導(dǎo)熱膠泥由于伴熱管施工方便, 維護(hù)容易, 因此在石油、 化工 、 制藥等行業(yè)采用伴熱管的伴熱方法非常廣泛 。但由于伴熱管與工藝管道間理論上僅為線接觸, 實(shí)際上因種種原因在管道施工過(guò)程中很難保證伴熱管和工藝管道間的完全貼合, 從而使得伴熱管和工藝管之間存在一空氣層。這一空氣層使伴熱管和工藝管之間熱量傳遞的阻力大大增加 , 降低了熱傳導(dǎo)的傳熱效率 , 從而使熱量傳遞的主要方式為對(duì)流傳熱。為此, 對(duì)這一空氣層對(duì)伴熱管傳熱效率的影響進(jìn)行了有限元計(jì)算與研究 , 結(jié)果表明空氣層會(huì)使傳熱效率大大降低〔1〕 。事實(shí)上 , 伴熱管伴熱效率低的問(wèn)題不僅被很多工程實(shí)例所證實(shí) , 而且已得到相關(guān)行業(yè)工程技術(shù)人員的高度重視 〔2〕提出了采用異型管來(lái)增大伴熱管與工藝管間的傳熱面積 , 以達(dá)到提高傳熱效率的目的 。實(shí)踐證明, 這一技術(shù)對(duì)提高傳熱效率起到了一定的作用, 但并沒(méi)有解決伴熱管和工藝管間存在空氣層的問(wèn)題 。造成伴熱管伴熱效果差的問(wèn)題 , 癥結(jié)在于伴熱管和工藝管間存在一空氣層。如果將這一空氣層用一種導(dǎo)熱性能良好的材料替代 , 將這一填充材料與伴熱管和工藝管均保持良好的接觸 , 不僅能大大提高傳熱面積, 而且能將傳熱方式變成熱傳導(dǎo) 。這種材料習(xí)慣上稱為導(dǎo)熱膠泥 ,在國(guó)外已有很長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用歷史, 如美國(guó) THERMON Manufaturing Company 就有 40 多年的研究生產(chǎn)歷史 。近年來(lái) , 我國(guó)引進(jìn)了成套的導(dǎo)熱膠泥裝置及其技術(shù) , 應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大, 目前所研究的 HXD 導(dǎo)熱膠泥系列產(chǎn)品〔3〕已在國(guó)內(nèi)十余家國(guó)有大型企業(yè)、 獨(dú)資企業(yè)、合資企業(yè)得到應(yīng)用 。盡管導(dǎo)熱膠泥的應(yīng)用逐漸廣泛, 但對(duì)其認(rèn)識(shí)還不夠深入, 特別是對(duì)伴熱管使用導(dǎo)熱膠泥后伴熱效果究竟提高了多少還缺乏系統(tǒng)研究, 嚴(yán)重影響了導(dǎo)熱膠泥的應(yīng)用領(lǐng)域 。為此, 將對(duì)伴熱管使用導(dǎo)熱膠泥后的傳熱特性進(jìn)行有限元分析 , 以期對(duì)伴熱管使用導(dǎo)熱膠泥后所帶來(lái)傳熱效率的提高形成定量認(rèn)識(shí)。二、 帶導(dǎo)熱膠泥伴熱管的有限元分析計(jì)算采用的有限元程序?yàn)?Ansy s 5 .7 , 分析對(duì)象為HXD-D類(lèi)型導(dǎo)熱膠泥的伴熱結(jié)構(gòu)形式 , 伴熱管和工藝管之間存在 1 mm 的間隙, 這一間隙由HXD-D 型導(dǎo)熱膠泥填充 , 所得到的結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖 1 , 計(jì)算參數(shù)如下 。鋼管的導(dǎo)熱系數(shù) λ=45 W/ (m·℃);管道與保溫層之間空氣的導(dǎo)熱系數(shù) λ=0 .025 W/ (m·℃);保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù) λ=0 .15 W/ (m·℃);管內(nèi)介質(zhì)的給熱系數(shù) α=1270W/(m
2·℃);管間空氣自然對(duì)流的給熱系數(shù) α=5 W/ (m
2·℃);保溫層外空氣自然對(duì)流的給熱系數(shù) α=10 W/ (m
2·℃);伴熱管內(nèi)壁的溫度 t =120 ℃;工藝管內(nèi)物料溫度 t
=40 ℃;管道與保溫層之間空氣的溫度 t =60 ℃;管道內(nèi)介質(zhì)溫度為 40 ℃。圖 1
帶導(dǎo)熱膠泥伴熱管系有限元網(wǎng)格圖 2 和圖 3 分別表示伴熱管施加導(dǎo)熱膠泥后 ,伴熱管系截面上的溫度和熱流密度分布圖。從圖 2可以看出 , 在敷設(shè)導(dǎo)熱膠泥后 , 工藝管管壁上的高溫區(qū)域范圍明顯增大 , 工藝管的溫度升高意味著伴熱管向工藝管的傳熱推動(dòng)力增大, 使得更多的熱量從伴熱管流到工藝管 。
