长距离热水输送管道保温结构热损失研究

(云南农业大学 水利学院，云南 昆明 650000)

0 引言

随着社会的进步与科学技术的不断发展，国家越来越关心我们赖以生存的环境并采取积极有效的措施改善环境。其中最为重要也是最为紧迫的问题就是能源问题，要解决能源问题，节能是最关键的也是目前最直接有效的重要措施。云南省保山市龙陵县健康小镇温泉引水项目由于长输管道距离长(水源至城镇水池长33km)，管道保温投资巨大，运用合适的保温结构和保温材料，可以减少90%以上的热能损失。目前，对于新型的保温材料及其性能研究较多[1-2]或者对于埋地管道的径向稳态温度场研究较多[3-8]，而对于管道的保温结构的研究和管道的热分析研究较少。王修彦[9]等通过Fluent模拟了覆土深度及土壤导热率对管廊内管线热损失的影响。杨雪飞[10]通过Fluent建立模型对聚氨酯预制直埋管道的热量损失进行过研究;孙枫然等[11]对不同厚度保温材料下直埋蒸汽管道热损失进行了计算;董硕[12]对不同管径和不同保温层厚度蒸汽管道的热损失进行了计算。本文在现有的管道保温措施的基础上，通过计算机模拟的方式，对架空管道和直埋管道在不同的保温材料下，对管道热损失进行研究，为现实工程建设提供一定的理论依据。

1 研究方法

通过Ansys软件对架空管道和直埋管道进行有限元分析得出在不同保温材料下热损失随温度变化的情况。

1.1 保温结构理论计算

由于在热水输送管道中径向传热面积远远大于轴向传热面积，径向温度差远远大于轴向温度差，所以径向传热远远大于轴向传热。管道的轴向传热可以忽略不计。此时径向传热符合一维稳态多层圆壁筒的传热。

一维稳态多层圆壁筒的热流量Φ

(1)

式中Φ——热流量/W;

λi——材料的导热系数/W·(m·K)-1;

i——保温层数，取1，2，3…,1≤i≤n;

Ti,Ti+1——第i,i+1保温层温度;

ri,ri+1——第i，i+1保温层半径/m;

l——保温层长度/m。

热流量密度q

(2)

式中q——热流量密度/W·m-1。

R=R1+R2+R3+…Ri，则式(1)式(2)变为

(3)

式中 ΔTi——第i，i+1保温层温差/K;

R,Ri——总热阻和第i层热阻。

1.2 保温结构有限元分析

联系实际工程利用Ansys电脑模拟软件，建立架空管道和直埋管道的有限元分析模型，并对有限元模型进行网格划分，利用有限元法解出管内介质随时间变化的关系。

长距离输水管道内径d1=200 mm,外径d2=225 mm,长l=33 km，保温层厚度δ=70 mm。管道内热水温度t1=351 K;管顶覆土1 m,管道中心土壤温度t2=288 K。

模型一：对管道在不同保温材料下架空铺设的情况进行建模分析，在有保温材料的情况下，保温材料导热系数与管壁导热系数差距几千倍，管壁的热阻只占总热阻的0.003 1，所以忽略管壁，如图二所示。由于在热水输送管道中径向传热面积远远大于轴向传热面积，径向温度差远远大于轴向温度差，所以径向传热远远大于轴向传热。管道的轴向传热可以忽略不计，此时，可以将模型简化为一维导热问题，取单位长度的管道进行模拟。所以建立模型长度l=1 m。

图1 模型一网格划分图

模型二：在模型一的基础上，把管道埋入h=1 m深的土壤，形成保温材料-土壤的一个复合型保温结构。

图2 模型二网格划分图

2 分析与计算结果

2.1 架空敷设管道队热损失的影响

模型考虑保温材料的比热容(1 150 J/(kg·K))，在初始环境温度为288 K，介质(水)初始温度为351 K，相同的保温层厚度(δ=70 mm)情况下，对保温材料导热系数分别为0.015 W/(m·K)(二氧化硅气凝胶)、0.033 W/(m·K)(聚氨酯泡沫)、0.051 W/(m·K)(玻璃棉)、0.069 W/(m·K)(水泥珍珠岩)情况下对架空敷设管道进行模拟计算，监测管壁平均温度近似看做管内介质平均温度，得出39 000 s内不同导热系数下管道内介质温度随时间变化的情况。

图3为管道运行初期不同保温材料下，架空敷设管壁平均温度随时间变化情况。可以看出，可以看出刚开始的时候，管道外表面平均温度降幅较大，后期降温逐渐平缓。由于考虑保温材料比热容，管材和保温材料导热系数相差巨大，且比热容相差大。所以会形成温度随时间变化出现非均匀的情况。即图中的拐点，当λ=0.015时拐点处的管道温度场分布情况如图4所示。由图可知，在拐点处，管道外壁平均温度与保温层内壁温度相近。

