在寒冷的环境中长距离运输石油产品和天然气需要使用管道。正因为如此，石油混合物经管道运输后可能需要预热，才能开始炼油过程。然而，当石油被泵送通过管道时，流体本身会在流动中产生热量。为了降低成本，保持管道内的热量，可以通过模型和模拟来优化管道保温效果。
管道隔热的重要性
管道是在陆地和海上运输石油、天然气和水等流体的一种经济的方法，尽管它们的建造成本很高。这些管道系统通常由被埋在地下或在海底运行的钢或塑料管组成，泵站分布在整个系统中，以保持流体的流动。
当石油混合物被泵送通过管道时，由于内部摩擦力的作用，会产生热量。这种热量源自泵提供的能量。如果管道在寒冷的环境中运行，热量会迅速消散。如果管道没有被隔热，混合物的温度会达到与环境相同的温度。在较低的温度下，石油会变得更加黏稠，这会增加泵的能源消耗。除此之外，冷的石油混合物需要预热才能在炼油厂使用。预热过程会消耗能源，需要投资来建造和维护。
管道被用于将流体运输到世界各地。
很显然，我们可以通过将泵提供的能量保持在管道内，对管道进行保温，来避免石油温度的降低。诀窍是将管道保温层做得足够好，但又不能太厚，这样就能减少隔热的成本，从而获得投资回报。如果石油混合物的温度能被保持在足够高的水平，预热过程的成本就可以消除，泵的能源消耗也可以大大减少。降低这些成本必然会促进对保温层的投资。
使用 COMSOL Multiphysics® 软件可以对管道中的流体流动和传热过程进行准确建模和模拟。使用这些模型，可以设计一个尽可能便宜的保温层，但仍能有效地将油产品维持在所需温度。
使用 COMSOL Multiphysics® 设计和优化管道的保温层
管段绝热教程模型包含一个 150 km 的管道段，入口温度为 25°C。进入管道的石油以 2500 m3/h 的速度流动。为了建立和求解描述流体在管道内运输的能量和流动方程，我们使用了非等温管道流 接口。
这个特殊的案例涉及分析管壁和保温层，如下图所示。图中，深灰色和浅灰色层代表两层管壁，而浅蓝色代表管壁内外的膜阻。请注意，在这个例子中，管壁的厚度为 2 cm。
管道横截面示意图，其中 hint和hext 是管内和管外的膜阻传热系数，kins 和 kwall 分别是保温层和管壁的热导率。
第一项研究，我们计算了两种不同情况下沿管道线的温度：一种是假设完全保温，另一种是管道没有保温。下图显示，流体中摩擦力产生的热量使其温度在 150 km 内增加了约 3°C。当管道没有添加保温层时，出口温度与周围环境的温度相似。
当管道上有完全保温层（绿色）和没有保温层（蓝色）时，流体温度的比较图。
在了解了流体流动和传热过程后，我们可以进行优化计算，以确定在整个管道内保持油温恒定所需的最小保温层厚度。这个特定的优化研究结果表明，最小保温层厚度约为 8.9 cm。我们还可以对管道末端可接受的最低油温水平进行类似的优化研究，这有可能会进一步降低保温层厚度（和成本）。
使用仿真设计改善管道的保温性能
根据计算出的保温层的最小厚度，我们可以估算出投资成本，并决定这些成本是否是出于减少的泵送和预热成本。我们可以潜在地减少泵送过程中的能源消耗，并消除预热的能源消耗，使该过程更加高效和环保。
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