（工程热物理专业论文）管道保温结构的优化设计研究.pdf

摘要 节能和环保是实现国民经济可持续发展的关键。保温被称为第五能源，提高保温技 术水平是企业节能、降耗增益的有效途径。目前研究以单层圆管优化设计居多，尚未见 方管保温计算相关报道。本论文分析并建立了方管和圆管完整的双层保温传热数学模 型，并用数值仿真的方法对管道保温结构进行了优化设计。 研究内容及结论如下： ( 1 ) 采用有限差分法和焓降法相结合方法，综合考虑三维热传递、内外保温材料热导 率随温度变化、管内表面综合传热热阻和管内介质物性参数为温度的函数，建立了完整的 方管保温求解数学模型。研究表明：模拟结果与测试结果误差 2 1 ，该模型能够为方管 保温提供较精确温度场、散热损失设计计算。保温材料热导率随温度变化和管内壁传热热 阻对短管管内介质出口温度的影响可以忽略；管长大于2 3 5 k m 时管内介质出口温度计算 要考虑保温层热导率随温度变化；忽略保温层热导率随温度变化的管外壁散热损失误差大 于1 1 ，表明管外壁散热损失和长管管内介质出口温度计算必须考虑保温层热导率随温度 变化，但在计算精度要求不高情况下可忽略管内壁综合表面传热热阻。 ( 2 ) 在综合考虑单位表面散热损失、保温层外表面温度及管内流体介质沿程温降三者 约束条件下，求解方管保温最佳内外经济保温层厚度。优化研究表明：保温材料价格和性 能、热价和管内介质流速为最佳内外经济保温层厚度的主要决定因素；在不同约束条件下， 存在不同的最佳内、外经济保温层厚度。单位面积散热损失、外表面最高温度随保温层厚 度增加而降低，管内介质出口温度随保温层厚度增加而升高。 ( 3 ) 将m a t l a b7 0 图形绘制功能与v b6 0 界面开发功能结合，进行v b 、m a t l a b 和 e x c e l 混合编程，开发出一种适用于流体储运保温、工业炉窑排烟烟道保温及矩形工业 炉窑保温使用的方管保温优化设计新软件，完成三维温度场分布、管内介质出口温度、 散热损失和最佳内外保温层经济厚度优化设计。软件操作简便、适应性广、界面友好、 运行稳定。 ( 4 ) 综合考虑二维热传递、内外保温材料热导率随温度变化、管内表面综合传热热 阻和管内介质物性参数为温度的函数，建立完整的圆管保温求解数学模型。对比分析方 管保温和处理为圆管保温当量直径求解的计算结果，结果比较表明：在其它条件不变情 况下，管内热空气出口温度误差随管径增大而减小，则大内腔边长的方管保温计算可以 简化为按内腔当量直径的圆管保温计算。 关键词：管道保温；优化设计；数值模拟；混合编程 a b s t r a c t e n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni sak e yf a c t o rt oa c h i v et h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y i n s u l a t i o ni sc a l l e dt h ef i f t he n e r g y i ti se f f e c t i v et o i m p r o v et h ep i p ei n s u l a t i o nf o re n e r g y - s a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o ni ne n t e r p r i s e s a t p r e s e n t ，t h ei n s u l a t i o no fs i n g l el a y e rf o rt h ec y l i n d e r - p i p ei so v e r w h e l m i n gm a j o r i t yi nt h e o p t i m i z a t i o nr e s e a r c h e s t h e r ei sl e s sr e s e a r c ho nt h es q u a r e p i p ei n s u l a t i o n ac o m p l e t e m o d e lo fd o u b l el a y e rp i p e - i n s u l a t i o ni ns q u a r e - - p i p ea n dc y l i n d e r - p i p eh a sb e e nb u i l ta n dt h e o p t i o n a ld e s i g no fp i p e - i n s u l a t i o ns t r u c t u r eh a sb e e na c h i v e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa n d s p e c i a l t i e so ft h i sw o r ka r ec u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) b a s e do