摘要：針對輸油管道阻力大的問題，提出了一種利用太陽能聚光加熱輸油管道的新型減阻集熱方式。采用Fluent軟件，對物理模型、網(wǎng)格、湍流方程、初始條件及邊界條件等進行了合理的設(shè)置，對輸油管路進行了數(shù)值模擬;研究了管長與聚光比對輸油管段出口溫度的影響，并與理論計算結(jié)果進行了對比分析。

　　結(jié)果表明：出口溫度隨著管長的增加而增加，同時也隨著聚光比的增大而增加;該管路在聚光比為5，入口溫度為20oC，流速為1m/s的條件下，對管道前8km鋪設(shè)復(fù)合拋物面聚光器(CPC)進行聚光加熱可使油品溫度提高到60oC，使摩阻系數(shù)大幅度降低，從而達到了減阻的目的。在輸油管道的末端利用換熱器可將油品得到的熱量進行回收，達到能源的高效利用。

　　關(guān)鍵詞：輸油管道;數(shù)值模擬;減阻;摩阻系數(shù);太陽能;聚光加熱

　　能源論文投稿刊物：《太陽能學(xué)報》(月刊)創(chuàng)刊于1980年，由中國科協(xié)主管，中國太陽能學(xué)會主辦，北京市太陽能研究所承辦，自創(chuàng)刊以來為我國新能源領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流、人才培養(yǎng)及促進科研成果產(chǎn)業(yè)化等方面做出了貢獻。

　　近年來，我國的工業(yè)化進程持續(xù)快速發(fā)展，石油在我國經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)重要地位。代曉東等[1]研究分析了BP公司每年發(fā)布的世界能源統(tǒng)計年鑒和能源展望，預(yù)計到2040年石油、天然氣、煤炭和非化石能源將各占世界能源的四分之一，其中石油穩(wěn)定發(fā)展。我國的石油運輸有管道運輸、水路運輸、鐵路運輸和公路運輸?shù)容斔头绞剑�管道運輸因其具有安全性好、效率高、運輸量大、成本低等優(yōu)點成為石油運輸?shù)闹饕�方式�?/p>

　　石油管道運輸是最適宜于輸送石油的一種運輸方式，是連接上游石油資源與下游石油商品的有效途徑，是石油運輸業(yè)重要的一部分[2]。孫玉龍[3]提出長輸管道是我國能源消耗較大的行業(yè)，在輸送石油時需要有效地降低輸送過程中的摩擦阻力以及散熱損耗。迄今為止很多學(xué)者對如何降低石油在管道運輸中的阻力進行了研究。杜勇等[4]和胡景磊[5]使用DRIVE原油萃取劑進行的實驗發(fā)現(xiàn)，DRIVE原油萃取劑具有良好的原油清洗力，可改善原油品質(zhì)，減小原油在集輸過程中的流動阻力。同時也有很多人對管道減阻劑進行了研究，馬永義[6]對EP系列減阻劑的應(yīng)用進行了相應(yīng)的探究。

　　車福利等[7]通過實驗研究了聚丙烯酰胺(PAM)溶液減阻劑的減阻性能。李恩田等[8]自行設(shè)計了管道流動試驗平臺和PIV測試系統(tǒng)，并與平板表面對比發(fā)現(xiàn)肋條具有減阻效果，并且減阻率與歸一化肋高h+、雷諾數(shù)Re有關(guān)。崔迪等[9]和譚德金[10]對降凝劑、降凝技術(shù)革新進行了一定的探討，對相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況進行了分析。JING和QI等[11]研究了表面潤濕性對湍流水平流動摩擦阻力的影響，并且對5種不同的管材進行了研究，通過實驗證明，表面潤濕性對宏觀管道中流體的摩擦因數(shù)有一定影響。齊紅媛等[12]還用實驗證明了對于相同的管輸液體，可通過更換管輸?shù)牟馁|(zhì)改變潤濕性，進而降低流動阻力。為了響應(yīng)國家“十三五”規(guī)劃中加大可再生能源的利用政策，提出了利用聚光太陽能加熱油品的減阻系統(tǒng)。利用ANSYS有限元分析方法對油品管道進行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果進行對比分析，研究了管長和聚光比對管道出口溫度的影響，并對減阻效果進行了相應(yīng)的分析。

　　1系統(tǒng)原理

　　太陽能聚光輸油管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)在輸油管道的下方設(shè)有CPC折線形聚光器，其聚光倍數(shù)可達到2~6倍，太陽光可通過CPC聚光器上的拋物面反射聚集到石油管道表面，從而達到加熱輸油管道內(nèi)油品的目的，并且在管道的末端連接一個高效的油水板式換熱器，該換熱器可用來收集管道內(nèi)的油品在整個管道輸送過程中所獲得的熱量，實現(xiàn)能源的高效利用。

　　數(shù)值模擬主要用于計算石油經(jīng)較長的管道輸送后最終石油的溫升，以及得到該溫升所節(jié)約的能量，因此模擬只對輸油管道進行模擬，忽略管道末端原有的高效油水換熱器。同時為了簡化模型并且不影響整個計算結(jié)果，在建模過程中忽略了CPC聚光器的存在，但在后續(xù)的FLUENT計算中，在太陽輻射模型里太陽射線追蹤法中的太陽直射輻照度改為經(jīng)過CPC聚光后達到的光照強度，這樣可以簡化模型并且不會影響計算結(jié)果。如圖2所示，太陽光經(jīng)CPC聚光器聚光后的總能量主要由管道中的油品吸收，損失的能量主要為升溫后的管道與環(huán)境之間的輻射換熱與對流換熱，同時由于CPC聚光器的結(jié)構(gòu)對管道有保護作用，對流換熱損失的能量非常小，可忽略不計。

