CN108278423A - 一种寒区管道保温系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种寒区管道保温系统及测试方法，通过在管道上的包裹若干节风管，风管的首端连接风机对风管内部持续通入高温气体，风管通过支架固定在管道的外侧，管道与风管间具有风道，高温气体再风道内持续对管道进行加热，本系统能够为寒区隧道水消防系统在冬季提供防冻保证，从而避免因为严寒导致消防管道冻结，隧道火灾安全失去保证，达到提升严寒情况下隧道消防系统可靠性的目的。

Description

一种寒区管道保温系统及测试方法

技术领域

本发明属于隧道消防领域，具体涉及一种寒区管道保温系统及测试方法。

背景技术

中国的季节性冻土面积达5.14×10⁶km²,占全国总面积的53.5％。在这些地区修筑隧道是基础建设中的一项特殊工程，随着我国基础建设的不断发展，寒区隧道建设数量不断增加。寒区隧道面临的最大问题是隧道冻害，近年来我国投入到寒区隧道冻害治理的费用不断增加，即便如此，仍有不少隧道饱受冻害困扰，甚至废弃，寒区隧道冻害防治正成为隧道界的重要研究课题。在寒区隧道冻害问题中，寒区隧道的消防安全是关系到人民群众生命财产安全的重要课题，寒区隧道所处环境温度极低，消防管道易因低温冻结而失去作用，使隧道内人员处于不安全状态。

以往研究中，研究人员提出了多种防冻保温措施，如电伴热保温、消防管道填充防冻液、干式消防系统、放水保温等。电伴热系统是一种辐射型供暖系统，以电热丝为热媒，通过使发热电缆通电将电能转化成热能，传递给被加热体，并通过外层隔热材料的保护，以达到系统需要的供暖、保温效果。消防管道填充防冻液是指在隧道消防水管内添加防冻剂，降低管道内水的冰点，以达到防冻目的。干式消防系统是指平时水管内为空管运行，火灾发生后再进行供水作业。放水保温是指具备条件的情况下，定时将管道内冷水排出，引入地下水，保持管内的水温始终高于冰点。这些措施在理想条件下可以达到管道防冻保温的要求，但是实际操作中均有各种问题出现，难以达到预期效果，使目前寒区隧道内消防保温处于不可靠状态，存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种寒区管道保温系统及测试方法，该系统能够为寒区隧道水消防系统在冬季提供防冻保证，从而避免因为严寒导致消防管道冻结，隧道火灾安全失去保证，达到提升严寒情况下隧道消防系统可靠性的目的。

为了达到上述目的，一种寒区管道保温系统，包括与水泵连接的管道，以及包裹在管道上若干节风管，相邻的风管通过公母扣连接，风管的首端连接风机，风管通过支架固定在管道的外侧，管道与风管间具有风道，风机通过风机管道接入风道中。

风管包括直线型风管、L型风管和T型风管。

一种寒区管道保温系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤一，通过现场量测和气象资料调研对所需保温管道的现场环境温度进行勘查调研，确定沿管道布置方向上环境温度变化规律，在从而确定寒区管道保温系统的工作范围；

步骤二，根据现场温度计算采取不同保温层厚度时风管内热损失，综合考虑空间限制的因素，选择合适的保温层厚度和风机功率；

步骤三，根据计算结果和图纸进行现场安装调试，风管内每隔一段距离布置风速和温度测点，待系统稳定运行后读取监测数据；当风管内温度达到安全值并稳定后关闭风机，设定临界温度，达到临界温度后开启风机，监测风管内温度调节所需时间；

