朱玉琴 許 鋒 張海瑞西安石油大學(xué)

導(dǎo)熱膠泥伴熱傳熱特性及節(jié)能潛力研究

朱玉琴 許 鋒 張海瑞
西安石油大學(xué)

導(dǎo)熱膠泥伴熱是對傳統(tǒng)伴熱的一種優(yōu)化，通過在伴熱管與工藝管之間填充導(dǎo)熱膠泥，把原來的線接觸改變?yōu)槊娼佑|，一方面增大伴熱面積，另一方面用高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱膠泥代替低導(dǎo)熱系數(shù)的空氣,從而增大傳熱效率。利用FLUENT軟件對導(dǎo)熱膠泥蒸汽伴熱系統(tǒng)的傳熱特性和節(jié)能潛力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，在伴熱蒸汽溫度相同時(shí)，導(dǎo)熱膠泥伴熱系統(tǒng)較傳統(tǒng)伴熱管伴熱系統(tǒng)能提高工藝介質(zhì)溫度20～45 ℃左右，節(jié)能潛力較為顯著。該研究結(jié)果為伴熱過程的優(yōu)化及工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

導(dǎo)熱膠泥 傳熱 節(jié)能潛力 FLUENT軟件

伴熱在石油化工中有非常廣泛的應(yīng)用，其目的是防止在遠(yuǎn)距離輸送物料時(shí)，由于熱損而造成溫度下降和由此產(chǎn)生的黏度增加、輸送困難、物料凝固等。目前，蒸汽伴熱、電伴熱等均有廣泛應(yīng)用[1-2]。蒸汽伴熱分為套管伴熱和外伴熱管伴熱，蒸汽外伴熱管伴熱工藝簡單，其應(yīng)用最為廣泛，但因施工質(zhì)量的限制，很難保證工藝管和伴熱管間完全貼合，造成伴熱管和工藝管間的脫離，使伴熱管和工藝管間存有一層空氣。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，工藝管和伴熱管的熱量傳遞只能通過密封在保溫層中的空氣對流進(jìn)行傳熱，因其傳熱效果差,故存在易使物料堵塞管道和物料變性、蒸汽消耗量大等問題[3]。

解決普通伴熱管上述問題的有效措施可采用高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱膠泥，將它敷設(shè)在伴熱管和工藝管道之間的間隙處，使伴熱管與工藝管間的空氣層被高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱膠泥層所代替，工藝管與伴熱管之間的線接觸變?yōu)槊娼佑|(如圖1和圖2所示)，可有效降低傳熱熱阻，提高伴熱管和工藝管間的傳熱效率，保證了工藝管道的伴熱要求。導(dǎo)熱膠泥的節(jié)能降耗效果突出[4]，其應(yīng)用不僅提高了化工生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行，且給企業(yè)帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[5-6]。但由于缺乏導(dǎo)熱膠泥伴熱的理論和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，國內(nèi)至今沒有推廣導(dǎo)熱膠泥伴熱的應(yīng)用。

本研究利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬軟件，研究和分析導(dǎo)熱膠泥伴熱系統(tǒng)的傳熱機(jī)理和伴熱特性，從能量的品質(zhì)和能級匹配角度分析節(jié)能潛力，為導(dǎo)熱膠泥伴熱的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 物理模型、控制方程和計(jì)算說明

1.1 物理模型和控制方程

在對圖1和圖2中的伴熱系統(tǒng)傳熱特性進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，分別采用了質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型k-ε方程[7]。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

能量守恒定律：

(5)

1.2 模擬計(jì)算和網(wǎng)格劃分說明

為了簡化模擬計(jì)算，所用模型中不考慮表面不確定性的熱輻射換熱?？諝鈯A層內(nèi)由于溫度梯度的存在形成自然對流，其強(qiáng)弱由葛拉曉夫數(shù)(Gr)表征。通過計(jì)算，Gr的上限值為1.8×107，確定為層流自然對流。內(nèi)伴熱管壁和內(nèi)工藝管壁的對流換熱系數(shù)根據(jù)流體的流動狀態(tài)和流體特性用相應(yīng)的對流換熱公式計(jì)算。外保溫層對流換熱系數(shù)由式(6)確定。

(6)

