污水沉降罐伴熱盤管傳熱特性與影響因素分析

丁宇奇 趙硯鋒 蘆 燁 楊 明 張佳賀 徐鵬超 王學(xué)勇

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

近年來，油田在原油開采過程中含水率越來越高，導(dǎo)致含油廢水處理難度急劇增加。 目前，污水主要經(jīng)過聯(lián)合站中的重力式污水沉降罐進(jìn)行油水分離，通過收油槽收集分離后的污油。 由于污油黏度大、流動性差，故通常采用伴熱盤管對其進(jìn)行加熱并回收。 在伴熱盤管投產(chǎn)一段時間后，受換熱介質(zhì)、污水及外界溫度等因素的影響會出現(xiàn)傳熱效率降低的現(xiàn)象，導(dǎo)致聯(lián)合站水質(zhì)極不穩(wěn)定［1～3］。

為了改善污水沉降罐的收油效果，國內(nèi)外學(xué)者做了大量相關(guān)研究。 首先，在計(jì)算罐體和管道溫度場分布時，MURAKAWA K等通過流體力學(xué)原理理論計(jì)算了環(huán)形管道的速度分布、壓降和水動力入口長度， 得到了管道的層流換熱結(jié)果，理論解與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好［4，5］。趙偉強(qiáng)等在低流量下對簡化環(huán)形加熱管和蛇形管進(jìn)行了三維瞬態(tài)傳熱數(shù)值模擬，對原油儲罐內(nèi)的溫度分布情況進(jìn)行了分析，得到不同加熱時間下的儲罐溫度場分布［6，7］。 NAUMAN MALIK MUHAMMAD 等 利 用CFD工具計(jì)算波壁管的穩(wěn)態(tài)傳熱情況， 研究雷諾數(shù)和波壁管幾何形狀對熱量傳遞的影響，結(jié)果顯示，波浪形管能夠有效增強(qiáng)流體的熱傳遞［8，9］。 孫偉娜對熔融鹽實(shí)驗(yàn)儲罐的放熱過程進(jìn)行了二維瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，分析了熔融鹽在圓直管道中的傳熱特性，得到了不同罐體高度、雷諾數(shù)等參數(shù)下熔融鹽儲罐的放熱特性［10］。ZHANG Y H等模擬了PRHR HX模型在基準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的瞬態(tài)單相換熱行為，結(jié)果表明，垂直管束段的換熱能力明顯優(yōu)于水平段［11］。 其次，在已知罐體和管道溫度場分布的前提下，通過相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)一步提高罐體和管道的傳熱效率。 周志強(qiáng)等基于原油儲罐附帶加熱盤管的設(shè)計(jì)方法，對不同管徑和不同排管布置下的理論傳熱效果進(jìn)行了分析比較，結(jié)果顯示，只有提高管外傳熱系數(shù)，才能顯著改善傳熱效果［12～14］。 黃翔利用數(shù)值模擬方法對不同盤管螺距和直徑下盤管外側(cè)對流傳熱系數(shù)的變化進(jìn)行了模擬，得到了強(qiáng)放熱反應(yīng)釜所需盤管的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)［15］。 梁愛國等在聯(lián)合站采取了提高來油溫度、控制沉降罐油層厚度等一系列措施，有效降低了處理后的污水含油量，提高了收油效率［16，17］。 ZHANG N等通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對流速、入口溫度等對管道換熱的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，隨著介質(zhì)入口溫度和流速的增加換熱效果增強(qiáng)［18］。

