一种伴热型湍流层流化减阻流体输运管道及其方法

摘要

本发明公开了一种伴热型湍流层流化减阻流体输运管道及其方法。装置由多个单节输运管道和总控制器构成，单节输运管道主要包括弓形管道、流体电伴热管、保温层、管壁电伴热管、管道上盖、流体温度监测装置、壁温监测装置和温度控制器。发明针对现有易凝、高粘流体的加热运输，通过圆形输运管道弓形流体界面的设计，将现有的集肤效应电伴热技术与流动减阻控制技术结合，利用集肤效应伴热技术在消除凝结，降低粘度的基础上，通过维持弓形管道壁面与管内流体的温差，实现了对管道内流体弦表面附近流体湍流层流化流动状态的控制，可以进一步地减小流体运输过程中的压降损耗，提高输运效率，促进节能降耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种伴热型湍流层流化减阻流体输运管道及其方法，特别是流体输运领域常温下易凝结或粘度较大，加热后变为液态或粘度减小的流体介质的伴热型湍流层流化减阻流体输运管道。

背景技术

液体或气体等工业产品或原料的运输有公路、铁路、水运和管道输送这四种方式。由于与其他几种相比，管道输送有运输量大、占地少、密闭安全、便于管理、可靠性强、能耗少运费低等特点和突出的优越性，目前已成为液体或气体运输的一种理想方式。

长距离运输管道分为等温输送管道和加热输送管道两种。其中等温输送管道适用于液态或气态介质中的低凝点，低粘度的工业原料或产品。而易凝、高粘的工业介质当其凝点高于管道周围环境温度，或在环境温度下介质粘度很高时，不适宜采用等温运输，例如巧克力、硫磺、原油、稠油、高凝油、石蜡、异氰酸酯、各种聚合物等。介质过高的粘度使管道的压降剧增，往往工程上难以实现或不经济、不安全，故必须采用降凝、降粘等措施。加热输送是目前最常用的方法。加热输送不同于等温输送的特点在于输送过程中存在着两方面的能量损失（摩擦损失和散热损失）。因此也必须从两方面给介质供应能量，一般由泵站供应压力能，由加热站或伴热管供应热能。伴热方式由于具有良好的均温性，能够避免沿程介质温度周期性变化而更具优势。常用的伴热方式有蒸汽伴热、热水伴热和电伴热，在这众多的伴热方式中，集肤效应电伴热由于具有突出的优势而被迅速采用。

在集肤效应伴热中，通过降低粘度，减小了流体运输中的能量损耗，但对管道中的流动没有控制。而通过流体减阻原理分析可知，在流体流动中，通过采用一定流动控制手段使湍流层流化，或抑制层流向过渡区转变，将流动控制在层流状态，将极大地减小流体输运过程中的壁面摩擦系数，进一步降低流动阻力损耗。因此，在易凝、高粘流体运输中，将集肤效应与流动控制技术相结合，将能够进一步减小流体输运中的阻力损耗。

发明内容

本发明的目的是针现有易凝、高粘流体运输中阻力损耗大的现状，将现有的集肤效应电伴热技术与流动减阻控制技术有机结合，提供一种伴热型湍流层流化减阻流体输运管道及其方法。

本发明通过以下技术方案来实现：

伴热型湍流层流化减阻流体输运管道，由多个单节输运管道和总控制器构成，单节输运管道包括弓形管道、流体电伴热管、保温层、螺栓、轴向加强筋、管壁电伴热管、绝缘导线、管道上盖、伴热钢管、流体温度监测装置、壁温监测装置、温度控制器和径向加强筋；弓形管道通过焊接或法兰连接，弓形管道截面为弦位于上方，弧长大于半圆的弓形，管道上盖通过两侧螺栓与弓形管道弦上表面相连，管道上盖内侧设有平行于管道轴向的轴向加强筋和垂直于管道轴向的径向加强筋，弓形管道和管道上盖两部分的截面外轮廓围成一完整圆形，该完整圆形截面外侧包裹有保温层；弓形管道的弦上表面设有若干根管壁电伴热管，弓形管道的圆弧下方两侧外表面对称设有两根流体电伴热管，流体电伴热管、管壁电伴热管均由伴热钢管内套绝缘导线构成，每段伴热钢管与绝缘导线在尾端相连接，伴热钢管的首端与绝缘导线分别接电源的零线和相线；弓形管道弦上表面间隔地布置有若干深入到管壁内侧的油温监测装置和位于管壁外侧的壁温监测装置，油温监测装置和壁温监测装置通过控制线连接至位于管道上盖顶部和保温层之间的温度控制器，单节输运管道的温度控制器最终连接至位于控制室的总控制器。

