本文是一篇工程硕士论文，本文在现有热力管道模式的基础上，以球墨铸铁热力管道为研究对象，提出了新型热力管道模式。利用 ANSYS 软件建立仿真模型，深入研究保温薄弱环节（主管身、接口以及弯头等部位）的传热特性及保温优化方法，通过建立球墨铸铁热力管道试验线实验平台，将模型分析的数值解与实验值对比，以验证数值解的工程精度。
第 1 章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 我国集中供热发展及现状
集中供热可以有效地优化目前的生态环境质量，同时也可以满足目前社会对生活能源的具体需求，并在此基础上使生态环境更具平衡性[1]。为节约能源，保护环境，促进生产，改善人民生活，发展我国城镇集中供热事业，城市集中供热是国家节能减排战略的主要组成部分之一[2]。在国家实行节能减排，走可持续发展之路的重大背景下，应当加强对集中供热系统更新、改造的重视[3]。在我国北方地区，冬季建筑供暖是重要的民生问题。2018 年，我国北方地区建筑供暖面积达 200 亿 m2，每供暖季消耗标准煤 4.0 亿吨，其中城镇采暖面积 147 亿 m2，每供暖季消耗标准煤 2.0 亿吨[4]。随着建筑规模的增长及平均能耗强度的增长，我国建筑供暖能耗已成为中国建筑能耗中比例较大的一部分。
我国的能源资源禀赋特点是以煤为主，因此，集中供热是北方建筑供暖特别是市、县及镇区供暖的主导方式。从 1983 年的第一次统计，我国集中供热面积仅有 3000万 m2，而到 2007 年，达到 30 亿 m2 以上，增加了近一百倍。截止到 2017 年，我国集中供热面积逾 80 亿 m2，近十年间，每年以近 4-5 亿平米的速度增加。
在我国，集中供热以热电联产和区域锅炉为主要热源，单一热源的供热能力可达百万平米甚至千万平米。随着热源的大型化，要求配套建设供热规模更大、输送距离更远的以热水为媒介的大型集中热力管网。系统的主要形式如图 1-1 所示：
1.2 国内外研究现状
1.2.1 直埋热力管道传热特性分析方法
直埋于土壤下的双线热力管道非稳态传热过程比较复杂，在土壤热惰性条件下，不仅要考虑环境空气温度和管道热水温度变化的非稳态传热特性，还要考虑供、回管道之间热水温差的传热。
（1）国外研究现状
国外直埋热力管道传热特性的系统化研究始于 20 世纪 90 年代。Cai Mingqing等利用半解析解的方法对直埋土壤条件下的等厚度保温复合管道周边温度场实现了模拟分析，通过保形变换将原有的物理平面转换成有限的矩形，在土壤表面上施加对流换热边界条件，然后导出了第二类奇异积分方程，该奇异积分方程利用数值计算方法求解[11]。M.Tychanicz-Kwiecień等对保温材料进行了研究，选出了优质保温材料，为后续直埋热力管道传热特性的研究打下了良好基础[12]。WheelerJ.A 等利用有限元理论和有限差分理论对埋地等厚度保温复合管道温度状况进行了模拟分析[13]。Thomtn.D.E.分别对未保温管道和等厚度保温复合管道进行了稳态、非稳态传热工况进行了分析计算，获得了详细的解析解[14]。目前，L.C.Wrobel 和 C.A.Brebbia 等开发模拟计算软件，采用等效圆筒模型法处理等厚度保温复合管道的传热问题，将半无限大土壤处理成为包裹管道的当量环形的保温层，将土壤与管道简化为一个等效圆筒[15]-[16]。
（2）国内研究现状
我国在 80 年代末引进预制保温直埋敷设管道技术后，在国家大力发展集中供热的大背景下，也开展了关于直埋热力管道的传热特性分析方法的研究。在 1998 年，借鉴欧洲的相关研究成果和技术标准，颁布实施了《城镇直埋供热管道工程技术规程(CJJ/T81-98)》，但该技术规程适用范围有限，其原理是基于一维传热，仅适用于钢制焊接的等厚度保温复合管道的传热过程分析，在 2014 年实施的新版《技术规程》中，仍没有对直埋于土壤下的双线热力管道非稳态传热特性计算方法进行改善。