綜上所述，現(xiàn)有研究多為穩(wěn)態(tài)傳熱或瞬態(tài)傳熱下污水沉降罐或伴熱盤管的溫度場分布，鮮有考慮沉降罐全運(yùn)行過程的溫度場分布。 因此，筆者結(jié)合沉降罐實(shí)際運(yùn)行全過程， 采用穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)相結(jié)合的全過程傳熱計(jì)算方法，通過建立伴熱盤管瞬態(tài)傳熱分析與污水沉降罐穩(wěn)態(tài)傳熱分析的三維有限元模型，將瞬態(tài)傳熱結(jié)果與穩(wěn)態(tài)傳熱進(jìn)行耦合，對污水沉降罐伴熱盤管進(jìn)行傳熱特性分析，并分析不同參數(shù)對污水沉降罐伴熱盤管傳熱特性的影響，為從運(yùn)行參數(shù)角度提高污水沉降罐收油效果提供一定參考。

1 基于穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)傳熱相結(jié)合的污水沉降罐全過程傳熱計(jì)算方法

1.1 沉降罐運(yùn)行過程分析及計(jì)算方法

污水沉降罐伴熱盤管和收油槽位于罐體上側(cè)，這導(dǎo)致伴熱盤管不是一直對罐內(nèi)污水進(jìn)行加熱。 在實(shí)際運(yùn)行過程中，油水混合物在罐內(nèi)沉降分層，當(dāng)油層達(dá)到一定厚度后，關(guān)閉出水管使罐內(nèi)液位增至伴熱盤管和收油槽位置，此時伴熱盤管可直接對油層進(jìn)行加熱， 最終經(jīng)收油槽排出。在整個運(yùn)行過程中罐內(nèi)有兩處加熱源，分別是配液管進(jìn)口處和伴熱盤管處。 根據(jù)上述過程，污水沉降罐運(yùn)行過程可分為液位舉升過程和收油過程兩個階段，如圖1所示。

圖1 液位舉升過程和收油過程示意圖

污水沉降罐在液位舉升過程和收油過程中罐內(nèi)的熱量傳遞原理如圖2所示。 在液位舉升過程中，熱量傳遞過程主要包括：配液管對沉降罐加熱，伴熱盤管管內(nèi)熱流體與管外空氣域之間的對流換熱以及盤管對沉降罐的加熱。 在收油過程中，熱量傳遞過程主要包括：伴熱盤管管內(nèi)熱流體與管外油層之間的對流換熱以及盤管對沉降罐的加熱。 在液位舉升過程和收油過程中，沉降罐罐內(nèi)液位不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致伴熱盤管在液位舉升時對空氣加熱，收油時對油層加熱，因此伴熱盤管內(nèi)熱流體與管外介質(zhì)（空氣或原油）的熱量傳遞過程可視為瞬態(tài)傳熱過程；在沉降罐運(yùn)行時，進(jìn)水和出水同時進(jìn)行，罐內(nèi)液位維持一定高度，同時沉降罐內(nèi)原油不斷沉降形成一定厚度的油層，因此沉降罐內(nèi)熱量傳遞過程可視為穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

圖2 污水沉降罐全過程的熱量傳遞原理

1.2 伴熱盤管瞬態(tài)傳熱的計(jì)算方法

在伴熱盤管管內(nèi)熱流體與管外冷流體進(jìn)行瞬態(tài)傳熱時，其理論傳熱計(jì)算模型如圖3所示。 設(shè)盤管半徑為r0，盤管中心距為r，盤管內(nèi)流體從開始傳熱至流體外表面溫度達(dá)到穩(wěn)定時的傳熱時間為t， 盤管內(nèi)流體初始溫度分布為均勻溫度Ti，盤管壁面溫度為Tf，并設(shè)無量綱溫度為（其中T表示傳熱時間為t時盤管中心距r處的溫度）。

圖3 伴熱盤管瞬態(tài)傳熱計(jì)算模型

伴熱盤管管內(nèi)熱流體與伴熱盤管管壁之間的瞬態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型為：

其中，h為伴熱盤管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，λ為伴熱盤管的導(dǎo)熱系數(shù)，a為管內(nèi)熱流體的熱擴(kuò)散率。

