高 超，宋衛(wèi)坤，溫 軍，楊 柳,鄒軼樂(lè)

(1.常熟理工學(xué)院，江蘇 蘇州 215500；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司，青海 西寧 810001；4.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

高寒地區(qū)是指海拔高，全年平均氣溫低的地區(qū)，主要包括我國(guó)的西藏自治區(qū)全部和青海省、新疆自治區(qū)、甘肅省、四川省、云南省的一部分。

高寒地區(qū)的特點(diǎn)是高和寒，主要地形是高原山地，平均海拔達(dá)3 000 m以上。

其他地區(qū)夏季普遍高溫時(shí)，高海拔地區(qū)則是我國(guó)的低溫中心，很多地方的年均溫都在0 ℃以下。高寒給農(nóng)牧區(qū)供水帶來(lái)了困難，尤其是低溫情況下發(fā)生的冰凍情況嚴(yán)重影響供水安全。

以青海省為例,青海省農(nóng)牧區(qū)海拔大多在3 000 m以上，日平均氣溫低于0 ℃的時(shí)間達(dá)4個(gè)月～6個(gè)月，日溫差大，最大日較差可達(dá)25 ℃～34 ℃，持續(xù)的低溫使得農(nóng)牧區(qū)供水設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行甚至損壞，使得基礎(chǔ)本來(lái)就薄弱的農(nóng)牧區(qū)供水問(wèn)題更加雪上加霜，嚴(yán)重影響其供水安全和生產(chǎn)生活[1]。且農(nóng)牧區(qū)以分散式供水工程為主，電力及其他形式能源供給落后，無(wú)法采用電伴熱或蒸汽伴熱等高成本的方式來(lái)對(duì)供水設(shè)備進(jìn)行防凍、保溫使其正常運(yùn)行[2-4]，因此開(kāi)發(fā)無(wú)電力供應(yīng)的供水設(shè)備防凍技術(shù)及裝備，確保設(shè)備正常運(yùn)行，就顯得非常有意義，可大幅提升農(nóng)牧區(qū)飲水安全保障能力，確保農(nóng)牧民正常生產(chǎn)生活。

本文針對(duì)高寒地區(qū)的供水設(shè)備，以?xún)?chǔ)熱為技術(shù)突破點(diǎn)，研發(fā)其保溫裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其防凍需求，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

1 技術(shù)目標(biāo)

技術(shù)目標(biāo)：外部環(huán)境溫度-30 ℃，設(shè)備工作環(huán)境溫度5 ℃～10 ℃，維持周期為30 d。設(shè)計(jì)的保溫裝置內(nèi)部體積為1 m3，采用的技術(shù)方案包括儲(chǔ)熱材料設(shè)計(jì)、管路設(shè)計(jì)、翅片設(shè)計(jì)、傳熱計(jì)算等。

2 傳熱原理

裝置設(shè)計(jì)采用化學(xué)能獲取熱量，整體包括能量發(fā)生裝置、傳熱管路、傳熱介質(zhì)、儲(chǔ)熱介質(zhì)、儲(chǔ)熱室、隔熱材料等。管路由內(nèi)外套管組成，內(nèi)管里放置傳熱介質(zhì)(煤油)。管路底部布置能量發(fā)生裝置，能量發(fā)生裝置產(chǎn)生的熱量加熱底部?jī)?nèi)管煤油，造成底部與側(cè)面煤油密度差，依靠重力效應(yīng)產(chǎn)生循環(huán)，煤油持續(xù)流動(dòng)，形成循環(huán)，將熱量不斷傳遞給管路中的相變材料。相變材料通過(guò)吸收傳遞的熱量升溫達(dá)到熔點(diǎn)發(fā)生相變反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)熱。相變材料可采用微膠囊技術(shù)封裝，避免泄漏。其與套管的外管內(nèi)壁之間為熱傳導(dǎo)。

在外管外壁上設(shè)計(jì)翅片，翅片一端與管路連接，另一端指向裝置內(nèi)部即儲(chǔ)熱室，熱量由翅片傳送至儲(chǔ)熱室。管路外部由聚氨酯材料整體封裝，確保熱量不會(huì)向外傳遞而散失掉。

該設(shè)計(jì)可脫離電力供應(yīng)，避免受限于電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不足。

3 保溫裝置設(shè)計(jì)

3.1 儲(chǔ)熱材料

儲(chǔ)熱材料采用相變材料。相變材料儲(chǔ)熱容量大、體積變化小，是近年來(lái)被廣泛關(guān)注的儲(chǔ)能材料，可分為有機(jī)類(lèi)、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)、金屬類(lèi)以及無(wú)機(jī)水合鹽等。根據(jù)保溫環(huán)境要求及儲(chǔ)熱材料物性和儲(chǔ)放熱特點(diǎn)，選擇某型石蠟作為系統(tǒng)儲(chǔ)熱材料，其具有腐蝕性低、成本低、相變潛熱高(大約在156 kJ/kg～265 kJ/kg之間)、不發(fā)生相分離、不容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等特點(diǎn)。