從圖 3 的熱流密度分布圖可以看出, 熱流密度較大的區(qū)域主要集中在敷設(shè)有導(dǎo)熱膠泥的區(qū)域, 在這一區(qū)域中 , 越靠近伴熱管的中心, 熱流密度就越大 。為更明確反映伴熱管的傳熱特性 , 將工藝管的管內(nèi)壁圓周自上而下的溫度分布示于圖 4 , 將該路徑的熱流密度分布和熱流沿內(nèi)周路徑的積分值分別示于圖 5 和圖 6 。
由圖 4 可見(jiàn) , 工藝管內(nèi)壁與伴熱管接觸的區(qū)域溫度急劇上升 , ******溫度達(dá)到 97 ℃。這一溫度不僅高于不用導(dǎo)熱膠泥時(shí)同樣伴熱結(jié)果的管壁溫度40 .7 ℃, 而且比伴熱管和工藝管存在 0 .01 mm重疊時(shí)的溫度 77 ℃還高。由此可見(jiàn) , 敷設(shè)導(dǎo)熱膠泥可使傳熱推動(dòng)力比無(wú)導(dǎo)熱膠泥的同樣伴熱結(jié)構(gòu)增大一倍以上, 由于傳熱推動(dòng)力的增大, 伴熱管中的熱量更容易傳到工藝管道中。圖 5 中的熱流密度分布曲線更能說(shuō)明這一問(wèn)題 , 熱流密度在敷設(shè)有導(dǎo)熱膠泥的部位急劇增大, ******值達(dá)到 0 .104 W/mm2, 與保證伴熱管和工藝管理想緊密接觸時(shí)的熱流密度的******值 0 .109 W/mm
2 相近, 但高熱流密度的分布區(qū)域則增大很多, 如與不用導(dǎo)熱膠泥的同樣伴熱結(jié)構(gòu)相比, 則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不用導(dǎo)熱膠泥時(shí)的******熱流密度。圖 2 伴熱管系截面溫度分布圖圖 3 伴熱管系截面熱流密度分布圖圖 4 管內(nèi)壁溫度分布曲線圖 6 為熱流密度沿圓周自上而下積分所得的熱流量變化情況。從圖 6 可以看出 , 沿內(nèi)圓周半圈的熱流量為 3 .324 W/mm , 這一數(shù)值幾乎是伴熱管與工藝管理想緊密接觸時(shí)的 1 .839 W/mm 的兩倍 , 而同樣幾何結(jié)構(gòu)尺寸如不用導(dǎo)熱膠泥 , 則熱流量只有0 .079 5 W/mm 。因此 , 對(duì)同樣結(jié)構(gòu)的伴熱 油 氣 儲(chǔ) 運(yùn) 管道, 使用導(dǎo)熱膠泥后傳熱效果可提高 40 多倍 。圖 5 管內(nèi)壁熱流密度分布曲線圖 6 管內(nèi)壁熱流密度積分曲線為比較伴熱管道使用導(dǎo)熱膠泥后的熱損失, 現(xiàn)對(duì)保溫層外表面的溫度和熱流量進(jìn)行分析。圖 7 為保溫層外表面的溫度分布 ,
從圖 7 中可以看出, 保溫層外表面溫度******處仍然發(fā)生在伴熱管處 , 但******溫度為 19 .2 ℃, 比相同結(jié)構(gòu)無(wú)導(dǎo)熱膠泥時(shí)的******溫度 25 .7 ℃低 25 %。很明顯, 保溫層外表面溫度的降低意味著降低了熱損失的推動(dòng)力 , 管道系統(tǒng)的熱損失也就減少。圖 8 為熱流密度沿保溫層外圓周自上而下積分所得的熱流變化情況,
從圖 8 中可以看出 , 沿保溫層半圈的熱流量為 0 .048 2 W/mm , 與同樣結(jié)構(gòu)不用導(dǎo)熱膠泥時(shí)的 0 .065 5 W/mm 相比減少了近30 %, 這表明, 伴熱管使用導(dǎo)熱膠泥后可節(jié)能 30 %。值得一提的是, 由于伴熱管道使用導(dǎo)熱膠泥后傳熱效率 得到很大程度的提高, 因此在實(shí)際伴熱工藝中可考慮采用能級(jí)更低的熱介質(zhì)進(jìn)行伴熱。如本研究取伴熱管的溫度為 120 ℃, 對(duì)應(yīng)于這一溫度的介質(zhì)可能為熱力蒸汽, 而由于傳熱效率的提高, 則完全可用70 ～ 80℃的熱水作為熱介質(zhì)進(jìn)行伴熱, 而70 ～ 80 ℃的熱水對(duì)于大多數(shù)石化裝置則是廢熱, 因此從這一角度考慮 , 其節(jié)能降耗的效果則更加明顯。圖 7 保溫層外表面溫度分布曲線圖 8 保溫層外壁熱流密度積分曲線四 、 結(jié) 論通過(guò)對(duì)敷設(shè)有導(dǎo)熱膠泥的伴熱管道的傳熱特性進(jìn)行有限元分析, 并將所得的結(jié)果與同樣結(jié)構(gòu)不用導(dǎo)熱膠泥時(shí)的結(jié)果進(jìn)行比較得出 , 使用導(dǎo)熱膠泥不僅可以使工藝管上的溫度分布更加均勻, 傳熱效率提高, 而且還使得保溫層外表面溫度降低 , 收到了節(jié)能降耗的效果。
文章出自導(dǎo)熱膠泥小編：http://www.daorejiaoni.com/
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