式中：α1為保溫層外表面的散熱系數(shù)，W/(m2·℃)；vw為伴熱系統(tǒng)所處環(huán)境的風(fēng)速，m/s。

伴熱管伴熱系統(tǒng)，尤其是空氣夾層處結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，選擇了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[8]，指定網(wǎng)格區(qū)域中只包括三角形單元，網(wǎng)格間距為1 mm。對空氣夾層狹長封閉區(qū)域弧面相交處的網(wǎng)格進(jìn)行了分塊劃分和邊界層加密，采用Boussinesq模型加快收斂速度。

2 模擬條件和結(jié)果分析

2.1 模擬條件

首先，在北方11.5 ℃的環(huán)境溫度和以蒸汽為伴熱介質(zhì)的條件下(不加導(dǎo)熱膠泥時(shí))，對公稱直徑為15 mm的伴熱管伴熱系統(tǒng)的傳熱進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與石油化工管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致，如表1所列[9]，驗(yàn)證了該模型計(jì)算的正確性與可靠性。

導(dǎo)熱膠泥單根伴熱管和雙根伴熱管伴熱系統(tǒng)(見圖1和圖2)的模擬條件參考石油化工管道設(shè)計(jì)表1中的參數(shù)[9]。伴熱管為單位長度AISI1304不銹鋼管，工藝管為AISI010碳鋼管，保溫材料為碳酸鈣，以蒸汽為伴熱介質(zhì)，其對流換熱系數(shù)為1 100 W/(m2·K)；工藝介質(zhì)為常壓下原油，其對流換熱系數(shù)為2 358 W/(m2·K)。由式(6)得到外保溫層壁面的對流換熱系數(shù)為22.66 W/(m2·K)。伴熱管附近敷設(shè)導(dǎo)熱膠泥的伴熱系統(tǒng)如圖1和2所示，導(dǎo)熱膠泥的導(dǎo)熱系數(shù)取10 W/(m·K)、密度為1 510 kg/m3、比熱容為1 200 kJ/(kg·K)。模擬計(jì)算得到了可視化的內(nèi)部空氣夾層流場分布、溫度場分布、熱流密度分布以及傳熱量。模擬計(jì)算所能維持工藝介質(zhì)最高溫度見表2。

表1 無導(dǎo)熱膠泥伴熱管模擬計(jì)算結(jié)果Table1 Simulationresultsofheatingpipewithoutthermalcement工藝管公稱直徑/mm保溫層厚度/mm環(huán)境溫度,北方11.4℃伴熱管根數(shù)及公稱直徑(n×DN,mm)蒸汽溫度為151℃伴熱管根數(shù)及公稱直徑(n×DN,mm)蒸汽溫度為183℃工藝介質(zhì)維持溫度/℃工藝介質(zhì)維持溫度/℃7080901001101209010011012013014015050508050100601506020060250601×151×151×151×151×151×151×151×151×151×151×151×152×151×151×151×151×151×152×151×151×151×151×151×151×152×151×151×151×151×151×152×151×151×151×151×151×151×152×151×151×151×151×152×151×151×151×151×151×152×152×151×151×151×152×152×151×151×151×151×152×152×152×153×151×151×151×152×151×151×151×151×152×152×15

表2 導(dǎo)熱膠泥伴熱管模擬計(jì)算結(jié)果Table2 Simulationresultsofheatingpipewiththermalcement工藝管公稱直徑/mm保溫層厚度/mm環(huán)境溫度,北方11.4℃伴熱管根數(shù)及公稱直徑(n×DN,mm)蒸汽溫度為151℃伴熱管根數(shù)及公稱直徑(n×DN,mm)蒸汽溫度為183℃工藝介質(zhì)維持溫度/℃工藝介質(zhì)維持溫度/℃10512513014013014015016517050508050100601506020060250601×151×151×151×151×151×151×151×151×151×151×151×152×151×151×151×151×151×151×151×151×152×151×151×151×151×152×151×151×151×152×151×151×151×152×152×151×151×152×152×151×151×152×152×152×151×151×152×152×151×151×152×152×152×15

