基于高寒地区农村供水设备防冻的保温装置设计★

高 超，宋卫坤，温 军，杨 柳,邹轶乐

(1.常熟理工学院，江苏 苏州 215500；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.青海省水利水电科学研究院有限公司，青海 西宁 810001；4.江苏科技大学，江苏 镇江 212100)

高寒地区是指海拔高，全年平均气温低的地区，主要包括我国的西藏自治区全部和青海省、新疆自治区、甘肃省、四川省、云南省的一部分。

高寒地区的特点是高和寒，主要地形是高原山地，平均海拔达3 000 m以上。

其他地区夏季普遍高温时，高海拔地区则是我国的低温中心，很多地方的年均温都在0 ℃以下。高寒给农牧区供水带来了困难，尤其是低温情况下发生的冰冻情况严重影响供水安全。

以青海省为例,青海省农牧区海拔大多在3 000 m以上，日平均气温低于0 ℃的时间达4个月～6个月，日温差大，最大日较差可达25 ℃～34 ℃，持续的低温使得农牧区供水设备无法正常运行甚至损坏，使得基础本来就薄弱的农牧区供水问题更加雪上加霜，严重影响其供水安全和生产生活[1]。且农牧区以分散式供水工程为主，电力及其他形式能源供给落后，无法采用电伴热或蒸汽伴热等高成本的方式来对供水设备进行防冻、保温使其正常运行[2-4]，因此开发无电力供应的供水设备防冻技术及装备，确保设备正常运行，就显得非常有意义，可大幅提升农牧区饮水安全保障能力，确保农牧民正常生产生活。

本文针对高寒地区的供水设备，以储热为技术突破点，研发其保温装置，进而实现其防冻需求，确保设备正常运行。

1 技术目标

技术目标：外部环境温度-30 ℃，设备工作环境温度5 ℃～10 ℃，维持周期为30 d。设计的保温装置内部体积为1 m3，采用的技术方案包括储热材料设计、管路设计、翅片设计、传热计算等。

2 传热原理

装置设计采用化学能获取热量，整体包括能量发生装置、传热管路、传热介质、储热介质、储热室、隔热材料等。管路由内外套管组成，内管里放置传热介质(煤油)。管路底部布置能量发生装置，能量发生装置产生的热量加热底部内管煤油，造成底部与侧面煤油密度差，依靠重力效应产生循环，煤油持续流动，形成循环，将热量不断传递给管路中的相变材料。相变材料通过吸收传递的热量升温达到熔点发生相变反应来储热。相变材料可采用微胶囊技术封装，避免泄漏。其与套管的外管内壁之间为热传导。

在外管外壁上设计翅片，翅片一端与管路连接，另一端指向装置内部即储热室，热量由翅片传送至储热室。管路外部由聚氨酯材料整体封装，确保热量不会向外传递而散失掉。

该设计可脱离电力供应，避免受限于电力基础设施建设的不足。

3 保温装置设计

3.1 储热材料

储热材料采用相变材料。相变材料储热容量大、体积变化小，是近年来被广泛关注的储能材料，可分为有机类、无机盐类、金属类以及无机水合盐等。根据保温环境要求及储热材料物性和储放热特点，选择某型石蜡作为系统储热材料，其具有腐蚀性低、成本低、相变潜热高(大约在156 kJ/kg～265 kJ/kg之间)、不发生相分离、不容易发生化学反应等特点。

石蜡在获取热量时在相变点附近发生相变，储存大量热量，变成液态，释放热量后，重新变成固态，实现热量的存储和释放，期间可反复使用。石蜡导热率较低，可通过改良传热装置结构或石蜡内部改性的方法来提高石蜡的热导率，如：前者可增加和优化翅片结构，后者可以在石蜡中添加石墨、金属粉末等方法来提升石蜡的热导率。选型的石蜡熔解热为247.8 kJ/kg，密度为0.768 kg/cm3。

3.2 管道设计

管道设计包括管道材料设计与管路设计两个方面，管道材料的选择可以显著提高储热效率，提高整个储热传热系统寿命。选择管道材料要着重关注三个方面：

1)安全。要考虑管道的物理特性，诸如强度、硬度、温度稳定性、密封性、耐用性等方面的安全问题。

2)相容性。考虑储热材料和管道之间发生化学反应的可能性，应避免储热材料与管道发生化学反应，否则会大幅减损管道及整个系统寿命。

3)成本。考虑管材本身成本及其加工成本、组装成本等。

本试验系统中采用的管道有两类：一种是可用于循环传热介质(煤油)工作的内管道，其可以承受高温；第二种是盛装储热材料的外管道，其具有优良的导热率。基于这三点考虑，内外管均采用导热率高、强度高、耐腐蚀的紫铜管件。

管道采用套管结构，如图1所示，内管内充满传热介质，用于传输热量，内外管之间封装储热材料，内外管中间设计支撑结构，如图2所示。

设计的保温装置内部体积为1 m3，为确保使系统内各处温度均匀，管路采用直管排列方式，按7×7的叠加式阵列排布，即7列7行。如图3所示，确保管道均匀布置在装置外围，使装置充分受热。在实际操作中，如果将弯头处折弯后不容易套管，弯头处可以分段，如内管分两段，外管分三到四段，且长度不同，采用钎焊连接，实现安装。管道中的储热材料和传热介质均提前封装。

