熱網(wǎng)直埋管道保溫厚度的優(yōu)化探究

劉汸

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國三北地區(qū)的城市化進(jìn)程越來越快，城市集中供熱系統(tǒng)正在逐步的建立起來，熱網(wǎng)系統(tǒng)越來越龐大，要求也越來越高。要想有效的節(jié)約能源、降低損耗并保證熱網(wǎng)的工作質(zhì)量，就必須著重考慮熱網(wǎng)所用管道的保溫問題。目前，我國三北地區(qū)的各大熱網(wǎng)中，直埋管道的保溫厚度的確定還仍舊是按照經(jīng)驗(yàn)結(jié)合傳統(tǒng)的計(jì)算或估算來完成的，存在著很多的不足。本研究著重討論熱網(wǎng)直埋管道的保溫厚度優(yōu)化問題，提出了厚度確定的新思路。

關(guān)鍵詞：熱網(wǎng)直埋管道；保溫層厚度；優(yōu)化

能源是一個(gè)時(shí)代創(chuàng)造財(cái)富的關(guān)鍵，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，其利用總量的持續(xù)增長推動了生產(chǎn)力的提高和社會的進(jìn)步，同時(shí)，能源總量的急劇減少也制約了經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和環(huán)境資源的生態(tài)平衡。節(jié)約能源對于整個(gè)社會意義重大。熱網(wǎng)管道在傳送介質(zhì)的過程中，會有很大的能量損失，造成能源的浪費(fèi)，優(yōu)化保溫層的厚度是減少這一能量損失、提高熱網(wǎng)工作質(zhì)量的關(guān)鍵。

1.現(xiàn)有的管道保溫層厚度的計(jì)算

目前，我國現(xiàn)有的管道保溫層厚度的計(jì)算主要有三種，即：外表面溫度限定法、允許熱損失計(jì)算法和經(jīng)濟(jì)厚度法。外表面溫度限定法是根據(jù)管道限定的外表面溫度，求出保溫層厚度的計(jì)算方法；允許熱損失計(jì)算法是先限定熱網(wǎng)管道散熱損失，再計(jì)算出相應(yīng)的管道保溫層的表面溫度，進(jìn)而求出管道保溫層厚度的計(jì)算方法；而經(jīng)濟(jì)厚度法是在綜合考慮了熱網(wǎng)保溫結(jié)構(gòu)的基建投資和管道散熱損失的年運(yùn)行的費(fèi)用等多方面的因素而得出的年費(fèi)用最小的計(jì)算方法。

2.我國目前的管道保溫厚度理論體系

我國目前主要是使用經(jīng)濟(jì)厚度法來進(jìn)行直埋管道保溫層的計(jì)算，因?yàn)槲覀冏铌P(guān)心的問題是如何使投資最小而收益最大，即同時(shí)考慮散熱損失與初投資這兩個(gè)因素。直埋敷設(shè)供熱管道經(jīng)濟(jì)保溫厚度的優(yōu)化方法，通過對溫度場求解方式的不同，主要分為解析法和數(shù)值模擬法兩種方法。其中解析法包括虛擬熱源法和保形映射法；數(shù)值模擬法包括有限差分法、有限元法和邊界元法。除虛擬熱源法外，其他各方法均以二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為控制方程建立求解模型。微分方程精確解的求解方法較復(fù)雜，故在計(jì)算時(shí)進(jìn)行了不同程度的離散處理，步驟繁復(fù)，計(jì)算量非常大，對使用者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求很高，難以在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行廣泛推廣。綜合國內(nèi)外現(xiàn)狀分析，我國與發(fā)達(dá)國家相比，還是有一定的差距。尤其是隨著人民經(jīng)濟(jì)生活水平的提高，對生活環(huán)境的舒適度要求大幅度提升，帶動供熱事業(yè)飛速發(fā)展。城市供熱管網(wǎng)規(guī)模越來越大，大管徑保溫管的需求越來越顯著。

3.熱網(wǎng)直埋管道保溫厚度的優(yōu)化計(jì)算

3.1相關(guān)假設(shè)

直埋管道保溫?zé)崃τ?jì)算涉及的影響因素眾多，建模與求解過程復(fù)雜。首先，管道與土壤直接接觸，土壤中的不確定因素將降低計(jì)算準(zhǔn)確性。多管道并行敷設(shè)時(shí)，管道間的相互傳熱也會增加模型的幾何復(fù)雜性。這些因素都導(dǎo)致了直埋保溫管道散熱損失的精確解不易得出，因此需要通過一些合理有效的假設(shè)來簡化問題，建立模型。本文所論述的保溫?zé)崃τ?jì)算方法基于以下假設(shè)：土壤為各向同性介質(zhì)，管道向土壤均勻傳熱；忽略保溫管道內(nèi)介質(zhì)軸向溫降，簡化為二維導(dǎo)熱問題；保溫材料為常物性，不隨溫度的變化而變化；忽略金屬管壁的熱阻，近似認(rèn)為管壁溫度為管內(nèi)介質(zhì)溫度，將內(nèi)熱源轉(zhuǎn)化為第一類邊界條件。

