新型中空無規(guī)共聚聚丙烯管保溫性能分析*

何發(fā)權(quán)，劉顯茜，侯宏英，張雪飛

（1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500； 2.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650093）

?

新型中空無規(guī)共聚聚丙烯管保溫性能分析*

何發(fā)權(quán)1，劉顯茜1，侯宏英2，張雪飛1

（1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500； 2.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650093）

摘要：為分析新型中空無規(guī)共聚聚丙烯管保溫性能，運(yùn)用有限元法對新型中空無規(guī)共聚聚丙烯管在不同空氣層厚度和常規(guī)管道包覆不同厚度保溫材料的熱損進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，新型中空無規(guī)共聚聚丙烯管保溫效果比常規(guī)包覆式管道明顯提高。常年運(yùn)行工況下，年平均溫度為15℃（昆明地區(qū)），管內(nèi)工質(zhì)溫度95℃，管道熱損不高于93 W／m2時(shí)，新型中空無規(guī)共聚聚丙烯管保溫層（空氣層+護(hù)管）厚度比常規(guī)管道包覆玻璃棉厚度減少27.5%，巖棉厚度減少32.9%。在季節(jié)運(yùn)行工況下，平均溫度為8℃（昆明地區(qū)冬季），管內(nèi)流體溫度95℃，管道熱損不高于163 W／m2時(shí)，新型中空無規(guī)共聚聚丙烯管保溫層厚度比常規(guī)管道包覆玻璃棉厚度減少20%，比巖棉層厚度減少25.8%。

關(guān)鍵詞：新型中空管；熱損；空氣層厚度；無規(guī)共聚聚丙烯

聯(lián)系人：劉顯茜，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事多孔材料傳熱傳質(zhì)耦合機(jī)理及數(shù)值模擬計(jì)算研究

管道保溫廣泛應(yīng)用于冶金、化工等企業(yè)，對熱力管道進(jìn)行良好保溫，減少其散熱損失，是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。傳統(tǒng)包覆式管道保溫在外保護(hù)層搭接處易出現(xiàn)高低不平，致使雨水和冷風(fēng)進(jìn)入保溫層中，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)成倍增加，或在保溫層冷空氣與熱空氣形成強(qiáng)制對流熱交換，導(dǎo)致保溫失效［1］。采用焊接技術(shù)，以焊接金屬帶覆蓋層取代人工包扎保溫層生產(chǎn)保溫管，不但可以延長管道壽命，提高施工效率，而且可以減少常年維護(hù)費(fèi)用。章勁文等［2］指出新型中空圍護(hù)結(jié)構(gòu)供熱管道的保溫性能主要由氣體導(dǎo)熱系數(shù)來決定，固相和輻射導(dǎo)熱因子的作用很小。常壓密閉條件下，空氣的導(dǎo)熱率［3］為0.023～0.032 W／（m ·K）（溫度0～100℃），如果將密閉空氣應(yīng)用于管道絕熱工程能顯著減少熱量損失，提高能源利用率。鄧月超等［4］通過合理設(shè)計(jì)中空保溫層，采用空氣層與實(shí)心保溫層相結(jié)合，達(dá)到與實(shí)心保溫相當(dāng)?shù)谋馗魺嵝Ч?。鄭大宇等?］采用白玻璃、離線單銀Low-E玻璃和離線雙銀Low-E玻璃充入氬氣，制成中空玻璃，對充入不同體積分?jǐn)?shù)和不同氣層寬度的中空玻璃板進(jìn)行傳熱試驗(yàn)，得出不同條件下的傳熱系數(shù)，證明了充入氬氣Low-E玻璃有明顯節(jié)能效果。但是，對于新型中空無規(guī)共聚聚丙烯（PP–R）管保溫性能研究分析工作還較少。筆者利用有限元法對中空保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱分析，通過與常規(guī)保溫材料進(jìn)行對比，提出密閉空氣應(yīng)用于熱力管線保溫結(jié)構(gòu)中的可行性，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)踐工程設(shè)計(jì)提供理論參考。

