无补偿直埋保温管的热风预热技术

摘要：本文简要分析了在无补偿直埋保温管预热中采用空气作为预热介质相比水的优势，通过实验掌握了热风预热的参数，并在实际工程中进行了应用。

一、引言

无补偿预热直埋是一种可靠性高、造价低的敷设方式，目前在工程应用中预热普遍以水作为介质，由于受水的热物理性质的限制，在预热中尤其对于大口径供热管道产生了诸如预热时间过长、水的自重影响热膨胀等缺点，这些缺点在一定程度上也制约了此种敷设方式在工程中的应用，而采用空气作为预热介质不仅可以较好的解决以上问题，而且对于宝贵的水资源也是一个极大的节约。

二、理论分析

作为热量的载体，水和空气只是热源向钢管传递热量的中间介质，它们利用自身在管道内的流动来实现与钢管间交换热量的目的。可见，预热介质在热量的传递过程中只是起着“二传手”的作用，因此优秀的预热方式不仅中间换热过程要少，而且其预热介质在热物性方面应具备：一、较小的比热容，以减少对预热介质本身的加热热量和加热时间;二、较小的比重，以减小预热介质本身重量对热膨胀的影响。

我们将预热的热量起始传递全过程作一综合分析，就会发现热风预热只有一个换热过程—在管道内热风与钢管的换热，而热水预热则有二个换热过程—在锅炉内高温烟气与水的换热以及在管道内水与钢管的换热，显然多一个换热过程既增加了换热热阻也使换热损失增多，所以热风预热具有较小的热量损失。

再比较一下水和空气的热物性，假设预热温度为70℃，在此温度下定压比热容分别为Cp，水=4.187KJ/kg·℃、Cp,空气=1.009KJ/kg·℃，比重分别为ρ水=977.8kg/m3，ρ空气=1.029kg/m3。

因此，在相同的预热参数条件下两种介质的热容之比为：

n==

=≈3943

显然加热水和空气到同一温度的时间也必定相差悬殊，并且若以水为预热介质，则水的热容不仅相对空气庞大，即使与预热的主体—钢管相比，也相差数十倍，结果预热的绝大部分热量不是输送给了钢管而是被水所容纳，而水及其热量在预热结束后都将被舍弃，这对能源是一个极大浪费。

水的比重是空气的近一千倍，满管空气的重量相对预热管道可以忽略不计，而满管水的重量却是预热管道的数倍，其直接的后果就是管道与砂垫层间的摩擦力也增加了数倍，为了达到设计的膨胀量只得提高预热温度，预热温度的提高导致能源投入的增加和预热时间的延长，特别是对于较大直径的管道(如DN1000以上的管道)，由于水的重量加上管材本身的重量非常大，即使较大幅度的提高预热温度，理论计算的热膨胀值也很难保证，从而造成热水预热在大直径管道的预热中难以实施。

三、实验研究

空气的比热和比重较小导致其承载的热量较少，当热风将热量传递给钢管后，自身温降较大，这样进出口预热空气存在较大的温差，从而可能造成钢管的首末端间存在较大的温度梯度，因此如何通过选择风量和风温来控制钢管进出口的温度梯度，减小其产生的残余应力并尽可能的缩短预热时间将是研究的重点。

在实验中我们选用了12根DN800的保温管作为试验对象，保温管焊接后敷设在砂层上，接口用海绵缠绕保温外用胶带固定，同时在接口焊缝处安装热电偶和标识杆以测量钢管壁温和位移。由燃油燃烧器提供的热量，在风箱内直接加热空气，热风再由风机送入管道，设备安装布置图如下：

我们分别考察了在相同预热温度下，大风量小温差、小风量大温差所产生的不同预热效果，实验数据证明大风量小温差不仅在钢管出口壁温达到预热温度时钢管进出口温度梯度最小(前者温差不到2℃，后者温差大于5℃)，而且预热时间也较短。下面是两者出口壁温的数据比较：

通过两图的比较不难看出，当预热温度同为58℃时，前者只需120分钟，而后者耗时近200分钟，预热时间相差接近一倍。所以在工程应用中应采用大风量小温差预热工艺。

四、工程应用

2003年10月，无补偿直埋保温管的热风预热技术应用于承德双滦区集中供热工程。本工程的预热管段为供回水共3公里的DN700管线，预热温度为70℃，全管线分为两段预热，原理图如下：

在环境温度低于10℃的情况下，第一预热段单线717米不到5个小时即达到预热温度，实际热膨胀与理想值仅差20mm，第二预热段单线767米也只用了5个小时达到预热温度，实际热膨胀与理想值相差22mm。同时，两预热段的进出口温差小于2℃。

工程应用的结果再次证明了热风预热技术不仅预热时间短而且预热效果好。

五、结论

1.热风预热相比热水预热具有节约能源、预热时间短的优点。

2.热风预热应采用大风量小温差的工艺。

3.对于大直径保温管的预热宜采用热风预热技术。