nt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dt h ee n t h a l p yd r o pm e t h o d ，ai n t e g r a t e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h r e e - d i m e n s i o n a ls q u a r e p i p ei n s u l a t i o ni sb u i l to nc o n s i d e r i n gt h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yc h a n g ew i t ht e m p e r a t u r e ，t h et h e r m a lr e s i s t a n c eo fp i p ei n n e rs u r f a c e a n dt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so fm e d i u mi n s i d et h ep i p ew i t ht e m p e r a t u r e s t u d i e ss h o wt h a t t h eo u t l e tt e m p e r a t u r ee l t o ro fm e d i ai n s i d et h ep i p eb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o na n dt h et e s ti s l e s st h a n2 1 ；am o r ea c c u r a t et e m p e r a t ef i e l da n dt h e r m a lc a l c u l a t i o n sc a nb ep r o v i d e di n s q u a r e p i p ei n s u l a t i o n t h ee 虢c to ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yc h a n g ea n dt h e r m a lr e s i s t a n c eo n t h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo fm e d i ai nt h es h o r tp i p ec a nb en e g l e c t e d ；t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y c h a n g en e e db ec o n s i d e r e dt ot h eo u t l e tt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o no fm e d i aw h e nt h ep i p e l e n g t hi sm o r et h a n2 35 k m ；t h eh e a tl o s se r r o ro fo u t s i d es u r f a c eo fp i p ef i o mn e g l e c t i n g t h e r m a l c o n d u c t i v i t yc h a n g e i sm o r et h a n11 i ti s n e c e s s a r yt o c o n s i d e rt h e r m a l c o n d u c t i v i t yc h a n g ef o rt h eh e a tl o s sa n do u t l e tt e m p e r a t ec a l c u l a t i o no fm e d i ai nt h el o n g p i p e ，b u tt h e r m a lr e s i s t a n c eo fp i p ei n n e rs u r f a c ec a nb en e g l e c t e di nl o w e rp r e c i s i o nd e m a n d ( 2 ) i n c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft h r e ec o n s t r a i n t s ， f o re x a m p l e ，h e a t l o s s ， t e m p e r a t u r eo fo u t s i d es u r f a c ea n dt e m p e r a t u r ed r o po fm e d i ai n s i d et h ep i p e ，t h eo p t i o m a l l y i n t e r n a la n de x