1　保溫建模

1.1熱傳遞模型

新型中空PP–R管是由工作管、密閉空氣層、護(hù)管組成，工作管取公稱外徑為50 mm、壁厚為4.6 mm的熱水管。工作管和護(hù)管為PP–R，工作管與護(hù)管通過分布均勻的三組支撐筋板連接，密閉空氣層采用常壓空氣。由于支撐筋板體積相對于密閉空氣層很小，為了問題處理方便和簡化計(jì)算，忽略支撐筋板的熱傳導(dǎo)影響，新型中空保溫管結(jié)構(gòu)圖可簡化如圖1所示。常規(guī)包覆式熱力管道保溫結(jié)構(gòu)是由工作管、保溫材料層、防護(hù)層組成，仿真采用的工作管為PP–R管，保溫材料層為玻璃棉或巖棉，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1　新型中空保溫管簡化結(jié)構(gòu)圖

圖2　常規(guī)保溫材料保溫結(jié)構(gòu)圖

新型中空PP–R管道中的工質(zhì)為熱水（95℃），工作管內(nèi)工質(zhì)熱量依次通過工作PP–R管、密閉空氣層、PP–R外防護(hù)管，與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，并最終散失在大氣中。由于中空保溫結(jié)構(gòu)中的空氣為密閉結(jié)構(gòu)且厚度較小，根據(jù)王厚華等［6］、吳國忠等［7］的研究結(jié)果，可將密閉空氣層內(nèi)的傳熱視為純導(dǎo)熱。

1.2熱損計(jì)算

為了計(jì)算新型中空PP–R保溫管管道熱損，采用CFD軟件熱分析模塊FLEUNT對新型中空PP–R保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了傳熱分析模擬計(jì)算，熱損計(jì)算時(shí)，邊界條件的設(shè)置主要考慮：（1）保溫管入口工質(zhì)流速為1 m／s，出口壓力為0 Pa；（2）保溫管置于自然對流環(huán)境中，保溫管與周圍空氣進(jìn)行對流換熱，自然對流換熱系數(shù)取值為6 W／（m2·K），環(huán)境溫度取昆明地區(qū)的平均溫度（季節(jié)運(yùn)行取平均溫度8℃，常年運(yùn)行取年平均溫度15℃）。

2　結(jié)果分析

為分析新型中空PP–R管保溫性能，對新型中空保溫管和常規(guī)包覆式管道在常年運(yùn)行和季節(jié)運(yùn)行工況下的熱損進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算中涉及到的自然對流傳熱系數(shù)和熱傳導(dǎo)率如表1所示。

表1　熱傳導(dǎo)率和自然對流傳熱系數(shù)

2.1保溫層厚度對表面溫度的影響

圖3為新型中空PP–R管護(hù)管表面溫度隨保溫層厚度（中間空氣層厚度與護(hù)管厚度之和）變化曲線及常規(guī)管道包覆玻璃棉或巖棉表面溫度隨保溫層厚度（玻璃棉或巖棉包覆厚度）變化曲線。

圖3　保溫管外表面溫度隨保溫層厚度變化關(guān)系曲線

從圖3可以看出，無論是在常年運(yùn)行工況還是在季節(jié)運(yùn)行工況下，新型中空PP–R管護(hù)管表面溫度和常規(guī)包覆玻璃棉或巖棉表面溫度都隨著中間空氣層、玻璃棉或巖棉包覆厚度的增加而降低。當(dāng)中間空氣層厚度較低時(shí)，由于護(hù)管厚度固定且PP–R護(hù)管導(dǎo)熱系數(shù)大，故使新型中空PP–R管護(hù)管表面溫度高于常規(guī)包覆玻璃棉表面溫度，但隨著新型中空PP–R管中間空氣層厚度的進(jìn)一步增大，護(hù)管表面溫度急劇降低，新型中空PP–R管表現(xiàn)出良好的保溫性能。

