一種伴熱型湍流層流化減阻流體輸運(yùn)管道及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種伴熱型湍流層流化減阻流體輸運(yùn)管道及其方法，特別是流體輸運(yùn)領(lǐng)域常溫下易凝結(jié)或粘度較大，加熱后變?yōu)橐簯B(tài)或粘度減小的流體介質(zhì)的伴熱型湍流層流化減阻流體輸運(yùn)管道。
【背景技術(shù)】
[0002]液體或氣體等工業(yè)產(chǎn)品或原料的運(yùn)輸有公路、鐵路、水運(yùn)和管道輸送這四種方式。由于與其他幾種相比，管道輸送有運(yùn)輸量大、占地少、密閉安全、便于管理、可靠性強(qiáng)、能耗少運(yùn)費(fèi)低等特點(diǎn)和突出的優(yōu)越性，目前已成為液體或氣體運(yùn)輸?shù)囊环N理想方式。
[0003]長距離運(yùn)輸管道分為等溫輸送管道和加熱輸送管道兩種。其中等溫輸送管道適用于液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)中的低凝點(diǎn)，低粘度的工業(yè)原料或產(chǎn)品。而易凝、高粘的工業(yè)介質(zhì)當(dāng)其凝點(diǎn)高于管道周圍環(huán)境溫度，或在環(huán)境溫度下介質(zhì)粘度很高時(shí)，不適宜采用等溫運(yùn)輸，例如巧克力、硫磺、原油、稠油、高凝油、石蠟、異氰酸酯、各種聚合物等。介質(zhì)過高的粘度使管道的壓降劇增，往往工程上難以實(shí)現(xiàn)或不經(jīng)濟(jì)、不安全，故必須采用降凝、降粘等措施。加熱輸送是目前最常用的方法。加熱輸送不同于等溫輸送的特點(diǎn)在于輸送過程中存在著兩方面的能量損失(摩擦損失和散熱損失)。因此也必須從兩方面給介質(zhì)供應(yīng)能量，一般由泵站供應(yīng)壓力能，由加熱站或伴熱管供應(yīng)熱能。伴熱方式由于具有良好的均溫性，能夠避免沿程介質(zhì)溫度周期性變化而更具優(yōu)勢(shì)。常用的伴熱方式有蒸汽伴熱、熱水伴熱和電伴熱，在這眾多的伴熱方式中，集膚效應(yīng)電伴熱由于具有突出的優(yōu)勢(shì)而被迅速采用。
[0004]在集膚效應(yīng)伴熱中，通過降低粘度，減小了流體運(yùn)輸中的能量損耗，但對(duì)管道中的流動(dòng)沒有控制。而通過流體減阻原理分析可知，在流體流動(dòng)中，通過采用一定流動(dòng)控制手段使湍流層流化，或抑制層流向過渡區(qū)轉(zhuǎn)變，將流動(dòng)控制在層流狀態(tài)，將極大地減小流體輸運(yùn)過程中的壁面摩擦系數(shù)，進(jìn)一步降低流動(dòng)阻力損耗。因此，在易凝、高粘流體運(yùn)輸中，將集膚效應(yīng)與流動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，將能夠進(jìn)一步減小流體輸運(yùn)中的阻力損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針現(xiàn)有易凝、高粘流體運(yùn)輸中阻力損耗大的現(xiàn)狀，將現(xiàn)有的集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)與流動(dòng)減阻控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提供一種伴熱型湍流層流化減阻流體輸運(yùn)管道及其方法。
[0006]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
