直埋保温管道传热系数测试与分析

2024年3月31日发(作者：月的词语)

区域供热2019.5期

直埋保温管道传热系数测试与分析

北京市公用事业科学研究所冯文亮白冬军

揖摘要铱本文介绍了直埋保温管道总传热系数的定义尧计算方法和使用热流计

法测试总传热系数的原理遥依据测试方法袁从管道介质循环加热系统尧试验沙箱环境尧

环境监测尧试验样品制备与测点布置尧试验步骤几个方面介绍了实验室直埋管道总传

热系数测试系统的设计与实现袁并通过实际样品在系统中进行总传热系数测试袁利用

温差法进行校核袁验证测试方法与系统的可行性与准确性遥

揖关键词铱直埋管道曰传热系数曰热流计曰导热系数

DOI编码:10.16641/11-3241/tk.2019.05.005

0引言

质与周围介质温差为1益时袁单位时间内通过

管道单位传热表面所传递的热量袁表示管道

内流体对周围介质散热的强弱遥对于埋地保

温管道袁如输油管道尧热水管道尧蒸汽管道袁管

道传热主要由管内流体介质至管壁放热袁管

壁保温层的热传导袁以及保温层到土壤的散

流密度与管道总传热系数的关系如下式

咱3暂

院

q

l

=K仔D

e

渊t-t

SE

冤

式中院

q

l

要单位长度线热流密度袁W/m曰

热部分组成

咱2暂

遥在稳态传热条件下袁管道线热

渊1冤

直埋保温管道具有高效保温尧防水尧防腐

等优异特点袁在集中供热尧输油工程尧中央空

调尧保冷工程尧化工尧医药等领域得到了广泛

的应用遥各种新型保温材料和保温结构以及

防腐材料的应用技术也随之得到发展遥和架

空敷设尧管沟敷设不同袁直埋管道是通过保温

外表面向周围土壤渊水和土的混合体冤传热

的袁这使得绝热设计有所区别遥架空敷设尧管

沟敷设环境热阻可看成是相同的袁而直埋管

从而影响管道保温效果

咱1暂

遥实际工程中袁例如

在集中供热领域对于散热损失与管道经济性

核算袁输油管道介质温降尧安全输送等都需要

考虑埋深和土壤的影响遥总传热系数通常是

直埋保温管道在实际布设环境与运行工况条

件下保温效果的衡量指标袁通过实验室手段

对管道运行工况进行模拟并准确测量其总传

热系数对于工程设计尧运行尧产品研发尧定型

具有重要意义遥

1测试原理

管道总传热系数K值袁指管道内流体介

-38-

道受深度尧地区影响袁土壤热阻会有所变化袁

W/渊m

2

窑益冤曰

K要管道计算直径所对应的总传热系数袁

D

e

要管道计算直径袁m曰

t

SE

要直埋管道周边环境温度袁益遥

由式渊1冤可知袁通过测量管道单位长度线

热流密度尧工作钢管中的介质温度尧直埋管道

周边环境温度袁便可得到该布设条件下的保

温管道的总传热系统遥对于管道单位长度线

热流密度袁可参考GB/T28638-2012叶城镇供

热管道保温结构散热损失测试与保温效果评

t要工作钢管中介质温度袁益曰

定方法曳中的内容袁采用热流计法开展测试遥

热流计法热流密度计算公式如下院

q=C窑E渊2冤

式中院

q要该测点散热热流密度袁W/m

2

c要热流传感器测头系数袁W/渊m

曰

2

E要热流传感器的输出电压袁mV

窑

遥

mV冤曰

50mm

热

或

流

100mm

传感器

伊

的大

100mm

小有

袁因

限

此

袁一

在

般

测

为

试

150mm

管道热

伊

流密度时袁一般在被测管段中间位置附近选

择周向测试截面布点测试袁对于工作管道直

径小于500mm的管道袁测点布置如图1所

示遥

图1测点布置

对于工作管道直径不小于500mm的情

况袁最好在被测管段上选择不少于一个有代

表性的测试截面袁沿周向均匀设置8个测点

进行测试遥管段的散热流密度为各测点在采

集时间段内热流密度的平均值遥管段的线热

流密度按下式计算

咱4暂

q

l

=仔Dq

院

渊3冤

式中院

q要被测管段的热流密度平均值袁W/m

2

D要被测管段保温结构外径袁m遥

曰

由渊1冤渊2冤渊3冤可知袁管道总传热系数可由

下式得到院

K=

D窑移

n

mmD

i=1

渊C

e

渊

窑

i

t-t

移

m

j=1

E

ij

SE

冤

冤

渊4冤

区域供热2019.5期

K要被测管段计算直径所对应的总传热

系数袁W/渊m

2

D要被测

窑益冤曰

管段保温结构外径袁m曰

n要传感器布点数量曰

m要测试时间段内的数据采集次数曰

C

i

E

ij

要

要

第

第

i

i

个

个

热