石蠟在獲取熱量時(shí)在相變點(diǎn)附近發(fā)生相變，儲(chǔ)存大量熱量，變成液態(tài)，釋放熱量后，重新變成固態(tài)，實(shí)現(xiàn)熱量的存儲(chǔ)和釋放，期間可反復(fù)使用。石蠟導(dǎo)熱率較低，可通過(guò)改良傳熱裝置結(jié)構(gòu)或石蠟內(nèi)部改性的方法來(lái)提高石蠟的熱導(dǎo)率，如：前者可增加和優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)，后者可以在石蠟中添加石墨、金屬粉末等方法來(lái)提升石蠟的熱導(dǎo)率。選型的石蠟熔解熱為247.8 kJ/kg，密度為0.768 kg/cm3。

3.2 管道設(shè)計(jì)

管道設(shè)計(jì)包括管道材料設(shè)計(jì)與管路設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，管道材料的選擇可以顯著提高儲(chǔ)熱效率，提高整個(gè)儲(chǔ)熱傳熱系統(tǒng)壽命。選擇管道材料要著重關(guān)注三個(gè)方面：

1)安全。要考慮管道的物理特性，諸如強(qiáng)度、硬度、溫度穩(wěn)定性、密封性、耐用性等方面的安全問(wèn)題。

2)相容性?？紤]儲(chǔ)熱材料和管道之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性，應(yīng)避免儲(chǔ)熱材料與管道發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，否則會(huì)大幅減損管道及整個(gè)系統(tǒng)壽命。

3)成本?？紤]管材本身成本及其加工成本、組裝成本等。

本試驗(yàn)系統(tǒng)中采用的管道有兩類(lèi)：一種是可用于循環(huán)傳熱介質(zhì)(煤油)工作的內(nèi)管道，其可以承受高溫；第二種是盛裝儲(chǔ)熱材料的外管道，其具有優(yōu)良的導(dǎo)熱率?；谶@三點(diǎn)考慮，內(nèi)外管均采用導(dǎo)熱率高、強(qiáng)度高、耐腐蝕的紫銅管件。

管道采用套管結(jié)構(gòu)，如圖1所示，內(nèi)管內(nèi)充滿(mǎn)傳熱介質(zhì)，用于傳輸熱量，內(nèi)外管之間封裝儲(chǔ)熱材料，內(nèi)外管中間設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

設(shè)計(jì)的保溫裝置內(nèi)部體積為1 m3，為確保使系統(tǒng)內(nèi)各處溫度均勻，管路采用直管排列方式，按7×7的疊加式陣列排布，即7列7行。如圖3所示，確保管道均勻布置在裝置外圍，使裝置充分受熱。在實(shí)際操作中，如果將彎頭處折彎后不容易套管，彎頭處可以分段，如內(nèi)管分兩段，外管分三到四段，且長(zhǎng)度不同，采用釬焊連接，實(shí)現(xiàn)安裝。管道中的儲(chǔ)熱材料和傳熱介質(zhì)均提前封裝。

3.3 管道尺寸計(jì)算

1)外管道壁厚公式。

(1)

tsd=ts+C

(2)

其中，P為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D0為儲(chǔ)熱室內(nèi)外管道外徑，mm；[σ]t為管道材料許用應(yīng)力，MPa；Y為銅材料系數(shù);ts為直管道壁厚，mm；tsd為直管道設(shè)計(jì)壁厚，mm；C為厚度附加量，mm。

在壁厚公式里：P取1 MPa；[σ]t在實(shí)際溫度下的許用應(yīng)力為29 MPa；D0為管道外徑，取20 mm;Ej為焊接接頭系數(shù)，Ej取1，Y取0.4。

根據(jù)壁厚公式算出理論壁厚ts=0.34 mm，考慮到壁厚偏差和機(jī)械脹管時(shí)壁厚的減薄量，取實(shí)際壁厚tsd=ts+C=0.34+0.07=0.41 mm。

則管道的內(nèi)徑D1=D0-2×tsd=19.2 mm。

2)內(nèi)管道的內(nèi)徑。

同以上計(jì)算，取內(nèi)管道的內(nèi)徑d1=12.7 mm。

式(1)中P取1 MPa；[σ]t經(jīng)查表得27 MPa；d1取12.7 mm，Ej取1，Y取0.4。

由式(1)計(jì)算出理論壁厚ts=0.24 mm，考慮到壁厚偏差和機(jī)械脹管時(shí)壁厚的減薄量，取實(shí)際壁厚tsd=ts+C=0.24+0.07=0.31 mm。

則管道的外徑d0=d1-2×tsd=13.3 mm。

3)直管的管長(zhǎng)及管間距設(shè)計(jì)。

管子的中心距t為管間距。管子均勻分布在立方體設(shè)備周?chē)故軣峋鶆颍荛g距為130 mm。管長(zhǎng)L1為4 200 mm，內(nèi)管道的管長(zhǎng)L2為4 146.4 mm。疊加在這7根管道上 的另外7根管道每根直管外管道的管長(zhǎng)L3為4 360 mm，內(nèi)管道的管長(zhǎng)L4為4 306.4 mm。

