导热胶泥  
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带导热胶泥伴热管道传热性能 的有限元分析
上传时间:[2020-8-4]
由于伴热管施工方便, 维护容易, 因此在石油、 化工 、 制药等行业采用伴热管的伴热方法非常广泛 。但由于伴热管与工艺管道间理论上仅为线接触, 实际上因种种原因在管道施工过程中很难保证伴热管和工艺管道间的完全贴合, 从而使得伴热管和工艺管之间存在一空气层。这一空气层使伴热管和工艺管之间热量传递的阻力大大增加 , 降低了热传导的传热效率 , 从而使热量传递的主要方式为对流传热。为此, 对这一空气层对伴热管传热效率的影响进行了有限元计算与研究 , 结果表明空气层会使传热效率大大降低〔1〕 。事实上 , 伴热管伴热效率低的问题不仅被很多工程实例所证实 , 而且已得到相关行业工程技术人员的高度重视 〔2〕提出了采用异型管来增大伴热管与工艺管间的传热面积 , 以达到提高传热效率的目的 。实践证明, 这一技术对提高传热效率起到了一定的作用, 但并没有解决伴热管和工艺管间存在空气层的问题 。造成伴热管伴热效果差的问题 , 症结在于伴热管和工艺管间存在一空气层。如果将这一空气层用一种导热性能良好的材料替代 , 将这一填充材料与伴热管和工艺管均保持良好的接触 , 不仅能大大提高传热面积, 而且能将传热方式变成热传导 。这种材料习惯上称为导热胶泥 ,在国外已有很长时间的应用历史, 如美国 THERMON Manufaturing Company 就有 40 多年的研究生产历史 。近年来 , 我国引进了成套的导热胶泥装置及其技术 , 应用范围也逐渐扩大, 目前所研究的 HXD 导热胶泥系列产品〔3〕已在国内十余家国有大型企业、 独资企业、合资企业得到应用 。尽管导热胶泥的应用逐渐广泛, 但对其认识还不够深入, 特别是对伴热管使用导热胶泥后伴热效果究竟提高了多少还缺乏系统研究, 严重影响了导热胶泥的应用领域 。为此, 将对伴热管使用导热胶泥后的传热特性进行有限元分析 , 以期对伴热管使用导热胶泥后所带来传热效率的提高形成定量认识。二、 带导热胶泥伴热管的有限元分析计算采用的有限元程序为 Ansy s 5 .7 , 分析对象为HXD-D类型导热胶泥的伴热结构形式 , 伴热管和工艺管之间存在 1 mm 的间隙, 这一间隙由HXD-D 型导热胶泥填充 , 所得到的结构有限元网格见图 1 , 计算参数如下 。钢管的导热系数 λ=45 W/ (m·℃);管道与保温层之间空气的导热系数 λ=0 .025 W/ (m·℃);保温材料的导热系数 λ=0 .15 W/ (m·℃);管内介质的给热系数 α=1270W/(m
2·℃);管间空气自然对流的给热系数 α=5 W/ (m
2·℃);保温层外空气自然对流的给热系数 α=10 W/ (m
2·℃);伴热管内壁的温度 t =120 ℃;工艺管内物料温度 t
=40 ℃;管道与保温层之间空气的温度 t =60 ℃;管道内介质温度为 40 ℃。图 1


带导热胶泥伴热管系有限元网格图 2 和图 3 分别表示伴热管施加导热胶泥后 ,伴热管系截面上的温度和热流密度分布图。从图 2可以看出 , 在敷设导热胶泥后 , 工艺管管壁上的高温区域范围明显增大 , 工艺管的温度升高意味着伴热管向工艺管的传热推动力增大, 使得更多的热量从伴热管流到工艺管 。


从图 3 的热流密度分布图可以看出, 热流密度较大的区域主要集中在敷设有导热胶泥的区域, 在这一区域中 , 越靠近伴热管的中心, 热流密度就越大 。为更明确反映伴热管的传热特性 , 将工艺管的管内壁圆周自上而下的温度分布示于图 4 , 将该路径的热流密度分布和热流沿内周路径的积分值分别示于图 5 和图 6 。


由图 4 可见 , 工艺管内壁与伴热管接触的区域温度急剧上升 , 最高温度达到 97 ℃。这一温度不仅高于不用导热胶泥时同样伴热结果的管壁温度40 .7 ℃, 而且比伴热管和工艺管存在 0 .01 mm重叠时的温度 77 ℃还高。由此可见 , 敷设导热胶泥可使传热推动力比无导热胶泥的同样伴热结构增大一倍以上, 由于传热推动力的增大, 伴热管中的热量更容易传到工艺管道中。图 5 中的热流密度分布曲线更能说明这一问题 , 热流密度在敷设有导热胶泥的部位急剧增大, 最大值达到 0 .104 W/mm2, 与保证伴热管和工艺管理想紧密接触时的热流密度的最大值 0 .109 W/mm
2 相近, 但高热流密度的分布区域则增大很多, 如与不用导热胶泥的同样伴热结构相比, 则远远大于不用导热胶泥时的最大热流密度。图 2 伴热管系截面温度分布图图 3 伴热管系截面热流密度分布图图 4 管内壁温度分布曲线图 6 为热流密度沿圆周自上而下积分所得的热流量变化情况。从图 6 可以看出 , 沿内圆周半圈的热流量为 3 .324 W/mm , 这一数值几乎是伴热管与工艺管理想紧密接触时的 1 .839 W/mm 的两倍 , 而同样几何结构尺寸如不用导热胶泥 , 则热流量只有0 .079 5 W/mm 。因此 , 对同样结构的伴热 油 气 储 运 管道, 使用导热胶泥后传热效果可提高 40 多倍 。图 5 管内壁热流密度分布曲线图 6 管内壁热流密度积分曲线为比较伴热管道使用导热胶泥后的热损失, 现对保温层外表面的温度和热流量进行分析。图 7 为保温层外表面的温度分布 ,
从图 7 中可以看出, 保温层外表面温度最高处仍然发生在伴热管处 , 但最高温度为 19 .2 ℃, 比相同结构无导热胶泥时的最高温度 25 .7 ℃低 25 %。很明显, 保温层外表面温度的降低意味着降低了热损失的推动力 , 管道系统的热损失也就减少。图 8 为热流密度沿保温层外圆周自上而下积分所得的热流变化情况, 
从图 8 中可以看出 , 沿保温层半圈的热流量为 0 .048 2 W/mm , 与同样结构不用导热胶泥时的 0 .065 5 W/mm 相比减少了近30 %, 这表明, 伴热管使用导热胶泥后可节能 30 %。值得一提的是, 由于伴热管道使用导热胶泥后传热效率 得到很大程度的提高, 因此在实际伴热工艺中可考虑采用能级更低的热介质进行伴热。如本研究取伴热管的温度为 120 ℃, 对应于这一温度的介质可能为热力蒸汽, 而由于传热效率的提高, 则完全可用70 ~ 80℃的热水作为热介质进行伴热, 而70 ~ 80 ℃的热水对于大多数石化装置则是废热, 因此从这一角度考虑 , 其节能降耗的效果则更加明显。图 7 保温层外表面温度分布曲线图 8 保温层外壁热流密度积分曲线四 、 结 论通过对敷设有导热胶泥的伴热管道的传热特性进行有限元分析, 并将所得的结果与同样结构不用导热胶泥时的结果进行比较得出 , 使用导热胶泥不仅可以使工艺管上的温度分布更加均匀, 传热效率提高, 而且还使得保温层外表面温度降低 , 收到了节能降耗的效果。
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