图3 架空管道运行前期管壁平均温度随时间变化曲线

图4 架空管道运行前期拐点温度场

管道运行一段时间后，会在管壁周围形成一个稳定的温度场，如图5所示时(保温材料导热系数λ=0.015)，此时不同保温材料下管壁平均温度随时间变化情况如图6所示。由图可知，当管道运行一段时间后径向温度场达到稳定时，管道内介质温度在管道径向初始温度场稳定后管壁降温曲线为一条光滑的曲线，没有图3中的拐点，管壁降温速度随着时间的增加越来越缓。验证了图3中管壁降温拐点是由于考虑保温材料比热容，管材和保温材料导热系数相差巨大，且比热容相差大而形成的。对比图3、图6可知此时管道的保温效果相比于管道初期运行时有显著提升。

图5 架空管道运行稳定时温度场

图6 架空管道运行稳定后管壁温度随时间变化曲线

2.2 直埋敷设管道对热损失的影响

模型考虑土壤的导热系数和比热容，由于土壤导热系数受土壤自身的影响较大，尤其是土壤质地、含水量、孔隙率的影响，本次模拟取体积含水率为0.2 m3/m3的砂土导热系数(λ=1.5 W/(m·K);c=840 J/(kg·K))，考虑保温材料的比热容(1 150 J/(kg·K)),在环境温度为15℃，介质(水)初始温度为78℃，相同的保温层厚度(δ=70 mm)情况下，分别对保温材料为0.015 W/(m·K) (二氧化硅气凝胶)、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)(水泥珍珠岩)的管道架直埋结构进行模拟计算，监测管壁的平均温度，得出39 000 s内相同导热系数下管道直埋结构内介质温度随时间变化的情况。

图7为不同导热系数的保温材料下，直埋敷设管壁平均温度随时间变化情况。可以看出刚开始的时候，管道外表面平均温度降幅较大，后期降温逐渐平缓。管道热量损失随着导热系数的减小而减小。温度变化情况和架空敷设管道基本一致。拐点处的管道温度场如图8所示。

图7 埋地管道运行前期管壁平均温度随时间变化曲线

图8 架空管道运行前期拐点温度场

当埋地敷设管道运行一段时间，会在管道附近形成一个稳定的温度场如图9所示。此时管壁平均温度随时间变化如图10所示。管壁降温曲线为一条光滑的曲线，没有图4、图8中的拐点，管壁降温速度随着时间的增加越来越缓。曲线走势与架空管道稳定后温降曲线一致。

图9 架空管道运行稳定时温度场

图10 埋地管道运行稳定后管壁温度随时间变化曲线

图11为架空敷设和直埋敷设情况下管道运行初期，管道总热量损失随保温材料导热系数变化的曲线。通过图我们可以看出，直埋管道与架空敷设管道热总热损失量温度变化情况基本一致。架空敷设管道和直埋管道热总热损失量随着保温材料导热系数的增大而增大，但增大的幅度逐渐下降。保温材料导热系数为λ=0.069时，架空敷设管道与直埋敷设管道的总热损失分别为8.56 kJ、8.5 kJ，差距小于0.06 kJ。所以当保温材料导热系数小于0.069 W/(m·K)，管道刚开始运行时。管道架空敷设和直埋敷总热量损失量相同。

图11 管道运行前期架空管道与直埋管道热损失随导热系数变化曲线

图12为管道运行稳定后，架空管道与直埋管道总热损失量随保温材料导热系数变化曲线， 通过图我们可以看出，在管道运行稳定后埋地管道的总热损失稍微小于架空管道总热损失，且保温材料导热系数越大，埋地管道的保温效果较架空管道更为明显。

图12 管道运行稳定后架空管道与直埋管道热损失随导热系数变化曲线

3 结论

本文通过Ansys建立模型，模拟了不同保温材料在架空敷设管道、埋地敷设管道运行初期及管道运行稳定后的保温情况。为实际工程保温结构的设计提供参考。

(1)无论是架空管道还是直埋管道，管道总热损失量随着保温材料导热系数的增大而增大，但增大的幅度逐渐下降。保温材料导热系数越小，保温效果的收益越好。现实工程中应联系经济问题，选择合适的保温材料。保温材料的比热容对管道的总热损失几乎没有影响。

(2)在管道运行的初期，管道架空结构和直埋结构对管道的总热损失影响很小。此时管道的总热损失主要取决于保温材料导热系数的大小。

(3)当直埋管道运行一段时间，管道径向温度场稳定时，此时直埋管道的热损失稍微低于架空管道的热损失。且随着保温材料导热系数的增大，埋地管道的保温效果越明显。所以在管道架空敷设时，选用导热系数小的保温材料收益更高。

(4)此外，由于土壤导热系数受土壤质地、含水量、孔隙率的影响，实际工程问题中，长距离输水管道可能会遇到复杂的地质条件，对于管道的保温效果的影响亦有待研究。