新型陶瓷膜一體化元件的采熱性能研究

油田污水余熱資源豐富，但由于缺乏經濟性的余熱回收利用技術，造成熱能流失。為提高油田污水余熱資源利用水平，基于污水處理與余熱回收利用一體化基本思路，設計了換熱管為螺旋（LX）、螺旋翅片（LC）、光滑（GH）、直翅片（ZC）等4種結構的陶瓷膜過濾與換熱一體化元件，并建立了元件的熱、流、固耦合數值模型；采用有限元法對4種換熱管的流場、采熱性能進行了對比分析和優選。分析結果表明：LX換熱管可同時增強內外流體的擾動特性，具有較好的余熱回收性能，其單位面積吸熱功率與LC換熱管、ZC換熱管和GH換熱管相比分別提高了22.5%、48.0%和2.5%，比較適合用于高溫污水余熱回收。所得結論可為陶瓷膜過濾與余熱回收利用一體化元件的設計提供參考，也為含熱油田污水資源化利用提供了新的思路。

油田含熱污水；余熱回收；陶瓷膜；換熱管；采熱性能

中圖分類號：TE09

文獻標識碼：A

DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2024.12.014

基金項目：中國石油天然氣集團有限公司基礎性、前瞻性課題“低成本油田污水處理技術研究”（2021DJ6606）。

Heat Recovery Performance of New Ceramic

Membrane Integrated Components

Hu Zhiqiang1" Ba Sha2" Du Kang3" Liu Kaiwen1" Tan Wenfeng1" Li Xiangwei1" Li Wei1

（1.Jianghan Machinery Research Institute Limited Company of CNPC；2.China Petroleum amp; Petrochemical Equipment Industry Association 3.No.3 Gas Production Plant，PetroChina Changqing Oilfield Company）

Oilfield wastewater has abundant waste heat resources，but due to the lack of economical waste heat recovery and utilization technologies，thermal energy loss occurs.In order to improve the utilization level of waste heat resources in oilfield wastewater，based on the basic idea of integrating wastewater treatment and waste heat recovery and utilization，four types ceramic membrane filtration and heat exchange integrated components with heat exchange tube being spiral tube，spiral finned tube，smooth tube and straight finned tube respectively were designed.A thermal-fluid-solid coupling numerical model for the components was built.The finite element method was used to conduct comparison，analysis and optimization on the flow field and heat recovery performance of the four types of heat exchange tubes.The analysis results show that the spiral heat exchange tube can enhance the disturbance characteristics of both internal and external fluids，and has good waste heat recovery performance.Its heat absorption power per unit area is increased by 22.5%，48.0% and 2.5% compared with spiral finned heat exchange tube，straight finned heat exchange tube and smooth heat exchange tube respectively，and it is suitable for waste heat recovery of high-temperature wastewater.The conclusions provide reference for the design of ceramic membrane filtration and waste heat recovery and utilization integrated components，and also provide new ideas for the resource utilization of hot oilfield wastewater.

hot wastewater；waste heat recovery；ceramic membrane；heat exchange tube；heat recovery performance

0" 引" 言

我國油田污水余熱資源豐富，2020年統計中國油田含油污水量15×108～20×108 t［1］，且污水溫度均在40～70 ℃之間［2］，如果能實現污水余熱的高效回收，則對實現能源低碳環保具有重要意義。目前主要采用熱泵技術實現油田污水的余熱回收，已在冬季供暖、輸油管線加熱等方面有較多的應用，產生了較好的經濟效益。但采用熱泵技術存在投資高、占地面積大的問題，在中小型污水處理站場的應用不具備經濟性。

