（市政工程专业论文）内阻式供热直埋保温管热工模拟与仿真.pdf

太原理l 。人学硕十研究士学付论文 内阻式供热直埋保温管热工模拟与仿真 摘要 直埋供热管道技术目前在世界各国都以得到了无可非议的承认，不仅 仅因为直埋供热管道采用高质量的绝缘材料加之高强度的保温结构，解决 了直埋管道的隔热性、抗压强度、防水性等难题，关键还在于在节约投资、 降低能耗方面给用户带来了巨大的经济效益和社会效益。近几年来，直埋 热水管道的广泛应用带动了高温蒸汽供热管道直埋敷设的发展，直埋式预 制高温保温管保温性能好，高效节能，防水防腐和显著的经济环境效益，美 化城市，对我国开发区现代热网建设及高水准老城市供热改造( 采用旧式管 沟敷设造价高、工期长、施工难、热耗大、水淹浸、多冒汽) 有着特别意义。 由于高温蒸汽管道温度高，给直埋技术带来了许多难题，如保温结构设计、 变形补偿、管件密封防水、疏水处理以及高温防腐等。针对这些难点，国 内外学者开展了许多研究开发工作。为高温管道实现直埋敷设提供了个多 种结构模式和工程实例。本文根据传热机理和工程实际需求，设计研究出 了一种新型直埋保温管道内阻式供热直埋保温管道。 本文首先通过传热理论分析确定实验测量对象芯管外表面温度、 工作管外表面温度、保温层外表面温度、保温层外表面热流密度和周围环 境温度，分别在不同介质温度下进行具体的实验操作，记录实验数据，对 实验数据进行处理，根据最小二乘法进行多项式拟合，再根据拟合公式及 理论公式，运用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具，建立实验( s y m ) ( ) 模型。通 过改变模型中的输入变量：介质温度，得到模型的输出变量：芯管外表面 i 太原理i 。人。硕卜岍究干学何论文 到工作管外表面热阻、保温层热阻。对模型进行仿真模拟，仿真结果基本 与理论分析一致。 因此，本文运用s i m u l i n k 工具建立实验模型的过程相当于提出了一种 简单易行的方法，可在缺少实际条件操作时，通过该模型预测管道热阻， 而在实际运行中可选取合适的运行参数，降低运行成本，节省运行费用， 达到预期效果。 关键词：内阻式，直埋，s i m u l i n k ，仿真，模拟 太原理1 人中硕十研究生学何论文 s i m u l a t i o na n de m u l a t i o no fi n t e r n a l r e s i s t a n c eh e a t i n gd i r e c t _ b u r r i e d h e a t _ i n s u l a t e dp i p e a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fd i r e c t - b u r r i e dh e a t i n gp i p e h a v e b e e na d m i t t e db ya l l c o u n t r i e so fw o r l d ，n o to n l yb e c a u s ed i r e c t b u r r i e dh e a t i n gp i p eu s ei n s u l a t i n g m a t e r i a lo f h i g hq u a l i t ya n dh e a t - i n s u l a t e ds t r u c t u r eo f h i g hs t r e n g t hh a v es o l v e d d i f f i c u l t p r o b l e m s a s h e a t - i n s u l a t i n gp r o p e r t y , c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ， w a t e r - p r o o f m gp r o p e r t ya n ds oo n ，b u ta l s og i v e u s e si m m e n s ee c o n o m i c b e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t sa tr e d u c ei n v e s ta n dc u td o w nc o n s u m p t i o n r e c e n t l yy e a r s ，w i d e s p r e a da p p l yo fd i r e c t - b u r r i e dh o tw a t e rp i p eh a v eb e e n d r i v e nd e v e l o p m e n to fh i g ht e m p e r a t u r ev a p o rh e a t i n gd i r e c t - b u r r i e dp i p e ， d i r e c t - b u r r i e dh i g ht e m p e r a t u r eh e a t i n s u l a