多層保溫結(jié)構(gòu)的管道熱阻及經(jīng)濟性分析

岳師華 李蘇瀧 張峰

1 南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院

2 南京蘇夏工程設(shè)計有限公司

隨著蒸汽管道輸送的壓力和溫度越來越高，對管道的保溫也提出了更高的要求，對管道保溫結(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，超細離心玻璃及氣凝膠氈等[1]，對于多層保溫結(jié)構(gòu)，有文獻指出保溫層應(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。對于蒸汽輸送管道來說由于介質(zhì)溫度較高，應(yīng)重點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)，管道的保溫熱阻會出現(xiàn)一個極小值，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)。本文通過對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，并應(yīng)用全壽命周期的方法對其經(jīng)濟性進行分析，對管道保溫工程的具體布置方式具有實際意義。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，具體變化趨勢如圖2 所示。

1 管道阻值的計算

對于架空敷設(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流換熱系數(shù)，W/(m·K)。

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

式中：Re 為雷諾數(shù)；Pr 為普朗特數(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)境風速，m/s。

類似于管道單層保溫結(jié)構(gòu)臨界絕緣直徑[4]，對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，管道總熱阻也會出現(xiàn)一個極小值點，該點對應(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

對于多層保溫結(jié)構(gòu)當外保溫層厚度S2不變時（在本次熱阻模擬時，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)一個極小值點，如圖1 所示。對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，當保溫層的總厚度不變時，隨著內(nèi)保溫層厚度的逐漸增加，管道的保溫熱阻值逐漸減小，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)濟性分析

對于長距離蒸汽輸送管道的經(jīng)濟性分析，應(yīng)綜合考慮管道在運行過程中的散熱損失和保溫層的初投資[6]，根據(jù)全壽命周期法計算其最小值。文獻[7]分析了各種材料的具體價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玻璃棉，該管道的年經(jīng)濟損失B 的計算如式（5）～（6）：

式中：N 為按復(fù)利計算的年分攤率；i 為貸款年利率，%；n 為貸款年數(shù)；P1為硅酸鋁針刺毯價格，元/m3；P2為離心玻璃棉的價格，元/m3；Pf為熱價，元/J；τ 為管道運行時間，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玻璃棉在同體積下前者的價格較高，且前者的導(dǎo)熱系數(shù)較大。在蒸汽管道長距離輸送工程中，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攤費用和年散熱費用都在增加。因此在管道保溫敷設(shè)時，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，其內(nèi)層的厚度越小時經(jīng)濟性越好。

3 結(jié)語

在實際長距離輸送管網(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。通過保溫熱阻及經(jīng)濟性分析得出結(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臨界絕緣厚度Sc，從而在減少熱量損失的同時降低管網(wǎng)初投資和施工成本以達到節(jié)能的目的。