计算参数取、其余
10、参数与图5参数相同绘制曲线如图7所示。图7表明在2040前提下，当为20时误差在00.3范围内，当为0时误差在0380.6范围内，当为30时误差在11.1范围内。所以冬季应该考虑增加保温措施。5 结论()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。() 在影响的各因素中，套管壁厚影响最大，在空气侧肋高的影响也比较大，肋管的保温性能、大气温度影响次之；风速影响最小。参考文献：1 谈庆才，温度测量误差的计算J压缩机技术，1980，04(14)2 杨世铭，陶文铨传热学北京：高等教育出版社1998 文档可能无法思考全面，请浏览后下载，另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意!
管道流体温度测量误差分析与计算