t e dp i p eh a v eg o o dh e a t - i n s u l a t i n g p r o p e r t y , e c o n o m yo fe n e r g y , w a t e r p r o o f , a n t i s e p t i ca n dr e m a r k a b l ee c o n o m i c b e n e f i t s ，b e a u t i f yt h ee n v i r o n m e n t ，h a v es p e c i a lm e a n i n g st ob u i l dm o d e m h e a t n e ta n dt or e b u i l dh i g h e ro l dc i t i e s b u t ，b e c a u s et e m p e r a t u r e o fh i g h t e m p e r a t u r ev a p o rp i p e i s h i g h ，t e c h n o l o g yo fd i r e c t - b u r r i e d h a v el o t so f i i i 太原理1 人。7 硕十研究土学位论文 d i f f i c u l ep r o b l e m s ，f o re x a m p l e ，d e s i g no fh e a t i n s u l a t e ds t r u c t u r e ，c o m p e n s a t e o fc h a n g e ，s e a la n dw a t e r p r o o fo fp i p e ，d r e d g ew a t e ra n dh i g ht e m p e r a t u r e a n t i s e p t i ca n ds oo n s c h o l a r sh a v ed e v e l o p e dl o t so fr e s e a r c h i n gw o r kt ot h e s e d i f f i c u l tp r o b l e m s ，t h e ys u p p l yv a r i e ds t r u c t u r e sa n dp r o j e c te x a m p l e s t h i st e x t o nt h eb a s i so fc o n d u c th e a tm e c h a n i s ma n d p r o j e c tr e a l i t yn e e d s ，d e s i g n san e w d i r e c t - b u r r i e dh e a t - i n s u l a t e d p i p e ：i n t e m a l r e s i s t a n c e h e a t i n gd i r e c t - b u r r i e d h e a t - i n s u l a t e dp i p e f i r s t ，t h i st e x to nt h eb a s i so fc o n d u c th e a tt h e o r ya n a l y s i sf i xo b j e c t so f e x p e r i m e n tm e a s u r e ：s u r f a c et e m p e r a t u r eo fc o r ep i p e ，s u r f a c et e m p e r a t u r eo f s e r v i c ep i p e ，s u r f a c et e m p e r a t u r eo f h e a t i n s u l a t i n gl a y e r , h e a tf l o wd e n s i t ya n d t e m p e r a t u r eo fs u r r o u n d i n g s ，c a r r i e so nt h ee x p e r i m e n to nt h ev a r i e t yo fm e d i u m t e m p e r a t u r e ，r e c o r d st h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，h a n d l e sw i t ht h ed a t a ，f i t st h e f o r m u l aa c c o r d i n gt of u n c t i o na n de s t a b l i s h e ss y m xm o d e lb a s e do nt h et h e o r y a n df o r m u l ab ys i m u l i n kt o o l b o x w ec a nc h a n g et h ei m p o r td a t e ：m e d i u m t e m