低温环境供水管道防冻解决方案

马军卫

（航空工业飞机强度研究所，陕西西安 710065）

0 引言

气候环境实验室模拟自然环境工况，为验证试验件在自然环境中的适应能力创造气候条件。气候环境实验室可以根据试验要求模拟自然环境的气候条件，达到试验件验证所需，检验其在复杂气候条件下的可靠性[1]。其中低温环境是气候环境实验室可模拟的基础环境工况，为试验件进行冷浸和特殊环境模拟试验创造气候环境基础条件。

当实验室内模拟环境温度T≤0 ℃时，试验件有供水需求时会发生冻害[2]。冻害现象会从用水设备与供水管道连接处延伸到实验室保温箱内阀门与管道连接处，冻害发生会导致试验用水设备的无法正常工作，直接影响到试验的正常进展。

1 气候环境实验室供水管道冻害产生原因

在实验室处于低温（-40 ℃≤T≤0 ℃）工况，试验件有用水需求时，供水管道选用Φ50 mm的高压橡胶管。该供水管道一端连接试验用水设备，一端会进入实验室内的保温箱与墙壁供水接口对接，不同的试验项目对水质有不同要求。适用于试验要求的供水会先经过处理，然后通过高压橡胶管输送，供水温度要求不低于2 ℃，实验室内单个供水接口供水量不小于13 m3/h。由于实验室处于低温环境，当管内水流速过低或者静止时供水管会遭受冻害，冻害主要有以下内容：①供水管道内部冻结，导致供水中断；②供水管道内壁结冰，造成供水流量减小；③供水管道外壁吸附水汽成冰。

2 气候环境实验室防冻设计方案

2.1 设计原则

在保证解决冻害前提下，选择防冻害措施时设计者重点考虑以下5个方面内容：①自控程度高，方便操作；②使用安全可靠，反应灵敏；③温度均匀，经济节能环保；④便于安装，维护工作少；⑤便于监测，有报警信号。

2.2 常用防冻害方法介绍

目前我国工业生产和人们生活中管道防冻害的措施主要有如下4种：

（1）保温材料。在供水管道外缠绕一定厚度的保温材料，形成空气隔热层，降低供水管道内供水温度下降速度，达到维持供水温度的目的[3]。

（2）防冻液。在供水管道内混合降低供水冰点的防冻液，提高水的耐寒性。

（3）热水伴热。在供水管管线旁平行安装热水管道，共同敷设保温材料，通过热水保温防冻。

（4）电伴热。电伴热保温是一种应用电热带产生热量以弥补管道损失热量的保温手段。

2.3 气候环境实验室防冻害方案选择

根据实验室的工况并结合设计原则，对4种防冻害方式进行分析比较，具体内容如下：

（1）保温材料。供水管道处于低温环境特别是极限低温环境时，单纯增加保温材料厚度不能防止管道静流速水的冻结，对防冻的作用不大，不能彻底解决冻害问题[4]。

（2）防冻液。由于试验设备及试验项目对用水有严格要求，添加防冻液的方法破坏了水质，不适合气候环境实验室防冻害。

（3）热水伴热。气候环境实验室供水管道要反复拆装，供水水温有要求，而热水伴热保温管道安装工程量大，热水温度控制复杂，操作困难，故不适合气候环境实验室防冻。

（4）电伴热。电伴热保温安装简单，拆卸方便，温度控制容易。在实际应用中，电伴热通常不用于提高流体的温度，主要应用于防冻、防凝和管线保温，试验正常供水时，供水管道内的水流速度较快，电伴热对管道内水温的影响可以不计，因此，电伴热保温非常适合气候环境实验室的使用需求。

2.4 电伴热方案特点

（1）技术成熟。电伴热保温经过多年发展是比较成熟的水管保温防冻方案，在生产生活中每年冬季都会因气温降低发生自来水管道、消防水管、太阳能水管冻害的情况，管道电伴热有效的解决了这些冻害。

