論化工管路絕熱工程設(shè)計(jì)中一些問題的研究探討

中國化學(xué)工程第三建設(shè)有限公司 安徽淮南 232038

摘 要：本文結(jié)合筆者多年實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)化工管路當(dāng)中的絕熱工程設(shè)計(jì)做出全面的闡述以及具體詳細(xì)的相關(guān)計(jì)算方法和步奏，在具體的物品材料選擇時(shí)，例如管道以及設(shè)備保溫和其他相關(guān)設(shè)備等，在選取的時(shí)候不僅需要注意實(shí)用性以及是否能夠節(jié)能，而且對(duì)于同時(shí)所使用的材料的經(jīng)濟(jì)性，也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行全面認(rèn)真的比較，從而更加有效的來選擇所適用的材料設(shè)備，以期能夠在后期的具體實(shí)踐設(shè)計(jì)當(dāng)中有著借鑒作用，望與大家共同探討分析。

關(guān)鍵詞：化工管路；絕熱設(shè)計(jì)；問題；研究探討

當(dāng)今社會(huì)所有的化工企業(yè)在具體的生產(chǎn)過程當(dāng)中，為了能夠使得在生產(chǎn)當(dāng)中所利用到的所有設(shè)備以及管道材料，能夠有效的防止向周圍的環(huán)境散發(fā)或者熱量，從而在工程當(dāng)中進(jìn)行的整體絕熱工程。在社會(huì)當(dāng)中生存發(fā)展的化工企業(yè)以及石油和冶金部門，包括包括建材等諸多部門的設(shè)備和管道，都有所利用到絕熱工程進(jìn)行有效的隔熱處理，然而這項(xiàng)具體工程在當(dāng)今諸多相關(guān)企業(yè)中，不管是在生產(chǎn)當(dāng)中還是在建設(shè)的整體過程當(dāng)中已然成為了一項(xiàng)必不可少的重要工程。在化工企業(yè)的具體生產(chǎn)過程中，由于在具體的處理過程當(dāng)中所涉及到的物品材料，絕大部分都不是常溫的存在，然而物品材料不管是在運(yùn)輸方面還是在儲(chǔ)存方面都是需要確保其整體具有一定的具體溫度。所以，在具體的工程當(dāng)中材料管道以及相關(guān)設(shè)備的絕熱在化工廠當(dāng)中就顯得更加的常見。與此同時(shí)，在化工廠當(dāng)中所運(yùn)用到的所有物品以及材料，在種類方面都是非常的多，而且復(fù)雜在具體的性能方面也顯得各異，那么在具體的運(yùn)用中所需要的絕熱要求，也必然有著諸多方面的不同，這樣對(duì)于其本身所體現(xiàn)出來的特殊性質(zhì)就更加的明顯。

在管路絕熱工程設(shè)計(jì)當(dāng)中包含的管路以及設(shè)備的絕熱，筆者經(jīng)過分析認(rèn)為可以按照它們具體的用途，可以有效的具體分成三種主要類型，其一，保溫；其二，加熱保護(hù)；其三保冷。下文便是筆者對(duì)此工程設(shè)計(jì)是做出的詳細(xì)闡述。

