馬軍衛(wèi)

（航空工業(yè)飛機強度研究所，陜西西安 710065）

0 引言

氣候環(huán)境實驗室模擬自然環(huán)境工況，為驗證試驗件在自然環(huán)境中的適應能力創(chuàng)造氣候條件。氣候環(huán)境實驗室可以根據(jù)試驗要求模擬自然環(huán)境的氣候條件，達到試驗件驗證所需，檢驗其在復雜氣候條件下的可靠性[1]。其中低溫環(huán)境是氣候環(huán)境實驗室可模擬的基礎環(huán)境工況，為試驗件進行冷浸和特殊環(huán)境模擬試驗創(chuàng)造氣候環(huán)境基礎條件。

當實驗室內(nèi)模擬環(huán)境溫度T≤0 ℃時，試驗件有供水需求時會發(fā)生凍害[2]。凍害現(xiàn)象會從用水設備與供水管道連接處延伸到實驗室保溫箱內(nèi)閥門與管道連接處，凍害發(fā)生會導致試驗用水設備的無法正常工作，直接影響到試驗的正常進展。

1 氣候環(huán)境實驗室供水管道凍害產(chǎn)生原因

在實驗室處于低溫（-40 ℃≤T≤0 ℃）工況，試驗件有用水需求時，供水管道選用Φ50 mm的高壓橡膠管。該供水管道一端連接試驗用水設備，一端會進入實驗室內(nèi)的保溫箱與墻壁供水接口對接，不同的試驗項目對水質(zhì)有不同要求。適用于試驗要求的供水會先經(jīng)過處理，然后通過高壓橡膠管輸送，供水溫度要求不低于2 ℃，實驗室內(nèi)單個供水接口供水量不小于13 m3/h。由于實驗室處于低溫環(huán)境，當管內(nèi)水流速過低或者靜止時供水管會遭受凍害，凍害主要有以下內(nèi)容：①供水管道內(nèi)部凍結(jié)，導致供水中斷；②供水管道內(nèi)壁結(jié)冰，造成供水流量減??；③供水管道外壁吸附水汽成冰。

2 氣候環(huán)境實驗室防凍設計方案

2.1 設計原則

在保證解決凍害前提下，選擇防凍害措施時設計者重點考慮以下5個方面內(nèi)容：①自控程度高，方便操作；②使用安全可靠，反應靈敏；③溫度均勻，經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保；④便于安裝，維護工作少；⑤便于監(jiān)測，有報警信號。

2.2 常用防凍害方法介紹

目前我國工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中管道防凍害的措施主要有如下4種：

（1）保溫材料。在供水管道外纏繞一定厚度的保溫材料，形成空氣隔熱層，降低供水管道內(nèi)供水溫度下降速度，達到維持供水溫度的目的[3]。

（2）防凍液。在供水管道內(nèi)混合降低供水冰點的防凍液，提高水的耐寒性。

（3）熱水伴熱。在供水管管線旁平行安裝熱水管道，共同敷設保溫材料，通過熱水保溫防凍。

（4）電伴熱。電伴熱保溫是一種應用電熱帶產(chǎn)生熱量以彌補管道損失熱量的保溫手段。

2.3 氣候環(huán)境實驗室防凍害方案選擇

根據(jù)實驗室的工況并結(jié)合設計原則，對4種防凍害方式進行分析比較，具體內(nèi)容如下：

（1）保溫材料。供水管道處于低溫環(huán)境特別是極限低溫環(huán)境時，單純增加保溫材料厚度不能防止管道靜流速水的凍結(jié)，對防凍的作用不大，不能徹底解決凍害問題[4]。

（2）防凍液。由于試驗設備及試驗項目對用水有嚴格要求，添加防凍液的方法破壞了水質(zhì)，不適合氣候環(huán)境實驗室防凍害。

（3）熱水伴熱。氣候環(huán)境實驗室供水管道要反復拆裝，供水水溫有要求，而熱水伴熱保溫管道安裝工程量大，熱水溫度控制復雜，操作困難，故不適合氣候環(huán)境實驗室防凍。

（4）電伴熱。電伴熱保溫安裝簡單，拆卸方便，溫度控制容易。在實際應用中，電伴熱通常不用于提高流體的溫度，主要應用于防凍、防凝和管線保溫，試驗正常供水時，供水管道內(nèi)的水流速度較快，電伴熱對管道內(nèi)水溫的影響可以不計，因此，電伴熱保溫非常適合氣候環(huán)境實驗室的使用需求。

2.4 電伴熱方案特點

（1）技術(shù)成熟。電伴熱保溫經(jīng)過多年發(fā)展是比較成熟的水管保溫防凍方案，在生產(chǎn)生活中每年冬季都會因氣溫降低發(fā)生自來水管道、消防水管、太陽能水管凍害的情況，管道電伴熱有效的解決了這些凍害。

（2）安全可靠。電伴熱保溫采用的是自限熱的電熱產(chǎn)品，在低溫環(huán)境下通電產(chǎn)生熱量可以有效抵消外界低溫環(huán)境的冷負荷，從而實現(xiàn)防凍害目的。