p e r a t u r et oo b t a i nt h ee x p o r td a t a ：h e a tr e s i s t a n c eo fc o r ep i p es u r f a c et o s e r v i c ep i p es u r f a c ea n dh e a tr e s i s t a n c eo f h e a t - i n s u l a t i n gl a y e r s i m u l a t e sa n d e m u l a t e st h es y m x m o d e l ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa c c o r dw i t ht h e o r ya n a l y s i s s ot h i st e x tp u t sf o r w a r da v e r ye a s ya n du s e f u lm e t h o d ，i tc a np r e d i c tt h e h e a tr e s i s t a n c ea n do t h e rp a r a m e t e r sv a r i e t yw h e np r a c t i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n i ss c a r c e ，a n dc a ns e l e c ta p p r o p r i a t e do p e r a t i n gp a r a m e t e r st or e d u c ei n v e s t m e n t c o s ta n ds a v eo p e r a t i n ge x p e n d i t u r ea n dr e a c hp r e d i c t e dp u r p o s ei np r a c t i c a l o p e r a t i n g i v ， 查堕! ! 叁= i 三堡! ：坐壅兰! 生堡茎 一一 k e yw o r d s ：i n t e r n a lr e s i s t a n c e ，d i r e c t b u r r i e d ，s i m u l i n k ，s i m u l a t e ，e m u l a t e v 声明 y9 7 9 5 5 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：缝堑硷日期：幺。尘! ! 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 日期：兰堡皇：巧 日期：t 啦，f 形 太原理1 人。学硕十研究生学俺论文 第一章绪论 实现集中供热是城市能源建设的一项基础设施，是城市现代化的一个重要标志，也 是国家能源合理分配和利用的一项重要措施。近年来，我国的集中供热快速发展，在工 业生产和人民生活中使用着大量的蒸汽、热水及其它各种热媒，而这些热媒必须采用某 种敷设方式的管道输送至用户。在城j 订热网和区域供热工程中，供热管迫分为架空敷设、 地沟敷设和直埋敷设三种类型。架空敷设占地面积大，在城市繁华的街道和居住区中布 置有碍观瞻，影响环境美观，不宜穿越马路，因而在某些区域受到限制。传统的地沟敷 设虽然维修方便，但投资昂贵、施工难、管沟易积水而腐蚀管道，在地下管线较多的地 方敷设新的大型管沟就更加困难。与此相比，直埋管道系统却具有突出的优点：由于直 埋敷设省去了地沟，从而使投资与土方工作量都大大减少，并缩短了施工周期。目前， 直埋管道已经在城市供热、油气输送工程中得到了广泛的应用。 近年来对1 5 0 以上的蒸汽管网埋地敷设技术也开展了研究和工程应用。从目前的 保温结构形式看，般均为由热水管道直埋用的预制保温管经改进后形成的脱开式预制 复合保温管。钢套管埋设的技术路线是不同于目前国内预制复合保温管的一种敷设技 术。它是在传统的地沟敷设的基础上，用钢套管取代砖地沟或混凝土地沟。管道滑动界 面为管道支座与钢套管内壁之间的界面。钢套管由于强度高，可采用焊接连接，防水的 密封性能可靠性十分高。 1 1 选题背景 电荒、油荒、煤荒成为近期媒体和社会关注的焦点。能源饥荒正逼近中国，对生产、 生活以及国家安全都将产生重大挑战。我国的能源供应形势趋于紧张已成不争的事实， 但能源利用率还很低，据中国能源研究会的报告显示，我国的能源系统效率为3 3 4 ， 比o e c d 国家落后2 0 年，相差1 0 个百分点，能源消费强度大大高于发达国家及世界平 均水平，1 1 个高耗能产业的3 3 种产品能耗比发达国家先进水平高4 6 左右，约为美国 的3 倍，o e c d 国家平均的3 8 倍，日本的7 2 倍。目前中国各类汽车平均百公里油耗比 发达国家高2 0 以上，房屋单位面积采暖能耗比发达国家高2 倍以上。2 0 0 3 年全国空 太原理i ：人学硕十研究生学f j ，论丈 调的最高负荷率超过5 0 0 0 多力| 千瓦，差不多是三个三峡电站的负荷。