（2）安全可靠。电伴热保温采用的是自限热的电热产品，在低温环境下通电产生热量可以有效抵消外界低温环境的冷负荷，从而实现防冻害目的。

（3）智能环保。电伴热保温具有智能环保，通电就能解决问题，相对于热水水管伴热保温方案控制灵活，温度可控。

（4）安装简单。电伴热保温工艺简单，安装灵活，移动便捷，维护方便。

（5）安全功能。所选用的产品具有加热恒温控制、探头故障显示、探头开路保护功能。自动报警包括超低温报警、超高温报警、漏电、断缆、过流及传感器故障等。

3 电伴热保温工作原理

管道保温防冻的目的就是补充由于供水管道内外温差引起的量损失，要实现供水管道防冻保温的需求，要将绝热结构的传热系数或冷量损失限制在使用范围内即可[5]，通过电伴热供给管路损失的热量，保持供水管道内流体的热量平衡，就可维持其温度基本不变。电伴热保温是通过电伴热散发一定的热量，通过直接的热交换补充伴热管道的热损失，防止环境温度的热传导[6]。

电伴热保温系统包括电伴热带、控制器、温度传感器、保温材料等组成。在管道适当位置放置温度传感器，控制器控制温度范围。当管道温度低于设定温度时，伴热系统自动启动伴热回路开始工作，即对管道保温层进行加热，使得保温层温度上升，保温层温度上升到设定温度时，电伴热系统自动停止加热。此电伴热程序周而复始地进行，使管道保温层温度始终保持在恒定范围内，从而起到主动为管道伴热保温的作用，保证管道系统防冻害。

3.1 电伴热保温热力学分析

如图1所示，供水管道内径为r0，供水管道壁厚为δ0，电伴热层厚度δ1，保温层厚度δ2，供水温度t0，电伴热层温度t1，气候环境实验室温度t2。在实际工程应用中，一般会简化热力过程：供水管道内为静流速水；忽略管道壁的热阻；供水管道内水温均匀；实验室环境温度均匀；电伴热层为恒温。传热过程简化为两个传热过程，管道内温度往电加热层传导，电加热层往气候环境实验室传导。

图1 绝热层厚度示意

3.2 电伴热保温结构

与常规保温一样，电伴热保温的结构包括防潮层、绝热层、保护层[7]。发热电缆均采取单路铺设。绝热层的材料、厚度和结构的选择按照热水保温要求的绝热层厚度计算。结合保温材料的保温性能、经济成本等各方面考虑，电伴热保温材料使用如下：

①电伴热防潮层选用复合玻璃布；②绝热层采用厚度50 mm橡塑保温材料，导热系数0.034 W/（m·K），防火性能等级为A级；③保护层选用塑料胶带；④发热电缆选用双导线恒功率，功率400 W/m（图2）。

图2 电伴热保温结构示意

4 温度控制产品选型

4.1 温度控制器的主要功能

（1）温度控制模块同时控制2～4根管道。

（2）温度传感器的设置原则为每根供水管道设1个温度传感器。

（3）电伴热温度控制器按照温度进行区分可以分为低温、中温、高温之别。根据当前实验室所需要的环境极限温度工况，选用的电伴热温度控制器是低温系列。接线原理如图3所示。

图3 接线原理

4.2 温度控制参数设定

根据所选用控制产品的功能，尽量减小电热带加热对试验供水温度的影响，当探头温度小于5 ℃时启动加热，当探头温度大于10 ℃时停止加热（图4）。设定参数具体如下：①电伴热保持温度5～10 ℃；②高温报警温度为15 ℃；③低温报警温度为2 ℃。

图4 控制流程

5 结论

气候环境实验室在低温极限温度-40 ℃时进行了飞机APU（Auxiliary Power Unit，辅助动力装置）开车试验，电伴热保温方案有效防止了实验室内供水管道的冻害，确保了试验的正常进行。电加热保温方案的实施，有效解决了低温环境下供水管冻害问题，能够保证试验用水设备的正常工作和试验科目的顺利进行。该方案节能环保、智能安全、寿命持久，达到了预期的使用效果。