曹先慧，馬貴陽，于麗麗, 高艷波，孟向楠

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

基于ANSYS軟件的熱油管路保溫的數(shù)值模擬

曹先慧，馬貴陽，于麗麗, 高艷波，孟向楠

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)埋地?zé)嵊凸艿姥貜较驕囟冗M(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同保溫層厚度時(shí)管道徑向溫度及熱流量的變化。分析了含蠟層的徑向溫度變化，隨著保溫層厚度的增加，保溫層內(nèi)部溫降變化減小，管道向外傳遞的熱流密度逐漸減小，保溫效果更好。熱流量減小的速度隨著保溫層厚度的增加變得緩慢，模擬結(jié)果與編制計(jì)算機(jī)程序計(jì)算結(jié)果相吻合。

熱油管道；徑向溫降；熱流密度；數(shù)值模擬

對(duì)埋地輸油管道進(jìn)行保溫，能有效地阻止管道內(nèi)油品溫度向周圍土壤的擴(kuò)散，減少管內(nèi)油品的熱量損失，達(dá)到確保管道安全運(yùn)行、節(jié)約能源、降低輸送成本的目的。對(duì)管道施加保溫時(shí)，除了要選擇良好的保溫材料，采用合理的保溫結(jié)構(gòu)之外，保溫的效果還取決于保溫層的厚度。本文借助ANSYS軟件對(duì)不同保溫層厚度的埋地?zé)嵊凸艿肋M(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)埋地?zé)嵊凸艿辣貙拥暮穸葘?duì)管道徑向溫度即熱流量的傳遞影響規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 數(shù)值模擬分析的基本原理[1]

本論文采用ANSYS作為數(shù)值模擬分析的工具，從熱分析模塊展開研究。熱分析模塊是基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。

熱分析主要包括穩(wěn)態(tài)傳熱分析和瞬態(tài)傳熱分析。在穩(wěn)態(tài)傳熱分析中任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化，它主要用于分析穩(wěn)態(tài)的熱載荷對(duì)系統(tǒng)或部件的影響；瞬態(tài)傳熱過程指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程，主要用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)以及其他熱參數(shù)。本論文采用瞬態(tài)熱分析進(jìn)行分析計(jì)算。

瞬態(tài)傳熱過程指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個(gè)過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件及系統(tǒng)內(nèi)能都隨時(shí)間明顯變化，根據(jù)能量守恒，瞬態(tài)熱分析的有限平衡方程為（以矩陣形式表示）:

式中： [K]—傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；[C]—比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；{T}—節(jié)點(diǎn)溫度向量；—溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；[Q]—節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包括熱生成。

熱分析的控制方程：

其中，Vx，Vy，Vz為媒介傳導(dǎo)速率。

2 計(jì)算公式[2]

熱流量計(jì)算公式：

保溫層外壁溫度計(jì)算公式：

放熱系數(shù)a2：

其中：Q — 熱流量，W/m；

t0，t，tw— 分別為土壤溫度，管內(nèi)油品溫度，保溫層外壁溫度，℃；

λ0，λla，λg，λb— 分別為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，蠟層的導(dǎo)熱系數(shù)，鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

a1— 油流至管內(nèi)壁放熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

a2— 管外壁至土壤的放熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

rla,rn,rw,rb— 分別為蠟層內(nèi)徑，鋼管內(nèi)徑，鋼管外徑，保溫層外徑m；

h，Db— 分別為管道埋深和保溫層外直徑，m。

3 模擬計(jì)算與分析

以某埋地輸油管道為例，管道規(guī)格為D426× 7，管中心埋深H=1.8 m，平均地溫為-10 ℃，土壤導(dǎo)熱系λ0=1.5 W/(m·℃),油品溫度70 ℃，結(jié)蠟厚度為8 mm，蠟層導(dǎo)熱系數(shù)2.5 W/(m·℃)，鋼管導(dǎo)熱系數(shù)λg=46 W/(m·℃)，保溫材料選取聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，材質(zhì)的參數(shù)為：密度ρ=50 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)λb=0.035 W/(m·℃)，a1=556.432 W/（m2·℃），設(shè)置保溫層厚度分別為δ=10 ，20 ，30 ，40 ，50 ，60 ，80 ，100 mm時(shí)其對(duì)應(yīng)的管外壁放熱系數(shù)a2值分別為2.454, 2,418, 2.384，2.352，2.320， 2.290，2.233， 2.18 W/（m2·℃）,油品流速0.5 m/s。

