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摘要：设置暖泵的管道在化工项目中是一种流程简单的备用泵防冻措施。本文主要就是从项目的实例出发，分析暖泵的管道是否可以有效避免备用泵结冻的一些问题的研究思路及其计算方法，仅供从业者参考。
关键词：暖泵管道；备用泵；防冻措施
引言：在我国东北等比较寒冷的地区，应该研究备用泵的防冻措施，不然备用泵就会被结冻，失掉备用的价值，还有可能冻坏设施。如今，存在的备用泵防冻方法有：带有暖泵管道以及电伴热等。从业者只是按照项目的实际状况对研究思路以及计算的取值进行调整，本文只是采用一种研究的思路与计算的方法。
1背景
设置暖泵管道是一种附有简单流程与节省投资的离心泵防冻措施。但是因为没有定量计算的方法，所以，在比较极端低温环境中其温度比介质凝点还要低，从业者只是比较担心暖泵管道是不能够避免备用泵的结冻，但却选择了泵房或者是伴热等成本比较高的防冻方法。设置暖泵管道在实际运用中会受一定的阻碍。据《化工工艺的设计手册》里面显示，如果气温比物料的凝固点还要低，暖泵管道需要放置在离心泵出口的止回阀以及切断阀的前后。具体放置的方案详见图1。
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如上图1 所示，A、B泵备用的时候，A、B泵开启，泵出口的总管压力比较大，进总管的压力会小一些，介质从泵出口管道，经过暖泵的管道，顺利流向泵体，最终流回泵进口的管线。
2项目实例研究思路与计算的过程
该项目位于东北黑龙江地区，它是煤气化的项目，其最低气温可以达到-30℃。该项目中氧水泵可以一开一备，离心泵，其介质是水，温度大概在100℃，流量为62m3/h，现在研究备用泵放置的暖泵管道是否可以防冻。
2.1离心泵允许倒流的流量
如上图1 所示，当暖泵管道被开启时，水的流向是通过离心泵的出口到入口，在泵正常工作的时候水的流动正好是相反的方向，为了更好的避免离心泵的叶轮倒转导致设施会被损坏，据《化工工艺的设计手册》里面显示，暖泵流量最好是正常流量的 4 %左右。在该项目中，暖泵流量可以采用正常流量的 4 %，就是62 m3/h×4 %=2.48 m3/h。
2.2暖泵介质在泵内的流动路线分析
离心泵的结构主要是由泵壳、进口管、排出管以及叶轮等共同构成的，详见图2.
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由上图2可知，在泵体内的暖泵介质有两条流动路线。第一条路线，因为进出口压强差的原因，当暖泵的介质流入到泵体里面之后，经过附近的叶片缝隙而流出泵体，下图3中1号箭头所示。第二条路线，大流量在进行倒流的时候，泵体的叶轮就发生倒转的情况，如图3中的叶轮就是在顺时针转动，至于小流量的暖泵时，叶轮就不会进行倒转，但在泵壳里面的介质仍然会进行顺时针转动，因为水流从泵壳的切线方向流进来，有垂直向下的动量，使得泵壳外周的水流进行顺时针方向的流动，创建沿着泵壳外周的循环回路，就像图3里面2号箭头所指的那样。本文认为，因为暖泵流量比较小，而垂直向下的动量又不是很大，许多的暖泵介质都会沿着第一条路线流出泵体，只是有少许介质会沿第二条路线流动，下图3所示。
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在该项目中，根据 5 %暖泵流量的除氧水依照第二条路线进行流动，沿着泵壳循环。即 2.48m3/h×5%=0.124m3/h。该0.124m3/h，103℃的除氧水，流过泵壳一周，水的显热降低值相等于通过附近大气传递的热量，如果出口温度的水比它的凝固点（0℃）大，因此就会认为此暖泵管线可以避免备用泵结冻。
2.3在泵壳内部暖泵介质的流道尺寸
据该项目设施资料显示，离心泵的型号是 45-310，泵出口的直径为45 mm，叶轮的直径是 310 mm。由上图 2应该知道，叶轮和泵壳之间的流道宽度，在泵的出口最大宽度为 45 mm。为便于计算，采用45mm的流道宽度。即假设流体在直径 45 mm，曲率半径 155 mm 的圆形弯管内部进行流动，如下图4所示。
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2.4泵体向周围大气传递的热量QT
总传热热量=总传热系数×传热的面积×对数平均温差=水的质量×水的比热容×暖泵介质出口的温差，即QT=KSΔtm=mCpΔt（式1），其中：K代表总传热系数；QT总传热量；S代表传热的面积，据上图4计算的泵壳的散热面积之后，取其安全系数为2m2；Cp代表水的比热容；Δt代表暖泵介质的进口与出口的温差值，tm=[（t1-t2）÷ln（t1÷t2）]，Δt1=ta-t0,Δt2=tb-t0,Δt=ta-tb；ta代表暖泵介质进口的温度；tb代表暖泵介质出口的温度；t0代表环境的温度，应当采用黑龙江冬季最冷的几天平均温度。
2.5总传热系数K
注意需要对泵壳金属热阻进行忽略，则总传热系数=1÷[（1÷泵内介质的传热系数）+（1÷泵外空气自然的对流热系数）]，即K=1/(1/ai+1/ao)（式2）,其中ai代表泵内介质的传热系数，ao代表泵外空气自然的对流热系数。
2.6暖泵介质的传热系数ai
注意需要对泵壳金属热阻进行忽略，暖泵介质的雷诺准数应该大于2400，不要超过10000，而普兰特准数不要超过120需要大于0.8，经过计算该暖泵的雷诺准数（Re）为2990，普兰特准数（Pr）为2，可以判断是过渡流。传热系数的计算公式为a1=0.023Re0.8Pr0.3[1+(di/L)0.7]（式3），此外，在弯管里面有流体进行流动时，扰动加剧，则短直管的内传热系数为ai=（1+1.77di/R)a1（式4），经过计算可以得出短直管内传热系数为115.7W/(m2·K)。
2.7空气自然对流传热系数ao
1辐射换热系数ar
ar=5.669 ε/(tw-to）[((273+tw)/100)-((273+to)/100)4](式5），其中：tw代表的是泵外表面的温度，to代表的是环境的温度，ε代表的是外表面的材料黑度，在对辐射换热系数进行计算时，由于泵外有油漆，其黑度应该为0.9。计算结果ar=6.3W/(m2·K)。
2对流换热系数ac
= ac=4.53×（W0.805÷D10.382）（式6）其中：W代表风速，D1代表换热层外径，风速采取最大值为29.8m/s，计算得ac=108.1W/(m2·K)。则空气自然对流传热系数ao为114.4W/(m2·K)。因此总传热系数为58.82W/(m2·K)，再把它带入式子1中，运用迭代试差法，对出口温度进行调整，当式子1左右两边都相等时，得出出口温度差值为58.5℃，周围大气传递的热量为6483w。所以，该暖泵介质的出口温度为58.5℃大于凝固点的温度，则备用泵不会结冻。
结论：综上所述，在低温的环境温度项目中，暖泵管线是一种流程超级简单以及经济简便的备用泵防冻措施。本文主要对离心泵允许倒流的流量、在泵壳内部暖泵介质的流道尺寸以及暖泵介质在泵内的流动路线这几方面，分析该项目的实例研究思路。
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