2 0 0 1 年全国能耗 费用支出达1 2 5 万亿元人民币，占g d p 的1 3 ，而美国仅占7 。许多专家建议，我 国应将节能放在能源战略的首要地位，为了满足能源需求的增长，节能要比增加能源供 应更优先考虑，专家认为如果采取强化节能和提高能效的政策，到2 0 2 0 年的能源消费 总量可减少1 5 2 7 。 实现集中供热是城市能源建设的一项基础设施，是城市现代化的个重要标志，也 是国家能源合理分配和利用的一项重要措施。集中供热的优点是： 1 提高能源利用率、节约能源。供热机组的热电联产综合热效率可达8 5 ，而大 型汽轮机组的发电热效率一般不超过4 0 ；区域锅炉房的大型供热锅炉的热效率可达 8 0 9 0 ，而分散的小型锅炉的热效率只有5 0 6 0 。 2 有条件安装高烟囱和烟气净化装置，便于消除烟尘、s 0 2 等污染物，减轻大气污 染，改善环境卫生，还可以实现低质燃料和垃圾的利用。 3 可以腾出大批分散的小锅炉房及燃料、狄渣堆放的占地，用于绿化，改善市容。 4 减少司炉人员及燃料、灰渣的运输量和散落量，降低运行费用，改善环境卫生。 5 ，易于实现科学管理，提高供热质量。 随着我国集中供热事业的大力发展，我国城市集中供热覆盖率有了很大提高【1 1 ，至 2 0 0 1 年底，全国集中供热地区的城镇集中供热面积为1 4 6 3 2 8 万m 2 ，其中住宅 9 5 7 9 9 3 3 m 2 ，超大城市、特大城市、大城市的集中供热面积约占全国集中供热面积的 6 7 4 ，中、小城市的集中供热面积仅占3 2 6 。从1 9 9 1 年至2 0 0 0 年全国城镇集中供 热面积从2 7 6 5 1 万m 2 增长至1 1 0 7 6 6 万m 2 , 平均每年增加约0 8 亿i n 2 。从2 0 0 0 年至2 0 0 1 年城镇集中供热面积从1 1 0 7 6 6 万m 2 万发展至1 4 6 3 2 8 万m 2 ，平均每年约增加1 5 亿m 2 。 1 2 课题研究的意义 节能和环保是实现可持续发展战略的关键。在工业生产和人民生活中使用着大量的 蒸汽、热水及其它各种热媒，而这些热媒必须采用某种敷设方式的管道输送至用户。由 于管道中热媒的温度远远高于周围介质( 如空气或土壤) 的温度，有相当多的热量会无益 的散失掉，这不仅造成了浪费，还增加了环境的污染，因此研究管道的传热规律和采用 合理的保温措施具有节能和环保双重意义。 在城市热网和区域供热工程中，直埋管道系统具有突出的优点：由于直埋敷设省去 2 太原理1 人学硕+ 研究士学何论文 了地沟，从而使投资与土方工作量都大大减少，并缩短了施工周期。目静，直埋管道已 经在城市供热、油气输送工程中得到了广泛的应用。 直甲弋预制高温保温管保温性能好，高效节能，防水防腐和覆著的纾济环境效益，美 化城巾，对我幽) i 发区现代热m 建设及高水准老城再供热改造( 采用ie 式管沟敖设造价 高、工期长、施工难、热耗大、水淹浸、多冒汽) 有着特别意义。 目前，国内高温直埋管技术发展不平衡，由于基础理论研讨不够，工程实验缺乏、设 计潜留问题，有的产品粗制滥造，施工马虎行事，操作违章失误，缺乏科学管理，无章可循 或肯錾小循，使之造成部分高温管道“跑、冒、伤”严重或“带病运行”，危及安全生产。 如何科学规划、系统管理，如何完善等方面有待解决和提高。进一步研究丌发预制高温 保温管直埋技术，是实现我国建筑节能5 0 规划指标必不可少的重要组成部分。 直埋保温管外表面温度过高，可能会带来一系列问题。如对保温外套管寿命、周边 设施及建筑物，以及对附近的绿化树木、草坪的影响等。直埋保温管外表面温度过高影 响有多大，下面做简要分析。 1 外表面温度对保温外套管使用寿命的影响 外表面温度一般小于8 0 时对金属或其他无机类套管的寿命是没有影响的，有影响 的是有机类套管和防腐涂层。现就我们常遇到的几种材料做分析如下： ( 1 ) 高密度聚乙烯套管 高密度聚乙烯是一种热塑性材料，使用温度过高聚乙烯会软化影响机械性能也会老 化。老化实验结果见图”1 - i ，在8 0 。c 使用温度下，聚乙烯的寿命可达4 0 年。在标准中 规定的高密度聚乙烯的使用温度要低一些。德国、法国以及我国均规定聚乙烯防腐管道 的最高使用温度为7 0 。 3 太原删1 人学硕十- 研究生学付论文 图1 - 1 不同加速老化试验结果对聚乙烯寿命的评价 f i g l lf l s s e s so f p o l y t h e n e sl mb yd i f f e r e n tt e s tr e s u l t so f s p e e du pa g e i n g ( 2 ) 玻璃钢套管 玻璃钢的耐温性能同所采用的树脂有关。目前不饱和聚酯玻璃钢管应用比较广泛， 不饱和聚酯玻璃钢的使用温度一般建议不超过7 0 c 。 ( 3 ) 钢套管外防腐层 钢外套管的防腐，有采用涂层防腐的，也有采用电化学保护的，还有的是两种并用。 防腐涂层多采用环氧煤沥青，也有用富锌涂料或其它高温防腐涂料的。无机富锌涂料耐 温可达2 0 0 3 0 0 c ，环氧富锌涂料的使用温度也可达到1 0 0 c 以上。环氧煤沥青防腐层 的使用温度不可超过1 1 0 。 