2.2保溫層厚度對管道熱損影響

圖4為管道熱損與保溫層厚度變化關(guān)系曲線。從圖4可以看出，在中間空氣層厚度與外層護(hù)管厚度之和小于6 mm時(shí)，由于新型中空PP–R管中間空氣層與外層護(hù)管組成的等效保溫層等效熱阻小于巖棉，導(dǎo)致新型中空保溫管熱損高于管道包覆巖棉保溫?zé)釗p。但當(dāng)中間空氣層厚度與外層護(hù)管厚度之和大于6 mm時(shí)，隨著保溫層厚度增大，新型PP–R管道熱損下降明顯，無論是常年運(yùn)行工況還是季節(jié)運(yùn)行工況，新型中空PP–R管熱損均遠(yuǎn)低于常規(guī)管道包覆玻璃棉或巖棉，表現(xiàn)出良好的絕熱保溫性能。

圖4　管道熱損隨保溫層厚度變化關(guān)系曲線

2.3極大允許熱損對應(yīng)保溫層厚度變化

根據(jù)《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，對常規(guī)管道包覆玻璃棉和巖棉保溫以及新型中空PP–R管保溫3種不同保溫方式下的管徑50 mm工作管在工質(zhì)溫度分別為75，80，85，90，95℃時(shí)達(dá)到其極大允許熱損對應(yīng)的保溫層厚度進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5常年運(yùn)行工況下極大允許熱損為93 W／m2的3種不同保溫方式，包覆玻璃棉和巖棉厚度及新型中空PP–R管保溫層（中間空氣層和護(hù)管）厚度可以看出，5種不同溫度下，新型中空PP–R管的保溫層厚度均遠(yuǎn)小于常規(guī)管道包覆巖棉及玻璃棉厚度。特別是工質(zhì)溫度為95℃時(shí)，新型中空PP–R管中間空氣層與護(hù)管厚度之和僅14.77 mm，遠(yuǎn)小于包覆玻璃棉厚度20.37 mm和巖棉厚度22 mm。新型中空PP–R管中間空氣層和護(hù)管厚度比常規(guī)管道包覆玻璃棉厚度降低27.5%，比常規(guī)管道包覆巖棉厚度降低32.9%。

圖5 保溫結(jié)構(gòu)熱損為93 W／m2時(shí)保溫層厚度

圖6為季節(jié)運(yùn)行工況下，極大允許熱損163 W ／m2時(shí)，3種不同保溫方式在不同工質(zhì)溫度下的包覆玻璃棉和巖棉厚度及新型中空PP–R管中間空氣層和護(hù)管厚度變化情況。

圖6　保溫結(jié)構(gòu)熱損為163 W／m2時(shí)保溫層厚度

與常年運(yùn)行工況類似，新型中空PP–R管保溫層厚度同樣小于常規(guī)包覆玻璃棉和巖棉厚度。在工質(zhì)溫度為95℃時(shí)，新型中空PP–R管中間空氣層與護(hù)管厚度之和、常規(guī)管道包覆玻璃棉及巖棉厚度分別為9.2，11.5，12.4 mm，新型中空PP–R管保溫層厚度比常規(guī)管道包覆玻璃棉厚度減少20%，比常規(guī)管道包覆巖棉厚度減少25.8%。

3　結(jié)論

（1）新型中空PP–R管表面溫度和熱損（熱流通量）均低于常規(guī)管道包覆玻璃棉和巖棉的表面溫度和熱損，新型中空結(jié)構(gòu)相較于常規(guī)管道包覆玻璃棉、巖棉，具有良好的保溫絕熱性能，能夠用于管道工質(zhì)保溫。

（2）無論是在常年運(yùn)行工況還是季節(jié)運(yùn)行工況下，管道極大允許熱損時(shí)，新型中空無規(guī)共聚聚丙烯管中空保溫結(jié)構(gòu)厚度都遠(yuǎn)小于同工況下的常規(guī)管道包覆玻璃棉、巖棉的厚度，理論上表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 徐龍.新型熱力管道保溫結(jié)構(gòu)效果研究［J］.上海節(jié)能，2015，34（10）:552–554.

