長(zhǎng)距離熱水輸送管道保溫結(jié)構(gòu)熱損失研究

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南 昆明 650000)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)家越來越關(guān)心我們賴以生存的環(huán)境并采取積極有效的措施改善環(huán)境。其中最為重要也是最為緊迫的問題就是能源問題，要解決能源問題，節(jié)能是最關(guān)鍵的也是目前最直接有效的重要措施。云南省保山市龍陵縣健康小鎮(zhèn)溫泉引水項(xiàng)目由于長(zhǎng)輸管道距離長(zhǎng)(水源至城鎮(zhèn)水池長(zhǎng)33km)，管道保溫投資巨大，運(yùn)用合適的保溫結(jié)構(gòu)和保溫材料，可以減少90%以上的熱能損失。目前，對(duì)于新型的保溫材料及其性能研究較多[1-2]或者對(duì)于埋地管道的徑向穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)研究較多[3-8]，而對(duì)于管道的保溫結(jié)構(gòu)的研究和管道的熱分析研究較少。王修彥[9]等通過Fluent模擬了覆土深度及土壤導(dǎo)熱率對(duì)管廊內(nèi)管線熱損失的影響。楊雪飛[10]通過Fluent建立模型對(duì)聚氨酯預(yù)制直埋管道的熱量損失進(jìn)行過研究;孫楓然等[11]對(duì)不同厚度保溫材料下直埋蒸汽管道熱損失進(jìn)行了計(jì)算;董碩[12]對(duì)不同管徑和不同保溫層厚度蒸汽管道的熱損失進(jìn)行了計(jì)算。本文在現(xiàn)有的管道保溫措施的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)模擬的方式，對(duì)架空管道和直埋管道在不同的保溫材料下，對(duì)管道熱損失進(jìn)行研究，為現(xiàn)實(shí)工程建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。

1 研究方法

通過Ansys軟件對(duì)架空管道和直埋管道進(jìn)行有限元分析得出在不同保溫材料下熱損失隨溫度變化的情況。

1.1 保溫結(jié)構(gòu)理論計(jì)算

由于在熱水輸送管道中徑向傳熱面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向傳熱面積，徑向溫度差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向溫度差，所以徑向傳熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向傳熱。管道的軸向傳熱可以忽略不計(jì)。此時(shí)徑向傳熱符合一維穩(wěn)態(tài)多層圓壁筒的傳熱。

一維穩(wěn)態(tài)多層圓壁筒的熱流量Φ

(1)

式中Φ——熱流量/W;

λi——材料的導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1;

i——保溫層數(shù)，取1，2，3…,1≤i≤n;

Ti,Ti+1——第i,i+1保溫層溫度;

ri,ri+1——第i，i+1保溫層半徑/m;

l——保溫層長(zhǎng)度/m。

熱流量密度q

(2)

式中q——熱流量密度/W·m-1。

R=R1+R2+R3+…Ri，則式(1)式(2)變?yōu)?/p>

(3)

式中 ΔTi——第i，i+1保溫層溫差/K;

R,Ri——總熱阻和第i層熱阻。

1.2 保溫結(jié)構(gòu)有限元分析

聯(lián)系實(shí)際工程利用Ansys電腦模擬軟件，建立架空管道和直埋管道的有限元分析模型，并對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用有限元法解出管內(nèi)介質(zhì)隨時(shí)間變化的關(guān)系。

長(zhǎng)距離輸水管道內(nèi)徑d1=200 mm,外徑d2=225 mm,長(zhǎng)l=33 km，保溫層厚度δ=70 mm。管道內(nèi)熱水溫度t1=351 K;管頂覆土1 m,管道中心土壤溫度t2=288 K。

模型一：對(duì)管道在不同保溫材料下架空鋪設(shè)的情況進(jìn)行建模分析，在有保溫材料的情況下，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與管壁導(dǎo)熱系數(shù)差距幾千倍，管壁的熱阻只占總熱阻的0.003 1，所以忽略管壁，如圖二所示。由于在熱水輸送管道中徑向傳熱面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向傳熱面積，徑向溫度差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向溫度差，所以徑向傳熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向傳熱。管道的軸向傳熱可以忽略不計(jì)，此時(shí)，可以將模型簡(jiǎn)化為一維導(dǎo)熱問題，取單位長(zhǎng)度的管道進(jìn)行模擬。所以建立模型長(zhǎng)度l=1 m。