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 導(dǎo)熱膠泥伴熱的節(jié)能效果

從表2可知，在加入導(dǎo)熱膠泥情況下，伴熱蒸汽溫度為151 ℃、工藝管公稱直徑分別為50 mm、80 mm、100 mm、150 mm、200 mm和250 mm時(shí)所能維持的最高工藝介質(zhì)溫度分別為105 ℃、125 ℃、130 ℃和140 ℃。當(dāng)伴熱蒸汽溫度為183 ℃，其他條件均不變時(shí)，工藝管公稱直徑分別為50 mm、80 mm、100 mm、150 mm、200 mm和250 mm時(shí)所維持的最高工藝介質(zhì)溫度分別為130 ℃、140 ℃、150 ℃、165 ℃和170 ℃。

表1是無導(dǎo)熱膠泥蒸汽伴熱時(shí)所能維持的工藝介質(zhì)的最高溫度。比較表2和表1可知，在相同的伴熱蒸汽溫度條件下，使用導(dǎo)熱膠泥時(shí)所能維持的工藝介質(zhì)溫度比無導(dǎo)熱膠泥時(shí)提高20～45 ℃，具有顯著的節(jié)能效果。另一方面，在采用導(dǎo)熱膠泥的情況下，可以采用較低的蒸汽伴熱溫度(降低約30 ℃)與無導(dǎo)熱膠泥蒸汽伴熱達(dá)到相同的伴熱效果,即可采用低壓蒸汽伴熱，減少了蒸汽溫度與工藝溫度的差值，有效地降低了有效能損失，獲得較好的節(jié)能效果。

2.2.2 導(dǎo)熱膠泥伴熱的傳熱特性

2.2.2.1 導(dǎo)熱膠泥伴熱傳熱與流動的基本特征

首先，模擬分析帶導(dǎo)熱膠泥系統(tǒng)中的自然對流傳熱與流動的基本特性。圖3為直徑15 mm的單根伴熱管、151 ℃的蒸汽對125 ℃的工藝介質(zhì)進(jìn)行伴熱達(dá)到平衡時(shí)的溫度分布及封閉空間的流場圖(其他工況下流場圖相似)。圖3中的每條曲線代表等溫線，顏色由藍(lán)色至紅色表示溫度由低逐漸升高。

模擬結(jié)果表明，不論是否使用導(dǎo)熱膠泥，封閉空間空氣流動具有相同特征。伴管和導(dǎo)熱膠泥附近的空氣被加熱，溫度升高，密度降低，在靠近工藝管外表面?zhèn)认蛏狭鲃硬⒎艧峤o工藝管，冷卻后的空氣密度增加，沿保溫層內(nèi)表面?zhèn)认蛳铝鲃硬⑾虮貙觽鳠?，回到伴熱管附近被重新加熱，形成連續(xù)的自然對流流動。從流動強(qiáng)度來看，在夾角區(qū)域空氣幾乎不流動，致使這些區(qū)域的傳熱近似于空氣導(dǎo)熱。導(dǎo)熱膠泥和其他導(dǎo)熱系數(shù)較高區(qū)域中溫度梯度明顯較低，而伴熱管周圍空氣和保溫層的溫度梯度較大，散熱損失也較多。

另外，從圖3中可以看出，敷設(shè)導(dǎo)熱膠泥區(qū)域的溫度與伴熱管溫度接近，與無導(dǎo)熱膠泥蒸汽伴熱時(shí)的溫度場分布相比，高溫區(qū)域的面積明顯增大，整個(gè)夾層空氣沿工藝管外壁明顯較后者狹長，說明其所能加熱空氣夾層的溫度更高，其傳熱效率較高。并且導(dǎo)熱膠泥伴熱時(shí)的溫度場分布圖中溫度線明顯增多，在同樣區(qū)域內(nèi)其溫度較高，即在相同伴熱溫度下，伴熱管敷設(shè)導(dǎo)熱膠泥后可以加熱工藝介質(zhì)的溫度更高，其所能維持工藝介質(zhì)的溫度也更高。

2.2.2.2 導(dǎo)熱膠泥伴熱的熱流密度分布

圖4為直徑15 mm的單根伴熱管、151 ℃的蒸汽對125 ℃的工藝介質(zhì)進(jìn)行伴熱的熱流密度分布圖，分別計(jì)算了加熱管內(nèi)、外壁面，工藝管內(nèi)、外壁面，保溫層內(nèi)、外壁面的熱流密度分布。圖4中，顏色由藍(lán)色至紅色表示熱流密度由低逐漸升高，正值部分表示加熱工藝介質(zhì)的部分，負(fù)值部分表示熱量從工藝介質(zhì)通過保溫層散失到環(huán)境中的部分。從圖4可知，伴熱管附近的熱流密度較其他地方大，該區(qū)域的溫度最高，對工藝管傳遞的熱量最多，同樣該區(qū)域通過保溫層對環(huán)境散失的熱量也最多。工藝管與保溫層相切的區(qū)域內(nèi)熱流密度分布梯度較大，因?yàn)樵搮^(qū)域伴熱管處的溫度較保溫層高，熱量通過保溫層散失到環(huán)境中的也較多。

