直埋热力管道保温材料及热损失计算分析
直埋热力管道保温材料及热损失计算分析
摘要本文介绍了目前国内外直埋保温管道预制保温管的技术性能；并通过计算分析得出采用此类保温材料要比采用地沟敷设的常规保温材料热损失减少40%左右，而且节约投资并缩短施工周期，建议有条件的供热工程应采用预制保温管直埋敷设。
关健词直埋技术预制保温管热力保温管热损保温管
前言
国内外直埋技术的发展，已经有60余年的历史，早在30年代，原苏联最初采用泥作保温材料，40年代又改用浇灌泡沫混凝土作直埋管道的保温材料。实践证明，这些保温材料吸水率大，直埋管道腐蚀严重。50年代初的美国、丹麦和加拿大等国的各大公司研制了预制保温管，即“管中管”技术，从而使管道直埋技术发展到了一个新水平。
国内在50年代曾采用过浇灌泡沫混凝土的管道直埋敷设方式，70年代开始研究沥青珍珠岩保温材料的直埋热力管，取得了很大成绩，80年代我国出现了两种新型预制保温管：一类是天津大学根据国外经研制的保温结构为“氰聚塑”型式的预制保温管；另一种是引进国外生产线的“管中管”型式的预制保温管。目前这种型式的预制保温管已先后在天津、北京、郑州等地进行大批量生产并广泛用于城市热力管网。
2直埋预制保温管技术性能咨询：徐151********
国内外部份厂家生产的预制保温技术性能(见表1)
表1国内外部分厂家生产的预制保温管技术性能
性能天津市建
筑塑料制
品厂
哈尔滨东
光机械厂
大城县荣
邦防腐保
温材料有
限公司
瑞典供热
协会
芬兰
ECOPIPE
钢管防锈防腐层氰凝
保温材料聚氨脂聚氨脂聚氨脂聚氨脂聚氨脂
工作温度℃＜120(通用型) ＜120 ＜120 ＜130 ＜130
容重kg/m380～100 45～80 60～100 80 80
闭孔率% 90～92 90 90 ＞88 ＞88
导热系数
W/(m.℃)
＜0.035 0.027 ≤0.027 0.027 0.027 吸水性kg/m30.2～0.3 2～3 ≤4 ＜10 2
抗压强度MP a0.5～0.6 ＞0.2 ≥100
防护外壳材料玻璃钢聚乙烯管聚乙烯管聚乙烯管聚乙烯管直径mm 94～880 100～630 25～900 110～1000 110～1000
厚度mm 1～2 3～11.6 2～17.6 3～10.6 3～19.6
耐腐蚀性耐酸碱耐酸碱耐酸碱耐酸碱耐酸碱
耐用年15年以上50 50 50 50
氰聚塑直埋保温管是用硬质聚氨脂泡沫塑料作保温材料，外部用玻璃钢作防护外壳，钢管外壁刷一层“氰凝”作防腐层。通用型适用于120℃以下介质的热力管网。高温型适用于250℃以下介质的热力管网，其保温材料为硅酸镁发泡聚氨脂复合
保温材料，保护外壳为玻璃钢。第二种类型是“管中管”预制保温管，其保温材料为聚氨脂硬质泡沫塑料，保护外壳为高密度聚乙烯外套管，适用于120℃以下部介质的热力管网。
3保温层厚度及热损失计算
保温层厚度应根据热损失法或经济厚度计算后并经综合经济效益比较后确定。直埋管道的设计结构如图1所示。
图1直埋保温管结构示意图
1热力管2主保温层3保温层
4土壤5地面
直埋管道的保温计算其原理与一般保温管道相同，但一般热力管的表面散热由外界空气吸收，而直埋管道由周围土壤来吸收，一般管道属于无限空间放热，直埋管道放热与管道埋设深度有关。
直埋敷设的供热管道热损失计算，它和预制保温管结构、介质温度、管径大小、土壤性质、保温层的导热系数及管间距等多种因素有关。一般可按图2给定的尺寸进行管道热损失计算。
图2直埋保温管计算示意图
3.1单根直埋管道的保温层厚度及热损失计算
(1)
式中：λ—保温材料的导热系数：W/(m ℃)；实际计算时，应根据土壤的干湿程度分别乘以系数1.2或1.5。(当确定保温层平均温度Tm时，保温层表面温度按Ts=60-70℃取值) λSO—土壤的导热系数W/(m℃)，干土壤取0.50，不大湿土壤取0.50，较湿土壤取1.74，很湿土壤取2.32。
q—允许热损失W/m；
T0—管道的外表面温度℃；
T SO—管道敷设处的土壤温度℃；
h—管道的埋设深度(地表面至管中心)m；
D0—管道外径m；
D1—保温层外径m；
管道热损失计算
(2)
式中R—总热阻(m℃)/W；
R1—保温层热阻(m℃)/W；