热

流传感器测头系数袁W/渊m窑

2

V冤曰

的第j次采集到的

流

输出

传

电

感

压

器

袁

在

mV

测

曰

试时间段内

D

e

t要

要

工

被测

作钢

管

管

段

中

计

介

算

质

直

温

径

度

袁

袁益曰

m曰

t

2

SE

要

2.1

测试

直埋

试验

系统

管道

环境及

设计

周边环境温度袁益遥

在实验室环境下模

设备

拟实际工程的运行工

况测试被测管道的总传热系数遥将管道埋在

试验沙箱内模拟工程现场的直埋条件袁将管

道接入导热油循环加热系统袁通过循环加热

导热油袁模拟实际工程中管道的介质输送温

度袁循环加热系统原理图如图2所示遥保温管

道循环加热系统主要由电加热器尧循环水泵尧

膨胀管尧储油罐尧循环管路尧被测样品管路尧电

气控制柜尧注油主泵尧安全阀等管路附件组

成遥

沙箱示意图如图3所示遥沙箱的尺寸一

般根据被测管道尺寸尧埋深以及管道外表面

温度而定袁沙箱尺寸越大袁管道周围温场分布

越趋近于理想状态遥本文介绍的试验系统沙

箱宽4m袁土壤深度3m袁长度8m袁可容纳5m

长的被测样品袁沙箱底部与四壁设有防水层袁

防止实验沙箱所处地区地下水位过高导致坑

内渗水影响试验所填沙土的导热系数遥试验

填沙细度及夯实度可参照工程要求袁通过改

变含水率来调节沙土的导热系数袁使其满足

试验要求遥土层上设置0.9m耀1m的封闭空气

层袁通过空调恒温系统及保温措施袁调节空气

层温度袁模拟试验所需的地表大气温度袁避免

由于室外阳光直射尧天气剧烈变化尧降水等因

素造成地表环境温度不稳定的情况遥当该试

验沙箱建在室内时袁可通过调整室内温度环

-39-

区域供热2019.5期

图2循环加热系统原理图

境使其满足试验要求袁而省略图3中的保温

盖板及空调系统遥如图3尧图4所示袁被测管道

四周上下尧左右靠近坑壁尧坑底以及土壤表面

沿管道方向分别布设PT100温度传感器渊每

个方向不小于3个冤监测点袁监测土壤温场的

均匀度情况和温度波动情况袁其中管道两侧

温度监测点埋设深度与被测管道中心在同一

水平面上袁用于测量埋设相对较深的管道的

图3实验沙箱及样品横剖面示意图

周围土壤环境温度袁土壤表面的温度监测点

用于测量地表环境温度遥

图4实验样品布设环境纵剖面示意图

-40-

区域供热2019.5期

被测管道样品的处理如图4所示袁管道

两端用法兰盲板或焊接封头封死袁两端盲板

或封头上各开有进油口和出油口袁进油口开

在偏向管底袁出口开在偏向管顶袁便于导热油

循环加热时袁被测管道内气体的排出遥两端盲

板或封头上安装有PT100铠装铂电阻温度传

感器袁测温探头伸向管道内袁用于测量管道进

出口油温袁其两个温度测量值的平均值为管

道介质温度遥盲板或封头尧管路尧传感器安装

连接完成后袁需对金属裸露部分进行保温防

护处理袁以免热量集中散失袁影响土壤温场均

匀性袁保证在试验过程中管道热量的传递是

垂直于管道表面的遥

2.2试验样品测点布置

当被测管道工作管的直径小于500mm

传感器的数据袁观察测定数据的变化情况遥

10min遥

渊3冤确认已达到亚稳态条件后袁开始正式

测试袁采集和记录数据遥

渊4冤数据采集应1min1次袁连续记录

渊5冤同一测试截面相同参数所测数据袁应

按算数平均值的方法计算该参数值遥

渊6冤根据所测热流值尧工作钢管中介质温

度尧直埋管道周边环境温度及管道尺寸计算

被测管道的总传热系数遥

3实际样品测试与分析

下面以实际保温输油管道为例袁介绍其

总传热系数测试过程与计算结果袁被测管道

规格如下院

渊1冤工作钢管院610mm伊10.1mm袁X65袁

LSAW曰

时袁试验管道长度宜为3m袁当工作管径直径

大于或等于500mm袁试验管段长度应大于或

等于5m袁如图4所示遥当被测管道的工作管

直径大于或等于500mm时袁应在被测管段中

间相距500mm处选取两个测试截面袁沿保温

结构外表面周向均匀设置8个测点袁如图5

所示袁每个测点布设热流和温度传感器遥热流

和温度传感器涂有导热硅脂紧密贴附在保温

结构表面袁并用胶带缠牢遥

2.3传热系数测试步骤

渊1冤各测试截面的测试传感器贴附完毕

渊2冤氧粉末渊FBE冤防腐层厚度院400~

600滋m曰

渊3冤聚氨酯渊PU冤保温层厚度院79mm曰

渊4冤密度聚乙烯渊PE冤外护层厚度院6mm袁

PE100级遥

度80kg/m

3

袁按2.2节所述方法袁两端通过封头

