【论文精选】真空复合保温预制直埋管散热损失实验研究

原创 白冬军，等 煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

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作 者： 白冬军，杨雪飞，冯文亮，高雪，彭晶凯

第一作者单位： 北京市公用事业科学研究所

摘自《煤气与热力》2021年4月刊

参考文献示例

白冬军 ，杨雪飞 ，冯文亮，等 .    真空复合保温预制直埋管散热损失实验研究 ［J］.    煤气与热力， 2021，41（4） ：A19-A22，A26.

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热力管道

1    概述

随着我国城镇化水平的不断提升，城镇集中供热管网建设工程量不断增加，新技术、新工艺、新材料广泛应用，更多型式结构的 保温管 相继出现。近年来，由工作管（钢质管）、无机纤维、气凝胶保温材料（保温层）、真空层、内部导向支架、钢质外护管组成的真空复合保温预制直埋管（本文简称真空复合保温管），被更多地用于蒸汽等高温介质输送。

 

目前，对真空复合 保温管 散热损失的研究多为理论计算。杜建梅等人 ^{［ 1 ］} 对真空复合保温管进行理论传热计算，研究结果表明，真空复合保温管（工作管外直径 325 mm ，外护管外直径 630 mm ，保温层厚度为 90 mm ，真空层绝对压力 2 000 Pa ）输送 350 ℃蒸汽时，单位长度散热损失为 111 W/m 。李擎煜等人 ^{［ 2 ］} 进行反射层对真空复合保温管保温效果影响的研究，得到不同材料反射层反射率随温度的变化，分析外护管外壁温度与反射层反射率的关系。

 

本文针对真空复合保温管展开散热损失实验研究。以导热油为循环介质，分别采用热流计法、表面温度法、热平衡法进行测试。对 3 种方法的测试计算结果进行对比，分析存在差异的成因。

 

2    实验内容  

2.1   实验对象

 

实验对象为长度 5 000mm 真空复合保温管段（以下简称实验管段），真空复合保温管结构见图 1 。结构参数见表 1 。

图 1    真空复合保温管结构

表 1    真空复合保温管结构参数

 

2.2   实验系统

 

实验系统见图 2 。实验装置包括油箱（附带加热器）、循环泵、防爆波纹金属软管、调节阀等，油箱、防爆波纹金属软管、调节阀阀体等进行了保温处理。油箱中的导热油经加热器加热后，在循环泵的作用下经防爆波纹金属软管送至实验管段。导热油流经实验管段后，回到油箱。

 

图 2    实验系统

 

测量装置包括压力表、真空表、超声波流量计、热电偶、热流传感器等。压力表负责测量导热油压力，真空表负责测量真空层的绝对压力，超声波流量计负责测量导热油流量，真空层的绝对压力由抽真空泵（未在图 1 中体现）保证。热电偶探头与工作管外壁接触，测量工作管外壁温度，将导热油温度与工作管外壁温度等效。热流传感器探头与外护管外壁接触，测量外护管外壁温度、热流密度（散热损失）。

 

热电偶、热流传感器的分布见图 3 。在距实验管段进出口 170 mm 处分别安装 1 个热电偶。在距实验管段进出口 1 000 mm 处分别布置 1 个热流传感器，在实验管段中间布置 1 个热流传感器。 3 个测量截面上热流传感器的具体安装位置见图 4 。除以上数据外，实验过程还测量了实验室的环境温度、风速等数据。

 

图 3    热电偶、热流传感器的分布

 

1~3. 测量截面

 

图 4   3 个测量截面上热流传感器的具体安装位置

 

1~3. 测量截面

 

2.3   实验条件

 

实验室温度基本保持在 10 ℃左右，空气相对湿度为 35% 左右，风速 0.02 m/s ，大气压力为 101.3 kPa 。真空层绝对压力分别控制在 2.0 、 12.0 、 22.0 、 101.3 kPa ，导热油进口设定温度 t 分别取 110 、 120 、 130 、 140 、 150 ℃。通过调整调节阀使导热油流量保持在 0.35 m ³ /h ，当热流传感器、热电偶读数基本稳定后，每隔 10 min 记录 1 次数据，连续记录时间为 2 h 。环境温度 t _a 、工作管进、出口导热油温度（ t _in 、 t _out ）均取连续记录时间内的算术平均值，外护管外壁温度 t _w 、热流密度 q 取测试截面 1~3 上热流传感器测试结果在连续记录时间内的算术平均值。