综上分析，直埋蒸汽保温管的外表面温度不超过7 0 c 对哪一类外套管的使用寿命 影响都不大。 2 直埋蒸汽管道对周边管线和设施的影响 有关规范对供热管道与其它管线、建筑物之间最小水平和交叉净距均有规定。理由 之是供热管道运行温度较高，间距过小可能会对其它管线安全运行带来影响。在规范 中并未规定供热管道保温外表面温度，也未对其周围上壤的热阻和导热系数做出规定。 我们认为，如果直埋蒸汽管道保温外表面温度不大于7 0 ，就可按现行规范执行。 3 温度对树木、植被的影响 直埋蒸汽管道造成近旁树木、植被死亡的原因可能是由于大气温度与地温不平衡造 成的。但园林专家认为，树木根系边缘比正常地温高出i o c 以内不会带来太大危害。我 们暂且就以此为条件进行限定直埋管外表面温度问题的讨论。 4 太原理l 。人学硕十研究生学位论文 本文在这样的前提下，从节能的角度出发，尝试使用一种新型的保温结构，它的基 本结构为芯管，外层工作钢管，保温材料，保护材料。芯管与工作钢管之问可以采用空 气、真窄隔绝，为增大芯符卜j t 作钢管之间的辐射热阻，同时考虑了铝箔反射层和铝板 屏蔽坛，这几层结构是否需要同时使用或只使用其中的一种要恨掘供热管刚所输送介质 的温度范围柬确定。 通过理论分机和实验研究，证明了这种特殊的保温结构能够有效的降低工作钢管的 表面温度，即使芯管所输送的介质温度将近2 0 0 ，工作钢管的表面温度也只有9 09 c 左 右。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 美国于1 8 8 2 年创建了世界上第一个集中供热的纽约蒸汽公司，蒸汽管道输配压力为 1 0 5 m p a ，温度2 1 2 c 的蒸汽2 0 世纪7 0 一8 0 年代在哈特福德市区、巴尔地摩、保罗等地建 立5 0 余家热电联产或蒸汽供热系统，美国纽约联合爱迪生公司，1 9 7 6 年向2 3 0 0 余家用 户，集中供蒸汽约1 4 5 0 万t ，但管道的泄露量很大，损失蒸汽1 5 6 。 欧洲是集中供热发达地区。德国北部城市基尔市集中供热系统控制技术是目i i f 世界 上最先进的，近年由于工业用户的增加，德国蒸汽直埋管道技术又有新发展，由上世纪8 0 年代初亚密绝热公司制造的耐1 4 0 ，1 6 0 、2 0 0 的复合保温直埋管，发展到上世纪9 0 年 代b r u g g r o h r s g s t e m e g m b h 公司p n 6 4 耐4 0 0 的高温直埋管。 丹麦上世纪7 0 年代热网已达1 6 万k m ，其中干线达9 0 0 k m ，按人均世界第一位。首 都哥本哈根，集中供热约9 0 ，绝大部分是低温热水系统，只有少数城市采用1 5 0 。c 高温 水。 意大利近年高温蒸汽热直埋也有所发展，如a e r i m 2 p l a n t 的r e g g i o e i l i a 热网 区，t o r i n m a n t o v a 等蒸汽网均采用复合保温管供热。 芬兰气候严寒，集中供热十分发达，工业生产用户多采用背压机组供生产用汽。 鉴于民用蒸汽用户受冬、夏温差影响，用汽量变化大，采用高温水供热优点明显，但 工业用户仍需蒸汽供应。1 9 6 5 年以来，由于科技进步，蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机的出 现，高效节能，减少环境污染用冷、暖、汽三联技术的发展，能源利用率高、投资省、操 作费用降低，提高生活水准，意义极大，蒸汽供热又有新发展。 5 太原婵1 人学硕十研究生学侍论文 1 ，3 2 国内研究现状 我国是发展中国家，高温蒸汽直埋技术近年来发展很快，规格、结构、型式已与国际 相近，并在国内大专院校、科研单位、工程设计、施工企业等共同努力协作下，已取得部 分实质性突破和进展，为节能、降耗、技术进步作出了积极贡献。 1 天津大学1 9 8 5 年曾在天津、广州等地进行1 3 0 - 1 8 0 。c 蒸汽直埋管工程设计和实 验。 2 1 9 8 9 年起，黑龙江省建工学院先后为黑龙江省阿城市、山东济南黄台及四川绵 阳设计了1 i k m 直埋“塑套钢”蒸汽管。 3 1 9 9 0 年，中国矿业大学研究生部节能所为辽宁南达煤矿进行蒸汽网直埋设计。 4 1 9 9 3 年1 月，哈尔滨东光建筑塑料厂“直埋式高温复合保温管”通过了黑龙江 省国防科技工业办主持的专家评议。 5 1 9 9 4 年，上海金山石化设计院为上海会桥热力总公司外网设计实施“蒸汽直埋 管供热”工程。 6 1 9 9 5 年8 月，中科院大连化物所“高温型直埋式预制复合保温管( 玻璃钢套钢) ” 通过了由辽宁省经贸委主持的鉴定。 7 1 9 9 6 年大连热电集团进行了大口径中6 3 0 、中6 9 4 m m 等“钢套钢”高温蒸汽直 埋管预制。 当前，随着世界科学技术的进步，特别是1 9 6 5 年以蒸汽为能源的溴化锂双效制冷 机组的出现，我国和世界各国一样，蒸汽管道敷设量猛增。据2 0 0 0 年全国2 3 省( 市) 2 9 4 个城市供热管网统计，热水管道3 0 5 万k m ，约有蒸汽管线7 9 6 3 k m ，占整个管网的 1 5 ，每小时供蒸汽量7 4 1 万吨，总供汽量达2 3 8 亿吨。