3.3 管道尺寸计算

1)外管道壁厚公式。

(1)

tsd=ts+C

(2)

其中，P为设计压力，MPa；D0为储热室内外管道外径，mm；[σ]t为管道材料许用应力，MPa；Y为铜材料系数;ts为直管道壁厚，mm；tsd为直管道设计壁厚，mm；C为厚度附加量，mm。

在壁厚公式里：P取1 MPa；[σ]t在实际温度下的许用应力为29 MPa；D0为管道外径，取20 mm;Ej为焊接接头系数，Ej取1，Y取0.4。

根据壁厚公式算出理论壁厚ts=0.34 mm，考虑到壁厚偏差和机械胀管时壁厚的减薄量，取实际壁厚tsd=ts+C=0.34+0.07=0.41 mm。

则管道的内径D1=D0-2×tsd=19.2 mm。

2)内管道的内径。

同以上计算，取内管道的内径d1=12.7 mm。

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

由式(1)计算出理论壁厚ts=0.24 mm，考虑到壁厚偏差和机械胀管时壁厚的减薄量，取实际壁厚tsd=ts+C=0.24+0.07=0.31 mm。

则管道的外径d0=d1-2×tsd=13.3 mm。

3)直管的管长及管间距设计。

管子的中心距t为管间距。管子均匀分布在立方体设备周围，使受热均匀，管间距为130 mm。管长L1为4 200 mm，内管道的管长L2为4 146.4 mm。叠加在这7根管道上 的另外7根管道每根直管外管道的管长L3为4 360 mm，内管道的管长L4为4 306.4 mm。

4)管道弯头设计。

在管道的连接方面，强度要求不高，可以用钎焊，确保密封即可。内管弯头和外管弯头的内、外径与外管道和内管道的内、外径是一致的。因此外管弯头的内径为19.2 mm，外径为20 mm；内管弯头的内径为12.7 mm，外径为13.3 mm。其示意图如图4所示。

3.4 传热设计

1)翅片结构确定。

装置外侧采用聚氨酯材料隔热，热阻在外侧。管外侧焊接翅片，指向装置内部进行传热。采用矩形直肋的形式，如图5，图6所示。根据装置传热距离，确定翅高长12 mm，宽15 mm，翅距300 mm，翅厚1 mm。

2)翅片传热计算及数量确定。

外表面换热系数根据BRIGGS公式计算：

(3)

其中，ho为表面对流换热系数；ka为空气的导热系数；μa为空气的动力黏性系数；Cp为空气定压比热容；dr为翅根长；Gmax为最小流通截面处的质量流速；Sf为翅距；Lf为翅长。

翅片壁面总效率计算公式：

(4)

其中，η为翅片效率；ηf为翅片壁面总效率，查表得0.82；Ff′为翅片面积；Fb′为翅片根部面积；Ff为翅片总外表面积，等于Ff′+Fb′。

则η=0.82。

总的传热系数按式(5)计算：

(5)

其中，hi为内表面换热系数;β为肋化系数。设管内面积为Fo；管外光管面积为Fw；管外总肋面积为Ff，则:

其中，η为翅片效率，根据肋片形式与肋长、肋宽、肋厚、对流换热系数、导热系数查得；δ为铜管壁厚；k为铜的导热系数。

则β=23.4。

计算上式k=16.507。

传热装置所需面积F按下式计算：

其中，1.2为安全系数；Q为传热装置传热量；ΔTm为对数平均温差。

设空气初始温度为Ta1，最终温度Ta2，石蜡初始温度为Tw1，最终温度Tw2，则:

其中，F=5.3 m2。

根据以上计算，传热装置采用在内径19.2 mm的铜管上装矩形直肋排列，传热面积5.3 m2，共需要126个翅片。

3)翅片总换热量计算。

在外径20 mm管子上布置直肋，肋高H=12 mm，厚δ=1.0 mm。肋基温度为100 ℃，周围流体温度为10 ℃。设铜的导热系数λ=384 W/(m2·K)，肋面的表面传热系数h=10 W/(m2·K)，取中间700 mm的铜管，其上布置126个肋片，肋片中心距为300 mm。两端各留有20 mm 的安装端。计算肋片管的总换热量。

r1=10 mm。

其中，ηf为0.82。

如果整个肋面处于肋基温度,一个肋片五面的散热量为:

每一个肋片的实际散热量Φ为Φ0与肋效率ηf的乘积，即:

Φ=0.067 W。

η0=(Ar+ηfAf)/Ar+Af=0.820 1。

肋片的总换热量为：

Φ=A0η0h(t0-tf)=434.6 W。

获得总的换热量后，只要通过热量发生系统传递给该装置超过434.6 W，则可保证该装置在设定的低温环境下的防冻保温需求。在传递热量时也要考虑热量损失。该设计可通过其他能量方式获得热量，可以脱离电力供应，更适合高寒地区地域广阔、电力供应基础设施不足的情况。

4 结语

针对高寒地区供水设备低温环境下难以安全运行的难题，设计了防冻保温装置。主要包括了储热材料设计、管道设计、管道尺寸的计算、传热设计及计算等。设计结果表明，在外部低温环境下，其供水设备保持在5 ℃～10 ℃的工作温度是可行的，有助于确保高寒地区农牧区供水安全。本文对指导防冻装备设计具有重要的理论意义。