t e r n a lt h i c k n e s so fs q u a r e - p i p ei n s u l a t i o nc a nb eo b t a i n e d o p t i m i z a t i o n r e s e a r c h e ss h o wt h ep r i c ea n dp e r f o r m a n c eo fi n s u l a t i o nm a t e r i a l s ，t h eh e a tp r i c e ，t h ef l o w r a t eo fm e d i u mi n s i d et h ep i p ea r et h em a i nf a c t o r so fe c o n o m i ct h i c k n e s s ；t h e r ei sd i f f e r e n t o p t i m a l l yi n t e r n a la n de x t e r n a le c o n o m i ct h i c k n e s so fs q u a r e - p i p ei n s u l a t i o ni nd i f f e r e n t c o n s t r a i n t s t h eh e a tl o s so nu n i ta r e a ，t h eh i g h e s tt e m p e r a t eo fi n s u l a t i o ns u r f a c ea r et a k e n f r o mt h ei n c r e a s i n go fi n s u l a t i o nt h i c k n e s s ，t h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo fm e d i ai n s i d et h ep i p e i n c r e a s e sb yt h ei n s u l a t i o nt h i c k n e s s ( 3 ) ak i n do fn e ws o f t w a r ef o rs q u a r e p i p ei n s u l a t i o n , w i d e l yu s e di nt h ei n s u l a t i o n e n g i n e e r i n go ff l u i ds t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n ，t h ef l u eo ft h ep o w e rb o i l e r sa n di n d u s t r i a l u f u r n a c e s ，a n dt h er e c t a n g l ei n d u s t r i a lf u r n a c e s ，h a sb e e nd e v e l o p e d i ti sc o m b i n e dg r a p l l i c c a p a c i t yo fm a t l a b7 0 ，f r i e n d l yi n t e r f a c ec a p a c i t yo fv i s u a lb a s i c6 0a n de x c e l ，a n di s s u c c e s s f u l l yu s e dt h et e c h n o l o g yo fh y b r i dp r o g r a m m i n gw i t hv i s u a lb a s i c ，m a t l a ba n d e x c e l t h r e ed i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ep r o f i l e ，t h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo ft h ei n n e rm e d i a l ，t h e h e a tl o s sa n dt h eo p t i o m a l l yi n t e r n a la n de x t e r n a lt h i c k n e s so fi n s u l a t i o nc a nb eo b t a i n e d i ti s c h a r a c t e r i s t i co ft h es i m p l eo p e r a t i o n ，t h ew i d ea p p l i c a t i o na n dt h ei n t e r f a c ef r i e n d l y ( 4 ) a ni n t e g r a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc y l i n d e r - p i p ei n s u l a