导热胶泥伴热传热特性及节能潜力研究

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导热胶泥伴热传热特性及节能潜力研究

朱玉琴 , 许锋 , 张海瑞

西安石油大学

收稿日期：2016-09-01

作者简介：朱玉琴(1965-)，女，工学博士，副教授，西安石油大学任教，主要从事化学工程与工艺的教学和研究工作。E-mail:zhuyq@xsyu.edu.cn.

摘要：导热胶泥伴热是对传统伴热的一种优化，通过在伴热管与工艺管之间填充导热胶泥，把原来的线接触改变为面接触，一方面增大伴热面积，另一方面用高导热系数的导热胶泥代替低导热系数的空气, 从而增大传热效率。利用FLUENT软件对导热胶泥蒸汽伴热系统的传热特性和节能潜力进行了数值模拟分析。结果表明，在伴热蒸汽温度相同时，导热胶泥伴热系统较传统伴热管伴热系统能提高工艺介质温度20~45 ℃左右，节能潜力较为显著。该研究结果为伴热过程的优化及工程应用提供了理论依据。

关键词：导热胶泥传热节能潜力 FLUENT软件

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

Zhu Yuqin , Xu Feng , Zhang Hairui

Xi'an Shiyou University, Xi'an, Shaanxi, China

Abstract: 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.

Key Words: thermal cement heat transfer energy-saving potential FLUENT software

伴热在石油化工中有非常广泛的应用，其目的是防止在远距离输送物料时，由于热损而造成温度下降和由此产生的黏度增加、输送困难、物料凝固等。目前，蒸汽伴热、电伴热等均有广泛应用^[1-2]。蒸汽伴热分为套管伴热和外伴热管伴热，蒸汽外伴热管伴热工艺简单，其应用最为广泛，但因施工质量的限制，很难保证工艺管和伴热管间完全贴合，造成伴热管和工艺管间的脱离，使伴热管和工艺管间存有一层空气。由于空气的导热系数很低，工艺管和伴热管的热量传递只能通过密封在保温层中的空气对流进行传热，因其传热效果差, 故存在易使物料堵塞管道和物料变性、蒸汽消耗量大等问题^[3]。

解决普通伴热管上述问题的有效措施可采用高导热系数的导热胶泥，将它敷设在伴热管和工艺管道之间的间隙处，使伴热管与工艺管间的空气层被高导热系数的导热胶泥层所代替，工艺管与伴热管之间的线接触变为面接触(如图 1和图 2所示)，可有效降低传热热阻，提高伴热管和工艺管间的传热效率，保证了工艺管道的伴热要求。导热胶泥的节能降耗效果突出^[4]，其应用不仅提高了化工生产装置的安全运行，且给企业带来较高的经济效益和社会效益^[5-6]。但由于缺乏导热胶泥伴热的理论和生产数据，国内至今没有推广导热胶泥伴热的应用。

图 1 一根伴热管加导热胶泥伴热系统 Figure 1 Heat tracing system of thermal cement with one heating pipe

图 2 两根伴热管加导热胶泥伴热系统 Figure 2 Heat tracing system of thermal cement with two heating pipes

本研究利用计算流体力学(CFD)模拟软件，研究和分析导热胶泥伴热系统的传热机理和伴热特性，从能量的品质和能级匹配角度分析节能潜力，为导热胶泥伴热的工程应用提供理论依据。

1 物理模型、控制方程和计算说明

1.1 物理模型和控制方程

在对图 1和图 2中的伴热系统传热特性进行模拟计算时，分别采用了质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和标准湍流模型k-ε方程^[7]。

质量守恒方程：

$ \frac{{\partial \rho }}{{\partial \mathit{t}}} + \frac{{\partial \left( {\rho u} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {\rho v} \right)}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \left( {\rho w} \right)}}{{\partial z}} = 0 $

(1)

动量守恒方程：

$ \frac{{\partial \left( {\rho u} \right)}}{{\partial \mathit{t}}} + {\rm{div}}\left( {\rho {u^{\overrightarrow u }}} \right){\rm{ = div}}\left( {\mu {\rm{grad}}u} \right)-\frac{{\partial p}}{{\partial x}} + {S_u} $

(2)

$ \frac{{\partial \left( {\rho v} \right)}}{{\partial \mathit{t}}} + {\rm{div}}\left( {\rho {v^{\overrightarrow u }}} \right){\rm{ = div}}\left( {\mu {\rm{grad}}v} \right)-\frac{{\partial p}}{{\partial y}} + {S_v} $

(3)

$ \frac{{\partial \left( {\rho w} \right)}}{{\partial \mathit{t}}} + {\rm{div}}\left( {\rho {w^{\overrightarrow u }}} \right){\rm{ = div}}\left( {\mu {\rm{grad}}w} \right)-\frac{{\partial p}}{{\partial z}} + {S_w} $

