换热管破裂计算公式分析

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1、1安全阀排放量计算公式分析在安全阀的排放量计算方法里，在目前能见到的计算方法中，我认为有几个计算公式还有讨论的必要，因为就同一个工况而言，不同的公式相互矛盾，我先以换 热 管 破 裂 的 排 放 量 为 例 ， 讨 论 如 下 ：一 . 换 热 管 破 裂 的 安 全 阀 计 算 公 式1) SEI 原 来 使 用 的 公 式WV=246.3104d2( p v)0.5 kg/hWL=16.8104d2( p/ L)0.5 kg/h 内 径 m p 高 低 压 侧 压 差 Mpa v， L 气 、 液 相 重 度 kg/m32) 日 本 三 菱 重 工 的 公 式1) 换 热 器 低 压 侧

2、的 设 计 压 力 大 于 2/3 的 高 压 侧 的 设 计 压 力 时 ， 由 于 整 根管 子 完 全 断 裂 极 少 发 生 ， 可 不 考 虑 换 热 器 管 子 破 裂 ， 不 需 设 安 全 阀 ；2) 换 热 器 低 压 侧 设 计 压 力 小 于 或 等 于 2/3 高 压 侧 的 操 作 压 力 时 ， 整 根 管子 完 全 断 裂 虽 很 少 发 生 ， 但 要 考 虑 换 热 器 管 子 破 裂 ， 需 设 安 全 阀 ；3) 换 热 器 高 压 侧 的 操 作 压 力 大 于 等 于 7（ MPa.G） 约 1000（ psi.G） ，或 低 压 侧 的 介 质 是

3、能 闪 蒸 液 体 ， 或 介 质 是 含 有 蒸 气 、 会 汽 化 的 液 体 ； 整 根 管子 完 全 断 裂 的 故 障 应 考 虑 ， 而 且 与 差 压 无 关 ， 需 设 安 全 阀 。换 热 管 破 裂 引 起 的 安 全 阀 排 放 量 ， 按 下 面 3 式 计 算 ：高 压 侧 是 气 体 的 公 式 ： W=2345a(PH-PVC) (M/T)0.5 kg/h高 压 侧 是 液 体 的 公 式 ： W=9963a（ PH-PVC） S0.5 kg/h高 压 侧 是 闪 蒸 液 体 的 公 式 ：当 （ PH-1.1PDL） P1-PVC 时 ： W=9963a(PH-

4、PVC)0.5其 中 PVC=0.96-0.28（ PV/PC） 0.5 PVW kg/h a 二 根 换 热 管 的 面 积 cm2 T 气 体 泄 放 温 度 KM 气 体 分 子 量 PH 高 压 侧 的 操 作 压 力 ， PDL 低 压 侧 的 设 计 压 力 MPaGP1 高 压 侧 的 操 作 压 力 ， PVC 破 裂 处 的 脉 冲 压 力 MPaA2PV 高 压 侧 介 质 在 操 作 温 度 下 的 蒸 汽 压 MPaA PC 高 压 侧 介 质 的 临 界 压 力 MPaA S 高 压 侧 液 体 的 比 重在 决 定 安 全 阀 的 尺 寸 时 ， 要 考 虑 过 程

5、 热 量 输 入 的 潜 在 能 力 ， 不 能 只 考 虑 正 常的 热 量 输 入 。 例 如 ， 炉 子 燃 烧 器 的 最 大 负 荷 往 往 可 达 炉 子 铭 牌 负 荷 的 125 %，此 时 应 按 泄 压 工 况 下 的 最 大 蒸 汽 发 生 量 减 去 正 常 冷 凝 量 或 蒸 汽 流 出 量 选 用 安全 阀 ；无 火 灾 危 险 处 的 非 易 燃 液 化 气 ， 由 于 阳 光 暴 晒 、 或 其 它 原 因 造 成 辐 射 、对 流 、 传 导 等 的 热 传 递 ， 使 容 器 内 贮 存 的 物 质 被 加 热 ， 迅 速 汽 化 超 压 。 根 据压 力

6、容 器 安 全 技 术 监 察 规 程 ， 这 类 容 器 的 安 全 阀 的 安 全 排 量 不 低 于 火 灾 危 险处 的 非 易 燃 液 化 气 的 30 %；管 子 或 容 器 在 充 满 冷 液 体 后 被 关 闭 ， 然 后 又 受 到 伴 热 管 、 蛇 管 、 外 界热 流 或 明 火 加 热 ；一 个 换 热 器 的 冷 侧 被 切 断 ， 而 热 侧 仍 有 流 体 通 过 ；管 子 或 容 器 在 接 近 常 温 时 充 满 液 体 后 ， 然 后 又 直 接 受 到 太 阳 辐 射 加 热 ；对 于 用 蒸 汽 加 热 的 再 沸 器 和 类 似 的 管 式 换 热

7、器 ， 在 决 定 调 节 阀 故 障 时 的换 热 工 况 时 ， 假 设 管 子 是 清 洁 无 污 垢 的 ；3) 从 “工 艺 管 线 设 计 安 装 手 册 ”下 册 中 查 到 的 计 算 公 式 ：对 气 体 G=107104d2(P v)0.5 kg/h对 液 体 G=4.7104d2( p/ )0.5 m3/hP 高 压 侧 压 力 atm（ 表 ） p 高 低 压 侧 压 差 atm v 气 体 密 度kg/m3 液 体 比 重 d 换 热 管 内 径 m对 气 体 排 放 而 言 ， 要 求 高 压 侧 的 压 力 至 少 是 低 压 侧 的 两 倍 ， 如 果 低 于