近年来，由于直埋蒸汽管道 具有节约能源、占地少、附设方便及防水性能好等突出优点，而在国内越来越广泛被采 用，这项敷设技术本身也得到了飞速发展。当前，我国在这方面的研究已属世界领先国 家之一。 1 4 本文主要研究内容 本课题主要以实验为主，实验的全过程包括制订实验方案，模拟设计直到实验数据 的整理和应用。实验是解决工程问题的一个重要手段，用什么理论来指导实验，用什么 准则来设计实验，用什么参数来整理结果，不仅对实验本身是重要的，而且对理解实验 6 太原理i 。人中硕十研究生学付论文 结果，评价实验数掘，运用实验成果，发展实验技术也是重要的。 141 制订实验方案 本实验模拟高温直埋供热保温管，为此设计了一个循环管路，在管路上截取三段管 长为l m 的管段定为实验管段，并分别设计三种不同结构形式，一种结构为芯管，防腐 耐高温漆，空气层，工作钢管，保温层，保护层。一种结构为芯管，防腐耐高温漆，空 气压，铝箔，工作钢管，保温层，保护层。一种结构为芯管，防腐耐高温漆，宅气层， 抛光铝板，空气层，铝箔，工作钢管，保温层，保护层。实验管道内通入高温介质，芯 管内的高温介质通过导热，对流和辐射换热三种传热形式，将热量传递到管道外表面， 实验段三种结构形式的隔热效果不同，则热流密度，工作刚管外表面温度亦不同。实验 的目的便是想在不同介质温度条件下分别对实验管段芯管外表面温度，热流密度，工作 钢管外表面温度以及保温层外表面温度进行测量，通过分析测量得到的数据得出三个实 验管段介质温度与工作管外表面温度的关系，介质温度与保温层外表面温度的关系，以 及介质温度与热流密度的关系，从而比较三种结构形式的隔热效果。 1 4 2 实验台搭建 实验台搭建在实验中占有重要的位置，其成功与否直接关系到下面工作能否顺利的 进行。根据制定的实验方案，设计实验简图，准备实验所需的材料，设备以及器材，准 备工作基本就绪后，可进行实验台的搭建工作，实验搭建过程尤以实验段最为关键也最 困难，三个实验段的工作钢管分别加工，反射段和屏蔽段的工作管内壁贴铝箔，将一块 抛光铝板做成圆筒形，穿入屏蔽段的工作管，两端用环状石棉板固定，三段工作管加工 完毕后需要把芯管穿入其中，首先将芯管穿入屏蔽段的工作管中，将工作管移到与芯管 对应的位置，然后从芯管一段套入无反射段的工作管到其与芯管对应的位置用法兰与第 一段工作管连接，最后从芯管另一端套入反射段的工作管到其与芯管对应的位置用法兰 与第一段工作管连接，注意法兰连接时中间要加石棉垫片，以防止工作管之日j 的传热。 在两端分别用三根z 型钢筋将芯管与工作管焊接以此将工作管固定，并可补偿管道的热 伸长。实验段组装完成后，便可将芯管与油箱，高温齿轮油泵连接，至此管路连接完成， 实验台基本搭建好。 7 太原理j 人学硕十研究生学何论文 1 4 3 实验数据整理 实验台搭建好，试运行检查无误后进行数据测量，测量的数掘包括芯管外表面温度、 工作管外表面温度、保温层外表面温度、热流密度以及室内温度。实验有三个实验段即 无反射段、反射段和屏蔽段，每一实验段都需测量一组数据，测量的温度范围是l o o - 1 8 5 ，每隔1 0 测量一次，为了保证测量数据的准确性，我们又进行了二次测量，二 次测量的温度范围是1 0 0 。c - 1 6 0 。c ，每隔1 0 测量一次，那么每一实验段得到两组实验 数据，三个实验段共计六组数据。测量完毕后，需对这些数据进行整理，以便分析实验 结果，评价试验数据。首先，将芯管外表面温度与工作管外表面温度、芯管外表面温度 与保温层外表面温度、芯管外表面温度与热流密度的关系进行曲线拟合，得出其拟合公 式，用s i m u l i n k 建模得到实验模型，再根据传热分析得出传热公式，用s i m u l i n k 建模 得到传热模型，将实验模型与传热模型进行仿真得到仿真结果，最后分析比较实验模型 与传热模型的仿真结果。 1 5 本章小结 本章首先阐明了本文的选题背景，以便引出本文主题。然后说明课题的意义，任何 问题的提出都不是凭空而出的，而是为了适应时代的发展。本文就是在前人研究的基础 上进行探索，希望有所创新。另外，本章简述了国内外直埋敷设研究的现状，并着重讲 述我国近年来直埋技术的发展。最后对本文的主要研究内容进行了简要概述。 8 太原理1 人学硕十研究生学位论文 第二章直埋敷设技术的发展及应用 以往的城i b 热蚓建设大多采用架空敷设和地内敷设两种形式。但由于热晕损犬大、 施工周期长、基建投资高、影响市容整体美观或因占地面积大、资会耗费大等原因，这 两种敷设方式在城市热网建设中已逐步减少。而直埋敷设种形式得到了大力的发展，从 保温材料，防腐材料，保护材料的研究发展，到“管中管”型预制保温管的出现，表明 直埋管道技术的发展。直埋管道技术目拍在世界各地都得到了无可非议的承认。对于高 温直埋技术，有l o 余处关键技术，其隐患很大，若有一处技术处理不当，都可能造成 工程事故。 2 1 室外供热管道的敷设方式 2 1 1 架空敷设 管道敷设在地面上或附墙支架上的敷设方式。按照支架的高度不同，可有以下三种 架空敷设形势： 1 低支架在不妨碍交通，不影响厂区扩建的场合，可采用低支架敷设。通常是 沿着工厂的围墙或平行于公路或铁路敷设。