一 絕熱工程設(shè)計(jì)中的有效方法

在化工設(shè)計(jì)當(dāng)中，絕熱工程的有效設(shè)計(jì)在其中起著至關(guān)重要的之作用，其在整體系統(tǒng)當(dāng)中主要涉及到保溫材料的選擇，而且針對(duì)保溫的厚度也有著確定作用。通常情況，如果我們只是單純的考慮到保溫的效果，那么在保溫的厚度方面則是材料的厚度越厚，那么它所體現(xiàn)出來的保溫效果就是越好，然而將保溫材料的厚度進(jìn)行了增加了，那么在投入的資金費(fèi)用方面也就顯得有所增加。所以，針對(duì)化工設(shè)計(jì)中的絕熱工程設(shè)計(jì)我們需要進(jìn)行綜合考慮，在采取的有效方法上我們可以采用經(jīng)濟(jì)厚度法。但是在利用這種方法的時(shí)候其具體的計(jì)算又太過于復(fù)雜，針對(duì)部分參數(shù)在選取方面顯得不是十分方便，所以在具體的應(yīng)用當(dāng)中則又受到諸多限制。在具體的工程當(dāng)中，通常所使用到的方法都是采用經(jīng)驗(yàn)法，可是在一些相對(duì)而言較為特殊的情況當(dāng)中，例如材料的管徑比較細(xì)小，還有絕熱材料的絕熱性能總體而言顯得比較不理想，那么此時(shí)就存在一種臨界厚度，在使用經(jīng)驗(yàn)法的時(shí)候就顯得具有一些局限性。那么在具體的處理過程當(dāng)中，就需要進(jìn)行具體作業(yè)的工作人員對(duì)于經(jīng)驗(yàn)法所求得的詳細(xì)結(jié)果，與具體的臨界厚度進(jìn)行一定性質(zhì)的比較，如果兩者之間的結(jié)果有著差異性，那么就需要工作人員或者設(shè)計(jì)者做出適當(dāng)有效的修正，從而能夠更好的做到理想當(dāng)中的絕熱效果。

二 絕熱厚度具體計(jì)算，有效保證絕熱效果

（１）絕熱工程設(shè)計(jì)中絕熱厚度具體計(jì)算

在實(shí)踐當(dāng)中絕熱工程的具體設(shè)計(jì)中，工作人員主要關(guān)心的是所使用的絕熱材料以及絕熱的厚度問題。然而在整體工程設(shè)計(jì)當(dāng)中。所使用的絕熱材料都是根據(jù)其介質(zhì)情況以及絕熱的類型和所需要材料的價(jià)格，甚至還有材料在本地所體現(xiàn)出來的供應(yīng)情況等諸多因素，需要相關(guān)負(fù)責(zé)人員進(jìn)行綜合的考慮進(jìn)而加以明確確定。那么一旦將所需要的材料進(jìn)行確定之后，就可以針對(duì)絕熱厚度進(jìn)行有效的計(jì)算分析，由于所使用的設(shè)備可以當(dāng)作較大直徑的管道處理。所以，在下本的分析論證當(dāng)中，僅針對(duì)管道的絕熱方面做出考慮進(jìn)而做出相關(guān)計(jì)算。管路和周圍具體環(huán)境的傳熱過成，其中包括絕熱材料的傳導(dǎo)傳熱以及材料的外表面輻射傳熱和外表面與周邊附著的空氣所形成的對(duì)流熱，通常所使用的管材普遍都是金屬材料，那么金屬管材所體現(xiàn)出來的熱阻就相對(duì)非常小，可以將其熱阻進(jìn)行忽略不計(jì)入計(jì)算公式當(dāng)中。以下便是筆者針對(duì)絕熱材料的傳導(dǎo)傳熱速率的計(jì)算方程：

q1=2πλ（tf - to）/ ln（D1 / D0） （1）

外表面散熱速率方程：

q2=a1πD1（tf - ta） （2）

穩(wěn)定傳熱過程q1=q2=q，q即為單位管長(zhǎng)熱損失。

上二式中，t所代表的數(shù)值分別都是為介質(zhì)、絕熱層外表面、環(huán)境的溫度，π為絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，D0管道外徑，D1為絕熱層外徑，a1為絕熱層外表面與周圍空氣之間的總給熱系數(shù)。

當(dāng)絕熱材料被選定時(shí)，π已知，上述方程組共包含7個(gè)變量，在絕熱層厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算中，一般給定的已知條件為：tf、t0、a1、D0，有三個(gè)未知量：q、D1、t0，而獨(dú)立方程只有兩個(gè)，屬于無定解，必需再補(bǔ)充一個(gè)條件時(shí)才能滿足方程求解的需要。對(duì)上述命題可指定外表溫度ta，可對(duì)應(yīng)求出D1及q，如防燙要求時(shí)取ta＝60°C。

對(duì)于保溫要求的計(jì)算一般有經(jīng)驗(yàn)法、經(jīng)濟(jì)厚度法。經(jīng)驗(yàn)法先選用絕熱層表面溫度，一般情況：tf -to =15℃～20℃【1】