所述的流体电伴热管与弓形管道之间，以及管壁电伴热管与弓形管道之间均通过焊接并涂以导热胶的方式连接固定。

所述的流体温度检测装置和壁温监测装置是热电阻或热电偶。

所述的温度控制器是DigiTrace JBS-100型电子温度控制器，所述的总控制器是DigiTrace NGC-40电子控制系统。

伴热型湍流层流化减阻流体管道输运方法：适用于常温下易于凝结，粘度很高，雷诺数高于层流转捩临界雷诺数2300，处于湍流状态但流速不高的流体介质；通过流体电伴热管在管道底部的加热，流体温度升高，粘性降低，流体与壁面的摩擦阻力系数减小，减小流体在输运中的阻力；采用管壁电伴热管，对弓形管道弦上表面加热，由流体温度测量装置和壁温测量装置测量油温和壁温，反馈到温度控制器，温度控制器调节管壁电伴热管的加热功率，使弓形管道弦壁温高于其附近管道中的流体70-90℃，在弓形管道弦下表面附近边界层区域形成稳定的密度分层结构，加热的热量耗散边界层内层的湍流能量，从而使湍流发生逆转捩演变并维持在层流，降低输运流体和弓形管道弦下表面之间的阻力；对于每一段电伴热管，伴热钢管和绝缘导线构成电流回路，在该电流回路中施以共频或中频交流电压，电流通过该回路产生焦耳热，由于伴热钢管的尺寸、材质和交流电频率之间存在一定的关系，交流电流产生集肤效应和邻近效应，电荷集中流过自其内表面起的某一深度内，电流密度按指数规律减少，在钢管外表面电压电流几乎为零，绝缘又安全，同时电伴热管产生的热量通过焊缝及导热胶迅速传给弓形管道，起到伴热作用；通过总控制器控制各个单节输运管道的温度控制器的参数设定，控制每一段电伴热管的加热功率，实现管道整体运输过程的流体升温减阻和湍流层流化减阻，保证流体运输的安全高效稳定。

本发明通过将集肤效应电伴热技术和流动减阻控制技术相结合，实现了对管道弓形流体界面中弦内表面附近流体湍流层流化流动状态的控制，可以极大地减小易凝、高粘流体运输过程中的压降损耗，提高输运效率。所采用的集肤效应电伴热方法具有以下优点：抗拉强度和抗机械损伤强度高；耐热温度高，最高耐热温度为360℃；发热功率大，大于等于100W/m；节能效果好，与普通电缆相比节能达35%；适应性强，适用于地上及地下，标高多变的地形，应用范围广，适用于所有中长短距离运输，仅需单端供电，而不需并行供电，是唯一可以加热长达30km的管线；安装可靠，维护方便，利于自动化控制，温度自动调节。

本发明根据流体力学边界层转捩及控制中气流外掠加热平板下表面时湍流边界层发生逆转捩，运动粘滞阻力减小的研究成果，通过圆形管道弓形流体界面的设计，构建上表面平板部分，采用温度控制器对管道弓形部分弦上表面进行集肤效应控温伴热，使弦壁面温度高于管道内流体温度70-90℃，加热使得流体的湍能生成项变成负值，使边界层内层的湍流能量被集中而迅速地吸收，同时小尺度涡耗散作用增强，浮力引起的湍能吸收项对湍能输运进行抑制，使边界层以外的流动失去了能量来源，从而使得雷诺数不高，但大于转捩雷诺数，已经发展形成的湍流发生逆转捩（即层流化）并维持在层流，将弓形表面附近流体的摩擦阻力系数减少一半左右。