假定式（1）有分離變量形式的解，即：

其中，R（r）和Γ（t）分別為T（r，t）的分離變量函數(shù)。

將式（2）代入式（1），變量分離后其調(diào)用函數(shù)的特征函數(shù)、特征值和特征函數(shù)的模分別為［19］：

其中，m代表中心距上某一位置，Rm（r）為R（r）的特征函數(shù)，J0（βmr）為Rm（r）的選用函數(shù)，縮放系數(shù)，ξm為Rm（r）的特征向量，畢渥數(shù)Bi=hr0/λ，R為盤管中心距為r0時分離變量函數(shù)的特征值，R′為盤管中心距為r0時分離變量函數(shù)一次導(dǎo)數(shù)的特征值，J1（ξm）為分離變量函數(shù)一次導(dǎo)數(shù)的選用函數(shù)。

伴熱盤管管內(nèi)熱流體任一截面處溫度場的完全解應(yīng)為基本解的線性疊加，且特征函數(shù)具有正交性，其無量綱形式解為：

其中，Am為線性疊加后計(jì)算出的無量綱系數(shù)。 通過式（4）可得到伴熱盤管管內(nèi)熱流體無量綱溫度隨時間變化的分布情況，也可得到在一定加熱時間下盤管外表面的溫度分布。

1.3 污水沉降罐穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算方法

當(dāng)污水沉降罐罐內(nèi)不同位置流體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱時，其理論傳熱計(jì)算模型如圖4所示。 選取同一中心距下靠近伴熱盤管和配液管的兩點(diǎn)，其高度分別為z1和z2，相應(yīng)的溫度分別為Tw1和Tw2，且假設(shè)

圖4 污水沉降罐穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算模型

污水沉降罐罐內(nèi)不同位置之間的穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型為：

污水沉降罐溫度場初始條件為：

對式（5）積分得其通解為：

其中，c1和c2為受邊界條件影響的積分常數(shù)。

將式（6）代入式（7）可得污水沉降罐內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度分布為：

通過對伴熱盤管瞬態(tài)傳熱和污水沉降罐穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算，在已知盤管半徑、伴熱盤管初始溫度、外界溫度、罐內(nèi)液位高度、伴熱盤管內(nèi)熱流體的熱擴(kuò)散率、伴熱盤管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)的前提下，可分別計(jì)算得到在液位舉升過程和收油過程中伴熱盤管關(guān)鍵點(diǎn)與管外流體進(jìn)行對流換熱的瞬態(tài)溫度變化，以及污水沉降罐內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)溫度。 筆者以關(guān)鍵點(diǎn)溫度為邊界條件，采用數(shù)值模擬手段對污水沉降罐和伴熱盤管的溫度場分布進(jìn)行模擬分析。

2 污水沉降罐及伴熱盤管三維有限元模型的建立

2.1 污水沉降罐及伴熱盤管結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)

以某油田5 000 m3一次污水沉降罐作為研究對象，其主要部件包括儲罐、伴熱盤管、收油槽、配液管、集液管和保溫層，儲罐壁板厚8 mm，頂板厚6 mm。 伴熱盤管由6圈盤管、堵板、進(jìn)出水匯管和進(jìn)出水立管組成，現(xiàn)定義伴熱盤管由內(nèi)到外依次為第1圈至第6圈伴熱盤管， 靠近匯管一側(cè)為0°且角度逆時針增加（依次為0、90、180、270°）；第6圈盤管搭放在收油槽上，高于內(nèi)側(cè)5 圈盤管10 mm，并與匯管通過U形彎管連接；進(jìn)出水匯管規(guī)格為φ114 mm×6 mm， 盤管和進(jìn)出水立管規(guī)格為φ76 mm×4 mm，油層最大厚度為500 mm。 沉降罐幾何模型主視圖及部件相對高度如圖5所示，伴熱盤管幾何模型俯視圖及盤管軸心距如圖6所示。

