肖書博， 廖池珍， 張 瀅， 龍激波， 申小杭

(1.中航長沙設計研究院有限公司，湖南 長沙，410014；2.湘潭大學 土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105 3.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

飛行器風洞試驗常需要各種溫度和壓力工況的空氣，而且試驗空氣的管道輸送系統(tǒng)需要滿足各種空氣溫度和壓力工況的轉(zhuǎn)換.因空氣是一種含有水蒸氣的混合氣體，其物理性質(zhì)和化學性質(zhì)比較復雜，制備高溫高壓試驗空氣的工藝復雜且能耗較大.因此，試驗空氣的輸送管道需要滿足各工況的熱工特性，如高溫高壓空氣輸送管道需要具備良好的保溫特性，而高溫工況轉(zhuǎn)換為常溫工況的過程需要管道有足夠的散熱速度.

采用保溫材料對高溫高壓管道保溫是一種常用的節(jié)能方法.管道保溫不僅可以減少管道熱損失、維持穩(wěn)定的熱力狀態(tài)，還具有環(huán)保和經(jīng)濟優(yōu)勢[1-4].相同保溫層厚度下，保溫材料的導熱系數(shù)越小，其保溫性能越好[5].為了提高管道的保溫性能，科研人員在新型保溫材料開發(fā)[6]、管道保溫材料選擇[4]、流體介質(zhì)及管徑與保溫材料厚度匹配性[7-9]等方面，利用實驗方法和模擬方法等對管道保溫性能進行了大量研究.俞李斌等[10]通過焓降法與熱流計法對不同保溫結(jié)構供熱管道的保溫性能進行了研究分析，岳師華等[11]研究了保溫材料工作溫度和材料含溫量對保溫性能的影響，Zhang等[12]利用MATLAB軟件對基于LCCA法的管道保溫厚度優(yōu)化進行熱經(jīng)濟性評價，高月芬等[13]從經(jīng)濟角度分析了聚氨酯直埋供熱管道的保溫性能.Yan等[14]以管道能量損失為目標參數(shù)對管道系統(tǒng)進行了布局優(yōu)化.

保溫材料導熱系數(shù)是影響管道保溫性能的關鍵因素.不同保溫材料的導熱系數(shù)各不相同，相同材料的導熱系數(shù)也與其結(jié)構、密度、濕度、溫度、壓力等因素有關.對于試驗用高溫高壓空氣輸送管道，保溫材料正常工作時保溫層不同厚度的溫度相差較大，而且試驗空氣的不同溫度工況轉(zhuǎn)換對保溫層溫度變化也較大，這種變化將影響保溫材料導熱系數(shù)的動態(tài)變化.為了明確導熱系數(shù)動態(tài)變化對高溫高壓管道散熱性能的影響，本文以硅酸鋁棉保溫材料為例，建立試驗空氣保溫管道的散熱模型，并對其動態(tài)散熱性能進行模擬研究.

1 模擬分析

1.1 管道散熱物理模型

高溫高壓氣體管道導熱散熱模型如圖1所示.管道內(nèi)氣體的散熱過程，包括管道內(nèi)氣體內(nèi)部傳熱、管道內(nèi)氣體與鋼管內(nèi)壁對流換熱、鋼管內(nèi)部導熱、保溫層內(nèi)部導熱、保溫層外表面和環(huán)境空氣對流換熱.設鋼管內(nèi)徑為r0，鋼管外徑為r1，保溫層外徑為r2.各材料的物性參數(shù)如表1所示.

表1 材料物性參數(shù)

1.2 傳熱分析

在模擬中，管道是非旋轉(zhuǎn)或移動的，且保溫層內(nèi)無內(nèi)部熱源，保溫層傳熱方程可表示為

(1)

(2)

保溫層內(nèi)表面和外表面的邊界條件分別為

(3)

(4)

式中：ρ為保溫層密度,kg/m3；H為保溫層顯焓,J/kg；λ1為鋼管的導熱系數(shù),W/(m·K)；λ2為保溫層的導熱系數(shù),W/(m·K)；c為保溫層熱容,J/(kg·K)；Ta為環(huán)境空氣溫度,K；T1為管壁外表面溫度, K；T2為保溫層內(nèi)表面溫度,K；T3為保溫層外表面溫度,K；qca為保溫層外表面與環(huán)境空氣的對流換熱量,W；hf為保溫層外表面的對流換熱系數(shù),W/(m2·K).

1.3 計算模型

設定管道管徑為DN500，外徑為508 mm，壁厚為26 mm；保溫層厚度為200 mm.計算模型管道10 m，尺寸為10 000 mm×454 mm × 454 mm(X×Y×Z).利用Gambit對模型進行網(wǎng)格劃分，采用六面體/楔形(Hex/Wedge)網(wǎng)格.計算模型的尺寸和網(wǎng)格劃分如圖2所示.