步骤四，第一组测试结束后，待管内温度恢复到临界温度后，调整风机风速与温度，重复进行上述测试；

步骤五，整理各组监测数据，将不同测试组得到的热损与期望热损进行比较，确定最佳风速和温度。

步骤二中，选择合适的保温层厚度和风机功率的具体方法如下：

第一步，计算风管内空气雷诺数Re，判断风管内空气流动状态，计算对流传热系数；

第二步，计算消防管壁处的对流传热系数；

第三步，计算风管内壁处的对流传热系数；

第四步，计算消防管壁单位管长传热量；

第五步，计算不同保温层厚度时的单位管长传热量，然后根据热损控制需要选择合适的保温层厚度；

第六步，计算总热流量，根据总热流量选择暖风机具功率和数量。

第一步中，

Re为雷诺数，雷诺数反映了流体惯性力和粘性力相对大小，v_f为截面平均流速；d为取风道当量直径d_e；ν为流体运动粘度；

风道当量直径d_e计算如下：

r₁—消防管道外径；r₂—风管内径；

当风管内不同流速情况下雷诺数均大于10⁴，说明风管内空气流动处于旺盛湍流状态。

第二步中，

h₁为消防管壁对流传热系数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数，普朗特数反映了流体动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小；λ_f为流体热导率；d为管径，取风道当量直径d_e。

第三步中，

h₂为风管内壁对流传热系数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；λ_f为流体热导率；d为管径；ε_l为管长修正系数；ε_t为温差修正系数；ε_R为弯管效应修正系数。

第四步中，

风管内空气是恒热流，因此平均温差根据下式取得

Δt_m1＝t_w1-t_f

t_w1—消防管壁温度；t_f—流体温度；

取得平均温差后计算单位管长的传热量

Φ_l1＝h₁(πd_e)Δt_m

Φ_l1—消防管壁单位管长传热量；h₁—消防管壁对流传热系数；d_e—当量直径；Δt_m—平均温差。

第五步中，

计算总热阻R_λ＝R_f+R₁+R₂

风管内壁对流热阻

风管热阻

保温层热阻

温差Δt＝t_w2-t_w4

单位管长热流量计算

R_λ为总热阻；R_f为风管内壁对流热阻；R₁为风管热阻；R₂为保温层热阻；h₂为风管内壁对流传热系数；d₁为风管内壁直径；d₂为风管外壁直径，d₂＝d₁+2δ₁，其中δ₁为风管厚度；d₃为保温层直径，d₃＝d₂+2δ₂，其中δ₂为保温层厚度；λ₁为风管热导率；λ₂为保温层热导率；t_w2为风管内壁温度；t_w4为保温层外侧温度；Φ_l3—单位管长热流量。

第六步中，

单位管长总热流量Φ_l＝Φ_l1+Φ_l2

总热流量φ＝Φ_ll

风机机具数量N＝φ/P

Φ为总热流量；l为消防管道总长；P为风机热功率；N为风机数量。

与现有技术相比，本发明的保温系统通过在管道上的包裹若干节风管，风管的首端连接风机对风管内部持续通入高温气体，风管通过支架固定在管道的外侧，管道与风管间具有风道，高温气体再风道内持续对管道进行加热，利用空气隔热性能良好、导热性差的特点，减少保温能耗的同时可以增加系统单次保温时长，本系统能够为寒区隧道水消防系统在冬季提供防冻保证，从而避免因为严寒导致消防管道冻结，隧道火灾安全失去保证，达到提升严寒情况下隧道消防系统可靠性的目的。本系统可靠性强，模块化部件利于安装和维护，不仅可以用于新建管道，也可以用于已有管道的保温改造。

本发明的方法首先计算对流传热系数，再计算消防管壁处的对流传热系数、风管内壁处的对流传热系数、消防管壁单位管长传热量和不同保温层厚度时的单位管长传热量，根据热损控制需要选择合适的保温层厚度，最后计算总热流量，根据总热流量选择暖风机具功率和数量，能够对选取管道保温系统起到指导性作用，保证用较小的成本达到保温的效果，降低了成本，提高了效率。

