低溫環(huán)境供水管道防凍解決方案

馬軍衛(wèi)

（航空工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西西安 710065）

0 引言

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室模擬自然環(huán)境工況，為驗(yàn)證試驗(yàn)件在自然環(huán)境中的適應(yīng)能力創(chuàng)造氣候條件。氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室可以根據(jù)試驗(yàn)要求模擬自然環(huán)境的氣候條件，達(dá)到試驗(yàn)件驗(yàn)證所需，檢驗(yàn)其在復(fù)雜氣候條件下的可靠性[1]。其中低溫環(huán)境是氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室可模擬的基礎(chǔ)環(huán)境工況，為試驗(yàn)件進(jìn)行冷浸和特殊環(huán)境模擬試驗(yàn)創(chuàng)造氣候環(huán)境基礎(chǔ)條件。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬環(huán)境溫度T≤0 ℃時(shí)，試驗(yàn)件有供水需求時(shí)會(huì)發(fā)生凍害[2]。凍害現(xiàn)象會(huì)從用水設(shè)備與供水管道連接處延伸到實(shí)驗(yàn)室保溫箱內(nèi)閥門與管道連接處，凍害發(fā)生會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)用水設(shè)備的無法正常工作，直接影響到試驗(yàn)的正常進(jìn)展。

1 氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室供水管道凍害產(chǎn)生原因

在實(shí)驗(yàn)室處于低溫（-40 ℃≤T≤0 ℃）工況，試驗(yàn)件有用水需求時(shí)，供水管道選用Φ50 mm的高壓橡膠管。該供水管道一端連接試驗(yàn)用水設(shè)備，一端會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的保溫箱與墻壁供水接口對(duì)接，不同的試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)水質(zhì)有不同要求。適用于試驗(yàn)要求的供水會(huì)先經(jīng)過處理，然后通過高壓橡膠管輸送，供水溫度要求不低于2 ℃，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)單個(gè)供水接口供水量不小于13 m3/h。由于實(shí)驗(yàn)室處于低溫環(huán)境，當(dāng)管內(nèi)水流速過低或者靜止時(shí)供水管會(huì)遭受凍害，凍害主要有以下內(nèi)容：①供水管道內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)，導(dǎo)致供水中斷；②供水管道內(nèi)壁結(jié)冰，造成供水流量減?。虎酃┧艿劳獗谖剿杀?。

2 氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室防凍設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

在保證解決凍害前提下，選擇防凍害措施時(shí)設(shè)計(jì)者重點(diǎn)考慮以下5個(gè)方面內(nèi)容：①自控程度高，方便操作；②使用安全可靠，反應(yīng)靈敏；③溫度均勻，經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保；④便于安裝，維護(hù)工作少；⑤便于監(jiān)測(cè)，有報(bào)警信號(hào)。

2.2 常用防凍害方法介紹

目前我國工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中管道防凍害的措施主要有如下4種：

（1）保溫材料。在供水管道外纏繞一定厚度的保溫材料，形成空氣隔熱層，降低供水管道內(nèi)供水溫度下降速度，達(dá)到維持供水溫度的目的[3]。

（2）防凍液。在供水管道內(nèi)混合降低供水冰點(diǎn)的防凍液，提高水的耐寒性。

（3）熱水伴熱。在供水管管線旁平行安裝熱水管道，共同敷設(shè)保溫材料，通過熱水保溫防凍。

（4）電伴熱。電伴熱保溫是一種應(yīng)用電熱帶產(chǎn)生熱量以彌補(bǔ)管道損失熱量的保溫手段。

2.3 氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室防凍害方案選擇

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的工況并結(jié)合設(shè)計(jì)原則，對(duì)4種防凍害方式進(jìn)行分析比較，具體內(nèi)容如下：

（1）保溫材料。供水管道處于低溫環(huán)境特別是極限低溫環(huán)境時(shí)，單純?cè)黾颖夭牧虾穸炔荒芊乐构艿漓o流速水的凍結(jié)，對(duì)防凍的作用不大，不能徹底解決凍害問題[4]。

（2）防凍液。由于試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)用水有嚴(yán)格要求，添加防凍液的方法破壞了水質(zhì)，不適合氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室防凍害。

（3）熱水伴熱。氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室供水管道要反復(fù)拆裝，供水水溫有要求，而熱水伴熱保溫管道安裝工程量大，熱水溫度控制復(fù)雜，操作困難，故不適合氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室防凍。

（4）電伴熱。電伴熱保溫安裝簡(jiǎn)單，拆卸方便，溫度控制容易。在實(shí)際應(yīng)用中，電伴熱通常不用于提高流體的溫度，主要應(yīng)用于防凍、防凝和管線保溫，試驗(yàn)正常供水時(shí)，供水管道內(nèi)的水流速度較快，電伴熱對(duì)管道內(nèi)水溫的影響可以不計(jì)，因此，電伴熱保溫非常適合氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的使用需求。

2.4 電伴熱方案特點(diǎn)

（1）技術(shù)成熟。電伴熱保溫經(jīng)過多年發(fā)展是比較成熟的水管保溫防凍方案，在生產(chǎn)生活中每年冬季都會(huì)因氣溫降低發(fā)生自來水管道、消防水管、太陽能水管凍害的情況，管道電伴熱有效的解決了這些凍害。

（2）安全可靠。電伴熱保溫采用的是自限熱的電熱產(chǎn)品，在低溫環(huán)境下通電產(chǎn)生熱量可以有效抵消外界低溫環(huán)境的冷負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)防凍害目的。

