岳師華 李蘇瀧 張峰

1 南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

2 南京蘇夏工程設(shè)計(jì)有限公司

隨著蒸汽管道輸送的壓力和溫度越來(lái)越高，對(duì)管道的保溫也提出了更高的要求，對(duì)管道保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以有效減少能量損失和溫降。目前常用的管道保溫材料有巖棉、硅酸鋁針刺毯（氈），硅酸鈣絕熱制品，超細(xì)離心玻璃及氣凝膠氈等[1]，對(duì)于多層保溫結(jié)構(gòu)，有文獻(xiàn)指出保溫層應(yīng)該根據(jù)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)的大小依次排列[2]，但由于使用溫度，吸濕性及結(jié)構(gòu)性能等方面的約束，管道的保溫結(jié)構(gòu)并不是根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的大小由小到大布置的。對(duì)于蒸汽輸送管道來(lái)說(shuō)由于介質(zhì)溫度較高，應(yīng)重點(diǎn)考慮保溫材料的使用溫度范圍[3]，例如由于硅酸鋁針刺毯的耐高溫性，雖然其導(dǎo)熱系數(shù)較高但工程上經(jīng)常將其放在內(nèi)側(cè)。分析發(fā)現(xiàn)將導(dǎo)熱系數(shù)較高的保溫材料放在內(nèi)側(cè)，管道的保溫?zé)嶙钑?huì)出現(xiàn)一個(gè)極小值，而該值的大小和管道的直徑，外層保溫層的厚度，及內(nèi)外保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小有關(guān)。本文通過(guò)對(duì)不同管徑和外層保溫厚度及固定保溫厚度情況下管道熱阻的分析，得出了臨界絕緣厚度的變化趨勢(shì)，并應(yīng)用全壽命周期的方法對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，對(duì)管道保溫工程的具體布置方式具有實(shí)際意義。增大而逐漸減小，并且隨著外層保溫厚度S2的增加Sc逐漸增大，具體變化趨勢(shì)如圖2 所示。

1 管道阻值的計(jì)算

對(duì)于架空敷設(shè)的多層保溫結(jié)構(gòu)的蒸汽管道熱阻值的計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：R 為管道總熱阻，m2·K/W；Ki為管段導(dǎo)熱系數(shù),W/ (m·2K)；din為管道內(nèi)徑，m；λi為各層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；di為各層保溫的直徑，m；dout為最外層保溫直徑，m；hin、hout分別為管內(nèi)壁和保溫層外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m·K)。

管道內(nèi)壁和保溫層外表面的對(duì)流換熱系數(shù)如式（2）、（3）所示：

式中：Re 為雷諾數(shù)；Pr 為普朗特?cái)?shù)；ε 為管內(nèi)壁粗糙度，m。

式中：Ti為各管段蒸汽溫度，K；Tair為環(huán)境溫度，K；Vair為環(huán)境風(fēng)速，m/s。

類似于管道單層保溫結(jié)構(gòu)臨界絕緣直徑[4]，對(duì)于蒸汽管道的多層保溫結(jié)構(gòu)，由于各層導(dǎo)熱系數(shù)的不同，隨著保溫厚度的變化，管道總熱阻也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極小值點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的保溫層厚度即臨界絕緣厚度。本文分析了管道保溫層總熱阻R 及臨界絕緣厚度SC與管徑、外層保溫厚度、保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系。以架空敷設(shè)的蒸汽管道為例，該管道具有兩層保溫結(jié)構(gòu)，管內(nèi)蒸汽的溫度為450 ℃，內(nèi)層保溫材料為耐高溫硅酸鋁針刺毯，外層保溫為超細(xì)離心玻璃棉氈，其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系式為內(nèi)層λ1=0.056+0.0002（Tm-70）和外層λ2=0.041+0.00017（Tm-70）[5]，導(dǎo)熱系數(shù)的大小根據(jù)保溫層各層的平均使用溫度計(jì)算，內(nèi)層導(dǎo)熱系數(shù)λ1=0.116 W/(m·K)，和外層導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.048 W/(m·K)。

1.1 臨界絕緣厚度SC 隨管徑din 的變化

對(duì)于多層保溫結(jié)構(gòu)當(dāng)外保溫層厚度S2不變時(shí)（在本次熱阻模擬時(shí)，外層保溫厚度S2=200 mm），不同管徑的蒸汽管道總熱阻值隨著內(nèi)保溫層厚度的增加先減小后逐漸增大并出現(xiàn)一個(gè)極小值點(diǎn)，如圖1 所示。對(duì)于不同的管道其臨界絕緣厚度Sc隨著管道直徑的