1.4 模擬條件設置

高溫高壓氣體管道散熱分析，采用FLUENT軟件進行三維數(shù)值傳熱模擬，開啟能量方程模擬熱量傳遞.氣體在管道內(nèi)的流動可看作完全湍流，故采用增強壁面函數(shù)的Standard k-epsilon模型.采用SIMPLE算法求解壓力速度耦合方程，動量、能量方程選用二階迎風格式.在傳熱過程中，保溫層的導熱系數(shù)隨著溫度變化而變化，根據(jù)標準GB/T 16400—2015，設置材料物性參數(shù)中保溫層的導熱系數(shù)值為以溫度為自變量的分段函數(shù).模擬為簡化模擬計算，對模型做如下假設：(1) 忽略沿管道長度方向的導熱；(2) 管道內(nèi)氣體、環(huán)境空氣、管道材料等具有常物性；(3) 忽略管道內(nèi)氣體因溫度差而產(chǎn)生摻混.

當不考慮流體沿管道長度方向的傳熱，管道兩側(cè)設置為絕熱邊界條件，保溫層外表面設置為對流邊界條件，邊界條件設置如表2所示.

表2 模型邊界條件設置

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 保溫材料導熱系數(shù)

溫度是影響高溫管道保溫材料導熱系數(shù)的重要因素，不僅包括管道內(nèi)流體溫度變化對材料導熱系數(shù)的影響，也包括管道內(nèi)高溫流體工況對保溫層徑向溫度變化的影響.常溫下硅酸鋁棉的導熱系數(shù)為0.021 W/(m·K)，根據(jù)《絕熱用硅酸鋁棉及其制品GB/T 16400—2015》推薦的硅酸鋁棉導熱系數(shù)計算方法，通過擬合可以得到其導熱系數(shù)與溫度變化關系如圖3所示.

擬合后的硅酸鋁棉保溫材料導熱系數(shù)可表示為

λ=2×10-7t2+9×10-5t+0.0164.

(5)

在70 ℃至600 ℃范圍內(nèi)，擬合后的R平方(COD)為0.997 2，兩條曲線吻合度較高.從圖3可以得到，硅酸鋁棉的導熱系數(shù)隨溫度升高而增大，且溫度變化對其導熱系數(shù)的影響較大.溫度由常溫升高至600 ℃，其導熱系數(shù)由0.021 W/(m·K)增大為0.158 W/(m·K)，導熱系數(shù)增大為原來的7.5倍.因此，在設計選擇保溫材料時，不僅要考慮常溫工況材料的導熱系數(shù)，還要考慮導熱系數(shù)隨溫度的變化特性，根據(jù)管道運行工況合理設計保溫材料.

2.2 穩(wěn)態(tài)工況散熱

若設定管道保溫層厚度為200 mm、管道入口氣體溫度為580 ℃、流速為17 m/s，環(huán)境溫度為20 ℃，以保溫材料導熱系數(shù)變化規(guī)律為條件，得到穩(wěn)態(tài)傳熱工況的溫度分布和實際導熱系數(shù)如圖4所示，管道保溫層厚度從100 mm增加到300 mm時，保溫層厚度與管道散熱量關系如圖5所示.

從圖4可以得到，在穩(wěn)態(tài)傳熱工況下，圓管保溫層的導熱系數(shù)和溫度分布沿徑向(厚度方向)逐漸減小，其中導熱系數(shù)沿徑向基本呈線性規(guī)律變化，導熱系數(shù)由580 ℃的0.151 W/(m·K)逐漸減小為70 ℃的0.021 W/(m·K)，而溫度分布沿徑向的溫度梯度逐漸增大.

除了良好的保溫材料以外，保溫層厚度也是影響管道熱損失的關鍵因素.從圖5可以得到，管道與環(huán)境的換熱量隨保溫層厚度的增加而減少，且保溫層厚度越小，厚度變化對管道熱損失的影響越大.保溫層厚度分別為100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm時，10 m長DN500管道的散熱量分別為7 159 W、5 212 W、4 204 W、3 593 W、3 171 W.保溫層厚度每增加50 mm，管道散熱損失分別減少27.2%、19.3%、14.5%、11.7%.說明在計算工況的保溫層厚度變化范圍內(nèi)，管道散熱量相對于保溫層厚度的變化率隨保溫層厚度增加而逐漸減小，管道保溫層厚度較大時，管道熱損失越小，增大保溫層厚度對減少熱損失越不明顯.

2.3 高溫自然冷卻散熱

管道自穩(wěn)態(tài)工況停止供氣后，進入自然冷卻的非穩(wěn)態(tài)傳熱工況.自然冷卻工況的管道內(nèi)壁溫度和散熱量隨時間的變化分別如圖6和圖7所示.