胡志強，等：新型陶瓷膜一體化元件的采熱性能研究

陶瓷膜過濾與換熱一體化元件的采熱性能是影響油田污水余熱回收的關鍵因素之一，因此開展一體化元件的采熱性能研究至關重要。目前，國內外學者的研究集中在陶瓷膜和換熱管的結構和性能方面。師杰等［3］提出了扇形陶瓷膜通道結構以增加過濾面積，通過對比，認為扇形通道滲透流量要高于圓形通道。楊釗等［4］對4種陶瓷膜管的內部結構進行對比分析，并對膜管滲透性能的重要指標進行計算，認為純水通量可以探究膜管結構與性能的關系，為優化陶瓷膜管的通道結構提供了便捷有力的工具。劉洋志等［5］對膜元件錯流過濾過程進行模擬，研究了入口流量、操作壓差對其過濾性能的影響，表明增大入口流量、增大操作壓差、減小膜孔徑都能提高膜滲透通量。梁展程［6］對波紋管、波節管及扭曲管3種管型開展研究，對比不同換熱管對管外流場的影響和換熱強化效果，并根據計算結果擬合出Relt;8 000的氣流殼程對流換熱Nu與Re、Pr的試驗關聯式。P.W.DESHMUKH等［7］研究了內插彎曲三角翼的管內層流流動傳熱性能，發現換熱能力可達光管的4～15 倍。秦政等［8］對T型翅片管和光滑管管外沸騰強化傳熱進行了數值模擬研究，表明其強化傳熱綜合性能評價因子在不同流速下均大于1，說明T型翅片管有較好的強化傳熱效果。以往研究表明，換熱管結構是影響換熱管換熱的關鍵因素，但是關于陶瓷膜過濾與換熱一體化元件的研究未見報道，且很少綜合考慮過濾因素和換熱管內外流動規律的影響。

因此，為減少油田污水處理過程中的熱量損耗，設計了陶瓷膜過濾與換熱一體化元件，綜合考慮陶瓷膜過濾的影響，

并采用數值仿真方法，對比分析不同換熱管結構對一體化元件采熱性能的影響。研究結果可為陶瓷膜過濾與換熱一體化元件設計提供理論依據，對提高油田污水余熱高效回收具有重要意義。

1" 幾何模型與評價指標

1.1" 幾何模型

圖1為陶瓷膜過濾與換熱一體化元件和換熱管結構示意圖。圖1a顯示高溫污水從左邊入口經陶瓷膜通道與換熱管之間的環空流道流向右邊出口，常溫水從右邊入口經換熱管內流道流向左邊出口，2種不同溫度的流體通過換熱管壁面之間進行換熱實現高溫污水的余熱回收。圖1b為4種換熱管結構。4種換熱管長度均為100 mm，壁厚為0.5 mm，截面內徑為4 mm，外徑為5 mm，陶瓷膜通道內徑為8 mm。

1.2" 余熱回收性能的評價指標

當只改變換熱管結構，其余參數（入口溫度和流量）保持不變時，不同換熱管對應的一體化元件的采熱功率越大，表示油田污水的余熱回收效果越好。根據熱力學理論和能量守恒定律，換熱管的余熱回收能量應與常溫水的能量增量相等，故陶瓷膜過濾與換熱一體化元件的余熱回收功率Qy可表示為：

Qy=qwcw（To-Ti）（1）

式中：Qy為吸熱功率，W；qw為水的質量流量，kg/s；cw為水的比熱容，J/（kg·℃）；To為水的出口溫度，℃；Ti為水的入口溫度，℃。

2" 數值模型

2.1" 假設條件

（1）陶瓷膜元件每個通道內的污水流量相同，換熱管內的常溫水流量相同。

（2）由于陶瓷膜導熱系數較低，分析中假設陶瓷膜壁面為絕熱壁面。

（3）重點討論換熱管的采熱性能，忽略陶瓷膜過濾對換熱管采熱性能的影響。

（4）忽略高溫污水對換熱的影響，將高溫污水和常溫水均設置為水。

2.2" 計算模型與邊界條件

2.2.1" 計算模型

圖2為膜元件單孔流道計算模型。該模型包含膜通道內壁和螺旋換熱管，左端是采出水出口和常溫水入口，右端是采出水入口和常溫水出口。換熱管材料設置為Cu，導熱系數設置為387.6 W/（m·K）。

2.2.2" 邊界條件

選用水通量為800 L/（h·m2），膜面積為0.025 m2的陶瓷膜作為研究對象，計算得到陶瓷膜單孔膜通道的質量流量為0.005 56 kg/s。故高溫污水入口采用質量流量入口，設置為0.005 56 kg/s。考慮陶瓷膜過濾所需的跨膜壓差，可設置高溫污水出口壓力為0.2 MPa，污水溫度設置為60 ℃。冷卻水采用常溫水，其溫度為20 ℃，入口采用質量流量入口，設置為0.002 51 kg/s。常溫水出口設置為大氣壓。