圖1 不同din 下熱阻R 隨內(nèi)層厚度S1 的變化

圖2 不同S2 下臨界絕緣厚度Sc 隨管徑din 的變化

1.2 臨界絕緣厚度Sc 隨外層厚度S2 的變化

選取某管徑為DN300 的蒸汽管道為例，保溫層內(nèi)層導(dǎo)熱系數(shù)λ1=0.116 W/(m·K)，外層導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.048 W/(m·K)，不同外層保溫厚度條件下，管道保溫總熱阻R 隨著內(nèi)層厚度S1增加時(shí)的變化情況如圖3所示。臨界絕緣厚度Sc隨外層保溫厚度S2的增加而增大，其變化趨勢(shì)如圖4 所示。

圖3 保溫層熱阻R 隨內(nèi)層厚度S1 的變化

圖4 臨界絕緣厚度Sc 隨外層厚度S2 的變化

1.3 保溫厚度一定時(shí)管道熱阻分析

以該蒸汽輸送工程為例，蒸汽管徑為DN300，保溫厚度為150 mm，管道保溫結(jié)構(gòu)為雙層保溫，內(nèi)外層的保溫材料及導(dǎo)熱系數(shù)如上所述，當(dāng)保溫層的總厚度不變時(shí)，隨著內(nèi)保溫層厚度的逐漸增加，管道的保溫?zé)嶙柚抵饾u減小，如圖5 所示。

圖5 管道熱阻R 隨內(nèi)層保溫厚度S1 的變化

2 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于長(zhǎng)距離蒸汽輸送管道的經(jīng)濟(jì)性分析，應(yīng)綜合考慮管道在運(yùn)行過(guò)程中的散熱損失和保溫層的初投資[6]，根據(jù)全壽命周期法計(jì)算其最小值。文獻(xiàn)[7]分析了各種材料的具體價(jià)格和不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，管道散熱損失部分如式（4）：

式中：q 為熱流密度，W/m2。

以該蒸汽輸送管道工程為例，其保溫結(jié)構(gòu)為雙層保溫，內(nèi)層為硅酸鋁針刺毯外層為超細(xì)玻璃棉，該管道的年經(jīng)濟(jì)損失B 的計(jì)算如式（5）～（6）：

式中：N 為按復(fù)利計(jì)算的年分?jǐn)偮?；i 為貸款年利率，%；n 為貸款年數(shù)；P1為硅酸鋁針刺毯價(jià)格，元/m3；P2為離心玻璃棉的價(jià)格，元/m3；Pf為熱價(jià)，元/J；τ 為管道運(yùn)行時(shí)間，h；d1為第一層保溫層的直徑，m；λ1、λ2分別為第一、二層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

保溫材料硅酸鋁針刺毯和超細(xì)玻璃棉在同體積下前者的價(jià)格較高，且前者的導(dǎo)熱系數(shù)較大。在蒸汽管道長(zhǎng)距離輸送工程中，由于不考慮輸泵的能耗，從式（5）不難看出，不論是定外層保溫厚度還是定總保溫層厚度，隨著內(nèi)層保溫厚度S1的增大，保溫層初始投資年分?jǐn)傎M(fèi)用和年散熱費(fèi)用都在增加。因此在管道保溫敷設(shè)時(shí)，若內(nèi)層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于外層，在滿足外層保溫材料的使用溫度時(shí)，其內(nèi)層的厚度越小時(shí)經(jīng)濟(jì)性越好。

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際長(zhǎng)距離輸送管網(wǎng)保溫中，由于保溫材料使用溫度、吸濕性等限制，有時(shí)內(nèi)層保溫的導(dǎo)熱系數(shù)要大于外層。本文分析了不同管徑和不同外層厚度以及固定保溫厚度的情況下，隨著內(nèi)層保溫厚度的變化，保溫層總熱阻值R 及臨界絕緣厚度Sc的變化情況。通過(guò)保溫?zé)嶙杓敖?jīng)濟(jì)性分析得出結(jié)論，在滿足保溫材料溫度允許使用范圍內(nèi)應(yīng)盡量減小內(nèi)層保溫的厚度以避開(kāi)臨界絕緣厚度Sc，從而在減少熱量損失的同時(shí)降低管網(wǎng)初投資和施工成本以達(dá)到節(jié)能的目的。