伴熱型湍流層流化減阻流體輸運(yùn)管道，由多個(gè)單節(jié)輸運(yùn)管道和總控制器構(gòu)成，單節(jié)輸運(yùn)管道包括弓形管道、流體電伴熱管、保溫層、螺栓、軸向加強(qiáng)筋、管壁電伴熱管、絕緣導(dǎo)線、管道上蓋、伴熱鋼管、流體溫度監(jiān)測(cè)裝置、壁溫監(jiān)測(cè)裝置、溫度控制器和徑向加強(qiáng)筋；弓形管道通過焊接或法蘭連接，弓形管道截面為弦位于上方，弧長大于半圓的弓形，管道上蓋通過兩側(cè)螺栓與弓形管道弦上表面相連，管道上蓋內(nèi)側(cè)設(shè)有平行于管道軸向的軸向加強(qiáng)筋和垂直于管道軸向的徑向加強(qiáng)筋，弓形管道和管道上蓋兩部分的截面外輪廓圍成一完整圓形，該完整圓形截面外側(cè)包裹有保溫層；弓形管道的弦上表面設(shè)有若干根管壁電伴熱管，弓形管道的圓弧下方兩側(cè)外表面對(duì)稱設(shè)有兩根流體電伴熱管，流體電伴熱管、管壁電伴熱管均由伴熱鋼管內(nèi)套絕緣導(dǎo)線構(gòu)成，每段伴熱鋼管與絕緣導(dǎo)線在尾端相連接，伴熱鋼管的首端與絕緣導(dǎo)線分別接電源的零線和相線；弓形管道弦上表面間隔地布置有若干深入到管壁內(nèi)偵_油溫監(jiān)測(cè)裝置和位于管壁外側(cè)的壁溫監(jiān)測(cè)裝置，油溫監(jiān)測(cè)裝置和壁溫監(jiān)測(cè)裝置通過控制線連接至位于管道上蓋頂部和保溫層之間的溫度控制器，單節(jié)輸運(yùn)管道的溫度控制器最終連接至位于控制室的總控制器。
[0007]所述的流體電伴熱管與弓形管道之間，以及管壁電伴熱管與弓形管道之間均通過焊接并涂以導(dǎo)熱膠的方式連接固定。
[0008]所述的流體溫度檢測(cè)裝置和壁溫監(jiān)測(cè)裝置是熱電阻或熱電偶。
[0009]所述的溫度控制器是DigiTrace JBS-100型電子溫度控制器，所述的總控制器是DigiTrace NGC-40電子控制系統(tǒng)。
[0010]伴熱型湍流層流化減阻流體管道輸運(yùn)方法:適用于常溫下易于凝結(jié)，粘度很高，雷諾數(shù)高于層流轉(zhuǎn)捩臨界雷諾數(shù)2300，處于湍流狀態(tài)但流速不高的流體介質(zhì)；通過流體電伴熱管在管道底部的加熱，流體溫度升高，粘性降低，流體與壁面的摩擦阻力系數(shù)減小，減小流體在輸運(yùn)中的阻力；采用管壁電伴熱管，對(duì)弓形管道弦上表面加熱，由流體溫度測(cè)量裝置和壁溫測(cè)量裝置測(cè)量油溫和壁溫，反饋到溫度控制器，溫度控制器調(diào)節(jié)管壁電伴熱管的加熱功率，使弓形管道弦壁溫高于其附近管道中的流體70-90°C，在弓形管道弦下表面附近邊界層區(qū)域形成穩(wěn)定的密度分層結(jié)構(gòu)，加熱的熱量耗散邊界層內(nèi)層的湍流能量，從而使湍流發(fā)生逆轉(zhuǎn)捩演變并維持在層流，降低輸運(yùn)流體和弓形管道弦下表面之間的阻力；對(duì)于每一段電伴熱管，伴熱鋼管和絕緣導(dǎo)線構(gòu)成電流回路，在該電流回路中施以共頻或中頻交流電壓，電流通過該回路產(chǎn)生焦耳熱，由于伴熱鋼管的尺寸、材質(zhì)和交流電頻率之間存在一定的關(guān)系，交流電流產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，電荷集中流過自其內(nèi)表面起的某一深度內(nèi)，電流密度按指數(shù)規(guī)律減少，在鋼管外表面電壓電流幾乎為零，絕緣又安全，同時(shí)電伴熱管產(chǎn)生的熱量通過焊縫及導(dǎo)熱膠迅速傳給弓形管道，起到伴熱作用；通過總控制器控制各個(gè)單節(jié)輸運(yùn)管道的溫度控制器的參數(shù)設(shè)定，控制每一段電伴熱管的加熱功率，實(shí)現(xiàn)管道整體運(yùn)輸過程的流體升溫減阻和湍流層流化減阻，保證流體運(yùn)輸?shù)陌踩咝Х€(wěn)定。
