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摘要：本文针对空调系统工程设计中空调系统管道防结露保冷厚度的选取依赖既有经验或图集，不能满足复杂工程中实际需求的现状，采用经典的一维圆筒壁稳态传热模型，结合数值方法形成了空调系统管道防结露保冷厚度的实用计算方法，并对计算结果进行了分析和探讨，为工程计算和软件编程提供了理论依据。
关键词：空调系统，保冷厚度，防结露
0、引言
在空调系统工程设计中，管道保冷主要通过包覆绝热材料的方式实现，绝热材料的厚度通常由3个因素决定：防止表面结露，减少管道热损失，满足经济性要求。管道表面结露会破坏吊顶或房间结构，影响美观，带来卫生问题，同时也会增加管道冷量耗损。故防止结露是选择管道保冷厚度的最基本的要求。目前，随着峰谷电价政策的推行，水蓄冷、冰蓄冷空调系统得到大力推广，空调系统冷冻水温度由常规的7~12℃降低至1~4℃，常规空调系统的保冷厚度已不能适应水蓄冷、冰蓄冷空调系统或其它低温冷冻水系统；常规空调系统保冷厚度的选取通常基于常规的环境，对于一些高温高湿的特殊环境需要重新核算；规范手册主要适用于常用的几种绝热材料，不适用于新型绝热材料。因此，本文采用经典的一维圆筒壁稳态传热模型，结合数值方法，形成了在工程应用中实用的计算方法，并对计算结果进行了分析和探讨，为工程计算和软件编程提供理论依据。
1、数学模型
管道传热模型实际上是一种复杂的二维非稳态传热过程，传热过程包括了热传导、对流换热和辐射换热过程，对流换热又同时包括受迫对流和自然对流方式，如果按照这样的模型来计算求解，过程繁琐且缺乏工程应用的实际意义。因此，理论上通常采用经典的一维圆筒壁稳态传热模型[1]近似求解。
由于是理想计算模型，在模型建立过程中作了一些必要的假设。该传热模型中假设各层材料之间是紧密连接的，忽略了材料间的接触热阻。由于空调系统管道外表面温度接近环境温度，有限的辐射换热量也被省略。完整的保冷管道通常由三层材料组成，管道壁层、绝热材料层和防水保护材料层。各层材料的厚度和温度如图1所示。
根据牛顿冷却公式，管道内流体与管道内壁的对流换热量和防水保护材料层外侧与空气的对流换热量满足：
等式中绝热材料外表面对流换热系数hW根据管道所处的环境而定，它受到环境介质的流速、温度、导热系数及管道的定型尺寸等影响，可通常采用经验数据、经验公式或通过实验实测得到。对于hW的取值各文献存在一些不一致之处，本文综合各文献的观点，采取分情况计算的方式。当环境条件不易确定，可根据文献[4]推荐值取。对于环境条件明确且处于强制对流条件下时，可采用外掠圆管准则关联式[5]，该准则关联式适用于的情况。
图2. 保冷厚度随相对湿度的变化
当管道置于室外气象条件下时，空气的相对湿度通常取最热月平均相对湿度。分析相对湿度对管道保冷厚度的影响时，温度取上海地区夏季空调室外计算干球温度，相对湿度则在之间变化。从图2可以看到，保冷厚度随相对湿度的增大不断增加，这是由于露点温度随相对湿度的增大而升高，导致管道表面更容易产生结露现象。需要注意的是，曲线的斜率在相对湿度的增加过程中也是不断增加的。这表明相对湿度无限接近，保冷厚度则趋近于；相对湿度无限接近，保冷厚度则趋近于无限大。因此，在一些相对湿度极高的区域，保冷厚度的选择必须经过核算。
图5 保冷厚度随导热系数的变化
保冷厚度随导热系数的变化在图5中表示。图中导热系数从增加至，保冷厚度增加至，这表明导热系数对保冷厚度的影响是显著的，对于不同材料即便导热系数相差不多也需分别计算。现有手册和图集中管道保冷厚度的选择主要针对一些常用保冷材料，具有一定的局限性。随着一些新型保冷材料的涌现，有针对性的对保冷厚度进行详细计算显得尤为重要。
图6. 保冷厚度随流体温度的变化
水蓄冷和冰蓄冷等低温冷冻水空调系统，流体温度不再是，针对不同的流体温度，需要重新核算管道保冷厚度。从图6可以看到，流体温度降低时，保冷厚度增大，其变化值不容忽略。因此，这进一步说明了对于非常规的空调系统，管道保冷厚度需重新核算。
4、结论
本文对管道传热模型进行合理的简化，采用经典的一维圆筒壁稳态传热模型，结合数值方法，形成了在空调系统工程设计中防结露保冷厚度的实用计算方法。利用该方法计算分析单一变量对管道防结露保冷厚度的影响，从结果中可以知道，在以下四种情况下需对管道防结露保冷厚度进行复核计算：1、相对湿度极大的环境情况；2、管道周围对流换热条件不稳定的情况；3、采用新型绝热材料的情况；4、采用低温空调系统的情况。
本文所述方法仅仅包含防结露保冷厚度的计算，实际保冷厚度的计算往往还需要考虑经济因素，因此，保冷厚度的选择需结合经济因素综合考虑。
参考文献:
[1]章熙民等. 传热学（第四版）[M]. 中国建筑工业出版社, 2001
[2]国家技术监督局. 设备及管道保冷设计导则（GB/T 15586-1995）[M]. 1995
[3]殷平. 设备和管道保冷层厚度的计算——评暖通空调新规范及其他国家标准的有关规定[J]. 暖通空调, 2004, 34(10): 43-52
[4]中华人民共和国化学工业部. 工业设备及管道绝热工程设计规范（GB50264-97）[M]. 1997
[5]杨世铭, 陶文铨. 传热学（第四版）[M]. 高等教育出版社, 2006
[6]中国建筑标准设计研究院. 管道与设备绝热——保冷（08R418-2）[M]. 2008
[7]孙志忠. 数值分析[M]. 东南大学出版社, 2008
论文作者:周峰
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/7
标签：厚度论文; 管道论文; 相对湿度论文; 空调系统论文; 模型论文; 温度论文; 稳态论文; 《防护工程》2019年9期论文;