附图说明

图1为本发明中直线型风管的主视图；

图2为本发明中直线型风管的俯视图；

图3为本发明中直线型风管的侧视图；

图4为本发明中T型风管的主视图；

图5为本发明中T型风管的俯视图；

图6为本发明中T型风管的侧视图；

图7为本发明中L型风管的俯视图；

图8为本发明中风机布置图；

图9为本发明实施例中风机及测点布置图；

其中，1、风管；2、支架；3、接口；4、风道；5、消防管道；6、消防支管；7、支管护套；8、风机管道；9、风机；10、测点；11、水泵；12、水泵房；13、总管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本系统将风管作为消防管道5内保温层，使消防管道6处于暖风环境以避免管道内水冻结，其优势在于可靠度高，费用低，适用于绝大部分隧道。该系统由风机9和风管1组成。为了避免因风管1内热外冷而导致风管内水汽凝结，影响系统稳定性，风机9应具备加热和除湿功能。风管1包括直线型风管、L型风管和T型风管。

参见图1、图2和图3和图8，直线型风管包括与水泵11连接管道，以及包裹在管道上若干节风管1，相邻的风管1间通过公母扣连接，风管1的首端连接风机9，风管1通过支架2固定在管道的外侧，管道与风管1间具有风道4，风机9通过风机管道8接入风道4中。

参见图4、图5和图6，T型风管包括呈T型设置的消防管道5和消防支管6，消防支管6与消防管道5的转角处设置有呈L型的支管护套7，消防管道5一侧的外部设置有风管1，风管1与支管护套7共同覆盖在消防管道5和消防支管6外表面，风管1和支管护套7与消防管道5和消防支管6间具有风道4，支管护套7与风管1的端部共同组成接口3。

参见图7，L型风管包括呈L型设置中的消防管道5，消防管道5的弯折处覆盖有呈L型设置的风管1，风管1与消防管道5间通过支架2支撑出风道4.

风管1的结构采用卯扣式结构，由左右两个半圆组成，安装时左右相扣即可，每节接口分公口和母口，每节之间靠公母扣相扣进行连接和密封，连接处采用箍圈进行固定，箍圈收紧后其尺寸等于风管外径。支管护套的尺寸可以根据隧道内消火栓支管的尺寸和长度确定。管道内壁与消防管道之间由4个固定支架进行固定，使风管和消防管道成为一个整体。

为实现上述的目的，本发明所述的寒区管道保温系统的实施方法包括如下步骤：

第一步，通过现场量测和气象资料调研对所需保温管道的现场环境温度进行勘查调研，确定沿管道布置方向上环境温度变化规律。在调研管道方向上温度分布后，画出极端温度下沿管道方向上的温度分布图，以便于确定系统的工作范围；由于隧道等地下空间内离洞口越远则温度越接近年平均温度，故并非管道全段都需要保温措施，以避免浪费。

第二步，根据现场温度计算采取不同保温层厚度时风管内热损失，综合考虑空间限制与造价等因素，选择合适的保温层厚度和风机功率：

假定风管内为恒热流。

1、根据公式1-1计算风管内空气雷诺数Re，判断风管内空气流动状态，计算对流传热系数。

Re—雷诺数(反映了流体惯性力和粘性力相对大小)，v_f—截面平均流速；d—取风道当量直径d_e；ν—流体运动粘度

风道当量直径d_e计算如下：

r₁—消防管道外径；r₂—风管内径。

大量计算结果表明，风管内不同流速情况下雷诺数均大于10⁴，说明风管内空气流动处于旺盛湍流状态。

2、计算消防管壁处的对流传热系数。

h₁—消防管壁对流传热系数；Re—雷诺数；Pr—普朗特数(反映了流体动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小)；λ_f—流体热导率；d—管径(取风道当量直径d_e)；

3、计算风管内壁处的对流传热系数。

h₂—风管内壁对流传热系数；Re—雷诺数；Pr—普朗特数；λ_f—流体热导率；d—管径(取风道当量直径)；ε_l—管长修正系数；ε_t—温差修正系数；ε_R—弯管效应修正系数。

