双管共壳直埋保温管道布局优化设计_中国暖通空调网 - 技术交流
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供暖·论文

双管共壳直埋保温管道布局优化设计
2017-07-14 | 中国暖通空调网 |【
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贺 杰1,王 2
1.
中国建筑西南设计研究院;2. 哈尔滨工业大学

[摘 要]北欧国家为满足低密度供热的要求,多采用双管共壳直埋保温管道,与国内单管管道有所不同。本文以工作钢管管径为DN80 的双管共壳直埋保温管道为例,通过对比散热损失确定管道的最优间距,并研究埋深、地区等最优间距的影响,以此进行布局优化设计,为其在国内的推广应用提供参考。

[关键词]双管共壳直埋保温管道;散热损失;间距;优化

在供热工程中管道包括供水管道和回水管道,一般情况下供水管道和回水管道平行敷设。国内的供热管道形式为单根钢制管道外覆盖保温层[1]。北欧的丹麦、瑞典等国家在上个世纪90 年代开始研究将两根或多根工作管道放置于共用的保温层和外护管的新型保温管道形式,如图 1 所示,称为Co-insulated pipes(twin pipes)[2]

圆形外护管对称双管共壳直埋保温管道示意
1 圆形外护管对称双管共壳直埋保温管道示意

双管共壳直埋保温管道的研究和应用主要集中在北欧。在丹麦、瑞典和芬兰,为了满足低密度供热的需求,研制了该形式的供热管道。国内对此种管道的研究工作较少,暂无相关文献和报道。根据外护管的形状可以分为圆形外护管双管共壳直埋保温管道和非圆形外护管双管共壳直埋保温管道。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

式中: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,

供水管:

回水管:

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0.033 W/(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1.12.5 W/(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1.75 W/(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]

式中:ω 为环境风速(m/s)。本文对流换热系数取12.5 W/(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]

矩形模型及其边界条件
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。

基于大圆弧边界的圆形模型及其边界条件
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5mm10mm15mm20mm25mm30mm35mm40mm 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。

供回水管散热损失对比(W/m)
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]

式中:Rn 为无因次群, 代表无因次延续天数;

αβ 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{tw,, 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:

式中:tn 为室内设计温度(℃);tg 为用户的设计供水温度(℃);th 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:

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