1、基于CIPP技术减少供热管道热损失的新方案 纺原理纺原理混合式一流课混合式一流课程程内容12435一、背景介绍供热管道系统是高耗能产业，供热管道系统是高耗能产业，对未来能源的对未来能源的脱碳脱碳起到至关重起到至关重要的作用。供热管道的质量无疑会对环境和能源效率产生影要的作用。供热管道的质量无疑会对环境和能源效率产生影响。从节能而言，供热管道应具有以响。从节能而言，供热管道应具有以低损耗低损耗分配热量的能力。分配热量的能力。在供热管道系统中，显著的能量损失与在供热管道系统中，显著的能量损失与管道传输管道传输有关。供热有关。供热管道管道老化老化导致了不必要的热损失。导致了不必要的热损失。一个因素是

2、一个因素是保温材料保温材料的退化。保温层的热导率将增加。的退化。保温层的热导率将增加。一个因素是老化管道的一个因素是老化管道的泄漏泄漏。泄漏造成了流体损失，和保温。泄漏造成了流体损失，和保温层进水引起等效导热率显著上升。层进水引起等效导热率显著上升。管道渗漏管道渗漏管道腐蚀管道腐蚀管道老化管道老化保温层退化保温层退化0.347.712.11621.442.649.300820022集中供热管道长度/万公里年份严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是更换新管是直接有效的方法更换新管是直接有效的方法，但经济和社会成本高昂。，但经济和社

3、会成本高昂。使用使用CIPP内衬内衬可以可以成为一种经济高效的替代方案。成为一种经济高效的替代方案。传统传统CIPP内衬设计的目标是低厚度和高强度。内衬设计的目标是低厚度和高强度。在供热管道中应用在供热管道中应用CIPP内衬以减少热损失具有巨大潜力。内衬以减少热损失具有巨大潜力。设计了一种设计了一种CIPP内衬，通过内衬，通过发泡防渗膜发泡防渗膜来增强来增强保温功能保温功能。该内衬可以该内衬可以修复老化管道修复老化管道防止泄露并提供额外的防止泄露并提供额外的保温能力保温能力。开挖修复新管开挖修复新管非开挖修复管道非开挖修复管道对比修复方法埋地埋地管网管网开挖开挖修复修复非开挖非开挖修复修复二、

4、内衬材料的设计内衬材料由防渗膜、织物和树脂粘合剂组成。内衬材料由防渗膜、织物和树脂粘合剂组成。严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是二、内衬材料的设计防渗膜采用防渗膜采用使用可膨胀微球作为发泡剂来增加保温功能。使用可膨胀微球作为发泡剂来增加保温功能。基布为耐湿热高强纤维织物。基布为耐湿热高强纤维织物。粘合剂为耐湿热高强树脂。粘合剂为耐湿热高强树脂。严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是三、内衬材料性能的测试分析严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是防渗膜的泡孔结构是防渗膜的泡孔结构是封闭封闭的，泡孔被微球的外壳包的，泡孔被微球的外壳包裹，并且彼此独立。孔洞裹，并且彼此独立。孔洞的封闭性有助于的

5、封闭性有助于防水防水。3 wt%的微球含量被认为的微球含量被认为是评估微观结构稳定性的是评估微观结构稳定性的临界值。过高的负载量会临界值。过高的负载量会使微球被挤压变形，并出使微球被挤压变形，并出现团聚。现团聚。1.泡孔结构严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是2.热导率可膨胀微球的加入显著提高了防渗膜的隔热性可膨胀微球的加入显著提高了防渗膜的隔热性能。微球膨胀形成的孔隙阻碍了材料中的热传能。微球膨胀形成的孔隙阻碍了材料中的热传递。递。不含微球的防渗膜样品的热导率为不含微球的防渗膜样品的热导率为0.162 W m1 K1。当微球含量为。当微球含量为3wt%时，防渗膜的热导率时，防渗膜的热导率为

6、为0.105 W m1 K1，降低了低，降低了低35.2%。当微球含量继续增加到当微球含量继续增加到6wt%时，样品的热导时，样品的热导率仍以几乎相同的速率降低，表明微球在基质率仍以几乎相同的速率降低，表明微球在基质中未达到饱和状态。中未达到饱和状态。严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是3.3.拉伸性能拉伸性能对于防渗膜样品，当加入微球对于防渗膜样品，当加入微球2wt%时，拉伸强度缓慢下降，而时，拉伸强度缓慢下降，而断裂伸长率没有显著变化。进一步断裂伸长率没有显著变化。进一步增加微球的含量，拉伸强度和伸长增加微球的含量，拉伸强度和伸长率同时迅速降低。在高微球含量的率同时迅速降低。在高微球含量

