基于高寒地區農村供水設備防凍的保溫裝置設計★

高 超，宋衛坤，溫 軍，楊 柳,鄒軼樂

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

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

高寒地區的特點是高和寒，主要地形是高原山地，平均海拔達3 000 m以上。

其他地區夏季普遍高溫時，高海拔地區則是我國的低溫中心，很多地方的年均溫都在0 ℃以下。高寒給農牧區供水帶來了困難，尤其是低溫情況下發生的冰凍情況嚴重影響供水安全。

以青海省為例,青海省農牧區海拔大多在3 000 m以上，日平均氣溫低于0 ℃的時間達4個月～6個月，日溫差大，最大日較差可達25 ℃～34 ℃，持續的低溫使得農牧區供水設備無法正常運行甚至損壞，使得基礎本來就薄弱的農牧區供水問題更加雪上加霜，嚴重影響其供水安全和生產生活[1]。且農牧區以分散式供水工程為主，電力及其他形式能源供給落后，無法采用電伴熱或蒸汽伴熱等高成本的方式來對供水設備進行防凍、保溫使其正常運行[2-4]，因此開發無電力供應的供水設備防凍技術及裝備，確保設備正常運行，就顯得非常有意義，可大幅提升農牧區飲水安全保障能力，確保農牧民正常生產生活。

本文針對高寒地區的供水設備，以儲熱為技術突破點，研發其保溫裝置，進而實現其防凍需求，確保設備正常運行。

1 技術目標

技術目標：外部環境溫度-30 ℃，設備工作環境溫度5 ℃～10 ℃，維持周期為30 d。設計的保溫裝置內部體積為1 m3，采用的技術方案包括儲熱材料設計、管路設計、翅片設計、傳熱計算等。

2 傳熱原理

裝置設計采用化學能獲取熱量，整體包括能量發生裝置、傳熱管路、傳熱介質、儲熱介質、儲熱室、隔熱材料等。管路由內外套管組成，內管里放置傳熱介質(煤油)。管路底部布置能量發生裝置，能量發生裝置產生的熱量加熱底部內管煤油，造成底部與側面煤油密度差，依靠重力效應產生循環，煤油持續流動，形成循環，將熱量不斷傳遞給管路中的相變材料。相變材料通過吸收傳遞的熱量升溫達到熔點發生相變反應來儲熱。相變材料可采用微膠囊技術封裝，避免泄漏。其與套管的外管內壁之間為熱傳導。

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

該設計可脫離電力供應，避免受限于電力基礎設施建設的不足。

3 保溫裝置設計

3.1 儲熱材料

儲熱材料采用相變材料。相變材料儲熱容量大、體積變化小，是近年來被廣泛關注的儲能材料，可分為有機類、無機鹽類、金屬類以及無機水合鹽等。根據保溫環境要求及儲熱材料物性和儲放熱特點，選擇某型石蠟作為系統儲熱材料，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)、不發生相分離、不容易發生化學反應等特點。

石蠟在獲取熱量時在相變點附近發生相變，儲存大量熱量，變成液態，釋放熱量后，重新變成固態，實現熱量的存儲和釋放，期間可反復使用。石蠟導熱率較低，可通過改良傳熱裝置結構或石蠟內部改性的方法來提高石蠟的熱導率，如：前者可增加和優化翅片結構，后者可以在石蠟中添加石墨、金屬粉末等方法來提升石蠟的熱導率。選型的石蠟熔解熱為247.8 kJ/kg，密度為0.768 kg/cm3。

3.2 管道設計

管道設計包括管道材料設計與管路設計兩個方面，管道材料的選擇可以顯著提高儲熱效率，提高整個儲熱傳熱系統壽命。選擇管道材料要著重關注三個方面：

1)安全。要考慮管道的物理特性，諸如強度、硬度、溫度穩定性、密封性、耐用性等方面的安全問題。

2)相容性。考慮儲熱材料和管道之間發生化學反應的可能性，應避免儲熱材料與管道發生化學反應，否則會大幅減損管道及整個系統壽命。

3)成本。考慮管材本身成本及其加工成本、組裝成本等。

本試驗系統中采用的管道有兩類：一種是可用于循環傳熱介質(煤油)工作的內管道，其可以承受高溫；第二種是盛裝儲熱材料的外管道，其具有優良的導熱率。基于這三點考慮，內外管均采用導熱率高、強度高、耐腐蝕的紫銅管件。