（3）智能環(huán)保。電伴熱保溫具有智能環(huán)保，通電就能解決問題，相對于熱水水管伴熱保溫方案控制靈活，溫度可控。

（4）安裝簡單。電伴熱保溫工藝簡單，安裝靈活，移動便捷，維護方便。

（5）安全功能。所選用的產(chǎn)品具有加熱恒溫控制、探頭故障顯示、探頭開路保護功能。自動報警包括超低溫報警、超高溫報警、漏電、斷纜、過流及傳感器故障等。

3 電伴熱保溫工作原理

管道保溫防凍的目的就是補充由于供水管道內(nèi)外溫差引起的量損失，要實現(xiàn)供水管道防凍保溫的需求，要將絕熱結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)或冷量損失限制在使用范圍內(nèi)即可[5]，通過電伴熱供給管路損失的熱量，保持供水管道內(nèi)流體的熱量平衡，就可維持其溫度基本不變。電伴熱保溫是通過電伴熱散發(fā)一定的熱量，通過直接的熱交換補充伴熱管道的熱損失，防止環(huán)境溫度的熱傳導[6]。

電伴熱保溫系統(tǒng)包括電伴熱帶、控制器、溫度傳感器、保溫材料等組成。在管道適當位置放置溫度傳感器，控制器控制溫度范圍。當管道溫度低于設定溫度時，伴熱系統(tǒng)自動啟動伴熱回路開始工作，即對管道保溫層進行加熱，使得保溫層溫度上升，保溫層溫度上升到設定溫度時，電伴熱系統(tǒng)自動停止加熱。此電伴熱程序周而復始地進行，使管道保溫層溫度始終保持在恒定范圍內(nèi)，從而起到主動為管道伴熱保溫的作用，保證管道系統(tǒng)防凍害。

3.1 電伴熱保溫熱力學分析

如圖1所示，供水管道內(nèi)徑為r0，供水管道壁厚為δ0，電伴熱層厚度δ1，保溫層厚度δ2，供水溫度t0，電伴熱層溫度t1，氣候環(huán)境實驗室溫度t2。在實際工程應用中，一般會簡化熱力過程：供水管道內(nèi)為靜流速水；忽略管道壁的熱阻；供水管道內(nèi)水溫均勻；實驗室環(huán)境溫度均勻；電伴熱層為恒溫。傳熱過程簡化為兩個傳熱過程，管道內(nèi)溫度往電加熱層傳導，電加熱層往氣候環(huán)境實驗室傳導。

圖1 絕熱層厚度示意

3.2 電伴熱保溫結(jié)構(gòu)

與常規(guī)保溫一樣，電伴熱保溫的結(jié)構(gòu)包括防潮層、絕熱層、保護層[7]。發(fā)熱電纜均采取單路鋪設。絕熱層的材料、厚度和結(jié)構(gòu)的選擇按照熱水保溫要求的絕熱層厚度計算。結(jié)合保溫材料的保溫性能、經(jīng)濟成本等各方面考慮，電伴熱保溫材料使用如下：

①電伴熱防潮層選用復合玻璃布；②絕熱層采用厚度50 mm橡塑保溫材料，導熱系數(shù)0.034 W/（m·K），防火性能等級為A級；③保護層選用塑料膠帶；④發(fā)熱電纜選用雙導線恒功率，功率400 W/m（圖2）。

圖2 電伴熱保溫結(jié)構(gòu)示意

4 溫度控制產(chǎn)品選型

4.1 溫度控制器的主要功能

（1）溫度控制模塊同時控制2～4根管道。

（2）溫度傳感器的設置原則為每根供水管道設1個溫度傳感器。

（3）電伴熱溫度控制器按照溫度進行區(qū)分可以分為低溫、中溫、高溫之別。根據(jù)當前實驗室所需要的環(huán)境極限溫度工況，選用的電伴熱溫度控制器是低溫系列。接線原理如圖3所示。

圖3 接線原理

4.2 溫度控制參數(shù)設定

根據(jù)所選用控制產(chǎn)品的功能，盡量減小電熱帶加熱對試驗供水溫度的影響，當探頭溫度小于5 ℃時啟動加熱，當探頭溫度大于10 ℃時停止加熱（圖4）。設定參數(shù)具體如下：①電伴熱保持溫度5～10 ℃；②高溫報警溫度為15 ℃；③低溫報警溫度為2 ℃。

圖4 控制流程

5 結(jié)論

氣候環(huán)境實驗室在低溫極限溫度-40 ℃時進行了飛機APU（Auxiliary Power Unit，輔助動力裝置）開車試驗，電伴熱保溫方案有效防止了實驗室內(nèi)供水管道的凍害，確保了試驗的正常進行。電加熱保溫方案的實施，有效解決了低溫環(huán)境下供水管凍害問題，能夠保證試驗用水設備的正常工作和試驗科目的順利進行。該方案節(jié)能環(huán)保、智能安全、壽命持久，達到了預期的使用效果。