被测样品长度5m袁聚氨酯泡沫渊PUF冤密

封死袁并设置供回油口袁与导热油循环加热系

统连接遥在管道中间位置A尧B两处袁各选择2

个垂直于管段轴线的测试截面袁2个测试截面

的间距为500mm袁布设传感器遥传感器布设位

置如图5所示袁在PE外护层外紧贴外护层布

设8个热流传感器及8个温度传感器

渊PT100冤袁上述传感器布设位置均为上下尧左

右以及斜45度位置布设遥

后袁管道应在试验工况稳定连续运行不少于

72h遥

渊2冤将各传感器连接到数据采集系统袁检

查管道运行工况和测试截面处的测定数据是

否稳定遥对测试截面进行预备测试袁读取热流

图5被测管道测试截面测点布置图

-41-

区域供热2019.5期

测试工况要求院

样品埋深1m渊管顶距土层表面冤袁通过改

变含水率使土壤导热系数达到1.9W/渊m窑K冤袁

介质循环加热温度分别为50益尧80益遥

测试结果如表1所示袁其中管道保温结

构的传热系数是不考虑管道外界土壤条件袁

只有管道保温结构本身绝热效果决定袁由被

测管道线热流密度与管内循环介质平均温度

和保温结构外表面平均温度计算得到袁而被

测直埋管道总传热系数是考虑管道周围土壤

式中院

姿

i

要第i层保温材料在使用温度下的导

热系数袁W/渊m窑K冤曰

d

i

要第i层保温材料外径袁m曰

d

i-1

要第i层保温材料内径袁m曰

n要保温材料层数遥

由于被测直埋管道中心至地表的埋深为

R

l

要被测管段保温结构综合热阻袁m窑K/W曰

条件和埋深的袁由式渊4冤计算得到

咱5暂

遥

不同循环介质工况下得到的总传热系数

有所不同遥主要是由于不同管道内介质温度

下管道保温层的导热系数有所变化所致遥我

们可以通过温差法对线热流密度与总传热系

数进行验证遥

直埋供热管道保温结构单位长度线热流

密度可按下式计算院

渊5冤

q

l

=

t-t

SE

R

l

+R

E

式中院

q

l

要被测管段单位长度线热流密度袁W/m曰

R

l

要被测管段保温结构综合热阻袁m窑K/W曰

R

E

要被测直埋管道周围土壤热阻袁m窑K/W遥

t要工作钢管中介质温度袁益曰

t

SE

要直埋管道周边环境温度袁益遥

1.39m袁小于2倍的管道保温结构外径遥直埋

管道周围土壤热阻按下式计算院

R

E

=

1

伊arcosh

2H

E

D

2仔伊姿

E

渊7冤

R

E

要被测直埋管道周围土壤热阻袁

m窑K/W曰

姿

E

要实测土壤导热系数袁W/渊m窑K冤曰

H

E

要直埋管道中心至地表深度袁m曰

D要被测管段保温结构外径袁m遥

式中院

由于被测管道工作钢管的导热系数相对

于保温结构很大袁防腐层很薄只有400滋m~

600滋m袁因此保温结构综合热阻只考虑聚氨

酯泡沫保温层与高密度聚乙烯外护层的影

响遥试验环境下土壤实测到热系数为

1.885W/渊m窑K冤袁从被测管段相同管道的保温

管道保温结构综合热阻按下式计算院

1

伊ln

d

i

渊6冤

R

l

=

1

伊移

n

i=1

d

i-1

姿

i

2仔

蓸蔀

结构中取样袁测试聚氨酯泡沫和高密度聚乙

烯外护管的导热系数遥试验环境下高密度聚

乙烯外护管的导热系数为0.490W/渊m窑K冤遥

对于被测管内循环介质温度50益工况

表1管道总传热系数现场测试结果

工况2

50.81

21.88

8.92

被测管内循环介质平均温度/益

保温结构外表面平均热流密度/渊Wm

-2

冤

保温管道平均线热流密度/渊Wm

-1

冤

保温结构外表面平均温度/益

直埋保温管道周边环境温度/益

管道保温结构的传热系数渊D

e

为工作管内径处冤

直埋保温管道总传热系数渊D

e

为工作管内径处冤

/渊Wm

-2

窑K

-1

冤

/渊Wm

-2

窑K

-1

冤

81.15

18.39

45.03

13.90

0.4017

0.3610

工况1

被测管内循环介质平均温度/益

保温结构外表面平均热流密度/渊Wm

-2

冤

保温管道平均线热流密度/渊Wm

-1

冤

保温结构外表面平均温度/益

直埋保温管道周边环境温度/益

管道保温结构的传热系数渊D

e

为工作管内径处冤

直埋保温管道总传热系数渊D

e

为工作管内径处冤

/渊Wm

-2

窑K

-1

冤

/渊Wm窑K冤

-2-1

19.05

13.21

20.71

0.3714

