浅析列车给水系统电伴热功率的计算方法及软件设计

麻哲

摘 要：本文叙述了给水系统管路伴热功率的两种常用计算方法，对比其各自的优缺点，提出了一种将两种计算方法结合的方式，并将这种方式编译成了一个计算软件。

关键词：给水系统;电伴热;功率;计算方法;软件

1 概述

电伴热是利用电伴热带输出的热量来补偿给水系统所耗散的热量，以维持系统处在适宜温区。随着现代工业的发展，电伴热的应用越来越广泛。目前列车给水系统管路的防冻措施绝大部分是采用保温层加电伴热带方式。电伴热带具有以下显著优点：

（1）电伴热带装置简单，发热温度均匀。（2）节约能源，一般都实行自动控制，可以根据所伴热物体的温度变化，而自动调节消耗的能量。（3）热损失低，适用范围广，容易控制。（4）施工简便，日常维护量小。

给水系统保温设计首先要确定管路的散热量，然后根据散热量确定所需电伴热带的功率和长度。电伴热功率常用计算方法有查表法和经验公式法。

2 查表法

式（1）中：Q—单位长度管道的热损失，W/m;q—管道的散热量（1℃/m時），查表1，W;△t—温差（TW-TH），℃;TW—维持温度，℃;TH—环境最低温度，℃;K—保温材料导热系数，一般取0.024W/（m℃）;C—管道材料修正系数，铜取1.05，不锈钢取0.9;E—安全系数，一般取1.2。

例1：管径25mm（外径32mm），管道长度1m，管道材料为不锈钢材质，介质为水，维持温度10℃，环境温度-40℃，保温材料聚氨酯泡沫塑料，保温层厚度15mm，计算每米管道热损失。

2.1 计算温差

△t=TW-TH=10-（-40）=50

2.2 计算每米管道的散热量

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—单位长度管道的热损失，W/m;TV—系统要求的维持温度，℃;TA—当地的最低环境温度℃;λ—保温材料的导热系数，一般取0.024W/（m℃）;D1—保温层内径，（管道外径）m;D0—保温层外径，m;D0=D1+2δ;δ—保温层厚度，m;Ln—自然对数;α—保温层外表面向大气的散热系数，W/（㎡℃）与风速ω，（m/s）有关，α值按公式（3）计算：α=1.163（6+ω1/2）W/（㎡℃）   （3）

C—管道材料修正系数，铜取1.05，不锈钢取0.9;E—安全系数，一般取1.2。

再以例1为例，计算过程入下：

（1）计算α，风速ω取0。

α=1.163（6+ω1/2）=1.163×6=6.978

（2）计算每米管道的散热量：

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 两种计算方法的优缺点

对比两种计算方式的结果我们可以看出经验计算公式计算结果略大于查表计算方法，所以使用经验计算方法得出的结论更安全。结合计算结果和两种方法的计算过程和计算结果我们可以得出以下结论：

经验公式的优点是：计算结果更安全，且可以计算不同风速下的散热量;缺点是：计算过程复杂。

查表计算的优点是：计算表1中提供的数据时计算过程相对简单;缺点是：不能计算风速对散热量的影响、不能直接计算表1中未提供的数据。

5 两种计算方法的结合

首先，经验公式可以计算出任意管径和保温层厚度的散热量，我们可以将其作为主要计算方式。其次，查表方法提供的数据为离散型数据，这不能满足我们计算任意管径和保温层厚度工况的需求。对此，我们可以将相近的三个点封闭成空间曲面，让其转换为连续型数据。最后，因查表法计算的结果略小于经验公式计算得出的结果，所以我们可以用相近的三个点封闭成空间曲面作为校核经验公式计算结果的参考曲面，即经验计算得出的数据点出现在在曲面之上，则计算结果可靠。

6 软件的设计

根据两种计算方法各自的优缺点，我编写了一个计算软件，将两种计算方法结合，用于处理经验公式复杂的计算过程及表1中提供的离散数据，最终绘制出三维参考曲面和计算结果。再以例1为例，根据题目要求输入计算数据，点击计算后得出计算结果11.9182w与之前计算结果相同，计算结果的三维空间位置也在参考曲面之上，所以计算结果安全。软件计算结果如图1所示。

7 结论

本文阐述了管道伴热功率计算常用的两种计算方法的计算过程，讨论了两种计算方法各自的优缺点，并提出了如何利用软件将其二者结合，实现了列车给水系统电伴热功率计算及结果可视化。

参考文献：

[1]工业设备及管道绝热工程设计规范GB50264-2013[S].

[2]管道和设备保温、防结露及电伴热（16S401）[S].