8、两倍 要 适 当 降 低 排 放 量 。4) 兰 化 院 编 的 书 中 的 公 式 ：对 液 体 W=5.6d2(GL p)0.5 kg/hGL 液 体 密 度 kg/m3 p 高 低 压 侧 压 差 Mpa d 换 热 管 的 内 径 mm5) Kvaerner 公 司 的 计 算 公 式 ：Comment y1: 1.5670.71.0969 转换为 m,atm就是此式！Comment y2: 页：3单位有问题， p/ L的 单 位 应 该是 ， m3/h！3对 气 体 WV=1.5670.7d2(PH H )0.5 kg/h此 式 的 假 设 是 ， 高 压 气 体 排 除 的 速 度

9、 是 音 速 的 0.7倍 。PH 高 压 侧 的 最 大 操 作 压 力 bara H 高 压 流 体 的 密 度 kg/m3 d 换 热 管 的 内 径 mm在以上公式中，它们的计算基准都是以两根换热管的面积来计算排放量，符合 API的论述。第二组公式考虑了闪蒸的流体，其它公式都没有考虑。故先讨论其它四组公式，分为气体和液体的公式分别讨论。二. 对气体的计算公式有三组公式：WV=246.3104d2( p v)0.5 kg/h 内 径 m p 高 低 压 侧 压 差 Mpa v， L 气 、 液 相 重 度 kg/m3WV=1.5670.7d2(PH H )0.5 kg/hPH 高 压 侧

10、 的 最 大 操 作 压 力 barA H 高 压 流 体 的 密 度 kg/m3 d 换 热 管 的 内 径 mmG=107104d2(P v)0.5 kg/hP 高 压 侧 压 力 atm（ 表 ） v 气 体 密 度 kg/m3 d 换 热 管 内 径 m第二式经过单位换算，可换算为：W V=109104d2(P v )0.5与 第三 式 基 本 一 致 ！我 也 试 验 了 前 面 介 绍 的 第 二 组 公 式 （ 日 本 三 菱 重 工 的 公 式 ） ， 结 果 发现 它 的 计 算 结 果 比 其 它 公 式 的 结 果 都 要 大 很 多 。对 第 一 式 我 分 析 它 与

11、 第 二 和 第 三 式 的 区 别 ， 是 用 压 差 代 替 高 压 侧 的 压 力计 算 ， 而 压 差 是 一 个 变 化 的 数 ， 不 是 常 数 ， 所 以 此 式 的 常 数 项 ， 应 该 是 个 变数 ， 不 是 常 数 。三. 对液体的计算公式也有下面三个公式：WL=16.8104d2( p/ L)0.5 kg/h 内 径 m p 高 低 压 侧 压 差 Mpa L 液 相 重 度 kg/m3G=4.7104d2( p/ )0.5 m3/h4 p 高 低 压 侧 压 差 atm 液 体 比 重 d 换 热 管 内 径 mWL=5.6d2(GL p)0.5 kg/hGL 液

12、 体 密 度 kg/m3 p 高 低 压 侧 压 差 Mpa d 换 热 管 的 内 径 mm首先对公式进行单位分析，第一和第三式的单位也有问题，第一式的单位应该是 m3/h 才 对 ？ 第 三 式 的 形 式 就 有 问 题 ， 用 GL p 的 结 果 不 会 是kg/h， 我 觉 得 这 个 公 式 本 身 就 有 问 题 ， 故 建 议 不 采 用 第 三 式 ！在第一式和第二式之间的差别，仅仅是 L 与 ， Mpa 和 atm 的 差 别 ，经 过 换 算 可 知 它 们 之 间 的 差 别 是 0.0314， 16.80.0314=0.528 不 是4.7。用 一 个 例 子 来

13、核 算 ， 高 低 压 差 是 0.5 Mpa 或 5 atm， 换 热 管 径 是0.025mm， 介 质 是 水 ， L=1000， =1。用 第 一 式 计 算 结 果 是 2.348； 用 第 二 式 计 算 结 果 是 65.68 差 别 很 大 ！说 明 这 两 个 公 式 不 一 致 ， 它 们 的 系 数 有 问 题 ！ 四. 研究 API 推荐的公式经过长时间的调查，我们总算找到了上面列举的全部公式的来源，即找到了它们的“老祖”！那就是英国 CRANE 公司编写的 “FLOW OF FLUIDS”一书。在这本书中列出了有关流体流动的全部公式，分为液体、可压缩气体来论述，和换热

14、管破裂有关的公式，是通过孔板的计算公式，我把它们分别列出在后面：对于液体的计算公式：Q=236Cd2( p/ )0.5 gal/minw=0.525Cd2( p )0.5 lb/secW=1891Cd2( p )0.5 lb/h p 流 过 孔 板 的 压 差 lb/in2 ， 液 体 比 重 lb/ft3 d 换 热 管 内 径 in， C 对 流 体 的 流 量 系 数对于可压缩气体的计算公式是：w=0.525Cd2Y( p/V)0.5 lb/secW=1891Cd2Y( p/V)0.5 lb/h p 流 过 孔 板 的 压 差 lb/in2 ， V 气 体 的 比 容 ft3/ lb 5d 换 热 管 内 径 in， C 对 流 体 的 流 量 系 数Y 可压缩流体经过孔板后的膨胀系数对比这些公式和上面介绍的公式，我们可以发现最大的差别是，前面介绍过的全部公式，都是以高低压端的压差为基准的，而公式的来源是以经过孔板的压力损失来计算的！改为以高低压端的压差或就以高压端的压力为基准计算，是方便多了，可是需要合理的推导才能实现。根据美国Hydrocarbon processing February 1992载文“PRV sizing for exchanger tube rupture” 作者是 Wing.Y.Wong，他对换热管破裂工况的安全阀排放量