圖5 沉降罐幾何模型主視圖

圖6 伴熱盤管幾何模型俯視圖及盤管軸心距

為了監(jiān)測伴熱盤管處的溫度變化，在伴熱盤管靠近收油槽一側(cè)由內(nèi)到外建立路徑1～路徑6；為了比較污水沉降罐的收油效果，需監(jiān)測收油槽處和液位頂端的溫度情況，因此，在收油槽底端建立環(huán)向路徑7，在液位頂端建立環(huán)向路徑8。 為了對比不同工藝運(yùn)行參數(shù)對伴熱盤管傳熱特性的影響，在路徑7、8的0、90、180、270°以及收油槽軸心分別建立觀測點(diǎn)1～5，具體位置如圖7所示。

圖7 路徑1～8以及觀測點(diǎn)1～5位置示意圖

2.2 污水沉降罐及伴熱盤管三維有限元模型的建立

2.2.1 污水沉降罐穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場分析三維有限元模型

在建立污水沉降罐穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場分析有限元模型時，考慮到污水沉降罐和油水混合物的材料屬性，為了實(shí)現(xiàn)勻速熱流的傳遞過程，采用實(shí)體單元進(jìn)行建模。 通過結(jié)構(gòu)參數(shù)建立的三維有限元模型如圖8所示， 其中形狀規(guī)則部分采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，不規(guī)則部分采用自由劃分方式劃分四面體網(wǎng)格。 為了驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，分別選取最小網(wǎng)格尺寸為2、4、8 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過對比計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算成本的經(jīng)濟(jì)性，最終選取最小網(wǎng)格尺寸為4 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖8 污水沉降罐穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場分析三維有限元模型

2.2.2 伴熱盤管瞬態(tài)傳熱溫度場分析三維有限元模型

在液位舉升過程中，伴熱盤管為罐內(nèi)空氣加熱；在收油過程中，伴熱盤管為罐內(nèi)油層加熱。 為了準(zhǔn)確分析伴熱盤管表面的溫度分布情況，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)建立伴熱盤管瞬態(tài)傳熱溫度場分析三維有限元模型如圖9所示。 在有限元模型中劃分邊界層網(wǎng)格并采用六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 為了驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，分別選取最小網(wǎng)格尺寸-曲率法線角為5 mm-12°、10 mm-12°、5 mm-10°進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 通過對比計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算成本的經(jīng)濟(jì)性，最終選取最小網(wǎng)格尺寸-曲率法線角為5 mm-12°進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖9 伴熱盤管瞬態(tài)傳熱溫度場分析三維有限元模型

2.3 污水沉降罐及伴熱盤管材料、工藝與結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3.1 污水沉降罐及伴熱盤管材料參數(shù)

污水沉降罐罐體材料為Q235，伴熱盤管材料為20鋼，保溫層材料為復(fù)合硅酸鹽保溫板，罐內(nèi)主要為原油和水，盤管內(nèi)介質(zhì)為水，其材料參數(shù)見表1。

表1 污水沉降罐及伴熱盤管材料參數(shù)

2.3.2 污水沉降罐工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)

在污水沉降罐運(yùn)行過程中， 伴熱盤管直徑、進(jìn)口流速及進(jìn)口溫度等因素都會影響伴熱盤管的傳熱效率。

根據(jù)工程實(shí)際情況得到水沉降罐的工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

3 污水沉降罐伴熱盤管傳熱特性分析

采用穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)相結(jié)合的全過程傳熱計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，其中污水沉降罐穩(wěn)態(tài)傳熱部分在ANSYS經(jīng)典中進(jìn)行模擬，伴熱盤管瞬態(tài)傳熱部分在ANSYS Fluent中進(jìn)行模擬。在計(jì)算瞬態(tài)傳熱時，通過對比不同傳熱時間下的盤管傳熱效果，確定當(dāng)傳熱時間達(dá)到600 s后盤管外表面的溫度分布。

