凍土地區(qū)村鎮(zhèn)給水管道保溫層厚度數(shù)值計(jì)算

王 炎 白 莉 化亞魏

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

0 引言

我國多年凍土地區(qū)主要分布在東北、青藏高原、祁連山、天山、阿爾泰山等地區(qū),其面積約為185 km2～190 km2,占我國總領(lǐng)土的19 %～20 %[1].截止2010年,全國農(nóng)村自來水普及率已達(dá)到75 %,到2015年,我國農(nóng)村要基本解決飲水安全問題[2].目前，我國農(nóng)村居住人口數(shù)為80 739萬人[3],處于凍土區(qū)的村鎮(zhèn)人口約為12 210.85萬人,受給水管道凍脹危害影響供水安全的人口占我國人口總數(shù)的9.56 %.因此,保證村鎮(zhèn)飲水安全供應(yīng)關(guān)系民生,對(duì)于促進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村的建設(shè),進(jìn)一步縮小城鄉(xiāng)差距,保證農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義.

1 凍脹原因分析及防范措施

1.1 村鎮(zhèn)給水管道發(fā)生凍脹現(xiàn)象的主要原因分析

(1) 給水管道埋深不夠. 土壤受室外環(huán)境溫度的影響,會(huì)產(chǎn)生一定深度的凍土層.由于各地氣溫不同,凍土深度也不同.一般情況下,給水管道應(yīng)敷設(shè)在凍土線以下,以免發(fā)生凍脹.但據(jù)我們調(diào)查掌握的實(shí)際情況看,東北三省村鎮(zhèn)給水管道一般埋深在1.5 m～2.0 m左右,有接近30%的村鎮(zhèn)給水管道埋深沒有到達(dá)當(dāng)?shù)氐谋鶅鼍€以下；

(2) 間歇供水方式加劇了管道凍脹現(xiàn)象發(fā)生. 東北地區(qū)村鎮(zhèn)供水多采取間歇運(yùn)行的方式,系統(tǒng)停運(yùn)期間,滯留于管道中的水受到管道周圍低溫土壤溫度場(chǎng)的影響,溫度逐漸降低,當(dāng)水溫低于零度時(shí),就會(huì)在管道內(nèi)結(jié)冰凍脹；

(3) 管道管壁受力不平衡. 當(dāng)?shù)叵滤话l(fā)生升降時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向的彎曲應(yīng)力,導(dǎo)致管道管壁受力不均勻,從而引起管道的斷裂,這種現(xiàn)象冬季尤為嚴(yán)重.

1.2 給水管道防凍脹措施

將給水管道敷設(shè)到當(dāng)?shù)乇鶅鼍€以下是解決凍脹問題的根本措施,但由于地下水位過高及當(dāng)?shù)厥┕l件等原因限制,難以保障給水管道基本埋深,對(duì)于這種情況,直埋管道外加保溫層技術(shù)是最有效解決村鎮(zhèn)給水管道的防凍脹技術(shù)措施.

2 管道保溫厚度計(jì)算

根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理可知,保溫層的厚度取決于管內(nèi)介質(zhì)、管道材料及保溫材料的熱物性.本文將利用數(shù)值分析的方法,分別計(jì)算出不同材質(zhì)常用規(guī)格的給水管道,采用不同保溫材料時(shí)的保溫層厚度.

2.1 埋地管道周圍土壤溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

在數(shù)值計(jì)算土壤溫度場(chǎng)時(shí),我們做出以下假設(shè):① 土壤是各向同性的均質(zhì)半無限大物體;② 不考慮水分垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)土壤溫度的影響;③ 邊界條件是周期性變化的.運(yùn)用一維導(dǎo)熱微分方程表達(dá)如下:

(1)

式中,T為土壤的瞬時(shí)溫度,℃;τ為時(shí)間,s;α為土壤熱擴(kuò)散率,m2/s,計(jì)算時(shí)取值0.617×10-6m2/s;x為管道埋設(shè)深度,m.

周期性變化邊界條件可看做是一個(gè)簡(jiǎn)諧波,這樣半無限大物體溫度可以寫成余弦函數(shù)形式如下:

(2)

式中,θ=τ-τm,表示任何時(shí)刻的過余溫度;Aw表示半無限大物體的溫度波振幅,等于年最低溫度與年最高溫度之和的二分之一.

用過余溫度代替溫度,可將導(dǎo)熱微分方程改寫如下:

(3)

運(yùn)用分離變量法求解,可得到半無限大物體在周期性變化邊界條件下的溫度分布,即土壤在不同埋設(shè)深度的溫度分布表達(dá)式如下:

(4)

在x埋深處土壤溫度隨時(shí)間的變化如下:

(5)

2.2 不同城市埋地管道溫度場(chǎng)分布

根據(jù)上述公式及表1氣象數(shù)據(jù)[4],分別計(jì)算出了長(zhǎng)春,沈陽、哈爾濱和大慶地區(qū)埋深0.5 m～3.0 m的土壤溫度(如圖1所示).分析計(jì)算結(jié)果可得到如下結(jié)論:

(1) 埋深在0.5 m～3.0 m的區(qū)間內(nèi),土壤溫度呈線性變化.