第 2 章 新型直埋热力管道传热数学模型建立
2.1 概述
本章的主要任务是建立一套科学的数学模型，用来准确描述直埋于土壤下的双线球墨铸铁热力管道非稳态传热过程，在提高传热特性计算分析精度同时降低计算工作量，为合理实现保温层的优化设计提供有力保障，主要内容：①新型热力管道；②传热问题描述；③数学模型建立方法；通过对计算域、控制方程、边界条件的确定，建立较为准确的新型热力管道模型。
通常工程传热问题解决方法有三大类：数值方法、解析方法和实验测量方法。
1) 解析法：通过建立传热微分方程和单值性条件的完整数学描述，如果能用合理的方法求解，就能得到热力管道在埋地条件下的温度场，根据求得的温度场进一步求得其热流密度场，所得解析函数形式的解被称为解析解，也称为理论解、严格解。一般多用于线性边界条件，在求解几何模型较为简单、规则的情况下。解析法有一些衍生方式，包括模拟法、图解法、近似解析法及专门针对直埋管道传热问题而诞生的大圆弧法。
2) 数值法：基本思路是利用有限元的原理。以空间和时间区域内有限个离散点上的数值近似值，代替物体内实际的连续温度分布，进而通过控制方程及边界条件推导出有关各节点温度间相互关联的代数方程组，简称为离散方程。对于求解形状较为复杂的几何模型传热问题求解有了更为有效、精确的方法。
3) 实验法：针对几何边界条件复杂的传热过程，还需要通过设计合理的管道热工实验，通过实测不同工况下热力管道及土壤周边的温度等数据，对建立的理论数学模型进行检验和修正。
2.2. 球墨铸铁热力管道传热问题描述
2.2.1 球墨铸铁热力管道多层复合结构
为新型球墨铸铁热力管道结构组成见图 2-1。管道由内及外分别为：工作管、保温层、外护管，采用承插式连接。
1) 工作管：采用球墨铸铁材料，材料本身机械性能良好，综合性能较高，耐磨性和减振性好，铸造工艺性能优良。被广泛应用于各种零部件，具有铁的本质、钢的性能。一般由 18 号以上的铸造铁水经添加球化剂后，经过离心球墨铸铁机高速离心铸造而成。
2) 保温层：硬质聚氨酯泡沫塑料材料，导热系数低（一般在 0.033 W/(K· m)）、疏水性较好、抗压抗拉强度较大，被广泛应用于建筑和冷库保温等领域。一般由石油基的聚酯聚醚多元醇和发泡剂、表面活性剂、催化剂、水以及多聚异氰酸酯共混，在常温或者一定温度下发泡制备，目前还可以采用喷涂工艺实现管道保温预制。
3) 外护管：预制保温管的生产执行国家标准[38]。采用高密度聚乙烯(PE)材料，具有良好的耐热性和耐寒性，化学性能稳定好，对潮气具有优良的屏障，抗机械损伤能力强，且适应温度好。应用在实际直埋热力管道工程中，可以杜绝热胀冷缩而引起的力学破坏。一般由乙烯单体、a-烯烃单体、催化剂体系和各种类型的烃类稀释剂参与反应生成。
4) 承插式接口：单根球墨铸铁管道长度为 6~8 米，采用承插式连接，每根管道一端为承口、一端为插口，接口密封圈材料采用能够耐高温和抗老化的改性特种橡胶。该接口具有结构简单，安装方便，密封性能好等特点。因此，这种接口能一定程度的适应轴向伸缩和径向位移。
第 3 章 新型热力管道热工性能实验 ..................................... 20
3.1 实验平台设计 ....................................... 20
3.1.1 实验背景与目的 ..................................... 20
3.1.2 实验设计原则 ............................................... 21
第 4 章 数值解与实测数据对比分析 ............................ 37