3.1 污水沉降罐液位舉升過程中的溫度場分析

為了分析污水沉降罐伴熱盤管傳熱特性，結(jié)合某油田污水沉降罐實(shí)際情況，選取進(jìn)口流速為2.5 m/s，進(jìn)口溫度為62 ℃，盤管規(guī)格為φ76 mm×4 mm，環(huán)境溫度為-24 ℃，保溫層厚度為0 mm。在基礎(chǔ)工況下對污水沉降罐伴熱盤管傳熱特性進(jìn)行分析，得到液位舉升過程中配液管加熱后沉降罐溫度場分布如圖10所示，伴熱盤管與空氣對流換熱后溫度場分布如圖11所示，伴熱盤管加熱后路徑1～6處溫度變化曲線如圖12所示， 伴熱盤管加熱后沉降罐溫度場分布如圖13所示，并將路徑1～6的各角度關(guān)鍵點(diǎn)溫度列于表3。

表3 路徑1～6的各角度關(guān)鍵點(diǎn)溫度

圖10 配液管加熱后沉降罐溫度場分布

圖11 伴熱盤管與空氣對流換熱后溫度場分布

圖12 伴熱盤管加熱后路徑1～6處溫度變化曲線

圖13 伴熱盤管加熱后沉降罐溫度場分布

經(jīng)計(jì)算， 路徑1～路徑6溫降分別為0.067、0.039、 0.046、0.039、0.037、0.028 ℃/m。

從圖10可以看出，在只有配液管對沉降罐加熱時，配液管進(jìn)口圓環(huán)處的污水溫度達(dá)到最大值32 ℃，隨著液位的上升溫度逐漸降低，同時由于與外界環(huán)境進(jìn)行換熱導(dǎo)致在靠近罐壁處的污水溫度接近外界環(huán)境溫度。 從圖11、12和表3可以看出，在液位舉升過程中盤管內(nèi)熱水與管外空氣進(jìn)行換熱，導(dǎo)致各圈盤管溫度由進(jìn)水側(cè)向出水側(cè)逐漸降低（從62.0 ℃降低至61.1 ℃）；由于0°位置更靠近進(jìn)水匯管， 使得盤管在0°位置達(dá)到溫度最高值61.7 ℃；盤管環(huán)向溫降約在0.060 ℃/m，盤管同一角度徑向溫降在每圈0.3 ℃左右。 從圖13可以看出，伴熱盤管進(jìn)行加熱后沉降罐內(nèi)的溫度顯著升高，尤其在盤管附近溫度升高明顯，第1圈盤管處溫度達(dá)到最高值60.7 ℃，同時由于盤管的熱量向罐頂與罐底傳遞，因此溫度由盤管向罐頂與罐底逐漸降低。

3.2 污水沉降罐收油過程中的溫度場分析

以污水沉降罐液位舉升過程的最終溫度分布為初始條件，得到收油過程中伴熱盤管與油層對流換熱后溫度場分布如圖14所示，伴熱盤管加熱后路徑1～6處溫度變化曲線如圖15所示， 伴熱盤管加熱后沉降罐溫度場分布如圖16所示，并將路徑1～6的各角度關(guān)鍵點(diǎn)溫度列于表4。