管道采用套管結構，如圖1所示，內管內充滿傳熱介質，用于傳輸熱量，內外管之間封裝儲熱材料，內外管中間設計支撐結構，如圖2所示。

設計的保溫裝置內部體積為1 m3，為確保使系統內各處溫度均勻，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，如內管分兩段，外管分三到四段，且長度不同，采用釬焊連接，實現安裝。管道中的儲熱材料和傳熱介質均提前封裝。

3.3 管道尺寸計算

1)外管道壁厚公式。

(1)

tsd=ts+C

(2)

其中，P為設計壓力，MPa；D0為儲熱室內外管道外徑，mm；[σ]t為管道材料許用應力，MPa；Y為銅材料系數;ts為直管道壁厚，mm；tsd為直管道設計壁厚，mm；C為厚度附加量，mm。

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

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

則管道的內徑D1=D0-2×tsd=19.2 mm。

2)內管道的內徑。

同以上計算，取內管道的內徑d1=12.7 mm。

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

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

則管道的外徑d0=d1-2×tsd=13.3 mm。

3)直管的管長及管間距設計。

管子的中心距t為管間距。管子均勻分布在立方體設備周圍，使受熱均勻，管間距為130 mm。管長L1為4 200 mm，內管道的管長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L3為4 360 mm，內管道的管長L4為4 306.4 mm。

4)管道彎頭設計。

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

3.4 傳熱設計

1)翅片結構確定。

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

2)翅片傳熱計算及數量確定。

外表面換熱系數根據BRIGGS公式計算：

(3)

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

翅片壁面總效率計算公式：

(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。

總的傳熱系數按式(5)計算：

(5)

其中，hi為內表面換熱系數;β為肋化系數。設管內面積為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，根據肋片形式與肋長、肋寬、肋厚、對流換熱系數、導熱系數查得；δ為銅管壁厚；k為銅的導熱系數。

則β=23.4。

計算上式k=16.507。

傳熱裝置所需面積F按下式計算：

其中，1.2為安全系數；Q為傳熱裝置傳熱量；ΔTm為對數平均溫差。

設空氣初始溫度為Ta1，最終溫度Ta2，石蠟初始溫度為Tw1，最終溫度Tw2，則:

其中，F=5.3 m2。

根據以上計算，傳熱裝置采用在內徑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個翅片。

3)翅片總換熱量計算。

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 ℃，周圍流體溫度為10 ℃。設銅的導熱系數λ=384 W/(m2·K)，肋面的表面傳熱系數h=10 W/(m2·K)，取中間700 mm的銅管，其上布置126個肋片，肋片中心距為300 mm。兩端各留有20 mm 的安裝端。計算肋片管的總換熱量。

r1=10 mm。

其中，ηf為0.82。

如果整個肋面處于肋基溫度,一個肋片五面的散熱量為:

每一個肋片的實際散熱量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，只要通過熱量發生系統傳遞給該裝置超過434.6 W，則可保證該裝置在設定的低溫環境下的防凍保溫需求。在傳遞熱量時也要考慮熱量損失。該設計可通過其他能量方式獲得熱量，可以脫離電力供應，更適合高寒地區地域廣闊、電力供應基礎設施不足的情況。

4 結語

針對高寒地區供水設備低溫環境下難以安全運行的難題，設計了防凍保溫裝置。主要包括了儲熱材料設計、管道設計、管道尺寸的計算、傳熱設計及計算等。設計結果表明，在外部低溫環境下，其供水設備保持在5 ℃～10 ℃的工作溫度是可行的，有助于確保高寒地區農牧區供水安全。本文對指導防凍裝備設計具有重要的理論意義。