利用計(jì)算機(jī)研究單層保溫對(duì)管道散熱的影響

呂慧敏，劉新狀

（中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院有限公司）

1 引言

管道保溫的主要目的是減少熱量損失，防止管道內(nèi)的熱介質(zhì)凝結(jié);減少鍋爐提供的熱量，降低燃料消耗，達(dá)到節(jié)能目的。

目前，在工程設(shè)計(jì)中主要采用經(jīng)濟(jì)保溫層厚度方法，但是該方法受設(shè)計(jì)保溫層運(yùn)行年數(shù)、熱量的價(jià)格和保溫材料的年分?jǐn)傎M(fèi)用等多種因素的影響，由于這些因素在不同的時(shí)間段內(nèi)存在變數(shù)，所以經(jīng)濟(jì)保溫層厚度會(huì)發(fā)生變化。運(yùn)行時(shí)，上述因素發(fā)生變化，那么當(dāng)下的經(jīng)濟(jì)保溫層厚度就不是設(shè)計(jì)時(shí)的經(jīng)濟(jì)保溫層厚度。由于存在變數(shù)，文章不采用經(jīng)濟(jì)保溫層厚度方法進(jìn)行研究，直接研究散熱量與保溫層厚度的關(guān)系。

管道的排布方式不同，管道保溫層散熱損失的計(jì)算方法不同，由于實(shí)際中水平管道占比非常大，所以文章只研究水平管道的保溫層厚度對(duì)散熱的影響。管道輸送過程中熱介質(zhì)在管道內(nèi)部，因此其散熱的過程為：熱量由管道內(nèi)部傳熱到管道外表面(文章研究的是金屬管道，因此該部分的熱阻非常小，所以不考慮該部分熱阻)，再由管道外表面?zhèn)鳠岬奖貙拥耐獗砻妫偻ㄟ^保溫層的外表面對(duì)流和輻射傳熱到環(huán)境中，多層保溫的計(jì)算與單層保溫計(jì)算類似，所以本文只用單層保溫為例進(jìn)行研究。該過程需要分上述兩部分(對(duì)流傳熱和輻射傳熱)進(jìn)行計(jì)算。具體單層保溫散熱量公式如下[1]:

其中:t,ta,ts分別為管道的外表面、環(huán)境、外表面溫度℃；Ri為隔熱層熱阻，m·K/W；Rs為隔熱層表面熱阻，m·K/W；α為隔熱層外表面向大氣的放熱系數(shù)，W/m2·℃；q為單位表面熱損失量，W/m；D0為隔熱層外直徑，m；Di為隔熱層內(nèi)直徑，m；λ為隔熱層材料制品的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2·℃.

上述隔熱層外表面的放熱系數(shù)α是輻射放熱系數(shù)αr和對(duì)流放熱系數(shù)αc的綜合值。即：

αr為輻射放熱系數(shù)，W/m2·℃；αc為對(duì)流放熱系數(shù)，W/m2·℃；α為表面放熱系數(shù)，W/m2·℃。

當(dāng)管道敷設(shè)情況比較復(fù)雜，要求精確計(jì)算時(shí)，可按JISA9501規(guī)定計(jì)算。

Cb為完全黑體的輻射常數(shù)4.88；ts為表面溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；ε為鍍鋅板為0.5。

Vm風(fēng)速m/s。

保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ:

A，B是不同材質(zhì)的保溫材料系數(shù)；tm為平均溫度，℃。

其中tm:

符號(hào)的意義與上面相同。

將公式(3)，(4)，(5)代入公式(1)，得到的方程式中，未知的只有管道外表面溫度ts，要求出管道外表面溫度，通過人工計(jì)算，該過程非常困難，所以采用計(jì)算機(jī)對(duì)該方程進(jìn)行求解。

以巖棉保溫殼為保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)方程為0.040+0.0002tm[1]，計(jì)算達(dá)到的精度要求為0.000001，以內(nèi)部管道的表面溫度350℃、環(huán)境溫度15℃、風(fēng)速2.0m/s、管道直徑350mm為參數(shù)，對(duì)管道的表面溫度和散熱量進(jìn)行計(jì)算[2]。

圖1 保溫層厚度對(duì)管道外表面溫度影響

圖2 保溫層厚度對(duì)管道散熱量的影響

圖3 風(fēng)速對(duì)保溫層外表面溫度影響

圖4 風(fēng)速對(duì)保溫散熱量的影響

2 探討保溫層厚度對(duì)表面溫度和散熱量的影響

當(dāng)不同的保溫層厚度時(shí)，其對(duì)管道散熱量和管道的外表面溫度的影響如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知：管道的散熱量隨著保溫層的厚度的增加而明顯減小，從散熱趨勢(shì)可以看出，管道由無保溫到增加保溫，其散熱趨勢(shì)下降比較明顯，只要進(jìn)行保溫，其散熱量就會(huì)明顯的減小，尤其當(dāng)保溫層厚度超過200mm后，散熱損失明顯趨于一個(gè)常值，即增加保溫層厚度對(duì)散熱損失的影響很小，所以在保溫層的厚度達(dá)到一定數(shù)值后，其經(jīng)濟(jì)性就比較差。管道的外表面溫度隨著保溫層厚度增加而逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一定的厚度時(shí)，其減小的趨勢(shì)也比較小。

3 探討風(fēng)速對(duì)表面溫度和散熱量的影響

圖5 保溫散熱計(jì)算程序界面

保溫層厚度為200mm的巖棉保溫殼材料，計(jì)算精度為0.000001，管道的外表面溫度為350℃，環(huán)境溫度為15℃，管道直徑為350mm，以此為例計(jì)算風(fēng)速對(duì)保溫層外表面和散熱量的影響，其影響如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知：在正常保溫情況下，風(fēng)速對(duì)散熱量的影響較小，對(duì)保溫層外表面的溫度影響也較小，所以在保溫合理的情況下，風(fēng)速對(duì)其散熱影響很小。

程序界面如圖5所示，程序計(jì)算簡(jiǎn)單快捷。

4 結(jié)語

由以上分析可知，熱管道的散熱量受保溫層厚度影響較大，尤其是保溫層厚度比較薄的情況下，隨著保溫層厚度的變化其散熱量變化很大，當(dāng)保溫層達(dá)到一定厚度時(shí)，隨著保溫層厚度的變化其散熱量變化不明顯；在合理保溫層厚度的情況下，風(fēng)速的變化對(duì)散熱損失的影響非常小。