表4 路徑1～6的各角度關(guān)鍵點(diǎn)溫度

圖14 伴熱盤管與油層對流換熱后溫度場分布

圖15 伴熱盤管加熱后路徑1～6處溫度變化曲線

圖16 伴熱盤管加熱后沉降罐溫度場分布

從圖14、15和表4可以看出，由于在收油過程中盤管內(nèi)熱水與管外油層進(jìn)行換熱，導(dǎo)致各圈盤管溫度由進(jìn)水側(cè)向出水側(cè)逐漸降低（從62.0 ℃降低至59.8 ℃）；因?yàn)?°位置更靠近進(jìn)水匯管，使得盤管在0°達(dá)到溫度最高值61.2 ℃； 盤管環(huán)向溫降在0.1 ℃/m左右， 盤管同一角度徑向溫降在每圈1.0 ℃左右。 從圖16可以看出，在伴熱盤管進(jìn)行加熱后沉降罐內(nèi)的溫度顯著升高，尤其在盤管附近溫度升高明顯，第1圈盤管處溫度達(dá)最高值59.7 ℃，同時由于盤管的熱量傳遞，導(dǎo)致溫度由盤管向罐底逐漸降低，在遠(yuǎn)離盤管處污水溫度接近外界環(huán)境溫度。 為了對比收油槽各位置在整個過程中的溫度變化，將路徑7各角度溫度列于表5。 經(jīng)計(jì)算，路 徑1～路 徑6 溫 降 分 別 為0.120、0.090、0.099、0.091、0.080、0.062 ℃/m。

表5 收油槽在液位舉升和收油過程中各角度溫度對比

從表5可以看出， 在液位舉升過程和收油過程中，由于0°位置更靠近進(jìn)水匯管，使得0°傳熱量較大溫升較大， 因此收油槽最高溫度均出現(xiàn)在0°位置；由于熱量的傳遞與損失，溫度從靠近進(jìn)出水匯管側(cè)向遠(yuǎn)離匯管側(cè)逐漸降低（從59.3 ℃降低至45.7 ℃）； 由于罐內(nèi)沉降出的原油的對流系數(shù)要大于空氣的，盤管與油的換熱量要大于與空氣的換熱量，因此收油槽在收油過程中的溫度明顯低于液位舉升過程的，其最大溫差為2.3 ℃。

4 污水沉降罐伴熱盤管傳熱特性的影響分析

為了分析不同工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對伴熱盤管傳熱特性的影響，以控制單一變量為原則，分別改變不同工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體如圖17所示。 通過比較收油過程中收油槽底端以及液面頂端觀測點(diǎn)1～5的溫度和溫差，以及對比收油槽底端路徑7的溫度，得到不同影響因素對污水沉降罐伴熱盤管傳熱特性的敏感程度。

圖17 污水沉降罐傳熱特性各影響因素變量

4.1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對伴熱盤管傳熱特性的影響分析

將不同保溫層厚度與伴熱盤管直徑下收油槽底端（高度為13 500 mm）以及液面頂端（高度為13 800 mm） 位置觀測點(diǎn)1～5 在收油過程中計(jì)算得到的結(jié)果列于表6， 收油過程中不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下路徑7 的溫度對比曲線如圖18 所示。

表6 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下觀測點(diǎn)1～5收油過程溫度對比

圖18 收油過程中不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下路徑7的溫度對比曲線

從表6可以看出， 增加保溫層厚度會使收油槽底端和液面頂端溫度略有升高， 最高為0.8 ℃；伴熱盤管直徑的增加也會使收油槽底端和液面頂端溫度略有升高，最高為1.5 ℃。 從圖18可以看出， 增加保溫層厚度后收油槽底端溫度變化較小，即增加保溫層厚度對提高伴熱盤管傳熱特性作用較?。话闊岜P管直徑增加后收油槽底端溫度產(chǎn)生了一定的變化，即增加伴熱盤管直徑對提高伴熱盤管傳熱特性有一定的作用。

4.2 不同工藝參數(shù)對伴熱盤管傳熱特性的影響分析

將不同環(huán)境溫度、進(jìn)口溫度和進(jìn)口流速下收油槽底端（高度為13 500 mm）以及液面頂端（高度為13 800 mm）位置觀測點(diǎn)1～5在收油過程中計(jì)算得到的結(jié)果列于表7， 收油過程中不同工藝參數(shù)下路徑7的溫度對比曲線如圖19所示。