3.2保溫管道熱阻計(jì)算

單根直埋敷設(shè)管道的總熱阻即為土壤導(dǎo)熱熱阻、保溫結(jié)構(gòu)熱阻與鋼管熱阻之和。直埋管道的土壤導(dǎo)熱熱阻采用虛擬熱源法法得到。虛擬熱源法是假定管道中部某點(diǎn)有一線熱源，其發(fā)熱量與管道表面的發(fā)熱量相等。同時(shí)假定在與該點(diǎn)以比表面為對稱軸的對稱點(diǎn)上有一個(gè)線熱匯，即負(fù)的線熱源，將兩個(gè)線熱源各自引起的溫度場疊加得到總的溫度場，來模擬直埋敷設(shè)管道溫度場，從而得出土壤的導(dǎo)熱熱阻。因鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)約為58.2，與聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料0.033的導(dǎo)熱系數(shù)相比要大很多，且鋼管管壁很薄，故鋼管的熱阻很小，與保溫結(jié)構(gòu)熱阻相比可作為安全余量忽略不計(jì)。當(dāng)供暖系統(tǒng)室外供熱管網(wǎng)的直埋敷設(shè)是供回水管并行時(shí)，在計(jì)算過程中不能只考慮單獨(dú)管道的傳熱，需要同時(shí)考慮兩管相互間傳熱的影響，其相互間傳熱影響可以假定一個(gè)附加熱阻。

3.3經(jīng)濟(jì)計(jì)算

在集中供熱系統(tǒng)中，供熱管網(wǎng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用是供熱管網(wǎng)投資的主要組成部分。對直埋敷設(shè)供熱管道來說，初投資主要由保溫管材生產(chǎn)費(fèi)用、施工費(fèi)用以及運(yùn)輸費(fèi)用等組成。保溫結(jié)構(gòu)的總費(fèi)用應(yīng)為保溫材料的重量與單位重量保溫材料價(jià)格之積。本研究保溫材料采用聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料。雙管并行敷設(shè)時(shí)，需同時(shí)計(jì)算供、回水兩條管道的保溫材料的重量。保護(hù)材料的總費(fèi)用為保護(hù)材料的重量與單位重量保護(hù)材料價(jià)格之積。一般保護(hù)材料采用的是高密度聚乙烯。集中供熱系統(tǒng)的供熱管網(wǎng)在運(yùn)行期間所使用的熱量是向熱電廠或者區(qū)域鍋爐房購買所得。由于直埋供熱管道溫度高于周圍土壤溫度，必然會產(chǎn)生熱損失。所以供熱管網(wǎng)在運(yùn)行期間的費(fèi)用主要是由于管道熱損失引起的買熱費(fèi)用。保溫管道運(yùn)行費(fèi)用主要為散熱損失費(fèi)用，隨保溫厚度的增加，散熱損失應(yīng)逐漸減小，而包括保溫材料費(fèi)用和保護(hù)材料費(fèi)用的保溫管道初投資將隨保溫厚度的增加而增大。保溫管道的總費(fèi)用為二者相加之和，保溫管道的總投資在某一保溫厚度處達(dá)到最小值，這時(shí)的保溫厚度即為經(jīng)濟(jì)保溫厚度。從導(dǎo)數(shù)的物理意義上講，如果在給定區(qū)間內(nèi)函數(shù)的極小值只有一個(gè)，那么這個(gè)極小值即為給定區(qū)間的最小值。因此，求保溫管道總費(fèi)用的最小值只需要建立保溫層厚度與保溫管道總費(fèi)用的函數(shù)關(guān)系式，利用導(dǎo)數(shù)等于零的關(guān)系即可求出這個(gè)保溫厚度的最佳值。

4.結(jié)語

節(jié)約能源是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵問題之一，熱網(wǎng)進(jìn)行有效的保溫強(qiáng)化才能實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。我國的供熱直埋管道系統(tǒng)與發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距。管道的保溫層厚度應(yīng)以科學(xué)的計(jì)算方法來確定，本研究中提出的方法為直埋管道保溫層厚度的最佳值得確定方法提供了新的思路和方法，可以在實(shí)際的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中加以運(yùn)用。

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