7、的防渗膜中观察到微球的接触和聚集。防渗膜中观察到微球的接触和聚集。这种接触会导致机械缺陷。这种接触会导致机械缺陷。而对于树脂固化的复合样品，微球而对于树脂固化的复合样品，微球含量分别为含量分别为0wt%和和3wt%的两个样的两个样品的抗拉强度和伸长率之间没有显品的抗拉强度和伸长率之间没有显著差异。著差异。可以认为防渗膜的强度变化对材料整体影响不大。观察样品的断可以认为防渗膜的强度变化对材料整体影响不大。观察样品的断裂形式复合材料层和防渗膜层的破坏是异步的。裂形式复合材料层和防渗膜层的破坏是异步的。严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是4.4.吸水性吸水性不含微球的防渗膜的吸水率为不含微球的防渗

8、膜的吸水率为2.60%。单个。单个膨胀微球因其闭孔结构，不具有吸水特性。膨胀微球因其闭孔结构，不具有吸水特性。当微球含量较低（当微球含量较低（3wt%）时，吸水率略高）时，吸水率略高于非发泡膜，这可能是因为样品切割导致表于非发泡膜，这可能是因为样品切割导致表面出现少量开孔微球。面出现少量开孔微球。当微球含量较高时，由于微球的接触和聚集，当微球含量较高时，由于微球的接触和聚集，材料中会产生未填充的孔隙，这将导致材料材料中会产生未填充的孔隙，这将导致材料的吸水性增加。的吸水性增加。严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是5.5.热稳定性热稳定性所有类型的防渗膜样品都表现出相似的热分解所有类型的防渗膜

9、样品都表现出相似的热分解模式。无微球膜的起始分解温度为模式。无微球膜的起始分解温度为399.9C，而微球含量为而微球含量为3wt%的膜为的膜为391.5C，没有观察，没有观察到显著差异。到显著差异。织物织物/树脂复合材料表现出两步分解，第一步分树脂复合材料表现出两步分解，第一步分解范围为解范围为288.7445C、这与树脂的分解有关。这与树脂的分解有关。第二步的范围为第二步的范围为450700C、这与高强纤维的这与高强纤维的分解有关。分解有关。CIPP内衬各组分的起始分解温度远内衬各组分的起始分解温度远高于工作温度，表明具有良好的热稳定性。高于工作温度，表明具有良好的热稳定性。四、内衬材料应用

10、效果的数值模拟严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是进行了数值模拟，以了解进行了数值模拟，以了解CIPP内衬的有效性。内衬的有效性。两种因素：内衬材料参数和原管参数。两种因素：内衬材料参数和原管参数。内衬材料参数：内衬材料的厚度和导热系数。内衬材料参数：内衬材料的厚度和导热系数。原始管道包括两组变量。第一组是管道的老原始管道包括两组变量。第一组是管道的老化程度，通过定义保温层的热导率实现。化程度，通过定义保温层的热导率实现。第二组涉及管道外部环境的参数，包括土壤第二组涉及管道外部环境的参数，包括土壤的热导率和地面的空气温度。的热导率和地面的空气温度。这项工作是基于这项工作是基于200mm内径的

11、管道。几何模型为三维模型，管内径的管道。几何模型为三维模型，管道为多层结构的预保温管道。管道系统的尺寸来源于工程案例。道为多层结构的预保温管道。管道系统的尺寸来源于工程案例。严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是进行了网格划分、网格独立性检验、边进行了网格划分、网格独立性检验、边界条件和材料参数设置等工作。界条件和材料参数设置等工作。利用该模型与已公开的文献中的数据进利用该模型与已公开的文献中的数据进行了对比，验证了模型可靠性。行了对比，验证了模型可靠性。计算域包括供水管道、回水管道、管计算域包括供水管道、回水管道、管道中的热水和土壤环境。道中的热水和土壤环境。由于该研究针对的是管道的长期运行

12、，由于该研究针对的是管道的长期运行，因此采用了稳态方法进行模拟。因此采用了稳态方法进行模拟。严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是通过定义保温层的热导率来反映绝通过定义保温层的热导率来反映绝缘老化的程度。由于保温层的热导缘老化的程度。由于保温层的热导率影响修复前后的热损失，因此使率影响修复前后的热损失，因此使用热损失差作为结果。用热损失差作为结果。当绝缘层未老化（当绝缘层未老化（ki=0.025 W m1 K1）时，）时，CIPP内衬仅将热损失减内衬仅将热损失减少少3.8%。然而，当管道老化较严。然而，当管道老化较严重时（发生小泄漏，重时（发生小泄漏，ki=0.5 W m1 K1），），CIP