R SO—土壤热阻(m℃)/W。
3.2多根直埋管道的保温层厚度及热损失计算
多根直埋管道的保温层计算应考虑到管道彼此间热损失的影响，现以两根埋深相同的管道为例说明计算方法。
对第一根管道
(3)
对第二根管道：
(4)
式中：角标Ⅰ、Ⅱ表示第一、第二根管道，其余符号的意义同前。
R0——两根管道相互间影响的当量热阻(m℃)/W；
(5)
b——两根管道的中心距离m；
按式(3)、(4)算出值后，即可求出保温厚度σⅠσⅡ。热损失计算(两管道埋深相同)
第一根管道：
(6)
第二根管道：
(7)
式中：RⅠ—第一根管道热阻(m℃)/W；
(8)
RⅡ—第二根管道热阻(m℃)/W；
(9)
R SO、R0—土壤热阻及管道相互影响的当量热阻(m℃
)/W
(10)
上述公式适用于直埋管道h/D0＞2.5的情况，当埋深较小时，即h/D0＜2.5的情况，管道散热会有一部分通过地层传至地面，但在实际工程中很少使用，其土壤热阻可按下式计算
(11)
式中：h埋——埋设深度计算值m；
h——管中心距地表面距离：m；
λSO——土壤的导热系数取1.16～2.32 W(m*℃)；
αSO——由土壤表面至周围空气的给热系数，一般取23.2～34.8 W(m2*℃)；
例如，当管内介质温度T0Ⅰ=95℃，T0Ⅱ=70℃,土壤的温度T SO=5℃，
λ=0.027W/m*℃,h=0.8 m,λSO=1.15 W(m*℃),b=D1+200(D0≤560 mm时)，b=D1+300(D0＞560 mm)时，将上述数据代入(3)—(10)可得出下表2。
表2 直埋敷设热损失计算结果表
DN
D0
(mm)
D1
(mm)
b(mm)
R SO W
/
(m℃)
R1W/
(m℃)
R0W/
(m℃)
q1W/
(m℃)
q n W/
(m℃)
50 57 117 317 0.38 4.23 0.23 20.5 12.52
80 89 147 347 0.43 2.96 0.21 25.5 17.6
100 108 168 368 0.41 2.60 0.2 19.6 19.6
125 133 203 403 0.38 2.49 0.20 29.93 20.56
150 159 219 419 0.37 1.89 0.19 37.67 25.59
200 219 279 479 0.34 1.43 0.17 47.76 32.14
250 273 333 533 0.31 1.17 0.16 56.72 37.79
300 325 395 593 0.29 1.12 0.15 59.60 39.76
计算结果表明，采用聚氨脂预制保温管直埋敷设供热管的热损失要比用岩棉管壳、玻璃棉制品、矿渣棉制品等保温材料，地沟敷设的供热管道热损失减少40%以上。不同保温材料热损失比较见表3
表3 不同保温材料热损失比较表
DN
地沟敷设热损失
预制保温
管
直埋敷设岩棉管
壳
(W/m)
玻璃棉制
品
(W/m)
矿渣棉制
品
(W/m)
聚氨脂保
温
(W/m)
50 35.9 37.8 38.7 20.5 80 49.8 55.0 55.9 25.5 100 57.9 65.4 55.0 19.6 125 68.5 69.7 66.2 29.93
150 79.5 90.3 73.1 37.67
200 83.7 126.4 107.5 47.76
250 101.3 130.7 127.3 56.72
300 118.1 144.5 146.2 59.6
4.结论
(1)预制保温管与常用的保温管相比，具有热损失少、防水、耐酸碱、耐腐蚀等优点，在热网工程中应大力推广使用。
(2)节约投资。直埋管道敷设比地沟敷设可节约投资近30%。
(3)施工简便，缩短周期。由于直埋管道敷设要比地沟敷设时开槽小，土方工程量约减少50%，砌砖和混凝土的工程量减少90%，施工周期缩短一半以上。
(4)维修工作量减少。直埋管道如无外界破坏，一般不维修，而地沟敷设时经常因各种保温材料遇水浸或空气潮湿则需要重新更换保温材料，因此维修工作量大。
(5)有利于环境美化。与架空管道敷设相比，直埋敷设由于无地上支吊架等建筑物，不破坏周围环境美化，也不影响周围环境的绿化。