基于MATLAB的缆线临界绝缘厚度分析

基于MATLAB的缆线临界绝缘厚度分析
究与探讨
基于的电缆线临界绝缘厚度分析
盛倩,祝用华,浦健,张奕
南京师范大学动力工程学院,江苏南京摘要:电缆线包裹保温层主要为了加强热量散失,存在一个临界热绝缘直径使得散热量最
大。

分析了自然对流和强制对流条件下保温层材料导热系数分别为常数和随时间变化时电缆线
传热模型一,给出了有关计算式,利用对传热过程进行了数值模拟,获得了相应情况下的
临界热绝缘直径、外表面温度和散热量。

结果可用于电缆线设计参考。

关键词:电缆:保温:临界热绝缘直径; : , . ’, . ., ,,. . : ; ;;
中图分类号: 文献标识码: 文章编号: ? ? ?
绝热保温技术被广泛应用于机械、化工、冶金、自然对流和强制对流条件下保温层材料导热系数分
建筑和低温制冷等工业领域,在电缆线外包裹保温
别为常数和随时间变化时的临界热绝缘直径变化情
材料则是为了使因电线本身热阻引起的发热量尽快况,分析外表面温度和散热量的变化关系,对比分
散出。

电缆线的外直径存在一个值使得散热量最大, 析,为电缆线设计和工
程应用提供参考。

这个直径称为临界热绝缘直径。

浙江电力设计院屠
数学模型
进【?】等分析了管道外加圆筒形保温层的散热,推导
了可分别用于自然对流和强制对流热力计算的两个
考虑一工业用电缆线,如图所示,芯材外径为
临界热绝缘直径的新计算式, . 等研究了
,温度为 ,其外有一厚为的保温层材料,环境流
能
涩
自然对流条件下一包裹有纤维状多孔材料保温层的
体温度设,线外壁无风时表面传热系数。

,有
唧
圆柱形管道的热力过程,并优化了保温层的厚度设
风时测得风速为。

究
计,研究表明,保温层厚度为管道直径的.倍、渗透
. 自然对流模型
孬
率对应于达西数≤时能减少 %的热损失。

重常导热系数条圆
庆大学吴双应等分别对变导热系数和常导热系数
件、
;下平壁及管道的经济厚度和年运行总费用的关系,
假设保温材料导热第
研究发现,变导热系数下经济厚度和总费用都比常
系数为常数 ,外表面复
导热系数情况大。

本文基于分析电缆线在
合传热系数为常数。

图
电缆线保温层示意图
研完与深讨萋器量南缆磐盘肇婊孽度分糖
保温层外径:。

铄
电线的总热阻鲁凡。

变导热系数条件
变导热系数时其他条件不变时外表面温度:
由式对外直径。

求导并令孥:得:
, ? ????一
:?? ? ? 一
』变导热系数条件
其中, .“ ,
“
假设保温材料导热系数随温度变化,由传热学
理论。

保温层材料的导热系数与其平均温度近似可 . 嘶.认为符合如下关系式:。

,其中为保温层材
将式代入式一。

可得到与以的关系,再
料的平均温度,取 / ,其中,为管壁温度,。

将上述结果代入式即可得到该情况下热阻与
为保温层外温度。

由保温层的导热过程可得: 的关系,当取得最小值即对的导数为零时,所对应即为临界热绝缘直径。

二 : 二工程实例及实现
鲁
某一工业用电缆线,芯部外径 ,其内通有
由导热系数依变关系式及方程可得:
电流,最高耐热温度℃,周围空气温度℃,保温
/? 一
: ? ? ? .。

一? ? 一层材料为聚苯乙烯,保温层外表面与空气自然对流
时,其复合表面传热系数为 . / ;另一室外使用
同芯部大小规格的电缆包有聚酯层及云母等材料,
其中軎.
室外平均风速由专门的测量装置获得。

将式代人式 ,可得到与的关系,, 公
再将上述结果代入式即可得到该情况下热阻
司开发,并于年发布的一种用于工程计算的高
与的关系,当取得最小值时所对应的为临界
性能语言,其编程语言很接近数学推导公式,简洁直热绝缘直径,这可以通过对求的导数很容易地得观,符合人们的思维习惯,有“草稿纸”式编程工具之到。

称【。

它主要包括两大内容:核心函数和工具箱。

. 强制对流模型
. 自然对流常导热系数条件
编写程序,输入初参数,运行后分别得到常导热
由文献【】知辐射换热占的比重不大约为 % ,
系数和变导热系数条件下导热热阻尺、对流热阻 , 忽略辐射换热的影响。

和总热阻与外直径的关系曲线如图 , 所示,散
表面复合传热系数为:
热量和。

的关系曲线见图 ,变导热系数时外表面泛
.
麓. 的单位为
的温度分布如图所示。

巍。

由图和图可知,单位长度总热阻随外直径的
:
增大呈现先减小后增大的变化规律,常导热系数时在 .的单位为璃
外直径 . 取得最小值 ./ ,变§一
导热系数时在外直径 .时取得最小值
般使用式 ,其中表示环境的风速。

译
. 。

将式代人式 ,对外直径。

求导,并令
酯由图知,散热量与呈现相反的变化趋势,常
: 得:
.
导热系数时最大散热量 . ,变导热系数。