其中，当l/d≥60时，入口段对整个管子平均对流传热系数影响不大，可以不予考虑，即ε_l＝1。气体被冷却时，ε_t＝1。直管段较长时，弯曲管段对整个管子平均对流传热系数的影响不大，可近似取ε_R＝1。

因隧道内消防管道长度远大于管径，且基本上是直线布置，因此公式1-3可简化为：

4、计算消防管壁单位管长传热量(热损失)。

根据假定，风管内空气是恒热流，因此平均温差根据下式取得

Δt_m1＝t_w1-t_f (1-6)

t_w1—消防管壁温度(由于消防管道属于薄壁且材料导热性能极好，因此认定消防管道壁面温度等于管道内水温)；t_f—流体温度。

取得平均温差后计算单位管长的传热量

Φ_l1＝h₁(πd_e)Δt_m (1-7)

Φ_l1—消防管壁单位管长传热量；h₁—消防管壁对流传热系数；d_e—当量直径；Δt_m—平均温差。

5、计算不同保温层厚度时的单位管长传热量，然后根据热损控制需要选择合适的保温层厚度。

计算总热阻R_λ＝R_f+R₁+R₂ (1-8)

风管内壁对流热阻

风管热阻

保温层热阻

温差Δt＝t_w2-t_w4 (1-12)

单位管长热流量计算

R_λ—总热阻；R_f—风管内壁对流热阻；R₁—风管热阻；R₂—保温层热阻；h₂—风管内壁对流传热系数；d₁—风管内壁直径(即风管当量直径)；d₂—风管外壁直径(d₂＝d₁+2δ₁，其中δ₁为风管厚度)；d₃—保温层直径(d₃＝d₂+2δ₂，其中δ₂为保温层厚度)；λ₁—风管热导率；λ₂—保温层热导率；t_w2—风管内壁温度；t_w4—保温层外侧温度(环境温度，取平均温度)；Φ_l3—单位管长热流量。

6、计算总热流量，根据总热流量选择暖风机具功率和数量。

单位管长总热流量Φ_l＝Φ_l1+Φ_l2 (1-14)

总热流量φ＝Φ_ll (1-15)

风机机具数量N＝φ/P (1-16)

Φ—总热流量；l—消防管道总长；P—风机热功率；N—风机数量。

需调研不同保温材料保温参数和工作温度，综合考虑空间与造价，材料越厚其造价越高，而其工作温度限制了风机的输出温度，因此需要制作表格进行材料比选；空间限制即为管道所处环境对保温层厚度的限制，这里是指隧道内消防管道所处位置周围空余空间的大小；合适的风机功率是指，若管道周边空间紧张，不足以施加足够的保温层，则需提高风机功率以抵消保温层不足带来的热损增加。

第三步，根据计算结果和图纸进行现场安装调试，风机建议布置在水泵房，便于保温和维护。风管内每隔一段距离布置风速和温度测点，待系统稳定运行后读取监测数据；采用物联网技术将风机与测点纳入同一系统，通过测点实时监控风管温度，当风管内温度低于临界值时启动风机，进行管道加热保温，当风管内温度达到安全值并稳定后关闭风机，监测风管内温度调节所需时间。

测点布置间距须根据管道长度确定，一般原则是风管入口段较密，中间段较疏；系统稳定运行后是指测点读数趋于平稳无大幅波动；根据图纸安装是指根据但不限于附图进行风机、风管以及测点的安装布置，须根据具体的项目情况进行相应的调整；测点是指，在风管与消防管道之间布置风速与温湿度传感器，通过有线连入系统；临界值是指为防止管内液体冻结所设定的最低待加热温度；安全值是指系统中最低温度达到后关闭风机以减少能耗的温度。物联网组成、风管安装及测点布置见附图。

