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当直埋管道的管中心埋深H小于4倍保温管外径时,土壤热阻可用下式计算:
Rs=(1/2πλs)ln{2H/D+[(2H/D)²-1]^½}(1)
当直埋管道的管中心埋深H等于大于4倍保温管外径时,(1)式可以简化为:
Rs=(1/2πλs)ln(4H/D)(2)
式中:Rs--土壤热阻(m·k/W)
λs--土壤导热系数[W/(m·k)]
H--管中心埋深(m)
D--保温管外径(m)
保温层厚度一般有三种计算方法:(1)“经济厚度”计算法;(2)“允许最大散热损失”计算 法;(3)允许或指定介质温降”计算法。
按“经济厚度”计算,多种参数值难以确定,按“允许最大散热损失”计算,又无据可依, 因为“通则”(GB4272-84)中规定的“允许最大散热损失”值是针对架空、地沟的,同时也 是实施节能50%目标以前制订的,不适用目前直埋蒸汽管道。本文是采用指定温降和界面温 度方法进行保温层厚度计算。
在介质温度已知,保温层界面温度和外护层表面温度设定的情况下,根据当地的土壤导热系 数和管道埋深,可按如下方法进行公式推导和计算:
1.6.1 公式推导
由传热学圆管传热可知:
Q=-λ·dt/dr·F=-λ·2πrl·dt/dr
dt=-Q/2πλl·dr/r
t=-Q/2πλl·lnr+C
t1-t2=Q/2πλl·(lnr2-lnr1)=Q/2πλl·lnr2/r1=q1/2πλ·lnD2/D1
t0-t1=q1/2πλ1·lnD1/D0 (1)
t1-t2=q1/2πλ2·lnD2/D1 (2)
t2-t3=q1/2πλ3·lnD3/D2 (3)
t3-tg=q1/2πλg·ln4H/D3 (4)
由(1)得出,
lnD1=2πλ1·(t0-t1)/q1+lnD0 (5)
由(1)+(2)得出,
lnD2=2πλ2·〔t0-t2/q1-1/2πλ1·lnD1/D0〕+lnD1 (6)
由(1)+(2)+(3)+(4)得出,
lnD3= [2π·(t0-tg)-〔1/λ1·lnD1 /D0+1/λ2·lnD2/D1-1/λ3·lnD2+1/λg·ln4H〕q1]/q1·〔1/λ3-1/λg〕 (7)
其中:
H--直埋管道的埋深,m;
tg--土壤年平均温度,℃
t0--介质温度,℃
t1、t2、t3--各保温层表面温度,℃
λg--土壤导热系数,W/m.k;
λ1、λ2、λ3--各种保温材料的导热系数,W/m·k;
D0--工作钢管直径,m;
D1、D2、D3--各保温层的直径,m;
q1--单位长度管道热损失,W/m;
1.6.2 单位长度蒸汽管道热损失计算
对于蒸汽直埋管道,在已知蒸汽管道进、出口蒸汽比焓、比容的情况下,可按以下方法计算 单位长度蒸汽管道热损失量:
蒸汽管道全程热损可按下式计算:
Q=0.278M〔h1/γ1-h2/γ2〕W
式中:
M--蒸汽流量,m³/h;
h1,h2--根据蒸汽参数查得的管段进、出口蒸汽比焓,kJ/kg;
V1,V2--根据蒸汽参数查得的管段进、出口蒸汽比容,m³/kg;
单位长度管段热损失可按下式计算:
q1=Q/L={0.278M〔h1/V1-h2/V2〕}/L W/m
式中:
L-计算管段长度,m;
对于三层保温结构保温层厚度计算,在以上参数确定以后,可按保温材料和保护外壳的耐热 温度设定界面温度t1、t2、t3,将以上参数代入(5)、(6)、(7)式,即可求出D1、D2、D3,进而求出各保温层的厚度δ1、δ2、δ3。在土壤条件和埋深变化的情况 下,可按(7)式校核表面温度t3。
由于土壤导热系数随土壤含水量而发生季节性的变化,因此,为安全起见,计算出的保温层 厚度应留有一定的安全系数。
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