由式（1）、（2）可得：

可用查圖法【1】或試差法求得D1，保溫厚度為：δ=D1-D0/2

濟(jì)厚度指管道保溫后，年熱損失值與保溫工程投資費(fèi)的年分?jǐn)偮手蜑樽钚r(shí)的保溫厚度。如外徑≤1m時(shí)，可由下式計(jì)算【2】。

式中B為熱能價(jià)格，Y為年運(yùn)行時(shí)數(shù)，A為保溫材料綜合價(jià)格，N為保溫工程投資年分?jǐn)偮剩橥顿Y償還年限計(jì)息年數(shù)，N為年復(fù)利率。計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度時(shí)，必須用到B、m、n等數(shù)值，而這些數(shù)據(jù)不是設(shè)計(jì)人員能自行決定的，目前尚無確切的數(shù)值可供參考。所以工程設(shè)計(jì)中常用的是經(jīng)驗(yàn)法。

通過上述兩種方法計(jì)算所得的厚度一般工程上是可以采用的。但通過以下討論可以發(fā)現(xiàn)，在比較特殊的條件下，保溫層厚度的增加并不能使熱損失減少，相反使熱損失增加。此時(shí)需要對(duì)保溫材料、計(jì)算結(jié)果作適當(dāng)修正。

由前述式（l）、（2）得。

其中絕熱層熱阻：R2=1/aπD1

外表與空氣傳熱熱阻：R1=lnD1/D0/2πλ

熱損失為：

左為總熱阻：R=R1+R2

在介質(zhì)溫度tf環(huán)境溫度一定的情況下，熱阻R越大，熱損失q越小。厚度時(shí)，即D，增大，絕熱層熱阻R.增大，而外表與空氣的傳熱熱阻R：減小，R存在極值。當(dāng)增加保溫層所以，總熱阻R存在極值。

由：

得：dR/Dd1=1/2πλD1-1/a1πD12 （3）

令：dR=dD1=0

求得：D1’=2π/a1則D1’為臨界直徑。

即當(dāng)D1=2π/a1時(shí)候出現(xiàn)R的極值點(diǎn)。

由式（3）求得：

將D1=2λ/a1帶入到上式中，d2R/Dd12=1/2πλ（a0/2π）2可以看出：d2R/Dd12＞0此時(shí)R出現(xiàn)極小值，q有極大值，說明此時(shí)總熱阻最小，而散熱量最大，保溫效果最差，這是我們所不希望的。但并不是所有情況下，臨界直徑D1‘都是有意義的。由上述討論可知，任何情況下都存在臨界直徑D1’，當(dāng)D1’＜D。時(shí)，則不存在臨界厚度，反之，臨界厚度是存在的。

由于a1的變化范圍不大，我們可以作大致的判斷，要使2λ/a1＞D0。不等式成立，π值較大或者D0較小。由此可見，在管徑較小而保溫材料的絕熱性能欠佳的情況下，存在臨界厚度，在小于臨界厚度時(shí)，保溫層越厚，其熱損失越大。所以在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)避免這一情況。由于管徑一般是根據(jù)工藝要求選定的，不可能隨意更改，因此首先選用性能較好的保溫材料，避免出現(xiàn)臨界厚度，否則適得其反，這樣才能做到既保證絕熱效果又降低工程費(fèi)用。

（２）絕熱工程設(shè)計(jì)中材料量的便捷計(jì)