3.1 模型的建立

目前國(guó)內(nèi)采用的管道保溫結(jié)構(gòu)基本形式為[3]：鋼管—防腐層—保溫層—防水保護(hù)層，防腐層和防水保護(hù)層相對(duì)于保溫層的厚度對(duì)保溫效果的影響可以忽略不計(jì)，得到簡(jiǎn)化后的埋地?zé)嵊凸艿赖奈锢砟Ｐ腿鐖D1。

圖1埋地?zé)嵊凸艿赖暮?jiǎn)化模型Fig.1 simplified model of buried hot oil pipeline

3.2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

數(shù)值模擬及結(jié)果分析如圖2-7和表1。

圖2 保溫層沿徑向溫度分布曲線Fig.2 The radial temperature of the thermal insulation layer

圖3 保溫層管道三維溫度分布云圖Fig.3 The three dimensional distributed cloud chart of the pipeline

圖4 100 mm保溫層徑向溫度分布云圖Fig.4 The cloud chart of the radial temperature of the thermal insulation layer of 100 mm

圖5 管道不同位置處溫度隨保溫層厚度的變化Fig.5 The change of the temperature of different position of the pipeline with the insulation layer thickness

表1 不同保溫層厚度的熱流量Table 1 The heat flow of thermal insulation layer with different thickness

圖6不同保溫層厚度下的熱流密度Fig.6 The heat flow of thermal insulation layer with different thickness

埋地?zé)嵊凸艿赖膫鳠徇^程分三部分組成[4]，即管內(nèi)熱油以對(duì)流方式將熱量傳給結(jié)蠟層內(nèi)壁，經(jīng)過結(jié)蠟層、管壁、保溫層將熱量傳給周圍土壤，再經(jīng)地面與大氣換熱。通常在傳熱計(jì)算當(dāng)中我們近似將油溫作為蠟層內(nèi)壁溫度，由圖5可以看出，油溫為70 ℃時(shí)，保溫層厚度分別為10，20，30，40，50，60，80，100 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)蠟層內(nèi)壁溫度分別為69.770，69.834，69.868，69.890，69.906，69.917，69.932，69.942 ℃,其值非常接近油溫，但是有較小溫差存在，并且結(jié)蠟層內(nèi)壁溫度隨著保溫層厚度的增加而升高。

圖7保溫層外壁溫度隨保溫層厚度的變化Fig.7 The change of the temperature of the outer wall of the thermal insulation layer with its thickness

對(duì)于計(jì)算結(jié)果分析可知，保溫層厚度不同，其散熱量也不同，通過用VB編制計(jì)算機(jī)程序計(jì)算得到的散熱量的理論解為Q1，由ANSYS軟件模擬得到的散熱量為Q2，數(shù)據(jù)比較見表1。

從表1中可以看出，Q1與Q2的誤差非常小，在允許范圍內(nèi)，由此ANSYS軟件得到了驗(yàn)證。并且保溫層向外傳遞熱流密度值隨著保溫層厚度的增大而明顯減少[5]。這是由于保溫層越厚，保溫層的熱阻增大，導(dǎo)熱系數(shù)越小，管道散失的熱量越少，對(duì)于一定管道長(zhǎng)度的管線，增加保溫層厚度可以提高出口油品的溫度，節(jié)約能源。

將模擬計(jì)算數(shù)據(jù)繪成圖6可知：隨管道保溫厚度δ的不同，其管道的散熱量變化很大。當(dāng)保溫層厚度δ較小時(shí)，散熱量Q值隨δ變化激烈；當(dāng)保溫層厚度δ達(dá)到一定值后，散熱量Q值隨δ變化較緩慢。

取不同的保溫層半徑，進(jìn)行運(yùn)算后，得到不同保溫層厚度下的沿徑向溫降如圖8所示。

圖8 不同保溫層厚度的管道徑向溫降Fig.8 The drop of the radial temperature of thermal insulation layer with different thickness