为了避免雨雪的侵袭，低支架敷设，供热管 道保温结构底距地面净高不得小于0 3 m 。 低支架敷设可以节省大量土建材料、建设投资小、施工安装方便、维护管理容易， 但其适用范围太窄。 2 中支架在人行频繁和非机动车辆通行地段，可采用中支架敷设。管道保温结构 底距地面净高为2 o 4 o m 。 3 高支架管道保温结构底距地面净高为4 m 以上，一般为4 0 6 o m 。在跨越公路、 铁路或其他障碍物时采用。 架空敷设的供热管道可以和其它管道敷设在同一支架上，但应便于检修，且不得架 设在腐蚀性介质管道的下方。供热管道架空敷设是较为经济的一种敷设方式。它不受地 下水位和土质的影响，便于运行管理，易于发现和消除故障；但占地面积较多，管道的 热损失减大，易影响城市美观。 9 太原理1 人学硕十岍究生学何论文 2 1 2 地沟敷设 地沟是地下敷设管道的维护构筑物。地沟的作用是承受土压力和地面荷载并防水的 侵入。根据地沟内人行通道的设置情况，分为通行地沟、半通行地沟和不通行地沟。 1 通行地沟 通行地沟是工作人员可以在地沟内直立通行的地沟。其用在供热管道比较大，管道 数目比较多，或与其它管道共沟敷设以及用在不允许丌挖检修的地段。通行地沟的主要 优点是操作人员可在地沟内进行管道的同常维修以至大修更换管道，但其造价高。 2 半通行地沟 在半通行地沟内，留有高度约1 2 1 4 m ，宽度不小于o 6 m 的人行通道。操作人 员可以在半通行地沟内检查管道和进行小型修理工作，但更换管道等大修工作仍须挖丌 地面进行。当无条件采用通行地沟时，可用半通行地沟代替，以利于管道维修和判断故 障地点，缩小大修时的开挖范围。 3 不通行地沟 不通行地沟的截面积较小，只需保证管道施工安装的必要尺寸。不通行地沟造价低， 占地较小，是城镇供热管道经常采用的地沟敷设型式。其缺点是管道检修是必须掘开地 面。 2 1 3 直埋敷设 直埋供热管道，故名思义就是将输送供热用的管道通过预先保温防腐后，采用沿供 热线路挖沟就地直埋的方式敷设于地下。直埋供热管道技术目前在世界各国都已得到了 无可非议的承认。直埋供热管道技术之所以能够在世界各地得到广泛应用，不仅仅指因 为它采用高质量的绝热材料加之高强度的保温结构，解决了直埋管道的隔热性，抗压强 度，防水性等技术难题，关键还在于在节约投资，降低能耗方面给用户带来了巨大的经 济效益和社会效益。 2 2 保温管直埋技术的发展 以往的城市热网建设大多采用架空敷设和地沟敷设两种形式。一般而言，热力管道 架空敷设热量损失大，施工周期长，建设投资高，而且在市区内架空敷设也影响市容整 1 0 太原理l 。人学硕十研究生学位论文 体关观，不符合城市的规划要求，因此在城市热网建设中已逐步淘汰。地沟敷设形式的 热网建设虽然具有枪查、检修方便，防水耐腐蚀，使用年限长操作空间大的优点，但其 占地而g ，, j c ，结构复杂，施丁周期长，基建投资高，特别是地7 勾内夥：水、浸泡管网的问 题难以解决，使保温结构损坏，不仅损失热量，也大大加速了管j 亘的腐蚀，形成了很大 的浪费。 2 0 世纪6 0 年代以来，由于塑料工业的发展，加速了直埋供热管道的应用，出现了 i 、止化的预制直埋保温管。其特点是：导热系数低，容重小，闭孔率高，憎水性强，耐 腐蚀性好，强度高，粘结力高，施工周期短，投资少，同时还为机械化生产创造了条件。 2 0 世纪6 0 7 0 年代，我国北京煤气热力设计研究院等单位采用沥青珍珠岩结构的 预制保温管，对直埋敷设的设计理论、保温材料的性能及有关的设计数据进行了系统的 试验研究，并通过计算，当管路t l l o 时，系统不装任何补偿装蜀，也不必预热，即可 以安全运行。 8 0 年代仞，天津大学结合国内情况，开展了“氰聚塑”型预制保温管的研究，其结 构特点是钢管外壁涂氰凝防腐剂，保温层为聚氨酯，防护外壳为玻璃钢。这种结构的预 制保温管加工简单，价格较低，可在施工现场制作。目前，此方法已在国内管网施工中 普遍采用。 8 0 年代米期，国内有哈尔滨、天津两家工厂，引进了北欧“管中管”型预制保温 管生产线，进行批量生产，有关单位还派人到北欧等国进行考察，学习吸取国外先进技 术。此种保温管以硬质聚氨酯泡沫作保温层，在外面护以坚固的高密度聚乙烯作保护层， 是目前管网直埋管道技术的理想选择，代表了热力管道的世界水平。油田输油管道也广 泛使用了聚氨酯泡沫作保温层的保温管道。 2 3 保温管的结构及性能 热水直埋管道的保温结构如图2 1 所示 太原理1 人学硕+ - 研究生学付论文 图2 - 1 热水直埋管道保温结构 f i 9 2 1h e a t - i n s u l a t i n gs t r u c t u r eo f h o t - w a t e rd i r e c t - b u r r i e dp i p e 卜铜管；2 诉护层；3 珠温层；4 一防腐层 目i ； 较为常用的是将氰凝涂在钢管外作防腐层，用聚氨酯泡沫塑料作保温层，保护 层采用玻璃钢或高密度聚乙烯套管。但无论采用何种保温材料和结构，都要求保温结构 与钢管能牢固粘合为一体。高温蒸汽直埋管保温结构如图2 2 所示。 