（3）智能環(huán)保。電伴熱保溫具有智能環(huán)保，通電就能解決問題，相對(duì)于熱水水管伴熱保溫方案控制靈活，溫度可控。

（4）安裝簡(jiǎn)單。電伴熱保溫工藝簡(jiǎn)單，安裝靈活，移動(dòng)便捷，維護(hù)方便。

（5）安全功能。所選用的產(chǎn)品具有加熱恒溫控制、探頭故障顯示、探頭開路保護(hù)功能。自動(dòng)報(bào)警包括超低溫報(bào)警、超高溫報(bào)警、漏電、斷纜、過流及傳感器故障等。

3 電伴熱保溫工作原理

管道保溫防凍的目的就是補(bǔ)充由于供水管道內(nèi)外溫差引起的量損失，要實(shí)現(xiàn)供水管道防凍保溫的需求，要將絕熱結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)或冷量損失限制在使用范圍內(nèi)即可[5]，通過電伴熱供給管路損失的熱量，保持供水管道內(nèi)流體的熱量平衡，就可維持其溫度基本不變。電伴熱保溫是通過電伴熱散發(fā)一定的熱量，通過直接的熱交換補(bǔ)充伴熱管道的熱損失，防止環(huán)境溫度的熱傳導(dǎo)[6]。

電伴熱保溫系統(tǒng)包括電伴熱帶、控制器、溫度傳感器、保溫材料等組成。在管道適當(dāng)位置放置溫度傳感器，控制器控制溫度范圍。當(dāng)管道溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，伴熱系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)伴熱回路開始工作，即對(duì)管道保溫層進(jìn)行加熱，使得保溫層溫度上升，保溫層溫度上升到設(shè)定溫度時(shí)，電伴熱系統(tǒng)自動(dòng)停止加熱。此電伴熱程序周而復(fù)始地進(jìn)行，使管道保溫層溫度始終保持在恒定范圍內(nèi)，從而起到主動(dòng)為管道伴熱保溫的作用，保證管道系統(tǒng)防凍害。

3.1 電伴熱保溫?zé)崃W(xué)分析

如圖1所示，供水管道內(nèi)徑為r0，供水管道壁厚為δ0，電伴熱層厚度δ1，保溫層厚度δ2，供水溫度t0，電伴熱層溫度t1，氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度t2。在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般會(huì)簡(jiǎn)化熱力過程：供水管道內(nèi)為靜流速水；忽略管道壁的熱阻；供水管道內(nèi)水溫均勻；實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度均勻；電伴熱層為恒溫。傳熱過程簡(jiǎn)化為兩個(gè)傳熱過程，管道內(nèi)溫度往電加熱層傳導(dǎo)，電加熱層往氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室傳導(dǎo)。

圖1 絕熱層厚度示意

3.2 電伴熱保溫結(jié)構(gòu)

與常規(guī)保溫一樣，電伴熱保溫的結(jié)構(gòu)包括防潮層、絕熱層、保護(hù)層[7]。發(fā)熱電纜均采取單路鋪設(shè)。絕熱層的材料、厚度和結(jié)構(gòu)的選擇按照熱水保溫要求的絕熱層厚度計(jì)算。結(jié)合保溫材料的保溫性能、經(jīng)濟(jì)成本等各方面考慮，電伴熱保溫材料使用如下：

①電伴熱防潮層選用復(fù)合玻璃布；②絕熱層采用厚度50 mm橡塑保溫材料，導(dǎo)熱系數(shù)0.034 W/（m·K），防火性能等級(jí)為A級(jí)；③保護(hù)層選用塑料膠帶；④發(fā)熱電纜選用雙導(dǎo)線恒功率，功率400 W/m（圖2）。

圖2 電伴熱保溫結(jié)構(gòu)示意

4 溫度控制產(chǎn)品選型

4.1 溫度控制器的主要功能

（1）溫度控制模塊同時(shí)控制2～4根管道。

（2）溫度傳感器的設(shè)置原則為每根供水管道設(shè)1個(gè)溫度傳感器。

（3）電伴熱溫度控制器按照溫度進(jìn)行區(qū)分可以分為低溫、中溫、高溫之別。根據(jù)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室所需要的環(huán)境極限溫度工況，選用的電伴熱溫度控制器是低溫系列。接線原理如圖3所示。

圖3 接線原理

4.2 溫度控制參數(shù)設(shè)定

根據(jù)所選用控制產(chǎn)品的功能，盡量減小電熱帶加熱對(duì)試驗(yàn)供水溫度的影響，當(dāng)探頭溫度小于5 ℃時(shí)啟動(dòng)加熱，當(dāng)探頭溫度大于10 ℃時(shí)停止加熱（圖4）。設(shè)定參數(shù)具體如下：①電伴熱保持溫度5～10 ℃；②高溫報(bào)警溫度為15 ℃；③低溫報(bào)警溫度為2 ℃。

圖4 控制流程

5 結(jié)論

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室在低溫極限溫度-40 ℃時(shí)進(jìn)行了飛機(jī)APU（Auxiliary Power Unit，輔助動(dòng)力裝置）開車試驗(yàn)，電伴熱保溫方案有效防止了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)供水管道的凍害，確保了試驗(yàn)的正常進(jìn)行。電加熱保溫方案的實(shí)施，有效解決了低溫環(huán)境下供水管凍害問題，能夠保證試驗(yàn)用水設(shè)備的正常工作和試驗(yàn)科目的順利進(jìn)行。該方案節(jié)能環(huán)保、智能安全、壽命持久，達(dá)到了預(yù)期的使用效果。