0.3137

-42-

区域供热2019.5期

下袁根据所测介质及管道保温结构外表面温

度袁取其平均温度35益条件下袁所测聚氨酯泡

沫到热系数为0.02472W/渊m窑K冤遥根据公式

渊5冤~公式渊7冤计算得到被测管段单位长度线

统的设计实现袁包括被测管道介质热循环系

统尧管道布设环境尧环境温度监测尧管道热流

温度测试以及试验步骤要求遥通过实际管道

样品在实验室测试系统在给定布设条件下不

同运行工况的验证试验袁对测量结果进行分

析袁利用温差法进行校核袁验证了测量方法与

实验系统的可行性与准确性遥该系统可为工

程设计尧产品开发与定型提供数据支持袁对其

在不同工况下的散热情况进行实验验证遥

参考文献

咱1暂吴川林.供热直埋管道的绝热保温技术咱J暂.新型建

筑材料袁2005渊09冤:57-59.

咱2暂李文彩袁王凤军袁李艳梅袁洪海燕.长输管道总传热

20-21.

热流密度为22.78W/m袁直埋保温管道总传热

系数为0.3271W/渊m

2

窑K冤袁与热流计测试结果

相比袁相对偏差为4.1%遥

对于被测管内循环介质温度80益工况

下袁根据所测介质及管道保温结构外面表温

度袁取其平均温度50益条件下袁所测聚氨酯泡

沫到热系数为0.02673W/渊m窑K冤遥根据公式

渊5冤~公式渊7冤计算得到被测管段单位长度线

热流密度为43.73W/m袁直埋保温管道总传热

系数为0.3511W/渊m

2

窑K冤袁与热流计测试结果

相比袁相对偏差为2.8%遥

两种工况下的测试结果相对偏差均小于

5%袁试验效果满意遥

系数分析及评价咱J暂.油气田地面工程袁2006渊10冤:

4小结

本文给出了通过热流计法对直埋保温管

咱3暂杨开玖袁梁晓寒袁王建国袁杨波.泡沫塑料保温管道

18+65-62.

总传热系数的确定咱J暂.油气储运袁2005渊05冤:15-

道渊包含土壤环境冤的总传热系数的测试与计

算方法遥并给出了实验室模拟直埋管道布设

环境与运行工况条件下的总传热系数测试系

渊上接第19页冤

报渊自然科学版冤袁2008渊09冤:1377-1380+1412.

咱7暂FuLin袁袁袁袁ict

heatingsystembadonabsorptionheatexchange

4渊1冤袁77–83.

咱8暂李静原.吸收式热泵中吸收器传热传质与匹配特

性研究咱D暂.清华大学袁2016.

咱9暂WangXiaoyin袁袁syanalysisof

condarynetworkflowdistributioninabsorption

heatexchanger咱J暂.Energy袁2018袁147:428-439.

咱10暂JiangYi袁袁袁袁pe

offundamentalunitoftheabsorptionrefrigerator

101852510B曰Aug21袁2013.

Sheng袁

realizinglargetemperaturelift/ePatent

咱11暂Wang

analysisonthelargetemperaturelift/dropmulti-

袁袁mance

咱4暂刘南.热网管道热损失现场测试方法探讨咱J暂.中国

高新科技袁2017袁1渊06冤:18-20.

咱5暂庞海涛.原油管道总传热系数影响因素研究咱J暂.现

代化工袁2018袁38渊03冤:247-250.

stageverticalabsorptiontemperaturetransformer.J.

咱12暂Wang袁Sheng袁袁袁2014.

Refrig.34渊6冤袁5-11.

designofthelargetemperaturelift/dropmulti-stage

verticalabsorptiontemperaturetransformerbadon

68袁712–721.

Optimization

咱13暂ZhuChaoyi袁袁袁tionof

fluidflowcharacteristicsofmultistagevertical-type

USA.

Chaoyi袁袁袁Amulti

2014袁Maryland袁

咱14暂Zhu

verticalabsorptionheatexchangerfordistrict

-ction

咱15暂才华袁谢晓云袁江亿.多级大温差吸收式换热器的

2019渊01冤:1-7+25.

heatingsystems袁.71渊2016冤69-84.

设计方法研究与末寒季性能实测咱J暂.区域供热袁

-43-