淺析列車給水系統(tǒng)電伴熱功率的計(jì)算方法及軟件設(shè)計(jì)

麻哲

摘 要：本文敘述了給水系統(tǒng)管路伴熱功率的兩種常用計(jì)算方法，對(duì)比其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種將兩種計(jì)算方法結(jié)合的方式，并將這種方式編譯成了一個(gè)計(jì)算軟件。

關(guān)鍵詞：給水系統(tǒng);電伴熱;功率;計(jì)算方法;軟件

1 概述

電伴熱是利用電伴熱帶輸出的熱量來補(bǔ)償給水系統(tǒng)所耗散的熱量，以維持系統(tǒng)處在適宜溫區(qū)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電伴熱的應(yīng)用越來越廣泛。目前列車給水系統(tǒng)管路的防凍措施絕大部分是采用保溫層加電伴熱帶方式。電伴熱帶具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

（1）電伴熱帶裝置簡單，發(fā)熱溫度均勻。（2）節(jié)約能源，一般都實(shí)行自動(dòng)控制，可以根據(jù)所伴熱物體的溫度變化，而自動(dòng)調(diào)節(jié)消耗的能量。（3）熱損失低，適用范圍廣，容易控制。（4）施工簡便，日常維護(hù)量小。

給水系統(tǒng)保溫設(shè)計(jì)首先要確定管路的散熱量，然后根據(jù)散熱量確定所需電伴熱帶的功率和長度。電伴熱功率常用計(jì)算方法有查表法和經(jīng)驗(yàn)公式法。

2 查表法

式（1）中：Q—單位長度管道的熱損失，W/m;q—管道的散熱量（1℃/m時(shí)），查表1，W;△t—溫差（TW-TH），℃;TW—維持溫度，℃;TH—環(huán)境最低溫度，℃;K—保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，一般取0.024W/（m℃）;C—管道材料修正系數(shù)，銅取1.05，不銹鋼取0.9;E—安全系數(shù)，一般取1.2。

例1：管徑25mm（外徑32mm），管道長度1m，管道材料為不銹鋼材質(zhì)，介質(zhì)為水，維持溫度10℃，環(huán)境溫度-40℃，保溫材料聚氨酯泡沫塑料，保溫層厚度15mm，計(jì)算每米管道熱損失。

2.1 計(jì)算溫差

△t=TW-TH=10-（-40）=50

2.2 計(jì)算每米管道的散熱量

查表得：q=9.02;K=0.024;C=0.9;E=1.2。

Q=q×△t×K×C×E=9.02×50×0.024×0.9×1.2=11.69W

式（2）中：Qt—單位長度管道的熱損失，W/m;TV—系統(tǒng)要求的維持溫度，℃;TA—當(dāng)?shù)氐淖畹铜h(huán)境溫度℃;λ—保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，一般取0.024W/（m℃）;D1—保溫層內(nèi)徑，（管道外徑）m;D0—保溫層外徑，m;D0=D1+2δ;δ—保溫層厚度，m;Ln—自然對(duì)數(shù);α—保溫層外表面向大氣的散熱系數(shù)，W/（㎡℃）與風(fēng)速ω，（m/s）有關(guān)，α值按公式（3）計(jì)算：α=1.163（6+ω1/2）W/（㎡℃）? ?（3）

C—管道材料修正系數(shù)，銅取1.05，不銹鋼取0.9;E—安全系數(shù)，一般取1.2。

再以例1為例，計(jì)算過程入下：

（1）計(jì)算α，風(fēng)速ω取0。

α=1.163（6+ω1/2）=1.163×6=6.978

（2）計(jì)算每米管道的散熱量：

Qt={[2π（TV-TA）]/[（LnD0/D1）1/λ+2/（D0α）]}×C×E

={[2×3.14×50]/[ln（62/32）]/0.024+2/（62×6.978）]}×0.9×1.2

=11.918W

4 兩種計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)比兩種計(jì)算方式的結(jié)果我們可以看出經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果略大于查表計(jì)算方法，所以使用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法得出的結(jié)論更安全。結(jié)合計(jì)算結(jié)果和兩種方法的計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果我們可以得出以下結(jié)論：

經(jīng)驗(yàn)公式的優(yōu)點(diǎn)是：計(jì)算結(jié)果更安全，且可以計(jì)算不同風(fēng)速下的散熱量;缺點(diǎn)是：計(jì)算過程復(fù)雜。

查表計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)是：計(jì)算表1中提供的數(shù)據(jù)時(shí)計(jì)算過程相對(duì)簡單;缺點(diǎn)是：不能計(jì)算風(fēng)速對(duì)散熱量的影響、不能直接計(jì)算表1中未提供的數(shù)據(jù)。

5 兩種計(jì)算方法的結(jié)合

首先，經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算出任意管徑和保溫層厚度的散熱量，我們可以將其作為主要計(jì)算方式。其次，查表方法提供的數(shù)據(jù)為離散型數(shù)據(jù)，這不能滿足我們計(jì)算任意管徑和保溫層厚度工況的需求。對(duì)此，我們可以將相近的三個(gè)點(diǎn)封閉成空間曲面，讓其轉(zhuǎn)換為連續(xù)型數(shù)據(jù)。最后，因查表法計(jì)算的結(jié)果略小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的結(jié)果，所以我們可以用相近的三個(gè)點(diǎn)封閉成空間曲面作為校核經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的參考曲面，即經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)點(diǎn)出現(xiàn)在在曲面之上，則計(jì)算結(jié)果可靠。

6 軟件的設(shè)計(jì)

根據(jù)兩種計(jì)算方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，我編寫了一個(gè)計(jì)算軟件，將兩種計(jì)算方法結(jié)合，用于處理經(jīng)驗(yàn)公式復(fù)雜的計(jì)算過程及表1中提供的離散數(shù)據(jù)，最終繪制出三維參考曲面和計(jì)算結(jié)果。再以例1為例，根據(jù)題目要求輸入計(jì)算數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊計(jì)算后得出計(jì)算結(jié)果11.9182w與之前計(jì)算結(jié)果相同，計(jì)算結(jié)果的三維空間位置也在參考曲面之上，所以計(jì)算結(jié)果安全。軟件計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

7 結(jié)論

本文闡述了管道伴熱功率計(jì)算常用的兩種計(jì)算方法的計(jì)算過程，討論了兩種計(jì)算方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了如何利用軟件將其二者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了列車給水系統(tǒng)電伴熱功率計(jì)算及結(jié)果可視化。

參考文獻(xiàn)：

[1]工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范GB50264-2013[S].

[2]管道和設(shè)備保溫、防結(jié)露及電伴熱（16S401）[S].