2.3" 控制方程

選用RNG k-ε湍流模型，該模型比較適用于旋渦、強流線彎曲等工況。連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程如下［14-16］。

xi（ρui）=0（2）

xj（ujρui）=-px+xjμuixj-ρu′iu′j（3）

xj（ρuiT）=xiμPr+μtPrtTxi（4）

式中：xi和xj為i和j方向的位移，m；ui和uj為i和j方向的速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；p為壓力，Pa；μ和μt為流體黏度和湍流時的流體黏度，Pa·s；Pr和Prt為普朗特數和湍流時的普朗特數，m；T為常溫水出口溫度，℃。

其中雷諾應力項ρu′iu′j可以表示為：

ρu′iu′j=μtuixj+ujxi-23ρkδij-23μtukxkδij（5）

式中：k為湍流動能，m2/s2；δij為克羅內克正數；uk、xk為k方向的速度（m/s）和位移（m）。

湍流動能k和耗散率ε的方程為：

xi（ρuik）=xjμtσk+μkxj+Gk-ρε（6）

xi（ρuiε）=xjμtσε+μεxj+

εkC1εGk-ρC2εε（7）

式中：Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能，Pa/s；ε為湍動能耗散率，m2/s3；σk=1，σε=1.3，σ1ε=1.42和C2ε=1.68是RNG k-ε湍流模型的常數。

2.4" 網格劃分及無關性驗證

圖3為計算模型的網格劃分方案。模型采用了適應性較好的非結構化網格進行網格劃分，為提高計算精度，在換熱管內外表面均設置邊界層。最終得到網格數量265 292，節點數89 999，網格單元平均質量0.53，平均偏斜度0.25，最大傾斜度0.85，網格質量符合要求。

為了消除網格對仿真結果的影響，對數值模型進行了網格無關性分析。圖4是常溫水進口流量為0.002 51 kg/s，高溫污水進口流量為0.005 56 kg/s時，7種網格劃分方案對應的采出溫度計算結果。由圖4可知，當網格數量超過21.5萬時，模型的采出溫度趨于穩定。為得到較好的計算精度并節約計算時間，網格數量選用24.4萬。

3" 結果分析

3.1" 溫度場對比分析

圖5為4種換熱管對應的縱截面溫度分布云圖。由圖5可知：與GH換熱管相比，另外3種換熱管的換熱面積較大，流體在流動過程中的擾動性強，故換熱管內的常溫水溫升速度較快；與另外3種換熱管相比，LX換熱管內的溫度分布不規則，表明LX換熱管內的流動擾動性更強，更有利于余熱回收。

圖6為4種換熱管內常溫水和高溫污水在不同橫截面處的平均溫度分布曲線。由圖6a可知：沿常溫水出口方向，流體的溫度快速上升，并且ZC換熱管內的流體溫度上升較快，最高溫度可達到317 K，溫度升高24 K；LX換熱管和LC換熱管其次，溫度升高21 K；GH換熱管內的流體溫升速度最慢，溫度升高19 K。由圖6b可知：高溫污水沿出口方向，流體溫度快速下降，表明污水熱量被換熱管快速吸收。其中ZC換熱管對應的高溫污水溫度下降最快，溫度下降12 K；LX換熱管和LC換熱管其次，高溫污水溫度下降9.5 K；GH換熱管內的高溫污水溫度下降最慢。

3.2" 速度場對比分析

圖7a為4種結構橫截面速度矢量圖。由圖7a可知：ZC換熱管含有10個翅片，其等效截面積較小，因此高溫污水流速最大，從而增大了流體的湍流動能，增強了流體與壁面之間的換熱。同時翅片數量越多，流體與換熱管的換熱面積越大，也可提高換熱管的余熱回收性能。

ZC換熱管和GH換熱管對流體擾動性能的影響較小，LC換熱管增強了環空內高溫污水的擾動特性但是沒有提高換熱管內的湍流動能。LX換熱管對換熱管內常溫水和環空內的高溫污水的流動方向均有較大影響，既能提高換熱管內流體的擾動特性也能提高環空內高溫污水的擾動特性，有利于提高高溫污水的余熱回收率。圖7b為4種換熱管的縱截面速度分布云圖。由圖7b可知：軸心處的速度較快，靠近管壁的流速慢，這是由于靠近管壁存在邊界層，越靠近管壁流體受到的摩擦力越大。與另外3種換熱管相比，LX換熱管內的流體速度分布不規則，有利于破壞邊界層，提高余熱回收效率；同時不規則的速度分布可使高溫污水對陶瓷膜內壁形成沖擊作用，提高陶瓷膜的過濾效率。