圖1 模型一網(wǎng)格劃分圖

模型二：在模型一的基礎(chǔ)上，把管道埋入h=1 m深的土壤，形成保溫材料-土壤的一個(gè)復(fù)合型保溫結(jié)構(gòu)。

圖2 模型二網(wǎng)格劃分圖

2 分析與計(jì)算結(jié)果

2.1 架空敷設(shè)管道隊(duì)熱損失的影響

模型考慮保溫材料的比熱容(1 150 J/(kg·K))，在初始環(huán)境溫度為288 K，介質(zhì)(水)初始溫度為351 K，相同的保溫層厚度(δ=70 mm)情況下，對(duì)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.015 W/(m·K)(二氧化硅氣凝膠)、0.033 W/(m·K)(聚氨酯泡沫)、0.051 W/(m·K)(玻璃棉)、0.069 W/(m·K)(水泥珍珠巖)情況下對(duì)架空敷設(shè)管道進(jìn)行模擬計(jì)算，監(jiān)測(cè)管壁平均溫度近似看做管內(nèi)介質(zhì)平均溫度，得出39 000 s內(nèi)不同導(dǎo)熱系數(shù)下管道內(nèi)介質(zhì)溫度隨時(shí)間變化的情況。

圖3為管道運(yùn)行初期不同保溫材料下，架空敷設(shè)管壁平均溫度隨時(shí)間變化情況?？梢钥闯?，可以看出剛開始的時(shí)候，管道外表面平均溫度降幅較大，后期降溫逐漸平緩。由于考慮保溫材料比熱容，管材和保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)相差巨大，且比熱容相差大。所以會(huì)形成溫度隨時(shí)間變化出現(xiàn)非均勻的情況。即圖中的拐點(diǎn)，當(dāng)λ=0.015時(shí)拐點(diǎn)處的管道溫度場(chǎng)分布情況如圖4所示。由圖可知，在拐點(diǎn)處，管道外壁平均溫度與保溫層內(nèi)壁溫度相近。

圖3 架空管道運(yùn)行前期管壁平均溫度隨時(shí)間變化曲線

圖4 架空管道運(yùn)行前期拐點(diǎn)溫度場(chǎng)

管道運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)在管壁周圍形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，如圖5所示時(shí)(保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.015)，此時(shí)不同保溫材料下管壁平均溫度隨時(shí)間變化情況如圖6所示。由圖可知，當(dāng)管道運(yùn)行一段時(shí)間后徑向溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，管道內(nèi)介質(zhì)溫度在管道徑向初始溫度場(chǎng)穩(wěn)定后管壁降溫曲線為一條光滑的曲線，沒有圖3中的拐點(diǎn)，管壁降溫速度隨著時(shí)間的增加越來越緩。驗(yàn)證了圖3中管壁降溫拐點(diǎn)是由于考慮保溫材料比熱容，管材和保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)相差巨大，且比熱容相差大而形成的。對(duì)比圖3、圖6可知此時(shí)管道的保溫效果相比于管道初期運(yùn)行時(shí)有顯著提升。

圖5 架空管道運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)溫度場(chǎng)

圖6 架空管道運(yùn)行穩(wěn)定后管壁溫度隨時(shí)間變化曲線

2.2 直埋敷設(shè)管道對(duì)熱損失的影響

模型考慮土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，由于土壤導(dǎo)熱系數(shù)受土壤自身的影響較大，尤其是土壤質(zhì)地、含水量、孔隙率的影響，本次模擬取體積含水率為0.2 m3/m3的砂土導(dǎo)熱系數(shù)(λ=1.5 W/(m·K);c=840 J/(kg·K))，考慮保溫材料的比熱容(1 150 J/(kg·K)),在環(huán)境溫度為15℃，介質(zhì)(水)初始溫度為78℃，相同的保溫層厚度(δ=70 mm)情況下，分別對(duì)保溫材料為0.015 W/(m·K) (二氧化硅氣凝膠)、0.033 W/(m·K) (聚氨酯泡沫)、0.051 W/(m·K) 0.051 W/(m·K)(玻璃棉)、0.069 W/(m·K)(水泥珍珠巖)的管道架直埋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，監(jiān)測(cè)管壁的平均溫度，得出39 000 s內(nèi)相同導(dǎo)熱系數(shù)下管道直埋結(jié)構(gòu)內(nèi)介質(zhì)溫度隨時(shí)間變化的情況。