Xu Long. Study on the effect of new type heat pipe insulation structure［J］. Shanghai Energy Conservation，2015，34（10）:552–554.

［2］ 章勁文，萬超舉.新型中空圍護(hù)結(jié)構(gòu)供熱管道的保溫性能［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2000，19（1）:41–42.

Zhang Jinwen，Wan Chaoju. Characteristic of a new type of hollow thermal insulation used for heat-supply piping［J］. Building Energy & Environment，2000，19（1）:41–42.

［3］ 鄒華生，鐘理，伍欽.流體力學(xué)與傳熱［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2004.

Zou Huasheng，Zhong Li，Wu Qin. Fluid mechanics and heat transfer［M］. Guangzhou:South China University of Technology Press，2004.

［4］ 鄧月超，趙耀華，全貞花，等.微熱管陣列平板太陽能集熱器中空保溫層優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（5）:268–274.

Deng Yuechao，Zhao Yaohua，Quan Zhenhua，et al. Optimization of hollow insulation layer for flat plate solar collector based on micro heat pipe array［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2015，31（5）:268–274.

［5］ 鄭大宇，陳鑫.中空玻璃的保溫方法和實(shí)驗(yàn)研究［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011 （6）:739–742.

Zheng Dayu，Chen Xin. Study on energy-saving method of insulating glass［J］. Journal of Harbin University of Commerce:Natural Sciences Edition，2011（6）:739–742.

［6］ 王厚華，黃春勇.中空玻璃空氣夾層內(nèi)的自然對流換熱［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，32（7）:809–814.

Wang Houhua，Huang Chunyong. Natural convection heat transfer in the air-layer of insulating glass［J］. Journal of Chongqing University:Natural Science Edition，2009，32（7）:809–814.

［7］ 吳國忠，曲娜，顧曉東，等.中空玻璃多場耦合傳熱過程數(shù)值模擬［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，33（2）:84–87.

Wu Guozhong，Qu Na，Gu Xiaodong，et al. Numerical simulation of heat transfer to insulating glass in multiple coupled fields［J］. Journal of Daqing Petroleum Institute，2009，33（2）:84–87.

Analysis of the Insulation Performance of New Hollow Polypropylene Random Pipe

He Faquan1， Liu Xianxi1， Hou Hongying2， Zhang Xuefei1
（1. Faculty of Electrical and Mechanical Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China；2. Faculty of Material Science and Technology， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China）

Abstract：In order to analyze the performance of new hollow polypropylene random insulation pipe，finite element method （FEM） is applied to calculate heat loss for new hollow insulation pipe and conventional pipe coated with insulation materials. The results show that the insulation performance of the new hollow insulation pipe is significantly improved compared with the conventional pipe coated with insulation materials. The insulation layer （air layer+protective tube） thickness of the new hollow insulation pipe is 27.5% less than the thickness of the conventional pipe coated with glass wool，and 32.9% less than its thickness of the conventional pipe coated with rock wool under perennial operating conditions with the annual average temperature 15℃（Kunming） and working fluid temperature 95℃in the working pipe for the maximum heat loss 93 W／m2. The insulation layer thickness of the new hollow polypropylene random insulation pipe is 20% less than the thickness of the conventional pipe coated with glass wool，and 25.8% less than its thickness of the conventional pipe coated with rock wool under seasonal operating conditions with an average temperature 8℃（Kunming winter） and working fluid temperature 95℃for the maximum heat loss 163 W ／m2.

Keywords：new hollow pipe； heat loss； thickness of air layer； polypropylene random

中圖分類號：TQ320.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-3539（2016）05-0031-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.008

收稿日期：2016-02-24

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51566006）