　　2理論分析

　　設(shè)太陽的單位面積輻照強度為G，聚光輸油管道接收輻照的面積為A1，其吸收率為α，CPC聚光光伏的聚光倍數(shù)為n，則輸油管道接收的總能量Q為Q=nαGA1(1)其中，A1=πdl2(2)式中：n為CPC聚光光伏的聚光倍數(shù)，取值范圍為2~6;d為輸油管路的直徑，m;l為輸油管路的長度，m。輸油管路接收的總能量Q一部分為石油加熱所需的能量，一部分將以輻射的形式散失到環(huán)境中，即Q=Q熱+Q損(3)其中，Q熱=h1A2(Twall-Toil)(4)式中：h1為輸油管壁與石油的換熱系數(shù)，W/(m2·K);A2為輸油管壁與石油的接觸面積，m2;Twall為輸油管壁的溫度，K;Toil為石油的定性溫度，K。

　　輸油管壁與石油的換熱系數(shù)h1的計算式為h1=Nuλde(5)Nu=0.023Re0.8Pr0.4(6)Re=ρudeμ(7)式中：Nu為努賽爾數(shù);Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特數(shù);de為當量直徑，m;λ為石油的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);ρ為石油的密度，kg/m3;u為石油的流速，m/s;μ為石油的動力黏度，Pa·s。輸油管壁與石油的接觸面積A2的計算式為A2=πdl(8)式中：d為輸油管路的直徑，m;l為輸油管路的長度，m。石油的定性溫度Toil的計算式為Toil=Tout+Tin2(9)式中：Tout為石油的出口溫度，K;Tin為石油的進口溫度，K。以輻射的形式散失的能量Qloss的計算式為Qloss=h2A1(Twall-Tair)(10)式中：h2為輸油管壁與環(huán)境的換熱系數(shù)，W/(m2·K);Tair為環(huán)境溫度，K。輸油管壁與環(huán)境的換熱系數(shù)h2的計算式為h2=σ(T)2wall+T2air(Twall+Tair)(11)式中：σ為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)。

　　加熱石油所需的能量Qhot即為石油得到的熱量Qoil，對其計算采用如下公式Qhot=Qoil=Cpqm(Tout-Tin)(12)其中，qm=ρA3u(13)A3=πd24(14)式中：Cp為石油的比熱容，J/(kg·K);qm為石油的質(zhì)量流量，kg/s;A3為輸油管路的橫截面積，m2。3數(shù)值模擬計算流體力學(xué)(CFD)是通過計算機進行數(shù)值計算，模擬流體流動時的各種相關(guān)物理現(xiàn)象，包括流動、熱傳導(dǎo)等。目前，計算流體動力學(xué)是解決流動和傳熱相關(guān)問題的強有力工具。本文基于流體為不可壓縮、穩(wěn)態(tài)紊流假設(shè)，運用ANSYSFluent軟件，采用標準k-ε湍流數(shù)學(xué)模型模擬石油在該輸油管路中的溫度場和速度場的分布規(guī)律，采用CFD主要解決了前處理、求解和后處理問題。

　　4對比分析

　　反映了聚光比為5、環(huán)境溫度為20℃、石油入口溫度為20℃、流速為1m/s時流體的溫升隨管長的變化趨勢。可以看出隨著管長的增加，溫升逐漸擴大，也就是出口溫度在逐漸增加，當管長增加到8km時，溫升達到了40℃，也就是此時石油的溫度為60℃，因此在實際工程應(yīng)用當中，可以在長輸管道的末端得到很高的出口溫度，末端的換熱器將會換取并存儲大量的熱量。另外，理論計算的溫度和Fluent模擬出來的溫度誤差范圍不大，并且隨著管長的增加誤差有些許的加大并且趨于不變，出現(xiàn)誤差些許增大是由于理論計算是在理想狀態(tài)下進行的，而模擬更偏向?qū)嶋H情況，但是隨著管長的增加誤差會趨于定值。

　　5結(jié)論

　　通過對石油管路太陽能聚光減阻及集熱系統(tǒng)進行的模擬研究和理論驗證，得到以下結(jié)論：(1)輸油管路的出口溫度隨著管長的增加而上升。在5倍聚光下，石油進口溫度為20℃、速度為1m/s、環(huán)境溫度為20℃時，石油每通過200m輸油管路溫度會提升約1℃。在實際的工程中，僅需要對輸油管道的前8km安裝CPC聚光器進行加熱就可以得到60℃的高溫?zé)嵊停�同時在末端利用換熱器進行換熱，可換取可觀的熱量。(2)輸油管路的出口溫度隨著聚光器聚光比的增加而上升。當聚光比達到100時，僅需要在管道的前段部分聚光，出口溫度就可以達到CPC聚光器長距離的聚光集熱的溫度，可以簡化管線的結(jié)構(gòu)。(3)模擬得出摩阻系數(shù)與溫度和管長的關(guān)系曲線，以及不同油品達到最佳減阻效果的加熱管長。

　　參考文獻

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