双管共壳直埋保温管道布局优化设计Word文档下载推荐.docx
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本文只研究圆形外护管双管共壳直埋保温管道的优化布局。
研究双管共壳直埋保温管道布局的优化设计,首先应求解其散热损失,通过比较各项散热损失的优劣确定双管共壳直埋保温管道的优化构型和布局。
本文研究以现行保温管道的保温材料用量为基准,即在确定管径和保温层厚度的基础上,改变双管共壳直埋保温管道布局即供回水管外壁的间距,通过比较管道供水管全年散热损失得出一个综合的优化管道布局,并且研究不同埋深和地区对最优间距的影响。
1
研究方法
1.1直埋管道的稳态热损失理论
对于计算区域供热直埋管道的稳态热损失,文献[3]给出了通常情况下的解析解和明确的方法。
总结大量资料得到共壳直埋保温管道的计算公式[4],对于其中任意管道i。
式中:
qi为管道i
的散热损失,n
为保温管中的管道数,Uij
为管道i
与管道j
的传热系数,T0
为地面温度。
在国外区域供热中,双管是最常见的一种形式,供回水管的散热损失如下。
供水管:
q1=U11(T1-T0)+U12(T2-T0)=(U11+U12)(T1-0)+U12(T2-T1)
(2)
回水管:
q2=U22(T2-T0)+U21(T1-T0)=(U22+U21)(T2-0)+U21(T1-T2)
(3)
T1为供水温度,T2为回水温度。
等式和表示每根管的传热可以看做两种热通量的线性叠加,第一部分代表管与地面的传热,第二部分代表供回水管间的传热。
等式可以变换成如下形式,
等式和表示每根管的传热可由一个为温度函数的线性传热系数计算,这是一些管网模拟程序常用的方法,只需考虑一个温差和线性传热系数。
这种解析法非常方便并且满足工程上精度的要求。
U
的取值与温度,保温层和土壤性质有关,是一个变量。
但在计算稳态热损失是将其视为与温度相关的常数。
文献[4]给出了U
的具体计算公式,此方法为散热损失的解析法。
1.2保温材料的导热系数
根据相关规范中对“聚氨酯硬质泡沫保温层导热系数λ不应大于0.033W/(m·
K)”的规定,结合对某保温管厂实际产品测定情况,确定聚氨酯泡沫的导热系数为0.033W/(m·
K)。
1.3土壤导热系数及表面传热系数
我国幅员辽阔,土壤性质迥异。
东部沿海地区地下水位较高,土壤湿度大,西部干旱地区终年少雨,土壤湿度小,土质的较大差异致使土壤导热系数的变化很大。
一般情况下,土壤的导热系数在1.1~2.5W/(m·
K)范围内变化,较潮湿者取较大值,较干燥者取较小值。
综合各资料的计算取值,考虑计算地区的选取,本文认为土壤导热系数取1.75W/(m·
K)较合适。
土壤表面传热系数包括辐射系数和对流放热系数,受土壤的热发射率和环境风速的影响。
一般按下式计算[5]。
ω
为环境风速(m/s)。
本文对流换热系数取12.5W/(m2·
℃)较合适。
1.4有限元模型
圆形双管共壳直埋保温管道均以传统双管直埋保温管的保温材料用量为基准。
设传统双管直埋保温管道外径为2r1,圆形外护管双管共壳直埋保温管道外径为2rc
,两者存在如下等式。
2r21=r2c
根据公式可得,工作钢管管径为DN80的圆形双管共壳直埋保温管道内径为222.03mm。
在本文中提出了两种简单精确的数值模型来计算共壳双管的稳态散热损失,一种是图2所示的矩形模型,代表半无限大的土壤区域(宽:
20m,高:
40m),在计算管道热损失时常用矩形模型来模拟地面[6]。
图2矩形模型及其边界条件
另一种是图3所示的基于大圆弧边界的圆形模型(半径:
100m),代表无限大的土壤区域。
与实验和其他文献资料的数据对比发现圆形模型的数值计算结果具有较高精度[7],基于大圆弧边界的圆形模型是在此基础上的改进,扩大了土壤边界层的范围,更接近真实情况。
图3基于大圆弧边界的圆形模型及其边界条件
由于篇幅原因,本文仅研究工作钢管管径为DN80的双管共壳直埋保温管道,其余管径的研究方法类似。
在土壤和保温层的性质确定的条件下,给定圆形外护管对称双管共壳直埋保温管道工作钢管外径为89mm,外护管内径为222.03mm,管道埋深为0.8m(从外护管的顶部到土壤表面的距离),供回水温度分别为95℃和70℃,室外空气温度为-5℃,工作管间距分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm时,通过两种模型的数值模拟和解析法公式、计算,得到上述条件下圆形外护管对称双管共壳直埋保温管道的各项散热损失如图4所示。
4供回水管散热损失对比(W/m)
根据图4可得,随着两根管道的间距逐渐变化,矩形和圆形模型的数值计算结果非常接近。
当间距为20mm时,数值计算与解析法的结果几乎一致,当间距增加和减小时,计算结果则将出现较大的误差。