13、P内衬将热损失减少了内衬将热损失减少了14.3%。因此，。因此，CIPP内衬可以在内衬可以在管道严重老化时发挥更好的性能。管道严重老化时发挥更好的性能。不同老化程度下的修复效果严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是环境参数包括土壤热导率环境参数包括土壤热导率和地面空气温度。图和地面空气温度。图14显显示了示了CIPP内衬的有效性与内衬的有效性与环境参数之间的相关性。环境参数之间的相关性。结果表明，结果表明，CIPP内衬在不内衬在不利的环境条件下可以发挥利的环境条件下可以发挥更有效的作用。更有效的作用。不同环境参数下的修复效果严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是选择热损失高的工作条件选择热损失

14、高的工作条件来模拟老化管道。图来模拟老化管道。图15显显示了具有不同内衬材料厚示了具有不同内衬材料厚度和热导率的修复管道的度和热导率的修复管道的热损失。在参数范围内，热损失。在参数范围内，使用低厚度的传统内衬仅使用低厚度的传统内衬仅将热损失减少将热损失减少9.1%。然而，。然而，使用高厚度且强化保温功使用高厚度且强化保温功能的内衬可将热损失减少能的内衬可将热损失减少55.4%。内衬参数的影响。内衬参数的影响显著。显著。不同内衬材料参数下的修复效果严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是以内径为以内径为200mm的管道为例进行了了计算，结果是与新管道相比，的管道为例进行了了计算，结果是与新管道相比

15、，CIPP内衬将增加内衬将增加额外的泵送成本；但与老化管道相比，厚度合理的内衬并不会增加泵送成本。额外的泵送成本；但与老化管道相比，厚度合理的内衬并不会增加泵送成本。对压力损失的影响然而，增加内衬厚然而，增加内衬厚度意味着减小管道度意味着减小管道内径，这将影响管内径，这将影响管道压力损失，增加道压力损失，增加泵送功率。但同时泵送功率。但同时要考虑到内衬表面要考虑到内衬表面非常光滑，这有助非常光滑，这有助于减少输送中的摩于减少输送中的摩擦损失。擦损失。五、结论严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是提出了一种新的方案来减少老化供热管道的热损失。设计了一种新的提出了一种新的方案来减少老化供热管道的热

16、损失。设计了一种新的CIPP内衬材料来内衬材料来支持该方案。数值模拟验支持该方案。数值模拟验证了内衬的有效性。主要发现如下：证了内衬的有效性。主要发现如下：（1）CIPP内衬可维护老化管道，延长使用寿命。这种方法实现了管道功能的恢复，无需翻新和大的开挖。它在内衬可维护老化管道，延长使用寿命。这种方法实现了管道功能的恢复，无需翻新和大的开挖。它在经济和社会成本方面具有优势。经济和社会成本方面具有优势。（2）防渗膜发泡增强了防渗膜发泡增强了CIPP内衬的隔热功能。可膨胀微球是优良发泡剂。发泡防渗膜的结构是闭孔的。内衬的隔热功能。可膨胀微球是优良发泡剂。发泡防渗膜的结构是闭孔的。3 wt%的微球含量

17、是微观结构稳定性的临界值。的微球含量是微观结构稳定性的临界值。（3）所设计的内衬具有低导热率。微球的加入使防渗膜的拉伸性能恶化，但对内衬的拉伸性能没有显著影响。所设计的内衬具有低导热率。微球的加入使防渗膜的拉伸性能恶化，但对内衬的拉伸性能没有显著影响。内衬的吸水率低，具有良好的热稳定性。内衬的吸水率低，具有良好的热稳定性。（4）保温层老化程度和环境条件影响保温层老化程度和环境条件影响CIPP内衬的使用效果。内衬的使用效果。CIPP衬管在严重的管道老化和不利的环境条件衬管在严重的管道老化和不利的环境条件（高土壤热导率和低地面空气温度）下可以产生更好的效果。（高土壤热导率和低地面空气温度）下可以产生更好的效果。（5）内衬参数影响内衬参数影响CIPP内衬的使用效果。增加内衬厚度和降低热导率可以进一步减少热损失。基于一组参数，内衬的使用效果。增加内衬厚度和降低热导率可以进一步减少热损失。基于一组参数，CIPP内衬可将老化管道的热损失降低了内衬可将老化管道的热损失降低了55.4%。严谨严谨 严格严格 求实求实 求是求是感谢大家倾听，请批评指正感谢大家倾听，请批评指正