t i o ni sb u i l to nc o n s i d e r i n g t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yc h a n g ew i t ht e m p e r a t u r e ，t h et h e r m a lr e s i s t a n c eo fp i p ei n n e rs u r f a c e a n dt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so fm e d i u mi n s i d et h ep i p ew i t ht e m p e r a t u r e c o m p a r i s o no ft h e r e s u l t so fs q u a r e - p i p ei n s u l a t i o na n dc y l i n d e r - p i p ei n s u l a t i o nw i t he q u i v a l e n td i a m e t e r , t h e r e s u l t so fc o m p a r i s o ns h o wt h a tt h eo u t l e tt e m p e r a t u r ee r r o ro fh o ta i ri n s i d et h ep i p ei s r e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s eo fp i p ed i a m e t e r s q u a r e - p i p ei n s u l a t i o nw i t hl o n gs i d ec a nb e s i m p l i f i e da st h ec y l i n d e r - p i p ei n s u l a t i o nb yt h ee q u i v a l e n td i a m e t e r k e y w o r d s ：p i p e l i n ei n s u l a t i o n ；o p t i m a ld e s i g n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；h y b r i dp r o g r a m m i n g i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 义振当 日期：动户年，月才日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长 沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 艾萄炙宙 导师繇墨稚 日期：砷年，月芍咽 日期：冲年乡月前日 第一章绪论 1 1 管道保温技术发展与现状 节能和环保是实现经济可持续发展战略的关键。保温被称为第五能源，提高保温技 术水平是企业节能、降耗增益的有效措施【l 捌。管道保温工程的应用范围很广，不仅在 建筑领域要用到管道保温技术；在工业领域，尤其是化工油气和电力部门对保温技术的 要求更高。因此，建立完整而准确的物理和数学模型用以指导保温计算十分重要【3 】。在 我国现有的生产设计中，保温计算执行标准以工业设备及管道绝热工程设计规范， 设备及管道保温技术通则和设备及管道保温设计导则以及国家标准图集管道 及设备保温为基础，提出了一套较完整的计算公式，为指导管道保温设计提供了理论 依据，并且为具体的设计计算方法提供了参考【4 5 】。但是首先在风管管道保温计算方法 依然存在有不完善的地方，以及在规范运用的过程中出现很多问题，尚有需要改进之处， 尤其经济保温厚度的计算模型中忽视内表面换热系数【6 7 】：其次国内外的相关报道、文 献和保温设计手册绝大多数仅限于圆管保温，尚未致力于研究三维方管保温即保温材料 的径向、轴向和周向热传导i s , 9 】。 1 8 8 2 年美国就成立了世界第一个集中供热的纽约蒸汽公司，输配压力约为1 m p a 、 温度2 1 2 蒸汽；1 9 7 8 年美国最大的纽约联合爱迪生公司( e d i s o n ) 向2 3 0 0 余家用户 集中供热汽约1 4 5 0 万吨，但保温管道的泄漏量比较大且蒸汽损失约1 5 6 ；上世纪8 0 年代德国b r u g gr o h r s y s t e r m eg m b h 公司开发了p n 6 4 型耐4 0 0 管径d n 2 0 1 0 0 0 高温 保温管道，其经济效益更加明显，大幅降低了成本；近些年意大利高、中温蒸汽热管直 埋也有所发展譬如a e r e i m p l a l t l 的r e g g i o e m i l i a 热网区等蒸汽管网均采用复合保温管供 热【1 0 。1 2 】。