PVC管低温传热特性及高效输冷应用研究

PVC管低温传热特性及高效输冷应用研究

李方政;张松;崔兵兵;丁航

【摘要】为探究PVC管输送低温盐水的可行性,首先通过PVC管约束条件下的温度应力试验,获得了PVC管低温收缩应变增长规律及线膨胀系数,为低温管路收缩节设计提供依据.然后对PVC管路横截面温度场进行了数值模拟,结果显示:冻结前20 d内,PVC盐水管壁温度随时间的延长,成对数规律分布,外壁温度比管内盐水温度高3~12 ℃;与同条件下的钢管相比,PVC管保温层中心点温度高出1.5~4 ℃.PVC管输送低温盐水,千米温差小于0.5 ℃,冷量散失量仅为同条件钢管的42.3%左右,节能效果显著,值得推广应用.%In order to investigate the feasibility of low temperature brine transportation with PVC pipe,a temperature stress test was passed under the constraint condition of the PVC pipe,the low temperature shrinkage strain increased law and linear expansion coefficient of the PVC pipe were obtained and could provide the basis to the design of the shrinkage joint in the low temperature pipeline.Then a numerical simulation was conducted on the cross-section temperature field of the PVC pipeline.The results showed that within 20 days before the freezing operation,the temperature of the PVC brine pipe wall would be distributed in a logarithm law with the time passed and the outer wall temperature would be 3~12 ℃ higher than the brin e temperature within the pipeline.In comparison with the steel pipe under the same condition,the central point temperature of the PVC pipe thermal insulation layer would be 1.5~4 ℃ higher than the steel pipe.When the low temperature brine was transported with the PVC pipeline,a temperature

difference per 1 000 m would be less than 0.5℃ and a dissipated value of the cooling capacity would be only about 42.3% of the steel pipe under

the same condition.Thus the energy saving effect of the PVC pipeline was obvious and the promotion and application would be valuable.

【期刊名称】《建井技术》

【年(卷),期】2017(038)001

【总页数】6页(P18-23)

【关键词】PVC管;盐水干管;高效输冷;温度场;水密性

【作者】李方政;张松;崔兵兵;丁航

【作者单位】北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013;煤炭科学研究总院建井研究分院,北京 100013;北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013;北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013;北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013

【正文语种】中文

【中图分类】TD265.3+3

人工地层冻结工程中，冷冻站与工作面的距离达数百米甚至近千米，目前多用钢管作盐水输送干管，若保温层选择或设计不当，表面吸附冷凝水，在长距离低温盐水输送过程中，冷量损失大；另外钢干管重量大，隧道内安装工作量大，而且盐水钢管易生锈，复用率低，成本高。为此，尝试用保温效果较好的PVC管作盐水干管，安装轻便，保温效果好；但PVC管很少应用于负温环境。笔者采用试验与理论分

析相结合的手段，对PVC管低温力学、传热特性进行分析研究，并结合工程应用，进行保温设计、现场测试和散热量计算，研究PVC管输送冷量的可行性和经济性。

PVC管作为干管输送低温盐水时，随着PVC管平均温度的下降，管路纵向会产生明显收缩。此时一旦管路受到约束，便会产生温度应力，即对PVC管粘结接头产

生拉伸、剪切应力[1-2]。试验设计模拟30 m以内盐水输送干管受到支架等固定

约束的工况，PVC管内循环低温盐水，管外壁采用50 mm厚聚乙烯泡沫板保温。PVC管长25 m，规格为φ110 mm×7 mm，由3根管连接而成，接头为粘接。(1)PVC管固定

为模拟地层竖向支架约束力，将PVC管沿纵向用卡扣固定在隧道管片上，端部同

样固定，保证整个试验过程中，PVC管无法移动。

(2)PVC管水密性测试

试验设计采用低温盐水冷冻循环。实际工况中，盐水压力维持在0.4 MPa左右。

在PVC管粘接达到强度后，进行水密性打压测试，打压强度0.82 MPa，测试30 min未见压力值降低，满足试验要求。

(3)试验温度和应变数据采集

低温盐水冷冻循环试验过程中，在PVC管外壁固定温度感应探头，采集管外壁温度；采用BX120-50AA电阻应变片(灵敏系数2.08±1%)，测量PVC管冷冻伸缩

微应变。采用CM-1L10型静态应变仪，分辨率为1，基本误差为0.2%[3-4]。测

点布置如图1所示。

对试验采集的2组数据进行分析，得到应变-温度关系曲线，如图2所示。

由试验曲线可知：

(1)随冻结温度的降低，应变(应力)发展大致分为3个阶段：0～-15 ℃为快速增长

阶段，应变量约占总应变量的75%；-15～-18 ℃为缓慢增长阶段；-18 ℃以下为稳定阶段。

(2)PVC管轴向约束温度应力可近似按下式计算：

式中：σz′为PVC管轴向约束温度应力，MPa；α为PVC管线膨胀系数，根据实