此外,双管共壳直埋保温管道散热损失的解析法是实际情况的简化,因此计算结果与实际有一定误差。
而基于大圆弧边界的圆形模型在计算单管直埋管道时具有较高精度[8],并且计算时间比矩形模型短。
因此,在文对双管共壳直埋保温管道的研究中,均以基于大圆弧为边界的圆形模型数为研究手段。
1.5供水管道全年散热损失
根据工程热力学知识,供水管道内的高温水相对于回水管道内低温水是高品位能源,应尽量减少供水管道的散热损失,所以以供水管道全年散热损失最小值作为圆形外护管对称双管共壳直埋保温管道优化管道布局的判定标准。
供暖热负荷的变化规律与室外温度的变化相适应。
相关文献根据许多城市历年室外日平均气温的资料,通过数学分析和回归计算,得出供暖热负荷延续时间图的无因次数学表达式[9]:
Rn为无因次群,代表无因次延续天数;
α,β
为与采暖地区有关的常数,可由参考文献[9]查得:
tp为采暖期室外日平均温度(℃);
N
为供暖期内室外日平均温度等于或低于某tw的历年平均天数或平均小时数;
Nz为供暖期总天数或总小时数。
于是,根据式(12)。
可以反推出在不同室外气温下tw的延续小时数N(tw):
延续小时数N(tw)具体是指室外气温低于等于的延续时间,而不是室外气温tw的持续时间。
因此,定义N(tw)表示室外温度等于tw的延续时间。
N(tw)的计算需要基于对室外温度序列{t′w,…,5℃}的离散化假设,本文根据需要将室外供暖温度16tw等分。
如果离散增量为Δt,则N(tw)计算如下:
将式代入,得:
当无混合装置直接连接热水供暖系统质调节时,只改变供暖系统的供水温度,而用户的循环水量保持不变,即G=1[9]。
则无混合装置的直接连接的热水供暖系统质调节的二级网供、回水温度的计算公式如下:
tn为室内设计温度(℃);
t′g为用户的设计供水温度(℃);
t′h为用户的设计回水温度(℃);
b为散热器相关系数;
Q′为相对供暖热负荷比:
在某一室外温度tw下,根据数值模拟可计算出单位长度供水管散热损失q(tw),则单位长度供水管全年散热损失为:
2
结果与讨论
2.1确定管道最优间距
本文先以哈尔滨为例,将供暖室外温度离散化,得到埋深0.8m时,不同室外温度和间距下的供水管散热损失q(tw),并且利用公式,得到不同间距下的单位长度供水管全年散热损失如图5。
图5不同间距下供水管全年散热损失(MJ/m)
由图5可知,哈尔滨地区,工作钢管管径DN80的双管共壳直埋保温管道,埋深0.8m时,供回水管的最优间距为10mm。
2.2埋深对最优间距的影响
本文以哈尔滨地区为例,研究埋深分别为0.6m、0.8m、1.0m、1.2m时,不同间距下供水管全年散热损失如图6。
图6不同埋深供水管全年散热损失(MJ/m)
从图6可得,埋深对双管共壳直埋保温管道的最优间距影响不大,随着埋深增加,散热损失减小,但是减少量也很小。
2.3不同地区对最优间距的影响
本文以哈尔滨,长春,沈阳,张家口,太原,北京几个典型的供暖城市为例,工作钢管管径DN80的双管共壳直埋保温管道,埋深0.8m时,利用公式得到不同地区和间距下单位长度供水管全年散热损失如图7所示。
图7不同地区供水管全年散热损失(MJ/m)
从图7可得,不同地区对双管共壳直埋保温管道的最优间距几乎没有影响。
2.4比较传统和最优间距下双管共壳的直埋保温管的供水管全年散热损失
以哈尔滨为例,传统直埋管道保温层厚度为34mm,供回水管间距取0.2m(保温管外壁距离),埋深与双管共壳直埋保温管道相同(管中心距地面的距离),利用公式得到单位长度供水管全年散热损失为386.973MJ/m,而同条件下间距为10mm的双管共壳直埋保温管的单位长度全年散热损失为344.588MJ/m,减少了11%的散热损失。
相对于传统保温管道形式,优化布局的双管共壳直埋保温管道具有较明显的节能效果。
保温材料一般是硬质聚氨酯泡沫塑料,其具有密度小、导热系数低、保温性能好等优点,但造价比较高。
那么在相同的散热损失情况下,双管共壳直埋保温管道相对于传统双管管道的保温材料用量小,从而降低造价。
3
结
论
本文通过基于大圆弧边界的圆形模型计算得出工作钢管管径DN80的双管共壳直埋管道中供回水管间距为10mm时,供水管单位长度全年散热损失最小。
并且通过比较不同埋深和地区的供水管全年散热损失,得出不同埋深和地区对最优间距影响很小。
由于篇幅原因,本文只分析了工作钢管管径DN80的管道,其余管径的研究方法类似。
而且仅从散热损失方面考虑最优间距,技术的施工也对最优间距其有很大影响,过小的间距可能会对焊接和安装造成一定的困难,但随着技术的进步,这一问题将会逐步得到解决,这种管道对于有利于集中供热的节能和降低初投资,并且有很大的经济效益。
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