[0011]本發(fā)明通過將集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)和流動(dòng)減阻控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道弓形流體界面中弦內(nèi)表面附近流體湍流層流化流動(dòng)狀態(tài)的控制，可以極大地減小易凝、高粘流體運(yùn)輸過程中的壓降損耗，提高輸運(yùn)效率。所采用的集膚效應(yīng)電伴熱方法具有以下優(yōu)點(diǎn):抗拉強(qiáng)度和抗機(jī)械損傷強(qiáng)度高；耐熱溫度高，最高耐熱溫度為360°c;發(fā)熱功率大，大于等于100ff/m ;節(jié)能效果好，與普通電纜相比節(jié)能達(dá)35% ;適應(yīng)性強(qiáng)，適用于地上及地下，標(biāo)高多變的地形，應(yīng)用范圍廣，適用于所有中長短距離運(yùn)輸，僅需單端供電，而不需并行供電，是唯一可以加熱長達(dá)30km的管線；安裝可靠，維護(hù)方便，利于自動(dòng)化控制，溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。
[0012]本發(fā)明根據(jù)流體力學(xué)邊界層轉(zhuǎn)捩及控制中氣流外掠加熱平板下表面時(shí)湍流邊界層發(fā)生逆轉(zhuǎn)捩，運(yùn)動(dòng)粘滯阻力減小的研宄成果，通過圓形管道弓形流體界面的設(shè)計(jì)，構(gòu)建上表面平板部分，采用溫度控制器對(duì)管道弓形部分弦上表面進(jìn)行集膚效應(yīng)控溫伴熱，使弦壁面溫度高于管道內(nèi)流體溫度70-90°C，加熱使得流體的湍能生成項(xiàng)變成負(fù)值，使邊界層內(nèi)層的湍流能量被集中而迅速地吸收，同時(shí)小尺度渦耗散作用增強(qiáng)，浮力引起的湍能吸收項(xiàng)對(duì)湍能輸運(yùn)進(jìn)行抑制，使邊界層以外的流動(dòng)失去了能量來源，從而使得雷諾數(shù)不高，但大于轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)，已經(jīng)發(fā)展形成的湍流發(fā)生逆轉(zhuǎn)捩(即層流化)并維持在層流，將弓形表面附近流體的摩擦阻力系數(shù)減少一半左右。
[0013]本發(fā)明將集膚效應(yīng)伴熱控溫與控制管內(nèi)弦表面附近流動(dòng)狀態(tài)結(jié)合，既改變了流體的粘度，又改變了流體的流動(dòng)狀態(tài)，有效地減小了流體運(yùn)輸能耗，利于在易凝、高粘等工業(yè)流體輸運(yùn)領(lǐng)域推廣使用，促進(jìn)節(jié)能降耗。
【附圖說明】
[0014]圖1是伴熱型湍流層流化減阻流體輸運(yùn)管道的軸向剖面圖；
圖2是圖1的A-A剖面圖；
圖3是本發(fā)歸的管道上蓋的三維立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]如附圖1、2、3所示，伴熱型湍流層流化減阻流體輸運(yùn)管道，由多個(gè)單節(jié)輸運(yùn)管道15和總控制器12構(gòu)成，單節(jié)輸運(yùn)管道15包括弓形管道1、流體電伴熱管2、保溫層3、螺栓4、軸向加強(qiáng)筋5、管壁電伴熱管6、絕緣導(dǎo)線7、管道上蓋8、伴熱鋼管9、流體溫度監(jiān)測(cè)裝置10、壁溫監(jiān)測(cè)裝置11、溫度控制器13和徑向加強(qiáng)筋14 ;弓形管道通過焊接或法蘭連接，弓形管道截面為弦位于上方，弧長大于半圓的弓形，管道上蓋8通過兩側(cè)