導熱膠泥  
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帶導熱膠泥伴熱管道傳熱性能 的有限元分析
上傳時間:[2020-12-6]
由於伴熱管施工方便, 維護容易, 因此在石油、 化工 、 製藥等行業采用伴熱管的伴熱方法非常廣泛 。但由於伴熱管與工藝管道間理論上僅為線接觸, 實際上因種種原因在管道施工過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 , 降低了熱傳導的傳熱效率 , 從而使熱量傳遞的主要方式為對流傳熱。為此, 對這一空氣層對伴熱管傳熱效率的影響進行了有限元計算與研究 , 結果表明空氣層會使傳熱效率大大降低〔1〕 。事實上 , 伴熱管伴熱效率低的問題不僅被很多工程實例所證實 , 而且已得到相關行業工程技術人員的高度重視 〔2〕提出了采用異型管來增大伴熱管與工藝管間的傳熱麵積 , 以達到提高傳熱效率的目的 。實踐證明, 這一技術對提高傳熱效率起到了一定的作用, 但並沒有解決伴熱管和工藝管間存在空氣層的問題 。造成伴熱管伴熱效果差的問題 , 症結在於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麵積, 而且能將傳熱方式變成熱傳導 。這種材料習慣上稱為導熱膠泥 ,在國外已有很長時間的應用曆史, 如美國 THERMON Manufaturing Company 就有 40 多年的研究生產曆史 。近年來 , 我國引進了成套的導熱膠泥裝置及其技術 , 應用範圍也逐漸擴大, 目前所研究的 HXD 導熱膠泥係列產品〔3〕已在國內十餘家國有大型企業、 獨資企業、合資企業得到應用 。盡管導熱膠泥的應用逐漸廣泛, 但對其認識還不夠深入, 特別是對伴熱管使用導熱膠泥後伴熱效果究竟提高了多少還缺乏係統研究, 嚴重影響了導熱膠泥的應用領域 。為此, 將對伴熱管使用導熱膠泥後的傳熱特性進行有限元分析 , 以期對伴熱管使用導熱膠泥後所帶來傳熱效率的提高形成定量認識。二、 帶導熱膠泥伴熱管的有限元分析計算采用的有限元程序為 Ansy s 5 .7 , 分析對象為HXD-D類型導熱膠泥的伴熱結構形式 , 伴熱管和工藝管之間存在 1 mm 的間隙, 這一間隙由HXD-D 型導熱膠泥填充 , 所得到的結構有限元網格見圖 1 , 計算參數如下 。鋼管的導熱係數 λ=45 W/ (m·℃);管道與保溫層之間空氣的導熱係數 λ=0 .025 W/ (m·℃);保溫材料的導熱係數 λ=0 .15 W/ (m·℃);管內介質的給熱係數 α=1270W/(m
2·℃);管間空氣自然對流的給熱係數 α=5 W/ (m
2·℃);保溫層外空氣自然對流的給熱係數 α=10 W/ (m
2·℃);伴熱管內壁的溫度 t =120 ℃;工藝管內物料溫度 t
=40 ℃;管道與保溫層之間空氣的溫度 t =60 ℃;管道內介質溫度為 40 ℃。圖 1


帶導熱膠泥伴熱管係有限元網格圖 2 和圖 3 分別表示伴熱管施加導熱膠泥後 ,伴熱管係截麵上的溫度和熱流密度分布圖。從圖 2可以看出 , 在敷設導熱膠泥後 , 工藝管管壁上的高溫區域範圍明顯增大 , 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, 熱流密度較大的區域主要集中在敷設有導熱膠泥的區域, 在這一區域中 , 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 , 將工藝管的管內壁圓周自上而下的溫度分布示於圖 4 , 將該路徑的熱流密度分布和熱流沿內周路徑的積分值分別示於圖 5 和圖 6 。


由圖 4 可見 , 工藝管內壁與伴熱管接觸的區域溫度急劇上升 , 最高溫度達到 97 ℃。這一溫度不僅高於不用導熱膠泥時同樣伴熱結果的管壁溫度40 .7 ℃, 而且比伴熱管和工藝管存在 0 .01 mm重疊時的溫度 77 ℃還高。由此可見 , 敷設導熱膠泥可使傳熱推動力比無導熱膠泥的同樣伴熱結構增大一倍以上, 由於傳熱推動力的增大, 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明這一問題 , 熱流密度在敷設有導熱膠泥的部位急劇增大, 最大值達到 0 .104 W/mm2, 與保證伴熱管和工藝管理想緊密接觸時的熱流密度的最大值 0 .109 W/mm
2 相近, 但高熱流密度的分布區域則增大很多, 如與不用導熱膠泥的同樣伴熱結構相比, 則遠遠大於不用導熱膠泥時的最大熱流密度。圖 2 伴熱管係截麵溫度分布圖圖 3 伴熱管係截麵熱流密度分布圖圖 4 管內壁溫度分布曲線圖 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 , 沿內圓周半圈的熱流量為 3 .324 W/mm , 這一數值幾乎是伴熱管與工藝管理想緊密接觸時的 1 .839 W/mm 的兩倍 , 而同樣幾何結構尺寸如不用導熱膠泥 , 則熱流量隻有0 .079 5 W/mm 。因此 , 對同樣結構的伴熱 油 氣 儲 運 管道, 使用導熱膠泥後傳熱效果可提高 40 多倍 。圖 5 管內壁熱流密度分布曲線圖 6 管內壁熱流密度積分曲線為比較伴熱管道使用導熱膠泥後的熱損失, 現對保溫層外表麵的溫度和熱流量進行分析。圖 7 為保溫層外表麵的溫度分布 ,
從圖 7 中可以看出, 保溫層外表麵溫度最高處仍然發生在伴熱管處 , 但最高溫度為 19 .2 ℃, 比相同結構無導熱膠泥時的最高溫度 25 .7 ℃低 25 %。很明顯, 保溫層外表麵溫度的降低意味著降低了熱損失的推動力 , 管道係統的熱損失也就減少。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 , 與同樣結構不用導熱膠泥時的 0 .065 5 W/mm 相比減少了近30 %, 這表明, 伴熱管使用導熱膠泥後可節能 30 %。值得一提的是, 由於伴熱管道使用導熱膠泥後傳熱效率 得到很大程度的提高, 因此在實際伴熱工藝中可考慮采用能級更低的熱介質進行伴熱。如本研究取伴熱管的溫度為 120 ℃, 對應於這一溫度的介質可能為熱力蒸汽, 而由於傳熱效率的提高, 則完全可用70 ~ 80℃的熱水作為熱介質進行伴熱, 而70 ~ 80 ℃的熱水對於大多數石化裝置則是廢熱, 因此從這一角度考慮 , 其節能降耗的效果則更加明顯。圖 7 保溫層外表麵溫度分布曲線圖 8 保溫層外壁熱流密度積分曲線四 、 結 論通過對敷設有導熱膠泥的伴熱管道的傳熱特性進行有限元分析, 並將所得的結果與同樣結構不用導熱膠泥時的結果進行比較得出 , 使用導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麵溫度降低 , 收到了節能降耗的效果。
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