 

3    实验数据及分析  

3.1   实验数据

 

真空层绝对压力 2.0 、 12.0 、 22.0 、 101.3 kPa 条件下，各导热油进口设定温度对应的实验数据分别见表 2~5 。

 

表 2    真空层绝对压力为 2.0 kPa 的实验数据

表 3   真空层绝对压力为 12.0 kPa 的实验数据

表 4    真空层绝对压力为 22.0 kPa 的实验数据

 

表 5    真空层绝对压力为 101.3 kPa 的实验数据

3.2  测试方法

 

①热流计法

 

热流计法测得的散热损失，即表 2~5 中的外护管外壁热流密度。不同真空层绝对压力下散热损失（由热流计法得到）随导热油进口设定温度的变化见图 5 。由图 5 可知，真空复合保温管的散热损失随导热油进口设定温度的增大而增大。导热油进口设定温度一定时，散热损失随真空层绝对压力的增大而增大。真空层绝对压力为 2.0 kPa 时，散热损失最小。真空层绝对压力为 12.0 、 22.0 、 101.3 kPa 时，散热损失接近。在保温材料种类、厚度、安装方式一定的前提下，真空层绝对压力（更低）对获得更低的散热损失发挥着决定性作用。

 

图 5    不同真空层绝对压力下散热损失（由热流计法得到）随导热油进口设定温度的变化

 

图 6    不同真空层绝对压力下散热损失（由表面温度法得到）随导热油进口设定温度的变化

 

表 6    不同温度导热油的比焓与密度

 

不同真空层绝对压力下散热损失（由热平衡法得到）随导热油进口设定温度的变化见图 7 。由图 5~7 可知， 3 种方法得到的不同真空层绝对压力下散热损失，随导热油进口设定温度的变化基本一致。

 

图 7    不同真空层绝对压力下散热损失（由热平衡法得到）随导热油进口设定温度的变化

 

4    测试方法选用

 

比较测试计算结果可知，热流计法的测试结果与表面温度法的计算结果接近，热平衡法的计算结果与前二者的差别较大。

 

主要原因为：热平衡法中参与运算的导热油实际温度的比焓、密度根据有限的已知数据采取插值法计算，造成计算结果与实际偏差较大。虽然表面温度法也采用了计算法，但参与运算的数据大多数为测试值，因此计算结果更加接近实际。

 

GB/T 28638 — 2012 第 5.2.1 款要求，一级测试应采用不少于两种测试方法。对于该实验，宜采用热流计法、表面温度法。

 

5    结论

 

真空复合保温管的散热损失随导热油进口设定温度的增大而增大。导热油进口设定温度一定时，真空复合保温管的散热损失随真空层绝对压力的增大而增大。真空层绝对压力为 2.0 kPa 时，真空复合保温管的散热损失最小。真空层绝对压力为 12.0 、 22.0 、 101.3 kPa 时，真空复合保温管的散热损失接近。在保温材料种类、厚度、安装方式一定的前提下，真空层绝对压力对获得更低的散热损失发挥着决定性作用。

 

热流计法的测试结果与表面温度法的计算结果接近，热平衡法的计算结果与前二者的差别较大。该实验宜采用热流计法、表面温度法。

参考文献：

［ 1 ］杜建梅，王文军，李洁，等 .  真空绝热管道的传热计算［ J ］ .  煤气与热力， 2011 （ 12 ）： B01-B03.

 

［ 2 ］李擎煜，程旭东，聂臻，等 .  真空保温管反射层对保温效果的影响研究［ C ］ // 中国机械工程学会 .  第十届全国表面工程大会论文摘要文集 .  武汉：中国机械工程学会， 2014 ： 177. 

 

  （本文责任编辑：贺明健）

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