不断创新的管道保温材料与结构是工业发达国家保温技术的最显著持点【1 3 】；目 前管道保温技术的发展方向和趋势为保温的同时重视并考虑到结构的防腐和防水，保温 结构从内至外为钢管、防腐层、保温层、防水层及保护层如环氧树脂防腐层、聚氨醋泡 沫保温层、聚乙烯夹克防水层结构，另如氯丁橡胶防腐层、聚氯乙烯泡沫保温层、氯丁 橡胶粘结层、聚氨醋填充层、模制聚氨醋防水保护层结构等。聚乙烯央克和模制聚氨醋 等外防水保护层的开发应用，为整体保温结构提供了比较理想的外防水层，特别是英国、 美国、日本等发达国家目前已成功开发出防水型保温材料，这种新型的保温结构使钢管、 防腐层、保温层和保护层牢固合为一体，构成的“三防体系”极大地提高了管道的防腐保 温效果【1 4 16 1 。 我国保温材料制品和施工工艺与工业发达国家都还存在相当差距，如保温材料生产 工艺整体水平和管理水平有待进一步提高与完善，需要加大科研投入力度，确保保温材 料产品质量的稳定性，提高保温材料性能，此外保温结构和施工工艺也存在不足之处 【1 7 19 1 。 管道保温涉及流固耦合传热，保温层温度分布需耦合管内介质温度变化来进行计算 【2 0 刁】。现管道保温设计计算大多采用自编程序来求解管道温度分布，然而在这些自编程 序中，多数涉及圆管且将管道简化成二维( 只考虑管道轴向和径向固体导热) 2 2 - 2 6 ，且 假定保温材料热导率不随温度变化【2 7 。3 2 】、管内壁和与其接触的流体无温差即忽略管内壁 传热热阻【3 3 , 3 4 】，这造成计算精度相对较差。同时，现有文献一般只研究圆管的保温问题， 而实际上工程中涉及到许多方管保温问题，如电力锅炉及其它工业炉窑排烟烟道保温、 矩形工业炉窑保温等都可以简化为方管保温问题，然而目前还没有相关文献的报道，有 关方管保温设计与优化专业软件更是空缺。 我国从8 0 年代初提出保温经济厚度设计方法，但由于其计算涉及因素很多，计算 复杂，工程设计中应用遇到不少困难；目前尽管规格、结构形式已与国际接轨，但有关 理论基础研究还不够，投入工程试验缺乏、存在设计潜留问题譬如保温材料“带病运行” 掣”】；从整体而言，我国保温技术水平和应用技术与国外差距较大，保温节能效益较发 达国家还有相当大的差距。 管道保温技术是材料工程、热能动力工程等学科的交叉研究领域，以温度场的分析 为基础，其它热补偿器的设置，保温材料类型选择，保温结构和厚度选择及保温材料的 安全性都与温度场息息相关。因此如何根据我国的实际现状，因地适宜地发展我国保温 技术显得尤为重要；以温度场分析为基础，利用优化技术合理确定保温结构和最佳内、 外保温层厚度，提高管道设计计算的科学性和准确性，发挥程序的设计效率，缩短设计 周期，必将极有利于管道保温技术的推广，促进保温工程数字和信息化的工作开展。 1 2 管道保温设计与研究方法 管道保温技术研究方法分为两大类：传统法( 热力学第一定律) 和热力学第二定律 法【3 6 3 7 1 。目前绝大多数管道保温研究主要采用传统法，以减少散热量为重点考虑目标， 从经济角度来确定最佳热力管道管径及保温层厚度，在我国管道保温计算执行标准设计 手册中绝大多数以传统法为基础【3 引。 传统法：以热力学第一定律为基础，研究外部能流( 热量与功) 与系统参数之间以 及某些内部参数之间的关系( 如热效率、管道保温的性能系数等) 和其它技术、经济指 标并评价它们的完善程度【3 9 】。目前为止我国管道保温领域中大多仍沿用这种方法。热力 学第一定律所反映的是同一性与共性，即不同形态的能量转换时其能的总量保持不变， 针对某系统而言，“进入系统的能量系统散热损失的能量= 系统中储存能量的变化”。在 管道保温技术中，管内介质温度远高于管道周围的环境温度，在这径向温差的推动下， 管内介质的热量将不断地往管外散失，介质在不断前进过程中温度不断地降低即沿程温 降。一般工程实际中利用苏霍夫温降公式来求解沿程温降4 0 4 2 】。对于单层和多层管道保 温技术水平直接影响管道散热损失及安全输送，如果增加保温层厚度，尽管可以降低散 热损失，但保温材料等一次性投资费用大幅度增加；因此有必要在满足工艺要求基础上 2 进行保温厚度经济性比较，分析其综合导热系数与保温结构的各材料厚度的关系，计算 其散热损失及动力损失，确定最佳保温层厚度，从而达到节能降耗的目的。以上就是人 们常把它归类为热力学第一定律分析法或能量平衡计算方法【4 孓4 6 1 。 热力学第二定律分析法：包括熵分析，火用分析和能量级分析法。是以热力学吉布 斯理论为基础，利用热力学势概念的方法，在各种系统之间分析能量转换过程时，用可 靠的方法选定热力学势最为关键【4 7 4 9 1 。从上个世纪4 0 - - - 5 0 年代开始，以热力学势概念为 基础的分析方法逐渐受到人们的关注，该方法在管道保温工程技术应用领域也得到一定 程度的重视。管内介质温度乃至保温层外表面温度要高于管道周围环境温度，在这径向 温差推动下，必定存在一定的散热损失，即从高温到低温的不可逆传热过程，因此热力 系统在热损失过程中熵量增加，从而造成热力系统火用的减小即做功能力损失。热力学 第二定律阐明与热现象相关的各种过程的方向、条件及极限的定律，所揭示的热能与其 它形式能量转换工程的方向性或不可逆性，耗散效应和有限势差作用下的非准平衡变化 是造成过程不可逆的两大因素，实际过程中也难以避免各种不可逆因素。