本发明将集肤效应伴热控温与控制管内弦表面附近流动状态结合，既改变了流体的粘度，又改变了流体的流动状态，有效地减小了流体运输能耗，利于在易凝、高粘等工业流体输运领域推广使用，促进节能降耗。

附图说明

图1是伴热型湍流层流化减阻流体输运管道的轴向剖面图；

图2是图1的A-A剖面图；

图3是本发归的管道上盖的三维立体图。

具体实施方式

如附图1、2、3所示，伴热型湍流层流化减阻流体输运管道，由多个单节输运管道15和总控制器12构成，单节输运管道15包括弓形管道1、流体电伴热管2、保温层3、螺栓4、轴向加强筋5、管壁电伴热管6、绝缘导线7、管道上盖8、伴热钢管9、流体温度监测装置10、壁温监测装置11、温度控制器13和径向加强筋14；弓形管道通过焊接或法兰连接，弓形管道截面为弦位于上方，弧长大于半圆的弓形，管道上盖8通过两侧螺栓4与弓形管道弦上表面相连，管道上盖内侧设有平行于管道轴向的轴向加强筋5和垂直于管道轴向的径向加强筋14，弓形管道和管道上盖两部分的截面外轮廓围成一完整圆形，该完整圆形截面外侧包裹有保温层3；弓形管道的弦上表面设有若干根管壁电伴热管6，弓形管道的圆弧下方两侧外表面对称设有两根流体电伴热管2，流体电伴热管2、管壁电伴热管6均由伴热钢管9内套绝缘导线7构成，每段伴热钢管9与绝缘导线7在尾端相连接，伴热钢管9的首端与绝缘导线7分别接电源的零线和相线；弓形管道1弦上表面间隔地布置有若干深入到管壁内侧的油温监测装置10和位于管壁外侧的壁温监测装置11，油温监测装置10和壁温监测装置11通过控制线连接至位于管道上盖8顶部和保温层3之间的温度控制器13，单节输运管道15的温度控制器13最终连接至位于控制室的总控制器12。

所述的流体电伴热管2与弓形管道1之间，以及管壁电伴热管11与弓形管道1之间均通过焊接并涂以导热胶的方式连接固定。

所述的流体温度检测装置10和壁温监测装置11是热电阻或热电偶。

所述的温度控制器13是DigiTrace JBS-100型电子温度控制器，所述的总控制器12是DigiTrace NGC-40电子控制系统。

伴热型湍流层流化减阻流体管道输运方法：适用于常温下易于凝结，粘度很高，雷诺数高于层流转捩临界雷诺数2300，处于湍流状态但流速不高的流体介质；通过流体电伴热管2在管道底部的加热，流体温度升高，粘性降低，流体与壁面的摩擦阻力系数减小，减小流体在输运中的阻力；采用管壁电伴热管6，对弓形管道1弦上表面加热，由流体温度测量装置10和壁温测量装置11测量油温和壁温，反馈到温度控制器13，温度控制器13调节管壁电伴热管6的加热功率，使弓形管道弦壁温高于其附近管道中的流体70-90℃，在弓形管道1弦下表面附近边界层区域形成稳定的密度分层结构，加热的热量耗散边界层内层的湍流能量，从而使湍流发生逆转捩演变并维持在层流，降低输运流体和弓形管道弦下表面之间的阻力；对于每一段电伴热管，伴热钢管9和绝缘导线7构成电流回路，在该电流回路中施以共频或中频交流电压，电流通过该回路产生焦耳热，由于伴热钢管的尺寸、材质和交流电频率之间存在一定的关系，交流电流产生集肤效应和邻近效应，电荷集中流过自其内表面起的某一深度内，电流密度按指数规律减少，在钢管外表面电压电流几乎为零，绝缘又安全，同时电伴热管产生的热量通过焊缝及导热胶迅速传给弓形管道1，起到伴热作用；通过总控制器12控制各个单节输运管道15的温度控制器13的参数设定，控制每一段电伴热管的加热功率，实现管道整体运输过程的流体升温减阻和湍流层流化减阻，保证流体运输的安全高效稳定。