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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_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 1 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。尤其室外管道内流体温度的测量
2、，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。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0H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1q2 0t不相等，必然有热量的传递，其换热量为 。忽略 在 范围内的变化，并且认为1wt 30tg管道与测温套管保
3、温效果良好。图 2 测温套管及管道的表面换热系数及温度tfu1 gl 0 q 图 测 温 套 管 及 管 道 的 表 面 换 热 系 数 及 温 度H103tw 2nHa图 1 测温套管及管道的结构尺寸D0H1g l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，1u 1Ht0t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 。ft t3 数学模型3.1 能量方程由能量守恒定律可知（）231q式中： 管道内流体通过套管向肋根传递的热量，J；1q套管肋根向管道外空气传递的热量，J；2金属管道向肋根传递的热量，J。33.2 对流换热系数计算 23.2.管
4、内流体与管内壁的强制对流换热系数 1g（）nfffNuPrRe023.8.（）11Dfg式中： 管内流体的努塞尔数；fu管内流体的雷诺数；fRe管内流体的普朗特数；fPrn 常数，取 0.3；流体导热系数，W/(mK)；f管道内径，m。1D3.2.2 管外空气横掠管外壁的对流换热系数 0g（）3/1PrRemnmCNu（）00Dg定性温度： ；2/)(0ttwm式中： 管外空气的努塞尔数；Nu管外空气的雷诺数；mRe管外空气的普朗特数；Pr定性温度下空气导热系数，W/(mK)；m管道外径，m。0D管道外壁平均壁温，。wtC，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 0l
5、努塞尔数按公式（）计算（）0dNuml定性温度为： ；2/)(ttwm式中： 套管保温层外径，m.；0d套管保温层外侧的平均壁温，；wt环境空气温度，。的计算公式如下：wt，即0010)(ln)(2lwwtldt（）101ln2dttlwn式中： 20Hwntt管外部的金属套管的平均壁温，；肋根温度，；0t空气侧肋管顶端金属温度，；H金属套管外径，m.；1d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 1l努塞尔数按公式（）计算，物性参数为管道内流体参数（）1dNuml定性温度为： ；2/)/(10fHmttt式中： 定性温度下流体导热系数，W/(mK)；管道
6、内肋管顶端金属温度，；1Ht管道内液体温度，。f3.2.5 管外空气与套管内部大空间自然对流换热系数 ln（）mmGrCNu)P(（10）0lnH定性温度： ；2/)(ttwnm式中： 管外空气的格拉晓夫数， ；Gr套管位于管道外部的长度，m。0HC、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 1q（11）)()(11021 HmchstAqfc式中： lHm211lcdA1金属肋管截面积，m 2；金属套管的导热系数，W/(mK)； 2金属套管的壁厚，m。l3.3.2 通过肋根向外界环境 的散热量t2q（12） 020()()cshmH
7、Atc（13）gnlldd101010 2ln2式中： lHm200套管位于管道内部的长度，m。1保温材料的导热系数，W/(mK)。3.3.3 金属管道向肋根的导热 3q(b)a图 3 管 道 内 壁 的 网 格 剖 分lyxc0cd绝 热绝 热 tw1如图(3)所示，为了研究由管道内壁 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xly 0t示。其中 、 ，取 m；进行网格剖分。导热微分方程如式（14） ，4/1Dly4/10
8、dlyxl边界条件如（15）（14）22txy图 3 管道内壁的网格剖分 （15） 0,0),(0,1lyxlyxwlyytttt式中： 管道内壁温度，。1wt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）stktjijifg )(,1）（式中： （17）1001ln2Dkg结点(i,j)的面积，m 2。s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3q（18）)()(21)(2102,1,0,lg3 njijijjnjj tttq式中： 金属管道的导热系数，W/(mK)；3金属管道的壁厚，m；lg肋根的结点数。0n3.4 肋根温
9、度 、流体温度 及测量误差 计算tftt由（1） 、 （11） 、 （12） 、 （18）式迭代求出。0t（19）1)(01Hmchttfftt3.5 程序框图 Y Nq1+q3q 2Nt0=(tshang+txia)/2Yt 00t 0 0图 4 程序框图输出：t0，t f，t l0， ln，t H0，q 2； l1，q 1；q3txia=t0t00=t0t0=(tshang+txia)/2tshang=tH0， txia=tH1给定初值： 1、 2、d 0、d 1、D 0、D 1、H0、H 1、 l、 lg、u 1、u 0、 0； g=(D0-D1)/2，t H0=t ；l=1 g0、 g
10、1、t w1、t w0tshang=t0 txia=t00004 计算结果求 时网格步长选取 0.01m， 取 1m；管外空气参数取干空气、管内流体（由于油田2qxl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：t4.1 空气侧肋高 H0及保温材料导热系数 l的影响计算参数取 、 、 、 、 、t3tH401m03.1su/40smu/3.01、 、 、 、 、 、.4m =d0. d1.8 =D6 . =l =lg） 。绘制曲线)/(232KW如图 5 所示。图 5 表明在 0.12W/(mK)的前1提下，当 为 0.01m 时误差小于 0.2，0H当 为 0.0
11、2m 时误差小于 0.55，当为 0.09m 时误差小于 1。在00.09m 前提下， 为 0.03W/(mK)H1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1010.12W/(mK)时相对误差约为 2.4%。安装套管时应该注意使 高度小于 0.02m。H4.2 风速 u0及肋管壁厚 l的影响计算参数取 、 其余参数与图 5 参数相同。绘制曲线如0.6Hm10.2/()WK图 6 测量误差 t 随风速 u0 及肋管金属壁厚 l 变化图图 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
12、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0ul l0.002m 时误差在 22.5范围内，当 为 0.004m 时误差在 3.24.1范围内。在l0.002 时， 随 变化幅度不大。当 为 0.004m、 为 4m/s 时相对误差约为lt0l 0u10%。 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l l3qt1wt以 增加。安装套管时应该注意使 小于 0.002m。t l4.3 大气温度 及测量温度 的影响t1Ht计算参数取 、 其余参数与图 5 参数相同绘制曲线如图0.6m0.2/()WK7 所示。
13、图 7 表明在 20 40前提下，当1Ht为 20时误差在 00.3范围内，当 为 0时误差在t0380.6范围内，当 为t30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tl0H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 图 7 测量误差 t 随大气温度 及测量温度 变化图t1Ht