4.1 ANSYS 仿真模型建立 ............................................ 37
4.2 数值解与实测数据对比分析方法 ............................................. 37
4.3 管道传热模拟及与实测数据对比 ......................................... 38
第 5 章 球墨铸铁新型热力管道保温优化设计 .................................... 55
5.1 新型热力管道接口保温优化设计思路 ............................................. 55
5.1.1 提出问题 ....................................... 55
5.1.2 解决思路 ............................................ 55
第 5 章 球墨铸铁新型热力管道保温优化设计
5.1 新型热力管道接口保温优化设计思路
由于球墨铸铁管道采用承插式连接，每根管长度为 6-8 米左右，承口凸起而造成其保温层厚度不连续，形成热桥，不仅增加了散热损失，还可能会造成保温及外护管温度高于安全约束值。需要深入分析接口部位热桥传热和影响区域，提出合理防治办法，对于新型热力管道的安全、经济运行具备非常重要的理论指导意义。
5.1.1 提出问题
1) 由于球墨铸铁管道采用承插柔性连接，导致保温层出现厚度不均匀的异性结构，见图 5-1，该处的温度场是三维的，涉及到轴向传热，并且接口处传热介质也是不均匀的。
2) 根据采用聚乙烯外护管的直埋热力管道技术要求，在管道运行时，外护管温度不应大于 50℃[43]-[44]。但允许工作温度通常为 50℃，由于接口处存在热桥的原因，导致外护管的局部温度偏高，可能会加剧该处附近的外护管材料老化。
结论
本文在现有热力管道模式的基础上，以球墨铸铁热力管道为研究对象，提出了新型热力管道模式。利用 ANSYS 软件建立仿真模型，深入研究保温薄弱环节（主管身、接口以及弯头等部位）的传热特性及保温优化方法，通过建立球墨铸铁热力管道试验线实验平台，将模型分析的数值解与实验值对比，以验证数值解的工程精度。主要结论如下：
1) 通过分析新型热力管道与土壤的传热特性，在一定假设前提下，简化了模型。在分析了土壤温度、管道埋深、全年气温变化的影响后，确定了距离管道垂直距离10 m 为恒温层，距离管道水平距离 2.5 m 为绝热面，以此建立了模型的计算域。在保证计算结果相对精确的前提下，大大减少了模型计算量。为后述的模拟计算奠定了一定的基础。
2) 通过搭建热力管道试验线实验平台，对主管身、接口、弯头等部位实测数据进行整理归纳，发现主管身外护管内壁温度的最高值约 32.7℃，显著低于接口处外护管内壁温度的最高值 45.7℃，接口处热桥效应明显。弯头部位保温层外表面温度的最高值约 87.9℃，平均温度也在 60℃以上，这对混凝土耐温性成为一种考验。
3) 利用 ANSYS 仿真模型分析的数值解与实验值变化规律基本一致，通过误差计算公式，得出数值解与实验值的误差最大分别不超过 7.19%、5.30%、5.70%，能够达到工程精度。充分说明了仿真模型的准确性。
4) 对管道接口部位的保温进行优化设计，在接口部位仅仅通过增加 2~5 mm 的保温层厚度就可以有效的降低峰值温度。说明了增加管线整体保温厚度的方法对接口处散热量优化的可行性。说明了该方法在对管道接口处进行优化效果明显。
5) 对管道弯头部位的保温进行优化设计，提出了取消固定墩，采用新型钢结构的设计，消除了固定墩对于保温层厚度的限制。保温优化效果明显。带有热桥影响的保温层经济厚度与不受热桥影响的保温层经济厚度相比，保温层经济厚度明显增加，说明热桥效应的影响不可忽略。
参考文献（略）