第四步，第一组测试结束后，待管内温度恢复到临界温度后，调整风机风速与温度，重复进行上述测试；

第五步，整理各组监测数据，将不同测试组得到的热损与期望热损进行比较，确定最佳风速和温度。

参见图9，实施例：

第一步，通过现场量测和气象资料调研对所需保温管道的现场环境温度进行勘查调研，确定沿管道布置方向上环境温度变化规律。杨井隧道位于吴起至定边高速公路上，冬季气温极低，容易出现消防管道冻结失稳，冬季极端温度为-25.4℃，极端温度下沿管道方向上的温度分布图如下图(其中50、100m是指洞内深度)。因洞内自然风与交通风较强，洞内温度仍处于冰点以下，计算得到平均温度为-14℃。

第二步，根据现场温度计算采取不同保温层厚度时风管内热损失，综合考虑空间限制与造价等因素，选择合适的保温层厚度和风机功率：

根据计算洞内平均温度为-14℃，消防管道内水来自地下深水井，温度为5℃，以消防管道水温5℃、环境温度-14℃计算热损失，假定空气为干空气且为恒热流：

空气流速取5m/s或更高时，雷诺数Re均大于10⁴，说明风管内空气流动处于旺盛湍流状态，由公式(1-3)和公式(1-5)可知对流传热系数随雷诺数增加而增大，而雷诺数与特征流速成正比(1-1)，因此风速越大则热损失越高，此处以5m/s作为特征流速。风管材料为PVC材料，厚度为10mm，保温材料为聚氨酯材料，导热系数为0.038，忽略风管与保温材料之间的接触热阻。

根据计算可知，空气温度越高则热损失越大，保温层厚度对单位管长热损失贡献不大，同时为了避免因为风机失稳导致风管内无热源，因此保温层厚度也不宜过薄，此处选择30mm厚聚氨酯作为保温层。选择10℃作为平均空气温度，则每百米需要风机功率为5.11kw，采用风机功率为15kw，单台基本满足入口段300m的热量需求。在洞口段与洞身段交界处再布置一风机，则单洞隧道共需布置4台风机进行加热作业。

第三步，根据计算结果和图纸进行现场安装调试，风机建议布置在水泵房和洞内290m处，便于保温和维护。风管内洞口段每隔50m布置风速和温度测点，洞身段每隔100m布置测点(采用风速计即可完成量测任务)，待系统稳定运行后读取监测数据；采用物联网技术将风机与风速计纳入同一系统，通过测点实时监控风管温度，当风管内温度低于临界值时启动风机，进行管道加热保温，当风管内温度达到安全值并稳定后关闭风机，监测风管内温度调节所需时间。

系统稳定运行后是指测点读数趋于平稳无大幅波动；根据图纸安装是指根据但不限于附图进行风机、风管以及测点的安装布置，须根据具体的项目情况进行相应的调整；测点是指，在风管与消防管道之间布置风速与温湿度传感器，通过有线连入系统；临界值是指为防止管内液体冻结所设定的最低待加热温度，此处设置为5℃；安全值是指系统中最低温度达到后关闭风机以减少能耗的温度，此处设置为10℃。风管安装及测点布置见附图9。

第四步，第一组测试结束后，待管内温度恢复到临界温度后，此时临界温度为5℃，调整风机风速与温度，重复进行上述测试；

第五步，整理各组监测数据，将不同测试组得到的热损与期望热损进行比较，确定最佳风速和温度。

Claims (10)

1.一种寒区管道保温系统，其特征在于，包括与水泵(11)连接的管道，以及包裹在管道上若干节风管(1)，相邻的风管(1)间通过公母扣连接，风管(1)的首端连接风机(9)，风管(1)通过支架(2)固定在管道的外侧，管道与风管(1)间具有风道(4)，风机(9)通过风机管道(8)接入风道(4)中。

2.根据权利要求1所述的一种寒区管道保温系统，其特征在于，风管(1)包括直线型风管、L型风管和T型风管。

3.权利要求1所述的一种寒区管道保温系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，通过现场量测和气象资料调研对所需保温管道的现场环境温度进行勘查调研，确定沿管道布置方向上环境温度变化规律，在从而确定寒区管道保温系统的工作范围；