(2) 將周圍邊界條件設(shè)定為該地區(qū)的冬季采暖室外計(jì)算溫度時(shí),可得到長(zhǎng)春、沈陽、哈爾濱和大慶地區(qū)的冰凍線,分別為-1.66 m,-1.25 m,-2.19 m和-2.23 m,與文獻(xiàn)[4]基本相符,誤差在5 %以內(nèi).

表1 氣象數(shù)據(jù)

2.3 管道保溫層厚度數(shù)值計(jì)算

管道保溫層厚度可按文獻(xiàn)[5]中給出的延遲管內(nèi)介質(zhì)凍結(jié)保溫層厚度公式計(jì)算如下:

(6)

圖1 長(zhǎng)春、沈陽 哈爾濱和大慶地區(qū)0.5m～3.0m的土壤溫度場(chǎng)

式中,δ為保溫層厚度,m;λ為選用保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù),w/(m·℃),工程上常用的保溫材料有硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料和硬質(zhì)聚苯乙烯泡沫,其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.033 8和0.042;K為支、吊架影響修正系數(shù),一般室內(nèi)管道為1.2,室外管道為1.25,選取1.25;Z為保持不凍結(jié)的時(shí)間,h,按最不利工況考慮,選取12 h;t0為周圍環(huán)境溫度,直埋管道埋深處土壤溫度計(jì)算,℃,計(jì)算參照?qǐng)D1的結(jié)果;t4為水的終溫,考慮一定的富余值選取2 ℃;t1為管道內(nèi)水溫,℃; 按12℃(按最不利)取值;G1,G2為分別表示單位長(zhǎng)度管內(nèi)介質(zhì)重量和單位長(zhǎng)度管道材料的重量,kg/m3;C1,C2為分別表示管道內(nèi)介質(zhì)的比熱容和管道材料的定壓比熱容,水的比熱容為4.186 kJ/(kg·k),管材分別采用鑄鐵管和鋁塑管,其定壓比熱容分別為0.46 kJ/(kg·k),2 kJ/(kg·k);R1為管道保溫層外表面到周圍空氣的放熱阻力m·℃/w ,DN 50管道放熱熱阻為0.2 m·℃/w,DN 70管道放熱熱阻為0.18,m·℃/w,DN 100管道放熱熱阻為0.15 m·℃/w和DN 125的為0.13 m·℃/w;D為管徑,計(jì)算時(shí)分別選取了DN 50,DN 70和DN 100三種不同規(guī)格.

2.4 管道保溫層厚度

根據(jù)公式6和圖1所示的溫度,筆者分別計(jì)算出了長(zhǎng)春地區(qū)、沈陽地區(qū)、哈爾濱地區(qū)和大慶地區(qū)采用直埋管道外加保溫層防凍脹技術(shù)所需的保溫材料厚度(由于篇幅限制,本文僅給出長(zhǎng)春地區(qū)圖線),如圖2所示:

分析圖2,可以得到結(jié)論如下:

(1) 當(dāng)管道材料、管徑與保溫材料確定時(shí),管道的厚度僅取決于周圍土壤溫度.保溫層厚度隨著土壤埋深的增加而減小,即保溫層厚度與周圍土壤溫度成反比;

(2) 當(dāng)管道材料、管道埋深與保溫材料確定時(shí),此時(shí)保溫層厚度僅取決于管徑的大小.保溫層厚度隨著管徑的增加而保溫層厚度增大,即保溫層厚度與管徑大小成正比;

(3) 當(dāng)管道材料、管徑與管道埋深確定時(shí),此時(shí)保溫層厚度僅取決于保溫材料的熱物性.選取硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫材料相較于選取硬質(zhì)聚苯乙烯泡沫保溫材料,其管道保溫層的厚度要小,這說明當(dāng)其他條件不變時(shí),管道溫厚度與保溫材料的熱物性有關(guān).

圖2 長(zhǎng)春地區(qū)直埋管道保溫厚度

3 結(jié)語

“保溫”被稱作第五能源,將保溫技術(shù)運(yùn)用直埋管道有益于節(jié)能降耗.這種技術(shù)方法對(duì)于解決我國東北地區(qū)村鎮(zhèn)給水管道凍脹現(xiàn)象是行之有效的.不僅能有效減少管道的熱損失,防止凍脹現(xiàn)象出現(xiàn).同時(shí)還能增強(qiáng)管道防腐性能,延長(zhǎng)管道使用壽命;并且由于降低了管道埋深,減少了土方工程量,管道施工維修方便,在經(jīng)濟(jì)上也具有一定的優(yōu)越性.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 孫 亮,祝進(jìn)兵,盧雪松,汪 飛.多年凍土地區(qū)凍脹的危害與防治措施[J].中國水運(yùn),2007(1):91-92.

[2] 中國衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展“十二五“規(guī)劃發(fā)展綱要[R].http://www.chinanews.com/gn/2012/10-19/4261451.shtml

[3] 易延生.加快農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的緊迫性及政策建議[J].技術(shù)經(jīng)濟(jì),2002(10):31-32.

[4] 許居宛.機(jī)械工業(yè)采暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].同濟(jì)大學(xué)出版社,2007:1220-1245.

[5] 陳耀宗.建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.