(4)

能量守恒定律：

$ \frac{{\partial \left( {\rho T} \right)}}{{\partial \mathit{t}}} + {\rm{div}}\left( {\rho \overrightarrow {\rm{T}} } \right){\rm{ = div}}\left( {\frac{k}{{{c_p}}}{\rm{grad}}T} \right) + {S_T} $

(5)

式中：ρ为流体密度，kg/m³；t为时间，s；u、v和w为速度在x、y和z方向的分量，m/s；p为流体微元体上的压力，Pa；$\overrightarrow u $为流体速度矢量，m/s；μ为运动黏度，Pa·s；S_u、S_v和S_w为动量守恒的广义源项；c_p为比热容，kJ/(kg·℃)；T为温度，K；k为流体的传热系数，W/(m²·℃)；S_T为黏性耗散项。

1.2 模拟计算和网格划分说明

为了简化模拟计算，所用模型中不考虑表面不确定性的热辐射换热。空气夹层内由于温度梯度的存在形成自然对流，其强弱由葛拉晓夫数(Gr)表征。通过计算，Gr的上限值为1.8×10⁷，确定为层流自然对流。内伴热管壁和内工艺管壁的对流换热系数根据流体的流动状态和流体特性用相应的对流换热公式计算。外保温层对流换热系数由式(6)确定。

$ {\alpha _1} = 1.163 \times (10 + 6\sqrt {{v_w}} ) $

(6)

式中：α₁为保温层外表面的散热系数，W/(m²·℃)；v_w为伴热系统所处环境的风速，m/s。

伴热管伴热系统，尤其是空气夹层处结构较为复杂，选择了非结构化网格^[8]，指定网格区域中只包括三角形单元，网格间距为1 mm。对空气夹层狭长封闭区域弧面相交处的网格进行了分块划分和边界层加密，采用Boussinesq模型加快收敛速度。

2 模拟条件和结果分析

2.1 模拟条件

首先，在北方11.5 ℃的环境温度和以蒸汽为伴热介质的条件下(不加导热胶泥时)，对公称直径为15 mm的伴热管伴热系统的传热进行了模拟计算，计算结果与石油化工管道设计标准一致，如表 1所列^[9]，验证了该模型计算的正确性与可靠性。

表 1 无导热胶泥伴热管模拟计算结果 Table 1 Simulation results of heating pipe without thermal cement

工艺管公称直径/mm	保温层厚度/mm	环境温度，北方11.4 ℃
		伴热管根数及公称直径(n×DN，mm)蒸汽温度为151 ℃						伴热管根数及公称直径(n×DN, mm)蒸汽温度为183 ℃
		工艺介质维持温度/℃						工艺介质维持温度/℃
		70	80	90	100	110	120	90	100	110	120	130	140	150
50	50	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	2×15
80	50	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	2×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	2×15
100	60	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	2×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	2×15
150	60	1×15	1×15	1×15	1×15	2×15		1×15	1×15	1×15	1×15	1×15	2×15	2×15
200	60	1×15	1×15	1×15	2×15		2×15	1×15	1×15	1×15	1×15	2×15	2×15	3×15
200	60					2×15
250	60	1×15	1×15	1×15	2×15			1×15	1×15	1×15	1×15	2×15	2×15

表 1 无导热胶泥伴热管模拟计算结果 Table 1 Simulation results of heating pipe without thermal cement

导热胶泥单根伴热管和双根伴热管伴热系统(见图 1和图 2)的模拟条件参考石油化工管道设计表 1中的参数^[9]。伴热管为单位长度AISI1304不锈钢管，工艺管为AISI010碳钢管，保温材料为碳酸钙，以蒸汽为伴热介质，其对流换热系数为1 100 W/(m²·K)；工艺介质为常压下原油，其对流换热系数为2 358 W/(m²·K)。由式(6)得到外保温层壁面的对流换热系数为22.66 W/(m²·K)。伴热管附近敷设导热胶泥的伴热系统如图 1和2所示，导热胶泥的导热系数取10 W/(m·K)、密度为1 510 kg/m³、比热容为1 200 kJ/(kg·K)。模拟计算得到了可视化的内部空气夹层流场分布、温度场分布、热流密度分布以及传热量。模拟计算所能维持工艺介质最高温度见表 2。