步骤二，根据现场温度计算采取不同保温层厚度时风管内热损失，综合考虑空间限制的因素，选择合适的保温层厚度和风机功率；

步骤三，根据计算结果和图纸进行现场安装调试，风管内每隔一段距离布置风速和温度测点，待系统稳定运行后读取监测数据；当风管内温度达到安全值并稳定后关闭风机，设定临界温度，达到临界温度后开启风机，监测风管内温度调节所需时间；

步骤四，第一组测试结束后，待管内温度恢复到临界温度后，调整风机风速与温度，重复进行上述测试；

步骤五，整理各组监测数据，将不同测试组得到的热损与期望热损进行比较，确定最佳风速和温度。

4.根据权利要求3所述的一种寒区管道保温系统的测试方法，其特征在于，步骤二中，选择合适的保温层厚度和风机功率的具体方法如下：

第一步，计算风管内空气雷诺数Re，判断风管内空气流动状态，计算对流传热系数；

第二步，计算消防管壁处的对流传热系数；

第三步，计算风管内壁处的对流传热系数；

第四步，计算消防管壁单位管长传热量；

第五步，计算不同保温层厚度时的单位管长传热量，然后根据热损控制需要选择合适的保温层厚度；

第六步，计算总热流量，根据总热流量选择暖风机具功率和数量。

5.根据权利要求4所述的一种寒区管道保温系统的测试方法，其特征在于，第一步中，

Re为雷诺数，雷诺数反映了流体惯性力和粘性力相对大小，v_f为截面平均流速；d为取风道当量直径d_e；v为流体运动粘度；

风道当量直径d_e计算如下：

r₁—消防管道外径；r₂—风管内径；

当风管内不同流速情况下雷诺数均大于10⁴，说明风管内空气流动处于旺盛湍流状态。

6.根据权利要求4所述的一种寒区管道保温系统的测试方法，其特征在于，第二步中，

h₁为消防管壁对流传热系数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数，普朗特数反映了流体动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小；λ_f为流体热导率；d为管径，取风道当量直径d_e。

7.根据权利要求4所述的一种寒区管道保温系统的测试方法，其特征在于，第三步中，

h₂为风管内壁对流传热系数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；λ_f为流体热导率；d为管径；ε_l为管长修正系数；ε_t为温差修正系数；ε_R为弯管效应修正系数。

8.根据权利要求4所述的一种寒区管道保温系统的测试方法，其特征在于，第四步中，

风管内空气是恒热流，因此平均温差根据下式取得

Δt_m1＝t_w1-t_f

t_w1—消防管壁温度；t_f—流体温度；

取得平均温差后计算单位管长的传热量

Φ_l1＝h₁(πd_e)Δt_m

Φ_l1—消防管壁单位管长传热量；h₁—消防管壁对流传热系数；d_e—当量直径；Δt_m—平均温差。

9.根据权利要求4所述的一种寒区管道保温系统的测试方法，其特征在于，第五步中，

计算总热阻R_λ＝R_f+R₁+R₂

风管内壁对流热阻

风管热阻

保温层热阻

温差Δt＝t_w2-t_w4

单位管长热流量计算

R_λ为总热阻；R_f为风管内壁对流热阻；R₁为风管热阻；R₂为保温层热阻；h₂为风管内壁对流传热系数；d₁为风管内壁直径；d₂为风管外壁直径，d₂＝d₁+2δ₁，其中δ₁为风管厚度；d₃为保温层直径，d₃＝d₂+2δ₂，其中δ₂为保温层厚度；λ₁为风管热导率；λ₂为保温层热导率；t_w2为风管内壁温度；t_w4为保温层外侧温度；Φ_l3—单位管长热流量。

10.根据权利要求4所述的一种寒区管道保温系统的测试方法，其特征在于，第六步中，

单位管长总热流量Φ_l＝Φ_l1+Φ_l2

总热流量φ＝Φ_ll

风机机具数量N＝φ/P

Φ为总热流量；l为消防管道总长；P为风机热功率；N为风机数量。