圖8為4種換熱管內常溫水和高溫污水沿軸向的平均速度分布曲線。由圖8a可知：流體剛進入換熱管時，其速度快速上升，隨后趨于穩定；LX換熱管內的常溫水速度曲線存在明顯的脈動現象，說明該換熱管內流體的擾動特性較強。由圖8b可知：ZC換熱管和GH換熱管對環空內高溫污水的擾動較小，而LX換熱管和LC換熱管使環空內高溫污水的速度出現明顯的跳動，擾動性得到加強，有利于高溫污水與換熱管之間進行熱量交換；同時加入換熱管后，高溫污水的流動面積減小，此時陶瓷膜膜面流速增大，也有利于陶瓷膜過濾。

3.3" 壓力場對比分析

圖9為4種換熱管對應的縱截面壓力分布云圖。由圖9可知，換熱管內的壓力和環空內的壓力基本保持不變，同時4種換熱管結構對應的環空壓力均大于陶瓷膜過濾所需的跨膜壓差0.2 MPa，故加入換熱管后不影響陶瓷膜過濾。

圖10為4種換熱管內常溫水和環空內高溫污水沿軸向的壓力分布曲線。由圖10a可知：從常溫水入口到出口壓力逐漸減小；LX換熱管內流體的擾動性較強，流動阻力較大，因此該換熱管內的壓降最大。由圖10b可知，在環空通道內ZC換熱管對高溫污水壓力的影響最大，LX換熱管和LC換熱管影響次之，GH換熱管影響最小。這是因為ZC換熱管對應的高溫污水流速大，形成的流動阻力大，此時流動壓降較大。GH換熱管內的流體流速小，且流動擾動性較弱，故環空內的壓降最小；與GH換熱管相比，LX換熱管和LC換熱管增強了環空內高溫污水的擾動特性因此環空內的壓降相對較大，有利于提高陶瓷膜過濾性能。

3.4" 吸熱功率對比分析

表1為4種換熱管的常溫水采熱參數。由表1可知：由于ZC換熱管的換熱面積較大，環空內流動速度大，其常溫水溫升值最大；LX換熱管和LC換熱管對環空內高溫水具有較強的擾動作用，強化了換熱效果，使常溫水溫升值次之；GH換熱管對流體的擾動作用較小，導致常溫水溫升最小。

圖11為4種換熱管結構對應的常溫水吸熱功率和單位面積吸熱功率柱狀圖。由圖11可知，吸熱功率由大到小分別是ZC換熱管234.14 W，LX換熱管229.6 W，LC換熱管225.39 W，GH換熱管213.6 W。對比單位面積吸熱功率發現，LX換熱管因對換熱管內流體和環空內流體均有擾動作用，其吸熱性能最好，達到13.95 W/cm2，GH、LC換熱管次之，ZC換熱管最差。綜上可知，與LC、ZC、GH換熱管相比，LX換熱管的單位面積吸熱功率分別提高了22.5%、48.0%和2.5%，由此表明LX換熱管具有較好的采熱性能，比較適合用于高溫污水的余熱回收。

4" 結" 論

（1）在陶瓷膜通道內加入換熱管可以增大陶瓷膜的膜面速度和跨膜壓差，有利于提高陶瓷膜的過濾效果。

（2）LX換熱管可以同時增強換熱管內常溫水和環空內高溫污水的擾動性能，大幅提高了流體與換熱管之間的換熱效率。

（3）LX換熱管的單位面積吸熱功率與LC、ZC和GH換熱管相比，分別提高了22.5%、48.0%和2.5%。

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第一胡志強，高級工程師，生于1986年，2013年畢業于西南石油大學石油礦場機械專業，獲碩士學位，現從事油氣田污水處理技術與裝備研發工作。地址：（430024）湖北省武漢市。email：huzhiqiangdr@cnpc.com.cn。2024-06-28任" 武