表 2 导热胶泥伴热管模拟计算结果 Table 2 Simulation results of heating pipe with thermal cement

2.2 结果分析

2.2.1 导热胶泥伴热的节能效果

从表 2可知，在加入导热胶泥情况下，伴热蒸汽温度为151 ℃、工艺管公称直径分别为50 mm、80 mm、100 mm、150 mm、200 mm和250 mm时所能维持的最高工艺介质温度分别为105 ℃、125 ℃、130 ℃和140 ℃。当伴热蒸汽温度为183 ℃，其他条件均不变时，工艺管公称直径分别为50 mm、80 mm、100 mm、150 mm、200 mm和250 mm时所维持的最高工艺介质温度分别为130 ℃、140 ℃、150 ℃、165 ℃和170 ℃。

表 1是无导热胶泥蒸汽伴热时所能维持的工艺介质的最高温度。比较表 2和表 1可知，在相同的伴热蒸汽温度条件下，使用导热胶泥时所能维持的工艺介质温度比无导热胶泥时提高20~45 ℃，具有显著的节能效果。另一方面，在采用导热胶泥的情况下，可以采用较低的蒸汽伴热温度(降低约30 ℃)与无导热胶泥蒸汽伴热达到相同的伴热效果, 即可采用低压蒸汽伴热，减少了蒸汽温度与工艺温度的差值，有效地降低了有效能损失，获得较好的节能效果。

2.2.2 导热胶泥伴热的传热特性

2.2.2.1 导热胶泥伴热传热与流动的基本特征

首先，模拟分析带导热胶泥系统中的自然对流传热与流动的基本特性。图 3为直径15 mm的单根伴热管、151 ℃的蒸汽对125 ℃的工艺介质进行伴热达到平衡时的温度分布及封闭空间的流场图(其他工况下流场图相似)。图 3中的每条曲线代表等温线，颜色由蓝色至红色表示温度由低逐渐升高。

图 3 伴热蒸汽温度为151 ℃时加导热胶泥伴热系统的温度场 Figure 3 Temperature field of tracing system with thermal cement at 151 ℃ for heating steam

模拟结果表明，不论是否使用导热胶泥，封闭空间空气流动具有相同特征。伴管和导热胶泥附近的空气被加热，温度升高，密度降低，在靠近工艺管外表面侧向上流动并放热给工艺管，冷却后的空气密度增加，沿保温层内表面侧向下流动并向保温层传热，回到伴热管附近被重新加热，形成连续的自然对流流动。从流动强度来看，在夹角区域空气几乎不流动，致使这些区域的传热近似于空气导热。导热胶泥和其他导热系数较高区域中温度梯度明显较低，而伴热管周围空气和保温层的温度梯度较大，散热损失也较多。

另外，从图 3中可以看出，敷设导热胶泥区域的温度与伴热管温度接近，与无导热胶泥蒸汽伴热时的温度场分布相比，高温区域的面积明显增大，整个夹层空气沿工艺管外壁明显较后者狭长，说明其所能加热空气夹层的温度更高，其传热效率较高。并且导热胶泥伴热时的温度场分布图中温度线明显增多，在同样区域内其温度较高，即在相同伴热温度下，伴热管敷设导热胶泥后可以加热工艺介质的温度更高，其所能维持工艺介质的温度也更高。

2.2.2.2 导热胶泥伴热的热流密度分布

图 4为直径15 mm的单根伴热管、151 ℃的蒸汽对125 ℃的工艺介质进行伴热的热流密度分布图，分别计算了加热管内、外壁面，工艺管内、外壁面，保温层内、外壁面的热流密度分布。图 4中，颜色由蓝色至红色表示热流密度由低逐渐升高，正值部分表示加热工艺介质的部分，负值部分表示热量从工艺介质通过保温层散失到环境中的部分。从图 4可知，伴热管附近的热流密度较其他地方大，该区域的温度最高，对工艺管传递的热量最多，同样该区域通过保温层对环境散失的热量也最多。工艺管与保温层相切的区域内热流密度分布梯度较大，因为该区域伴热管处的温度较保温层高，热量通过保温层散失到环境中的也较多。

图 4 伴热蒸汽温度为151 "C时加导热胶泥伴热系统的热流密度分布图 Figure 4 Heat flux distribution of tracing system with thermal cement at 151 ℃ for heating steam

3 结论

(1) 蒸汽温度为151 ℃和183 ℃的单根和两根蒸汽伴热管对不同直径的工艺管进行伴热下，分别对无导热胶泥和有导热胶泥的伴热特性进行数值模拟研究，获得了其温度分布和热流密度分布。

(2) 在相同的伴热蒸汽温度条件下，使用导热胶泥时所能维持的工艺介质温度比无导热胶泥时提高20~45 ℃，导热胶泥伴热具有显著的节能效果。

(3) 在导热胶泥伴热的情况下，可以采用较低的蒸汽伴热温度(降低约30 ℃)与无导热胶泥蒸汽伴热时达到相同的伴热效果，减少了蒸汽温度与工艺温度的传热温差，降低了有效能损失，具有较好的节能效果。

参考文献

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