從圖6可以得到，管道從穩(wěn)態(tài)工況的流體溫度580 ℃開始自然冷卻，初始階段管道內(nèi)壁的溫降速率較大，隨著自然冷卻時間增長，管道內(nèi)壁的溫度逐漸降低，溫降速率也逐漸減小.而且內(nèi)壁的溫降速率與保溫層厚度有關，保溫層厚度越大，則初始階段內(nèi)壁的溫降速率越小.影響自然冷卻工況下管內(nèi)壁溫度變化趨勢的因素主要有兩個方面：一是隨著冷卻時間增長，管內(nèi)壁溫度降低，減小了管內(nèi)外表面的傳熱溫差，從而減小了實時傳熱量；二是在自然冷卻過程中，保溫層的溫度也不斷降低，導致保溫材料的實時導熱系數(shù)減小，增大了保溫材料的熱阻并減小了通過保溫材料的散熱量.自然冷卻兩天后，100 mm保溫層的管道內(nèi)壁溫度從567 ℃降到233 ℃，溫降幅度最大；300 mm保溫層的管道內(nèi)壁溫度從574 ℃降到372 ℃，溫降幅度最小.10 d后，保溫層厚度分別為100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm管道的內(nèi)壁溫度分別降至50 ℃、77 ℃、100 ℃、122 ℃、141 ℃.減小保溫層厚度，有利于自然冷卻工況下管道內(nèi)熱量散失.

從圖7可以得到，管道散熱量的變化趨勢與溫度變化趨勢類似.隨著散熱時間增長，單位時間內(nèi)管道散熱量逐漸減小.自然冷卻開始時，保溫層厚度分別為100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm管道的散熱量分別為7 159 W、5 212 W、4 204 W、3 593 W、3 171 W，其中100 mm保溫層的散熱量為200 mm的1.70倍、300 mm的2.26倍.保溫層較薄的管道雖然其初始散熱量較大，但其散熱量的變化率也大，自然冷卻36 h左右各厚度保溫層的散熱量相等，為1 950 W.隨著冷卻時間增長，管道散熱量繼續(xù)減小，且保溫層較厚管道的散熱量大于較薄管道.其原因是，冷卻初始階段保溫層較薄時其熱阻小，散熱量較大，然而，隨著散熱時間增長，較薄保溫層管道的熱量損失和溫降幅度都較大，導致管道內(nèi)外傳熱溫差小于較厚保溫層管道，另外，保溫層溫度降低，其導熱系數(shù)也下降，增大了保溫層熱阻，進一步減少了較薄保溫層管道的散熱量.

2.4 高溫強制冷卻散熱

高溫管道除了自然冷卻外，還可以對管道內(nèi)通常溫空氣強制冷卻，設強制冷卻空氣溫度為20 ℃、氣體流速為17 m/s，鋼管溫度隨冷卻時間變化如圖8所示.

從圖8可以得到，鋼管從580 ℃開始冷卻，管道內(nèi)壁溫度隨時間增長而降低，且溫降速率逐漸減小.冷卻時間達到90 min時，保溫層厚度分別為100 mm、200 mm、300 mm,管道的內(nèi)壁溫度均降至100 ℃左右，這說明在常溫氣流吹掃冷卻工況下，保溫層厚度對管道內(nèi)壁溫度實時值的影響較小.這是因為管道與內(nèi)部空氣的傳熱系數(shù)比管道通過保溫層與外部空氣的傳熱系數(shù)大得多，管道的熱量絕大部分通過管內(nèi)空氣散去.管道保溫層厚度對其散熱量有影響，但影響很小，不同厚度的保溫層的管道溫度變化幾乎相同.

3 結(jié)論

本研究分析了高溫高壓空氣輸送管道的保溫性能.建立了DN500空氣輸送管道模型，以硅酸鋁為保溫材料、管內(nèi)空氣溫度580 ℃為運行工況，對管道保溫與散熱特性進行了模擬研究，得出了以下結(jié)論：

(1)硅酸鋁棉的導熱系數(shù)隨溫度升高而增大，模擬工況下管道保溫材料的導熱系數(shù)沿徑向呈近似線性規(guī)律變化，保溫材料內(nèi)側(cè)溫度接近580 ℃，其導熱系數(shù)接近0.151 W/(m·K)，而保溫材料外側(cè)的導熱系數(shù)為0.021 W/(m·K)，內(nèi)側(cè)導熱系數(shù)是外側(cè)的7.5倍.

(2)穩(wěn)態(tài)傳熱工況管道散熱量隨保溫層厚度增大而減小，且保溫層厚度越大，厚度變化對管道散熱量變化率影響越小.保溫層厚度從100 mm增大至300 mm時，每增加50 mm，管道散熱損失分別減少27.2%、19.3%、14.5%、11.7%.

(3)自然冷卻工況下管道的散熱速率隨散熱時間增大而減小，且保溫層厚度對冷卻速率影響較大.在冷卻初始階段，保溫層越厚的管道散熱速率越小，冷卻至36 h左右各管道的散熱速率接近相等，后期保溫層越厚的管道散熱量越大.自然冷卻工況下管道的冷卻時間較長，保溫層厚度為200 mm的管道冷卻至100 ℃需要10 d時間，而在管道內(nèi)通常溫空氣的強制冷卻工況下，保溫層厚度對管道冷卻速率基本沒有影響，管道冷卻到100 ℃僅需要90 min.