鉴于此，以热 力学第二定律为基础，以有效能的概念为核心，考虑管道工程的保温工程造价，管道工 程造价，散热损失以及耗散效应产生的流动损失四个方面的经济代价，建立完整的优化 模型，而这一模型将同时得出经济流速，管道的最佳管径和经济保温厚度，可作为管道 工艺设计的基础。 1 3 管道保温研究背景 ( 1 ) 能源是人类赖以生存和发展所不可或缺的资源。绝大多数国家都以矿物燃料如 石油、天然气等为主要能源，但随着全球经济的快速发展、人口增加和能源利用不合理 等因素，能源矛盾与环境问题日益突出，已成为严重制约全球经济发展主要因素之一。 在社会不断发展和消费水平日益提高的今天，能源紧缺问题也已成为制约我国经济和社 会可持续发展的主要瓶颈之一，逐渐影响到我国居民的生活水平。我国人口众多，人均 拥有的石油、煤和天然气等不可再生资源量非常少，天然气和石油的人均拥有量仅分别 占世界平均值的4 4 和1 1 1 4 。2 0 0 3 年我国能源消耗总量为1 6 7 8 亿吨，均居世界第 二位，绝大多数能源依赖于进口。据专家预计，2 0 2 0 年将超过美国成为世界第一大能 源消耗国，因此能源危机成为我们需认真思考的话题【5 0 】。 随着再生能源法的颁发，节能减排工作已成为当前工作中的重中之重，国家“十 一五 规划纲要提出，“十一五 期间单位国内生产总值能耗降低2 0 左右、主要污染 物排放总量减少1 0 。这是贯彻落实科学发展观，加快经济增长方式转变，建设资源 节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的具体要求。2 0 0 6 年2 8 号文件国务院关 于加强节能工作的决定、2 0 0 7 年1 5 号文件国务院关于印发节能减排综合性方案的 通知以及2 0 0 7 年修改通过并于2 0 0 8 年4 月1 日中华人民共和国节约能源法正式 颁布实施，国家相继出台多项政策措施鼓励企业节能。然而，当前节能减排目标面临的 3 形势依然不容乐观，发改委的专家估算，如不采取切实有效的节能措施，“十一五”期间 节能减排的总体目标将难以实现。 ( 2 ) 实验室大型商业软件如f l u e n t ，往往由于其使用的复杂性和专业性如有效网 格划分、求解及其后处理等，计算耗时长且有收敛性问题，不便应用于工程现场操作， 以至于工程实际操作中此类大型通用软件难以推广使用，但是管道保温专业软件一直是 个空缺，能开发出一套管道保温设计与优化的专业软件应用于现场采集数据、现场划分 网格、现场数值计算、现场输出计算结果和分析并用图形显示计算结果是提高和推广管 道保温技术的关键。 综上所述，我国能源利用效率低、节能潜力巨大，相当多的热能被无益地散失，既 造成巨大的能源浪费也加剧了环境的污染，因此深入探讨与研究管道保温温度场分布和 优化设计，与进一步开发出完整的管道保温软件成为关键。不仅提高我国保温工程优化 设计，也促进保温工程数字和信息化工作的开展，开发出具备中国知识产权的管道保温 应用技术是十分必要的。 1 4 管道保温研究意义 在众多科研人员与技术人员的共同努力下，我国的管道保温技术得到了较大地发展， 技术水平不断进步。随着能源危机加剧和环保政策相继出台，对管道保温技术提出了更 高的新要求，从过去的圆管保温发展到现在方管保温的出现，从单层管道保温发展到双 层乃至多层管道保温。因此，如何在热量的管道输送过程中将其能量损失降至最经济、 最节能，从而达到降低采暖等系统的初期投资和能耗的目的，其中主要方面就是选取合 适的保温材料，确定最佳经济保温层厚度，即如何科学地设计管道保温，合理安排保温 结构，挖掘节能潜力，推广保温技术的应用范围，促进保温工程数字和信息化的工作开 展，进一步提高我国保温作业的现代化管理水平，已成为保温技术急迫解决的课趔5 1 5 2 1 。 管道保温研究具有一定的理论意义：综合考虑三维热传递、内外保温材料热导率随 温度变化、管内表面综合传热热阻和管内介质物性参数为温度的函数建立完整的方管保温 求解数学模型，有利于提高保温热力计算精度，从而为方管内、外保温层的优化设计提 供指导。( 1 ) 目前管道保温热力计算与优化设计大多数采用自编程序求解，国内仅涉及到 圆管保温热力计算和优化，且以单层圆管保温研究居多，求解中考虑圆管保温层径向热 传导，假定保温材料热导率不随温度变化、管内壁和与其接触的流体不存在传热热阻， 即管内换热系数无穷大，因此热力计算求解结果精度较差。( 2 ) 国外有少量矩形管道保温 研究文献报道，然而在实际工程中涉及到许多近似方管保温问题，如电力锅炉及其它工 业炉窑排烟烟道保温、矩形工业炉窑保温等都可以简化为方管保温问题。( 3 ) 管内壁传热 热阻。保温管内为气相流体介质情况下，管内壁与管内介质之间的对流和辐射综合传热 系数，外保温层外表面与外界环境之间的对流和辐射综合传热系数，两者综合传热系数 接近，因此管内壁传热热阻不能忽视即视为无穷小。( 4 ) 在方管保温区域非均匀网格划分 4 基础上，应用有限差分法和焓降法结合求解流动与传热问题，提高方管保温计算的科学 性和准确性。( 5 ) 方管保温处理为圆管保温当量直径求解，误差修正简化方管保温热力计 算与优化求解。 