真空復(fù)合保溫管道的傳熱特性及地下管道的熱力分析.pdf

1、集中供熱對(duì)于節(jié)約一次能源、提高居民生活質(zhì)量、改善城市環(huán)境污染具有重要意義。熱力管道是集中供熱系統(tǒng)輸送熱水、蒸汽等熱媒的重要組成部分。減少熱力管道熱損失是提高熱網(wǎng)輸送效率，從而提高供熱系統(tǒng)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于熱力管道的熱媒壓力的增高和熱媒溫度的提升，熱力管道中應(yīng)用真空保溫技術(shù)是提高管道保溫性能、保證所輸運(yùn)熱媒的熱力參數(shù)、增強(qiáng)管道防腐性能同時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)泄漏的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)采用中、低真空的鋼外護(hù)管真空復(fù)合保溫直埋熱力管道的傳熱機(jī)理和熱

2、工性能公開發(fā)表的研究成果較少。有關(guān)合理真空保溫結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算方法、工程上真空層最優(yōu)真空度等運(yùn)行參數(shù)，以及分析真空保溫管道熱橋傳熱和熱影響區(qū)域?qū)ΡＷo(hù)材料層的作用和熱橋合理防治辦法等方面缺乏細(xì)致深入的研究。另外，國內(nèi)外的直埋管道、管溝的熱力分析長期以來應(yīng)用前蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式，該方法對(duì)管道數(shù)量多于兩根、采用復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)、各管道中心未處于同一水平線上等情況的熱力分析計(jì)算都存在困難，以及無法滿足后續(xù)演算需要的局限。
　　本文首先基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)真空

3、保溫管道的傳熱特性進(jìn)行分析，研究真空層的絕對(duì)壓力、真空層厚度、保溫材料層厚度、熱媒溫度等因素對(duì)鋼外護(hù)管真空復(fù)合保溫管道的熱工性能的影響，提出優(yōu)化真空保溫管道結(jié)構(gòu)和提高管道熱工性能的建議方法，提出中、低真空下真空保溫管道的熱力計(jì)算方法。真空層的絕對(duì)壓力降到5kPa以下，管道傳熱量降幅開始增大，真空層的絕對(duì)壓力降到2kPa或2kPa以下，真空保溫管道的保溫效果明顯提升。保溫材料與真空層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比：前者的數(shù)值明顯低于后者的數(shù)值，二者均

4、隨真空層的絕對(duì)壓力的降低而減小。隨真空層的絕對(duì)壓力降低，真空層熱工性能的提升幅度高于保溫材料熱工性能的提升幅度。當(dāng)工作鋼管和鋼外護(hù)管尺寸一定時(shí)，增加玻璃棉的厚度（即降低真空層厚度）可提升真空保溫管道保溫效果。
　　其次采用有限元法，得出真空保溫管道熱橋的三維穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場(chǎng)和熱流分布；分析不同真空層的絕對(duì)壓力、不同規(guī)格的工作鋼管和鋼外護(hù)管幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)真空保溫管道的熱影響區(qū)域和溫度場(chǎng)分布的影響，提出降低熱橋?qū)ΡＷo(hù)材料層影響的建議措施

5、。建議可采用兩個(gè)措施防治管路部件熱橋：一是將真空層的絕對(duì)壓力降到2kPa以下；二是采用在管路部件局部增設(shè)保溫材料的措施后，真空層的絕對(duì)壓力可控制在5kPa。
　　隨后基于復(fù)變函數(shù)法，應(yīng)用保形變換、多極坐標(biāo)變換，分離變量及區(qū)域銜接方法，提出多根直埋管道和多根復(fù)合保溫直埋管道熱力分析的解析計(jì)算方法。分析管道規(guī)格、埋設(shè)深度、熱媒溫度、相對(duì)位置等參數(shù)變化對(duì)管道熱損失計(jì)算結(jié)果的影響。當(dāng)兩根直埋復(fù)合保溫?zé)崃艿赖慕Y(jié)構(gòu)尺寸、熱媒溫度、埋設(shè)深度（

6、或覆土深度）、相對(duì)位置變化時(shí)，采用前蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式和采用本文解析算法獲得的熱損失計(jì)算結(jié)果相比，其吻合程度均較好，兩種方法計(jì)算結(jié)果的偏差百分比低于0.6％。
　　最后基于邊界離散配點(diǎn)法，應(yīng)用保形變換、分離變量法，提出埋地管溝或非圓管道熱力分析的解析計(jì)算方法，分析不同管溝幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱物性參數(shù)條件下管溝周圍溫度場(chǎng)變化規(guī)律。分別采用前蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式和采用本文解析算法計(jì)算不同尺寸管溝算例的熱損失時(shí)，在不同管溝寬度和管溝高度情況下，兩種方法的

7、熱損失計(jì)算結(jié)果之間的偏差均隨覆土深度增加而減小。兩種方法計(jì)算結(jié)果的偏差與溝壁溫度、大地表面溫度、溝壁和大地表面溫差無關(guān)，僅與管溝的高度、寬度以及溝高埋深比、溝寬溝高比等管溝的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)。兩種方法計(jì)算結(jié)果偏差百分比均隨溝高埋深比或溝寬溝高比增加而增大。溝高埋深比較小的管溝，兩種方法計(jì)算結(jié)果的偏差百分比明顯較?。欢?，溝高埋深比越大，隨溝寬溝高比增加，兩種方法計(jì)算結(jié)果偏差百分比的增幅也較大。這些研究工作為確定前蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式的適用范圍從