取圖8中的0 mm至15 mm（結(jié)蠟層內(nèi)壁為徑向距離原點(diǎn)）段作圖得到蠟層和鋼管內(nèi)的溫度變化圖9。

從結(jié)蠟層內(nèi)壁至鋼管外壁的范圍內(nèi)，徑向溫度接近油溫70 ℃，這是由于保溫層厚度為8 mm比較小，并且鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)較大，對(duì)管道的徑向溫度的影響小于1 ℃。在0 mm至8 mm即結(jié)蠟層內(nèi)，保溫層越厚，溫度降低越慢。在8 mm至15 mm即鋼管壁內(nèi)，曲線接近水平，溫度變化非常小，這是由鋼管較大的導(dǎo)熱系數(shù)所致。當(dāng)徑向距離大于15 mm時(shí)，即從鋼管外壁至保溫層外壁，管道沿徑向的溫度是呈弧線均勻降低的。保溫層厚度為10 mm時(shí)的斜率最大，保溫層厚度為100 mm時(shí)的斜率最小，即保溫層厚度越大，管道徑向溫度降低的速度越慢。熱油管道運(yùn)行過程中，在徑向溫降的推動(dòng)下，油流所攜帶的熱量不斷往管外散失。保溫層厚度為10 mm的管道保溫層外壁溫度為36.206 ℃，保溫層厚度為100 mm的管道保溫層外壁溫度為-0.612℃。

圖9 蠟層和鋼管內(nèi)的溫度變化圖Fig.9 The temperature variation of the wax layer and steel pipe

4 結(jié)束語

應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)不同保溫層下的埋地?zé)嵊凸艿姥貜较驕亟档臏囟确植歼M(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果與公式編制的VB程序求得的理論解相吻合，驗(yàn)證了ANSYS軟件在模擬管道傳熱方面的可行性和準(zhǔn)確性。

應(yīng)用ANSYS模擬了不同保溫層厚度的埋地?zé)嵊凸艿姥叵虻臒崃髁颗c溫降變化，得到了保溫層厚度對(duì)管道傳熱的影響，為埋地?zé)嵊凸艿澜Y(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和分析方法。

［1］王澤鵬，張秀輝,等，ANSYS 12.0 熱力學(xué)有限元分析從入門到精通[M].2010:112-129.

［2］吳國(guó)忠，曲洪權(quán)，龐麗萍,等，埋地輸油管道非穩(wěn)態(tài)熱力計(jì)算求解方法[J].油氣田地面工程，2001（6）：6-7．

［3］楊嘉瑜,譯.國(guó)外輸油管道保溫技術(shù)概況及發(fā)展[J].國(guó)外油田工程，1997（5）:42-45．

［4］賈雪松.基于CFD的熱油管道數(shù)值模擬[D].大慶石油學(xué)院,2010.

［5］王常斌，趙月,等：熱油管道溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2011（3）:9-12.

Numerical Simulation on Thermal Insulation of Hot Oil Pipelines Based on ANSYS

CAO Xian-hui，MA Gui-yang，YU Li-li，GAO Yan-bo，MENG Xiang-nan
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Through the numerical simulation of radial temperature of buried hot oil pipelines with ANSYS software, effect of the thermal insulation layer thickness on the radial temperature and heat flow were analyzed and calculated. Change of the radial temperature of different wax layers was analyzed. The results show that along with the increase of the insulation layer thickness, the reducing of temperature in the thermal insulation layer is slow and the heat flux that transfers between pipes and outside reduces gradually，so the heat preservation effect is better；With the increase of the insulation layer thickness, the decline rate of the heat flow is slow. The simulation result of numerical simulation is consistent with theory calculation result, which shows the feasibility and accuracy of ANSYS in heat transfer calculation.

Hot oil pipeline; Radial temperature drop; Heat flow; Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2012）02-0181-04

2011-12-19

曹先慧（1986-），女，山東濟(jì)寧人，現(xiàn)為遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)在讀碩士。研究方向：計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真。E-m ail：caoxianhui@yeah.net。