淺析列車給水系統電伴熱功率的計算方法及軟件設計

麻哲

摘 要：本文敘述了給水系統管路伴熱功率的兩種常用計算方法，對比其各自的優缺點，提出了一種將兩種計算方法結合的方式，并將這種方式編譯成了一個計算軟件。

關鍵詞：給水系統;電伴熱;功率;計算方法;軟件

1 概述

電伴熱是利用電伴熱帶輸出的熱量來補償給水系統所耗散的熱量，以維持系統處在適宜溫區。隨著現代工業的發展，電伴熱的應用越來越廣泛。目前列車給水系統管路的防凍措施絕大部分是采用保溫層加電伴熱帶方式。電伴熱帶具有以下顯著優點：

（1）電伴熱帶裝置簡單，發熱溫度均勻。（2）節約能源，一般都實行自動控制，可以根據所伴熱物體的溫度變化，而自動調節消耗的能量。（3）熱損失低，適用范圍廣，容易控制。（4）施工簡便，日常維護量小。

給水系統保溫設計首先要確定管路的散熱量，然后根據散熱量確定所需電伴熱帶的功率和長度。電伴熱功率常用計算方法有查表法和經驗公式法。

2 查表法

式（1）中：Q—單位長度管道的熱損失，W/m;q—管道的散熱量（1℃/m時），查表1，W;△t—溫差（TW-TH），℃;TW—維持溫度，℃;TH—環境最低溫度，℃;K—保溫材料導熱系數，一般取0.024W/（m℃）;C—管道材料修正系數，銅取1.05，不銹鋼取0.9;E—安全系數，一般取1.2。

例1：管徑25mm（外徑32mm），管道長度1m，管道材料為不銹鋼材質，介質為水，維持溫度10℃，環境溫度-40℃，保溫材料聚氨酯泡沫塑料，保溫層厚度15mm，計算每米管道熱損失。

2.1 計算溫差

△t=TW-TH=10-（-40）=50

2.2 計算每米管道的散熱量

查表得：q=9.02;K=0.024;C=0.9;E=1.2。

Q=q×△t×K×C×E=9.02×50×0.024×0.9×1.2=11.69W

式（2）中：Qt—單位長度管道的熱損失，W/m;TV—系統要求的維持溫度，℃;TA—當地的最低環境溫度℃;λ—保溫材料的導熱系數，一般取0.024W/（m℃）;D1—保溫層內徑，（管道外徑）m;D0—保溫層外徑，m;D0=D1+2δ;δ—保溫層厚度，m;Ln—自然對數;α—保溫層外表面向大氣的散熱系數，W/（㎡℃）與風速ω，（m/s）有關，α值按公式（3）計算：α=1.163（6+ω1/2）W/（㎡℃）? ?（3）

C—管道材料修正系數，銅取1.05，不銹鋼取0.9;E—安全系數，一般取1.2。

再以例1為例，計算過程入下：

（1）計算α，風速ω取0。

α=1.163（6+ω1/2）=1.163×6=6.978

（2）計算每米管道的散熱量：

Qt={[2π（TV-TA）]/[（LnD0/D1）1/λ+2/（D0α）]}×C×E

={[2×3.14×50]/[ln（62/32）]/0.024+2/（62×6.978）]}×0.9×1.2

=11.918W

4 兩種計算方法的優缺點

對比兩種計算方式的結果我們可以看出經驗計算公式計算結果略大于查表計算方法，所以使用經驗計算方法得出的結論更安全。結合計算結果和兩種方法的計算過程和計算結果我們可以得出以下結論：

經驗公式的優點是：計算結果更安全，且可以計算不同風速下的散熱量;缺點是：計算過程復雜。

查表計算的優點是：計算表1中提供的數據時計算過程相對簡單;缺點是：不能計算風速對散熱量的影響、不能直接計算表1中未提供的數據。

5 兩種計算方法的結合

首先，經驗公式可以計算出任意管徑和保溫層厚度的散熱量，我們可以將其作為主要計算方式。其次，查表方法提供的數據為離散型數據，這不能滿足我們計算任意管徑和保溫層厚度工況的需求。對此，我們可以將相近的三個點封閉成空間曲面，讓其轉換為連續型數據。最后，因查表法計算的結果略小于經驗公式計算得出的結果，所以我們可以用相近的三個點封閉成空間曲面作為校核經驗公式計算結果的參考曲面，即經驗計算得出的數據點出現在在曲面之上，則計算結果可靠。

6 軟件的設計

根據兩種計算方法各自的優缺點，我編寫了一個計算軟件，將兩種計算方法結合，用于處理經驗公式復雜的計算過程及表1中提供的離散數據，最終繪制出三維參考曲面和計算結果。再以例1為例，根據題目要求輸入計算數據，點擊計算后得出計算結果11.9182w與之前計算結果相同，計算結果的三維空間位置也在參考曲面之上，所以計算結果安全。軟件計算結果如圖1所示。

7 結論

本文闡述了管道伴熱功率計算常用的兩種計算方法的計算過程，討論了兩種計算方法各自的優缺點，并提出了如何利用軟件將其二者結合，實現了列車給水系統電伴熱功率計算及結果可視化。

參考文獻：

[1]工業設備及管道絕熱工程設計規范GB50264-2013[S].

[2]管道和設備保溫、防結露及電伴熱（16S401）[S].