图2 - 2高温蒸汽直埋管道保温结构 f i 萨- 2h e a t - i n s u l a t i n gs t r u c t u r eo f h i g ht e m p e r a t u r ev a p o rd i r e c t - h u r t l e dp i p e 卜钢管；2 - 保护层；3 一外层保温层；4 一内层保温层；5 一防腐层 由于高温蒸汽直埋管道采用有补偿敷设方式，允许钢管膨胀收缩，而且由于大温差 造成胀缩幅度较大，故要求保温层必须与钢管之间脱开，使钢管在保温层内自由收缩。 这一点有别于热水直埋管保温结构，因此，建议在钢管外涂几遍沥青马蹄酯作防腐层， 防腐又润滑，减少钢管与内层保温层之间的摩擦系数。内层保温层采用岩棉或防水树酯 膨胀珍珠岩管壳；外层保温层采用聚氨脲酸酯发泡塑料，它能很好地与内层粘连，有助 于钢管与保温结构之间完全脱开；保护层采用玻璃钢或高密度聚乙烯塑料外套管。 聚氨酯保温直埋管在国外一些发达国家己成为一项比较成熟的先进技术。近十几 年，我国供热工程技术人员通过消化、吸收这项先进技术，正推动着国内管网敷设技术 向更高的层次发展。十几年来的实践成果充分证明了聚氨酯保温直埋管敷设方式与传统 的地沟及架空敷设相比具有诸多优点。这也正是聚氨酯保温直埋管在我国供热工程上得 1 2 太原理1 人中硕十研究生宁侍论文 以迅猛发展的内在动力。聚氨酯保温直埋管的优点： 1 降低工程造价。掘有关部门测锋，双管制供热管道一般情况下可以降低工程造 价的2 5 ( 采用玻璃钢做保护层) 和l o r 采用高密度聚乙烯做保护层) 左右。 2 热损耗低、节约能源。由r 直埋管采用聚氨酯硬质泡沫塑 进行保温，其导热 系数为， ：0 0 1 3 - 0 0 3 k c a l i 1 1 h 。c ，比其他过去常用的管道保温材料低得多，保温 效果提高4 - 9 倍。再有其吸水率很低，约为0 2 k g m 2 。吸水率低的原因是由于聚氨酯 泡沫的闭孔率高达9 2 左右。低导热系数和低吸水率，加上保温层和外面防水性能好的 高密度聚乙烯或玻璃钢保护壳，改变了传统地沟敷设供热管道“穿浔棉袄”的状况，大 大减少了供热管道的整体热损耗，热网热损失为2 ，小于国际1 0 的标准要求。 3 防腐、绝缘性能好，使用寿命长。直埋保温管由于聚氨酯硬质泡沫保温层紧密 地粘结在钢管外皮，隔绝了空气和水的渗入，能起到良好的防腐作用。同时它的发泡孔 都是闭合的，吸水性很小。高密度聚乙烯外壳、玻璃钢外壳均具有良好的防腐、绝缘和 机械性能。因此，工作钢管外皮很难受到外界空气和水的侵蚀。只要管道内部水质处理 好，据国外资料介绍，聚氨酯保温管道的使用寿命可达5 0 年以上，比传统的地沟敷设、 架空敷设使用寿命高3 4 倍。 4 占地少，施工快，有利环境保护。直埋供热管道不需要砌筑庞大的地沟，只需 将保温管埋入地下，因此大大减少了工程占地，减少土方开挖量约5 0 以上，减少土建 砌筑和混凝上量9 0 。同时，保温管加工和现场挖沟平行进行，只需现场接头，可缩短 工期约5 0 以上。 5 国外生产聚氨酯保温预制管，均设有渗漏报警线，若管道某处发生渗漏，通过 报警线的传导，便可在专用检测仪表上显示出保温管道渗水、漏水的准确位置及渗漏程 度的大小，以便通知检渗人员迅速处理漏水的管段，保证供热管网的安全运行。 总之，聚氨酯保温直埋管不仅具有传统地沟和架空敷设管道难以比拟的先进技术、 实用性能，还具有显著的社会效益和经济效益，也是供热节能的有力措施。采用直埋供 热管道技术，标志着我国供热管道技术发展已经进入了新的起点。随着这项先进技术的 进一步完善和发展，供热管道直埋取代地沟和架空势在必行。 1 3 太原理1 人学硕十研究生学惋论文 2 4 保温管直埋技术的分类及特点 2 4 1 有补偿直埋供热管道 当管道温度过高或难以找到热源预热或不适于大面积敞开预热时，则可采用有补偿 直埋方式。有补偿方式可分两种：有固定点方式和无固定点方式。 1 有固定点方式在补偿器两侧设置固定点，补偿器到固定点的间距不得超过管道 最大安装长度，固定点所承受的推力为土壤对管道的磨擦力。设计时应考虑到由于土壤 条件变化而造成的摩擦系数的变化，管线埋深的变化对位移的影响。施工时，也要特别 注意确保设计计算的热膨胀位移在运行时能够实现，在管网中采用固定支架柬控制膨胀 位移。 2 无固定点方式对于无固定点有补偿的敷设，首先应在管网平面布置及纵剖面图 上校核两个直管段是否超过最大安装长度l m a x 的2 倍。如果l 2 l m a x ，则还需在l 管段上设置补偿器，直到所有不带任何补偿器的直管段长度均不超 过2 l m a x 为止。 有补偿直埋敷设可以即时回填管槽，且运行安全，因此被广泛应用于高温热水管网 的地下敷设。 采用有补偿直埋敷设的方法，宜选用方形补偿器，并在这些补偿器部位做局部管沟； 也可选用波纹补偿器、套管补偿器，将其设置于检查井内，以便于检修。 2 4 2 无补偿直埋供热管道 无补偿直埋敷设的供热管网，设计时无需设置专用的补偿装置或考虑管道自然转弯 吸收管道受热伸长。 无补偿直埋供热管道有两种设计理论，一种是安定性理论，另一种是弹性理论。依 安定性理论设计的直埋供热管道施工时不需要进行预热处理，也不需要安装任何种类的 补偿器。安定性理论根据管道运行中温度应力的安定性分析，第一次供热运行管道发生 塑性变形，以后