表7 不同工藝參數(shù)下觀測點(diǎn)1～5收油過程中的溫度對比

圖19 收油過程中不同工藝參數(shù)下路徑7的溫度對比曲線

從表7可以看出， 環(huán)境溫度升高會使收油槽底端和液面頂端溫度有較大的提升，最高升高4.7 ℃，且對液面頂端的影響大于收油槽底端的；進(jìn)口溫度升高會使收油槽底端和液面頂端溫度有較大的提升，最高升高4.6 ℃，且對收油槽底端的影響大于液面頂端的；進(jìn)口流速增大會使收油槽底端和液面頂端的溫度略有提升，最高升高0.3 ℃， 其對收油槽底端和液面頂端的影響差別不大。 從圖19可以看出，進(jìn)口溫度和外界環(huán)境溫度對伴熱盤管傳熱特性影響極大，兩者的升高均導(dǎo)致收油槽底端溫度變化較大；進(jìn)口流速增大后收油槽底端溫度變化較小，即進(jìn)口流速增大對提高伴熱盤管傳熱特性作用很小。

對比不同影響因素對伴熱盤管傳熱特性的影響， 所有影響因素下收油過程中路徑7、8的觀測點(diǎn)溫差對比曲線如圖20所示。

圖20 收油過程中不同影響因素下路徑7、8的溫差對比曲線

從圖20可以看出，根據(jù)不同影響因素下收油過程中收油槽底端以及液位頂端觀測點(diǎn)的溫差，對于伴熱盤管傳熱特性敏感程度排序?yàn)椋哼M(jìn)口溫度＞環(huán)境溫度＞盤管直徑＞保溫層厚度＞進(jìn)口流速。其中，進(jìn)口溫度、環(huán)境溫度的升高以及盤管直徑的增大都能夠使其液面頂端與收油槽底端觀測點(diǎn)溫度升高1 ℃以上，可見進(jìn)口溫度、環(huán)境溫度的升高以及盤管直徑的增大可以有效提高伴熱盤管傳熱特性；而保溫層厚度的增大和進(jìn)口流速的提高使其液面頂端與收油槽底端觀測點(diǎn)溫度升高不足1 ℃， 因此保溫層厚度和進(jìn)口流速對伴熱盤管傳熱特性影響很小。

5 結(jié)論

5.1 考慮污水沉降罐液位舉升與收油兩個運(yùn)行過程， 采用穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)相結(jié)合的全過程傳熱計(jì)算分析方法， 建立了污水沉降罐穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)傳熱溫度場分析三維有限元耦合模型，通過該模型可以準(zhǔn)確描述污水沉降罐在運(yùn)行時的熱量傳遞過程。

5.2 當(dāng)傳熱時間到達(dá)600 s后， 盤管外表面溫度分布趨于穩(wěn)定，此時各圈盤管溫度由進(jìn)水側(cè)向出水側(cè)逐漸降低，盤管環(huán)向溫降在0.1 ℃/m左右，盤管同一角度徑向溫降在每圈1 ℃左右； 盤管進(jìn)行加熱后罐內(nèi)溫度顯著升高，尤其在盤管附近溫度升高明顯，第1圈盤管處溫度達(dá)到最大值59.7 ℃，收油槽底部最大溫度值為57.7 ℃。

5.3 通過對不同影響因素下伴熱盤管傳熱特性進(jìn)行分析可知：伴熱盤管傳熱特性的敏感程度排序?yàn)檫M(jìn)口溫度＞環(huán)境溫度＞盤管直徑＞保溫層厚度＞進(jìn)口流速。 其中，進(jìn)口溫度、環(huán)境溫度的升高以及盤管直徑的增大都能夠有效提高伴熱盤管傳熱特性使其溫度升高1 ℃以上， 而保溫層厚度的增大和進(jìn)口流速的提高對伴熱盤管傳熱特性影響很小使其溫度升高不足1 ℃。 文中研究成果可為從運(yùn)行參數(shù)角度提高污水沉降罐收油效果提供一定參考。