然而在絕熱工程的具體設(shè)計(jì)當(dāng)中，相關(guān)材料的具體計(jì)算是一項(xiàng)非常復(fù)雜繁瑣的。因?yàn)椋谟?jì)算的過程當(dāng)中需要針對(duì)每一個(gè)設(shè)備和管道所需要使用的材料量進(jìn)行有效的計(jì)算，然而通常在計(jì)算當(dāng)中都需要計(jì)算不同設(shè)備以及不通過管道的保溫厚度以及保溫層的體積和保溫層外表的面積大小，而且還有各種輔助材料的使用，例如螺母等材料的用量。在一些相關(guān)使用的手冊(cè)上針對(duì)部分不同直徑的圓形設(shè)備筒體部分，以及部分工藝相互接頭的部分在各不相同的保溫溫度下的單位消耗保溫材料的使用數(shù)量，以及輔助材料的使用量表格，有這種手冊(cè)當(dāng)中所呈現(xiàn)出來的具體表格使用人員可以有效的通過查閱進(jìn)行有力的材料的估算。但是，即便有這樣的方便性，然而在具體的實(shí)踐手工計(jì)算當(dāng)中仍然存在很大的計(jì)算量。如果在實(shí)踐當(dāng)中所需要使用的材料管路和設(shè)備相對(duì)較少，那么使用手工的計(jì)算方法還是可以有效的給以快速的計(jì)算出結(jié)果，然而如果所使用的材料需要大量的設(shè)備以及管道進(jìn)行保溫的時(shí)候，那么單純的使用手工操作進(jìn)行計(jì)算則顯得較慢和復(fù)雜，存在較多失誤因素，所得出的結(jié)果極其容易出現(xiàn)差錯(cuò)。絕熱工程設(shè)計(jì)中保溫材料量的計(jì)算復(fù)雜而又繁瑣，介紹了一種用Excel計(jì)算保溫材料量的便捷方法，采用此方法可以極大減少保溫材料的計(jì)算量，具有推廣價(jià)值

首先，公式功能。Excel中的公式是對(duì)工作表數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的方程式，利用它可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。在這些公式里面，它可以引用常量值以及其他單元格。包含公式的單元格稱為從屬單元格，因?yàn)槠浣Y(jié)果值將依賴于其他單元格的值。默認(rèn)情況下，只要公式引用的單元格發(fā)生更改，從屬單元格也將隨之更改。在進(jìn)行管道保溫計(jì)算時(shí)，可以將管徑、管長(zhǎng)和保溫厚度放在既定單元格里，在其它單元格利用公式通過引用既定單元格里的值進(jìn)行保溫材料體積、保溫層外表面積的計(jì)算，通過引用輔助材料用量系數(shù)作為常量值來進(jìn)行輔材耗量的計(jì)算。

其次，引用功能。Excel里引用功能的作用在于標(biāo)識(shí)工作表上的單元格或者單元格區(qū)域，并且指明公式中所使用數(shù)據(jù)的位置。通過引用，可以在公式中使用工作表不同部分的數(shù)據(jù)，或者在多個(gè)公式中使用同一單元格的數(shù)值。還可以引用同一工作簿不同工作表的單元格、不同工作簿的單元格，甚至其它應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)。當(dāng)移動(dòng)公式時(shí)，公式中的單元格引用并不發(fā)生改變。當(dāng)復(fù)制公式時(shí)，單元格絕對(duì)引用也不改變，但單元格相對(duì)引用將會(huì)改變。通過利用Excel的引用功能，可以將不同保溫管路的相關(guān)數(shù)值放在同一列，然后將帶有公式的單元格復(fù)制到每行的對(duì)應(yīng)位置，Excel就會(huì)將每條管路的保溫材料量都計(jì)算出來。

三 結(jié)束語

總而言之，將管道以及相關(guān)設(shè)備保溫的施工管理以及經(jīng)濟(jì)和厚度的計(jì)算，有效的保證絕熱工程以及針對(duì)散熱減小方面是企業(yè)在節(jié)能管理以及降低投資中一項(xiàng)較為極其重要的有利措施，并且在當(dāng)今社會(huì)中已經(jīng)引起了人們的高度重視。雖然在上文但中我們有針對(duì)性的做出相關(guān)計(jì)算和保證，但是在具體實(shí)踐操作中使用那一種最為經(jīng)濟(jì)的材料，那么還是需要從材料的在具體運(yùn)用當(dāng)中的使用壽命以及物理性能等方面的指標(biāo)進(jìn)行綜合比較。所以，在今后社會(huì)大步斷的高速發(fā)展，本文這種粗淺的論述方法在后期必定將會(huì)得到進(jìn)一步的革新，化工管路絕熱工程設(shè)計(jì)在社會(huì)當(dāng)中也必將有著廣闊的發(fā)展前景。

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