低溫環境供水管道防凍解決方案

馬軍衛

（航空工業飛機強度研究所，陜西西安 710065）

0 引言

氣候環境實驗室模擬自然環境工況，為驗證試驗件在自然環境中的適應能力創造氣候條件。氣候環境實驗室可以根據試驗要求模擬自然環境的氣候條件，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]。其中低溫環境是氣候環境實驗室可模擬的基礎環境工況，為試驗件進行冷浸和特殊環境模擬試驗創造氣候環境基礎條件。

當實驗室內模擬環境溫度T≤0 ℃時，試驗件有供水需求時會發生凍害[2]。凍害現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閥門與管道連接處，凍害發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 氣候環境實驗室供水管道凍害產生原因

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的保溫箱與墻壁供水接口對接，不同的試驗項目對水質有不同要求。適用于試驗要求的供水會先經過處理，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境，當管內水流速過低或者靜止時供水管會遭受凍害，凍害主要有以下內容：①供水管道內部凍結，導致供水中斷；②供水管道內壁結冰，造成供水流量減小；③供水管道外壁吸附水汽成冰。

2 氣候環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，經濟節能環保；④便于安裝，維護工作少；⑤便于監測，有報警信號。

2.2 常用防凍害方法介紹

目前我國工業生產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生熱量以彌補管道損失熱量的保溫手段。

2.3 氣候環境實驗室防凍害方案選擇

根據實驗室的工況并結合設計原則，對4種防凍害方式進行分析比較，具體內容如下：

（1）保溫材料。供水管道處于低溫環境特別是極限低溫環境時，單純增加保溫材料厚度不能防止管道靜流速水的凍結，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，不適合氣候環境實驗室防凍害。

（3）熱水伴熱。氣候環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，供水管道內的水流速度較快，電伴熱對管道內水溫的影響可以不計，因此，電伴熱保溫非常適合氣候環境實驗室的使用需求。

2.4 電伴熱方案特點

（1）技術成熟。電伴熱保溫經過多年發展是比較成熟的水管保溫防凍方案，在生產生活中每年冬季都會因氣溫降低發生自來水管道、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品，在低溫環境下通電產生熱量可以有效抵消外界低溫環境的冷負荷，從而實現防凍害目的。

（3）智能環保。電伴熱保溫具有智能環保，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外溫差引起的量損失，要實現供水管道防凍保溫的需求，要將絕熱結構的傳熱系數或冷量損失限制在使用范圍內即可[5]，通過電伴熱供給管路損失的熱量，保持供水管道內流體的熱量平衡，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，防止環境溫度的熱傳導[6]。

電伴熱保溫系統包括電伴熱帶、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，從而起到主動為管道伴熱保溫的作用，保證管道系統防凍害。

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：供水管道內為靜流速水；忽略管道壁的熱阻；供水管道內水溫均勻；實驗室環境溫度均勻；電伴熱層為恒溫。傳熱過程簡化為兩個傳熱過程，管道內溫度往電加熱層傳導，電加熱層往氣候環境實驗室傳導。

圖1 絕熱層厚度示意

3.2 電伴熱保溫結構

與常規保溫一樣，電伴熱保溫的結構包括防潮層、絕熱層、保護層[7]。發熱電纜均采取單路鋪設。絕熱層的材料、厚度和結構的選擇按照熱水保溫要求的絕熱層厚度計算。結合保溫材料的保溫性能、經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 電伴熱保溫結構示意

4 溫度控制產品選型

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分可以分為低溫、中溫、高溫之別。根據當前實驗室所需要的環境極限溫度工況，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 溫度控制參數設定

根據所選用控制產品的功能，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 結論

氣候環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。該方案節能環保、智能安全、壽命持久，達到了預期的使用效果。