4)管道彎頭設(shè)計(jì)。

在管道的連接方面，強(qiáng)度要求不高，可以用釬焊，確保密封即可。內(nèi)管彎頭和外管彎頭的內(nèi)、外徑與外管道和內(nèi)管道的內(nèi)、外徑是一致的。因此外管彎頭的內(nèi)徑為19.2 mm，外徑為20 mm；內(nèi)管彎頭的內(nèi)徑為12.7 mm，外徑為13.3 mm。其示意圖如圖4所示。

3.4 傳熱設(shè)計(jì)

1)翅片結(jié)構(gòu)確定。

裝置外側(cè)采用聚氨酯材料隔熱，熱阻在外側(cè)。管外側(cè)焊接翅片，指向裝置內(nèi)部進(jìn)行傳熱。采用矩形直肋的形式，如圖5，圖6所示。根據(jù)裝置傳熱距離，確定翅高長(zhǎng)12 mm，寬15 mm，翅距300 mm，翅厚1 mm。

2)翅片傳熱計(jì)算及數(shù)量確定。

外表面換熱系數(shù)根據(jù)BRIGGS公式計(jì)算：

(3)

其中，ho為表面對(duì)流換熱系數(shù)；ka為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；μa為空氣的動(dòng)力黏性系數(shù)；Cp為空氣定壓比熱容；dr為翅根長(zhǎng)；Gmax為最小流通截面處的質(zhì)量流速；Sf為翅距；Lf為翅長(zhǎng)。

翅片壁面總效率計(jì)算公式：

(4)

其中，η為翅片效率；ηf為翅片壁面總效率，查表得0.82；Ff′為翅片面積；Fb′為翅片根部面積；Ff為翅片總外表面積，等于Ff′+Fb′。

則η=0.82。

總的傳熱系數(shù)按式(5)計(jì)算：

(5)

其中，hi為內(nèi)表面換熱系數(shù);β為肋化系數(shù)。設(shè)管內(nèi)面積為Fo；管外光管面積為Fw；管外總肋面積為Ff，則:

其中，η為翅片效率，根據(jù)肋片形式與肋長(zhǎng)、肋寬、肋厚、對(duì)流換熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)查得；δ為銅管壁厚；k為銅的導(dǎo)熱系數(shù)。

則β=23.4。

計(jì)算上式k=16.507。

傳熱裝置所需面積F按下式計(jì)算：

其中，1.2為安全系數(shù)；Q為傳熱裝置傳熱量；ΔTm為對(duì)數(shù)平均溫差。

設(shè)空氣初始溫度為T(mén)a1，最終溫度Ta2，石蠟初始溫度為T(mén)w1，最終溫度Tw2，則:

其中，F(xiàn)=5.3 m2。

根據(jù)以上計(jì)算，傳熱裝置采用在內(nèi)徑19.2 mm的銅管上裝矩形直肋排列，傳熱面積5.3 m2，共需要126個(gè)翅片。

3)翅片總換熱量計(jì)算。

在外徑20 mm管子上布置直肋，肋高H=12 mm，厚δ=1.0 mm。肋基溫度為100 ℃，周?chē)黧w溫度為10 ℃。設(shè)銅的導(dǎo)熱系數(shù)λ=384 W/(m2·K)，肋面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=10 W/(m2·K)，取中間700 mm的銅管，其上布置126個(gè)肋片，肋片中心距為300 mm。兩端各留有20 mm 的安裝端。計(jì)算肋片管的總換熱量。

r1=10 mm。

其中，ηf為0.82。

如果整個(gè)肋面處于肋基溫度,一個(gè)肋片五面的散熱量為:

每一個(gè)肋片的實(shí)際散熱量Φ為Φ0與肋效率ηf的乘積，即:

Φ=0.067 W。

η0=(Ar+ηfAf)/Ar+Af=0.820 1。

肋片的總換熱量為：

Φ=A0η0h(t0-tf)=434.6 W。

獲得總的換熱量后，只要通過(guò)熱量發(fā)生系統(tǒng)傳遞給該裝置超過(guò)434.6 W，則可保證該裝置在設(shè)定的低溫環(huán)境下的防凍保溫需求。在傳遞熱量時(shí)也要考慮熱量損失。該設(shè)計(jì)可通過(guò)其他能量方式獲得熱量，可以脫離電力供應(yīng)，更適合高寒地區(qū)地域廣闊、電力供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施不足的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高寒地區(qū)供水設(shè)備低溫環(huán)境下難以安全運(yùn)行的難題，設(shè)計(jì)了防凍保溫裝置。主要包括了儲(chǔ)熱材料設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)、管道尺寸的計(jì)算、傳熱設(shè)計(jì)及計(jì)算等。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，在外部低溫環(huán)境下，其供水設(shè)備保持在5 ℃～10 ℃的工作溫度是可行的，有助于確保高寒地區(qū)農(nóng)牧區(qū)供水安全。本文對(duì)指導(dǎo)防凍裝備設(shè)計(jì)具有重要的理論意義。