3 結(jié) 論

(1) 蒸汽溫度為151 ℃和183 ℃的單根和兩根蒸汽伴熱管對不同直徑的工藝管進(jìn)行伴熱下，分別對無導(dǎo)熱膠泥和有導(dǎo)熱膠泥的伴熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，獲得了其溫度分布和熱流密度分布。

(2) 在相同的伴熱蒸汽溫度條件下，使用導(dǎo)熱膠泥時(shí)所能維持的工藝介質(zhì)溫度比無導(dǎo)熱膠泥時(shí)提高20～45 ℃，導(dǎo)熱膠泥伴熱具有顯著的節(jié)能效果。

(3) 在導(dǎo)熱膠泥伴熱的情況下，可以采用較低的蒸汽伴熱溫度(降低約30 ℃)與無導(dǎo)熱膠泥蒸汽伴熱時(shí)達(dá)到相同的伴熱效果，減少了蒸汽溫度與工藝溫度的傳熱溫差，降低了有效能損失，具有較好的節(jié)能效果。

[1] BARTH R, BONORDEN C, HOUSE P, et al. Heat tracing technology for the 21st century[C]//Proceedings of 2001 Conference Record of Pulp and Paper Industry Technical Conference. Portland, OR, USA: IEEE, 2001: 174-179.

[2] 蘭功玉, 李祥全. 異型伴熱管技術(shù)[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備, 2000， (4): 20-21.

[3] 秦連彬, 李庚昌, 張濤, 等. 電加熱技術(shù)在氣田的節(jié)能效果分析[J]. 油田節(jié)能, 2005, 16(1): 13-15.

[4] 潘從錦, 木合塔爾·買買提, 張科偉, 等. 節(jié)能導(dǎo)熱膠泥在瀝青攪拌罐上的應(yīng)用[J]. 石油和化工節(jié)能, 2013(1): 28-30.

[5] 戚學(xué)貴, 譚曉勇, 徐宏, 等. 伴熱系統(tǒng)及外伴熱管體系性能優(yōu)化技術(shù)評述[J]. 天然氣工業(yè), 2007, 27(4): 108-111.

[6] 潘紅良. 應(yīng)用導(dǎo)熱膠泥伴熱管的伴熱效率研究[J]. 天然氣工業(yè), 2005, 25(2): 172-175.

[7] 張建文, 楊振亞, 張政. 流體流動與傳熱過程的數(shù)值模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009: 13-25.

[8] 王福軍. 計(jì)算流體動力學(xué)分析: CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[9] 蔡爾輔. 石油化工管道設(shè)計(jì)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

Investigation on heat transfer characteristics and energy-saving potential of thermal tracing with thermal cement

Zhu Yuqin， Xu Feng， Zhang Hairui
Xi’anShiyouUniversity，Xi’an,Shaanxi,China

By filling with thermally conductive cement between the heat pipe and the process pipe, line contact was altered to surface contact, which thus increased the heating area, as well as the heat transfer efficiency by replacing the air with low thermal conductivity with a high thermal conductive cement. In this manner, the thermal cement heat tracing was an optimization for the traditional one. Heat transfer characteristics and energy-saving potential of thermal clay steam heating system was simulated with FLUENT software in this paper. The results of simulation showed that at the same heating steam temperature, the process temperature was about 20～45 ℃ higher with thermal clay heating system than the traditional one, demonstrating significant energy-saving potential. The similation results would provide a theoretical basis for optimization and engineering applications of thermal processes.

thermal cement, heat transfer, energy-saving potential, FLUENT software

朱玉琴(1965-)，女，工學(xué)博士，副教授，西安石油大學(xué)任教，主要從事化學(xué)工程與工藝的教學(xué)和研究工作。E-mail:zhuyq@xsyu.edu.cn

TE832.3+4

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.02.023

2016-09-01；編輯：鐘國利