圖7為不同導(dǎo)熱系數(shù)的保溫材料下，直埋敷設(shè)管壁平均溫度隨時(shí)間變化情況?？梢钥闯鰟傞_始的時(shí)候，管道外表面平均溫度降幅較大，后期降溫逐漸平緩。管道熱量損失隨著導(dǎo)熱系數(shù)的減小而減小。溫度變化情況和架空敷設(shè)管道基本一致。拐點(diǎn)處的管道溫度場(chǎng)如圖8所示。

圖7 埋地管道運(yùn)行前期管壁平均溫度隨時(shí)間變化曲線

圖8 架空管道運(yùn)行前期拐點(diǎn)溫度場(chǎng)

當(dāng)埋地敷設(shè)管道運(yùn)行一段時(shí)間，會(huì)在管道附近形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)如圖9所示。此時(shí)管壁平均溫度隨時(shí)間變化如圖10所示。管壁降溫曲線為一條光滑的曲線，沒有圖4、圖8中的拐點(diǎn)，管壁降溫速度隨著時(shí)間的增加越來越緩。曲線走勢(shì)與架空管道穩(wěn)定后溫降曲線一致。

圖9 架空管道運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)溫度場(chǎng)

圖10 埋地管道運(yùn)行穩(wěn)定后管壁溫度隨時(shí)間變化曲線

圖11為架空敷設(shè)和直埋敷設(shè)情況下管道運(yùn)行初期，管道總熱量損失隨保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)變化的曲線。通過圖我們可以看出，直埋管道與架空敷設(shè)管道熱總熱損失量溫度變化情況基本一致。架空敷設(shè)管道和直埋管道熱總熱損失量隨著保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大，但增大的幅度逐漸下降。保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.069時(shí)，架空敷設(shè)管道與直埋敷設(shè)管道的總熱損失分別為8.56 kJ、8.5 kJ，差距小于0.06 kJ。所以當(dāng)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)小于0.069 W/(m·K)，管道剛開始運(yùn)行時(shí)。管道架空敷設(shè)和直埋敷總熱量損失量相同。

圖11 管道運(yùn)行前期架空管道與直埋管道熱損失隨導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線

圖12為管道運(yùn)行穩(wěn)定后，架空管道與直埋管道總熱損失量隨保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線， 通過圖我們可以看出，在管道運(yùn)行穩(wěn)定后埋地管道的總熱損失稍微小于架空管道總熱損失，且保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，埋地管道的保溫效果較架空管道更為明顯。

圖12 管道運(yùn)行穩(wěn)定后架空管道與直埋管道熱損失隨導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線

3 結(jié)論

本文通過Ansys建立模型，模擬了不同保溫材料在架空敷設(shè)管道、埋地敷設(shè)管道運(yùn)行初期及管道運(yùn)行穩(wěn)定后的保溫情況。為實(shí)際工程保溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

(1)無論是架空管道還是直埋管道，管道總熱損失量隨著保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大，但增大的幅度逐漸下降。保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫效果的收益越好?，F(xiàn)實(shí)工程中應(yīng)聯(lián)系經(jīng)濟(jì)問題，選擇合適的保溫材料。保溫材料的比熱容對(duì)管道的總熱損失幾乎沒有影響。

(2)在管道運(yùn)行的初期，管道架空結(jié)構(gòu)和直埋結(jié)構(gòu)對(duì)管道的總熱損失影響很小。此時(shí)管道的總熱損失主要取決于保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小。

(3)當(dāng)直埋管道運(yùn)行一段時(shí)間，管道徑向溫度場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)，此時(shí)直埋管道的熱損失稍微低于架空管道的熱損失。且隨著保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，埋地管道的保溫效果越明顯。所以在管道架空敷設(shè)時(shí)，選用導(dǎo)熱系數(shù)小的保溫材料收益更高。

(4)此外，由于土壤導(dǎo)熱系數(shù)受土壤質(zhì)地、含水量、孔隙率的影響，實(shí)際工程問題中，長(zhǎng)距離輸水管道可能會(huì)遇到復(fù)雜的地質(zhì)條件，對(duì)于管道的保溫效果的影響亦有待研究。