管道保温研究明显的工程应用价值：基于有限差分法和高斯塞德( g s ) 迭代法， 运用v b 6 0 主程序调用m a t l a b 7 0 功能模块的技术路线，可以把v b 的强大界面设计功 能和m a t l a b 7 0 强大的数据处理绘图功能两者优势结合起来，将大大提高程序的设计效 率，缩短设计周则5 3 。5 6 1 。( 1 ) 方便工程设计人员和减轻设计劳动强度，同时提高设计计 算的科学性和准确性，进一步解决了管道保温优化设计问题；( 2 ) 能做到现场采集数据、 现场划分网格、现场数值计算、现场输出计算结果及分析并用图形显示温度场及温降， 反映迅速、浅而实用，可广泛应用于工程实际中：( 3 ) 软件界面简单、友好、易用，容 易被客户所掌握，对推广保温技术的应用范围有着积极意义，有助于进一步提高管道保 温设计和管理的现代化水平，对石油化工电力等企业的管道保温改造起着有效指导作 用；( 4 ) 分析保温层厚度、方管尺寸和管内介质流速等众多因素对温度场的影响，进而 发现温度场的变化规律，优化保温层经济厚度、保温结构及保温选材，使温度场的趋向 于合理。因此建立完整管道保温数学模型 5 7 , 5 8 】，求解最佳内、外经济保温层厚度的研究 显得日趋重要，以此为国家节能减排做出应有的贡献。综上所述，编制一套方管圆管保 温优化设计软件具有一定的理论价值和实用价值。 1 5 论文研究内容 论文主要研究内容如下： ( 1 ) 有限差分法和焓降法相结合，综合考虑三维热传递、内外保温材料热导率随温 度变化、管内壁表面综合传热热阻和管内介质物性参数为温度的函数，建立完整的方管 保温计算物理与数学模型，并研究提高方管保温计算精度的途径和方法。 ( 2 ) 考虑单位外表面散热损失、保温层外表面温度及管内流体介质沿程温降三者约 束条件下，优化求解方管保温最佳内、外经济保温层厚度。 ( 3 ) 综合考虑二维热传递、内外保温材料热导率随温度变化、管内壁表面综合传热 热阻和管内介质物性参数为温度的函数，建立完整的圆管保温求解物理与数学模型。方 管保温处理为圆管保温当量直径求解误差分析。 ( 4 ) 基于面向对象编程的基本思想，以v b6 0 为开发平台，结合m a t l a b7 0 数学运 算和图形绘制功能和e x c e l 2 0 0 3 数据处理功能，混合编程开发出应用于工程现场的管道 保温优化设计新软件。 第二章方管保温计算物理与数学模型 方管保温数值仿真的基本思路为依据传热基本原理，建立管道保温层计算数学模 型，采用有限差分法求解保温层温度场分布。有限差分法是求解偏微分方程的数值解最 古老的方法，也是针对简单几何形状中的流动与传热问题的一种容易实施的方法。有限 差分法基本思想是将求解区域用网格节点所组成的点的集合来替代，在每个节点上，所 描写偏微分方程中的导数项用相应的差分表达式来替代，从而在每个节点上形成一个代 数方程，每个代数方程包含了本节点及其附近一些节点上的所求量的未知值。求解这些 代数方程也就获得了初始偏微分方程的数值解。在规则的计算区域结构化网格上，有限 差分法是十分有效而简便，而且较容易引入对流项的高阶格式。 本章以方管保温为研究对象，综合运用有限差分法和焓降法，考虑内、外保温层热 导率随温度变化、管内壁传热热阻和管内介质属性参数为温度的函数，建立完整的三维 方管保温层温度场分布的数学模型，采用高斯一塞德迭代求解保温层温度场分布，并分 析保温材料热导率、管内壁综合传热热阻和管内流体介质物性参数对方管保温计算精度 的影响；内保温层厚度、外保温层厚度、管内介质流速等因素对温度场的影响，进而发 现温度场的变化规律，从而为方管保温层的优化设计提供指导，最终实现在保温过程中 既经济又能满足工艺要求。 2 1 求解区域 方管保温结构对称，管内外边界条件对称如图2 1 所示，选取1 8 保温结构作为研 究对象如图2 2 所示，以此极大减少计算量，然后对称映射得到整个方管保温的温度场。 图2 1 方管保温结构 6 管内介质( 第三类边界) 1 出 1 乙 山，曲 - 黪 4 r - ji 十m z i 。矿 a w ， ，。 帆 1 1 l ，皂j 口窟3 乏 ，i1 7 卜扭，荭。 l 肝 l 外界环境( 第三类边界) i 一 占 一 一 万 一一 l 一 2 2 主要传热方式 图2 2 计算区域及非均匀网格划分 藩 磐 艮 翔 建模区域共含内、外两种不同保温材料。方管保温的主要传热方式如表2 1 所示， 即：内保温层材料与外保温层材料之间为热传导、内保温层内壁面与管内流体介质之间 的辐射与对流综合传热、外保温层外表面与环境之间的辐射与对流综合传热。 表2 1 方管保温主要传热方式 保温层区域传热方式 1 区 1 区与2 区热传导、1 区与外界环境辐射和对流综合传热 2 区 2 区与1 区热传导、2 区与3 区热传导、2 区与4 区热传导、2 区与外界环境辐 射和对流综合传热 3 区 3 区与2 区热传导、3 区与5 区热传导、3 区与外界环境辐射和对流综合传热 4 区 4 区与2 区热传导、4 区与5 区热传导 5 区 5 区与3 区热传导、5 区与4 区热传导、5 区与管内介质境辐射和对流综合传热 2 3 边界条件 方管保温仿真计算模型区域共含6 个边界，其边界条件分别如表2 2 所示。 ( 1 ) 内保温层内表面( 钢管与管内介质接触面) 为第三类边界条件，管内流体介质 与钢管内壁表面的辐射与对流综合传热系数通过计算赋值。 ( 2 ) 外保温层外表面( 与环境接触面) 为第三类边界条件，外界环境与外保温层外 表面的辐射与对流综合传热系数通过计算赋值。 ( 3 ) 保温结构对称，管内外边界条件中心轴对称；内外保温层斜对称面，内外保温 层竖对称面为第二类边界条件，假定为绝热，通过该面的热流量为0 。 7 ( 4 ) 方管保温进口端外表面、出口端外表面为第二类边界条件，假定为绝热，通过 该面的热流量为0 。 表2 2 方管保温计算边界界定 边界位置边界条件类型 内保温层内表面第三类边界条件 x o t a n ) w = j | i i n ( 晓一k 粥) 外保温层外表面 第三类边界条件 - x ( a t o n ) w = h o u t ( 氏y ，：- t o ) 保温层斜对称面 第二类边界条件 一x ( a t a n ) w = o 保温层竖对称面第二类边界条件 - x ( a t a n ) 。= o 管道进口端面第二类边界条件 - x o t a n ) 。= 0 管道出口端面第二类边界条件- x ( d t a n ) w = o 2 4 传热简化 a ) 工程实际中产能波动较小，假定管内流体流动稳定，流体分布均匀，因此建模 中可以视方管保温的热传递过程为三维稳态传热 b ) 方管保温传热数学模型中不存在内热源相，即s = o c ) 只考虑沿程方向的流体温度变化，金属管热导率小且厚度薄，忽略金属管导热热阻。 d ) 金属管外设置内、外保温层，由于方管保温结构其截面具有完全的中心轴对称 性，只取方管保温的1 8 作为计算区域，以此减少计算量 对方管保温传热模型3 点新考虑 a ) 方管保温三维热量传递( 即：内、外保温材料的径向、轴向与周向热量传递) 。 b ) 管内壁传热热阻。管内为气相流体介质情况下，管内壁与管内介质之间的对流和 辐射综合传热系数，外保温层外表面与外界环境之间的对流和辐射综合传热系数，两者 综合传热系数接近，因此管内壁传热热阻不能忽视即视为无穷小。 c ) 考虑保温材料热导率随温度变化，外保温材料热导率= k w h f + 和内保温材 料热导率缸= k 曲t + 插值求解，即保温材料变导热系数的应用。 d ) 保温管内流体介质物性参数为温度的函数。 根据能量守恒定律，其简化条件下的三维稳态传热微分方程式为： 旦( 旯兰) + 一0 ( 力一o t ) + 旦( 五堡) + s ：0 ( 2 1 ) 舐缸咖砂 瑟瑟 ( 1 ) 管内壁与管内流体介质之间的综合表面传热系数 方管保温管内壁表面包括对流换热和辐射换热。 一般工程应用中管道保温的管线长度，与方管的当量直径d 之比大于6 0 ，管内流体 介质平均流速范围约3 2 0 m s ，雷诺数范围为：1 0 4 r e 1 2 x 1 0 5 ，因此管内壁与管内 流体介质之间的对流换热可视为管槽内湍流强制对流传热。 n u ，= 0 0 2 3 r e ) 8p # 3 存在综合表面传热热阻时，管内壁与管内流体介质之间的综合表面传热系数： h i n = 0 0 2 3 - 考- u 。c u i n d0 8 钟3 + 菱 4 一碍4 协2 ， 本章将针对存在管内壁综合表面传热热阻( i l ；。钡p ) ) 和忽略管内壁综合表面传热热 阻( k = 一) 两种情况进行研究。 ( 2 ) 外保温层外表面与外界环境的综合表面传热系数简化式 h 哪= 1 1 6 3 ( 1 0 + 3 瓜o ) 5 1 ( 2 3 ) 室内或无风速值时u o = o ， 叫可取为1 1 6 3 w ( m 2 ) 】；室外则可以选用当地气象 局的资料平均风速来确定，或采暖期间的平均风速来参考。 ( 3 ) 利用焓降法计算热空气温降 对于理想的气体和液体，温度与焓的关系可以表示为： 日= 坛0 d 0 ( 2 4 ) 匀= a g c p a o = a 。u 娩。c p ；包一良l c p 州晓+ 1 ) = 等等等= 丙o z c p , z 目z 一矾去石协5 ， 式中：t 为保温材料温度，；0 为管内介质温度，；a 为保温材料热导率，w ( m k ) ； s 为内热源，s = 0 ；d 为方管当量直径，m ；n u 为努谢尔特准数，无量纲；r 为普朗特准 数，无量纲：p 为密度，k g m 3 ：为表面发射率，无量纲；盯为玻耳兹曼常量，w ( m 2 k 4 1 ； c p 为比定压热容，j ( k g k ) ；g 为热空气的质量流量，k g s ：h 为表面传热系数，w ( m 2 k ) ； g 为散热损失量，w m 2 ；“为速度，m s ；b 为管内腔半边长，m ；h 为物质热焓，j k g ； a 为管内腔横截面面积，m ? 。下标：五y ，z 为位置；n b 为内保温层；w b 为外保温层；1 为进口；2 为出口；0 为环境；i 1 1 为管内表面；o u t 为管外表面。 2 5 离散方程 9 采用有限差分法求解偏微分方程对几何规则的计算区域是最有效而易实施的方法。 其基本理论发展相当成熟，有较完整的定性分析理论