關于大型空分設備制造企業中蒸汽閥門熱損失量的計算研究

文_童煒強 李韻歌 杭州制氧機集團股份有限公司

在整個熱力系統中，節能潛力的挖掘主要從兩方面考慮，一方面提高換熱器單元的換熱效率；另一方面加強整個熱力系統的保溫效果。其中加強熱力系統保溫效果，選擇適合的保溫材料，可以有效降低熱量損失，技術門檻較低，且投資回報率較好。

杭州制氧機集團股份有限公司（簡稱“杭氧”）為大型成套空分設備制造企業，其熱力系統介質為蒸汽，熱力主要用于超聲波清洗以及產品的烘干工藝，蒸汽管道符合國標《GB50264-2013工業設備及管道絕熱工程設計規范》要求，但在保溫層施工的過程中，由于蒸汽閥門相對表面積較小，且需要不定期的操作以及維修更換，往往忽略了對蒸汽閥門的保溫，尤其是末端蒸汽閥門的保溫。因此，本文采用相關的熱力學方法做定量計算，研究一只蒸汽閥門（橫置）不做保溫一年損失的熱量，為提高能效提供支撐。

1 能量計算

杭氧所用的蒸汽來自于附近熱電廠，熱力管道內介質為0.6MPa的過熱蒸汽，蒸汽溫度達到200℃，蒸汽閥門在未做任何保溫的情況下，經實測，其外表面裸露溫度可達到170℃。因此，在這樣的高溫之下，即使裸露的表面積比較小，其散失的熱力也不容忽視。

根據傳熱學中熱量傳遞的基本方式來分，蒸汽閥門對外界的熱損失主要分為輻射散熱損失和對流換熱損失兩類。杭氧所用DN160的蒸汽閥門不做任何保溫的熱損失計算如下：

1.1 輻射散熱量

熱輻射是三種基本的熱量傳遞方式之一，它的傳熱機理與熱傳導、熱對流有著根本的不同。由于自身溫度或者熱運動的原因而激發出電磁波的方式稱為熱輻射，決定輻射散熱量大小的因素主要包括物體的外表面積和輻射力。

1.1.1 表面積計算

在正常使用的情況下，蒸汽閥門如不做保溫處理，其裸露面包括閥體外表面及兩端法蘭外表面，因此蒸汽閥門的表面積計算如下：

式中 S—閥門表面積，m2；D—管道直徑，m；K—系數，取1.05；N—法蘭個數。

1.1.2 輻射散熱量計算

根據斯忒藩-玻爾茲曼定律，一個黑體表面單位面積在單位時間內輻射出的總能量（稱為物體的輻射度或能量通量密度）與黑體本身的熱力學溫度T（又稱絕對溫度）的四次方成正比。蒸汽閥門的輻射散熱量計算如下：

對于原始人類來說，最大的對象莫過于頭頂上的天與腳底下的地了。這是他們的生存空間，是他們的環境。這天是太偉大了，日月星辰云霞出入其間，給大地帶來光明與黑暗，也帶來夢幻與聯想；地雖然沒有天那樣神秘，但地也同樣極為偉大。海水、湖泊、河流、平原、森林，還有那千奇百怪的動物、花草均在這大地上，成為人觸手可親的真實的世界。原始人最為崇拜的對象無疑就是天地了。

式中 Q—輻射散熱量，W；E—輻射力，kW/m2；ε—材料表面法向發射率，取0.82；C0—黑體輻射系數，5.669W/（m2·K4）；T1—管壁的熱力學溫度，K；T2—環境的熱力學溫度，K。

從以上計算可以得到，DN160蒸汽閥門在不保溫的情況下，每秒向外界輻射散熱損失達到672.56W，即相當于一臺800W的小型電機在長時間不間斷的運行。

1.2 對流換熱量

以橫向放置的蒸汽閥門為例，進行計算閥門的對流換熱量，此處的對流應屬于自然對流，即不依靠泵或風機等外力推動，由流體自身溫度場的不均勻所引起的流動。自然對流中，流體沿壁面流動完全是因為壁面與流體之間存在溫差，靠近壁面一層流體受熱，密度減小，向上運動，冷流體來補充，因而產生浮升力，這樣流體的運動就不需要外力來完成了，所以壁面與流體之間的溫差是流體產生自然對流和換熱的根本原因，溫差越大，對流越激烈，熱交換越強，因而自然對流有層流和湍流之分。以下就通過熱力學公式來計算未做任何保溫措施的蒸汽閥門的對流換熱損失。

根據空氣熱物性軟件計算結果，95℃時空氣的物理特性如下：

導熱系數：λ=0.0270 W/（m·K）；

普朗特數：Pr=0.69（動量擴散厚度與熱量擴散厚度之比的一種度量）。

得到空氣熱物性相關參數以后，就可以通過計算格拉曉夫數來判斷對流的狀態，格拉曉夫數是浮升力與粘滯力之比的一種度量，計算公式如下：根據表1可得，此對流形式為層流，則努塞爾數是壁面上流體的無量綱溫度梯度，其值計算可得：

Nu=C（Gr×Pr）n=0.48×（3.23×107×0.69）1/4=32.98。

表1 系數C、n取值查詢表

對流換熱表面傳熱系數計算可得：

對流換熱量計算可得：

Q2=ShΔt=0.464×5.57×（170-20）=387.67W。

從以上計算可以得到，DN160蒸汽閥門在不保溫的情況下，每秒向周圍環境中對流換熱損失達到387.67W，即相當于一臺450W的小型電機在長時間不間斷的運行。

1.3 總散熱量

一只DN160的蒸汽閥門總散熱量包括其輻射散熱量和對流換熱量，計算可得：Q閥=Q1+Q2=672.56+387.67=1060.23W。

如按實際使用時間，除去停汽維修及廠休時間，一年300d，每天24h保通汽計算，一年的散熱量為：Q年=1.06023×3600×300×24÷4.186=6565017kcal；折算成標準煤是6565017kcal÷7000 kcal/kg=937.86kgce。

根據計算結果可以看出，一只蒸汽閥門（橫置，DN160）如不做任何保溫，每年的熱損失量約為0.94tce，相當于每年多消耗7648.5kWh的電量，或者每年多損失9.5t蒸汽，多排放3.51t二氧化碳。

2 處理方法

蒸汽閥門在日常運行中，需要定期檢修和并定期維護，涉及到拆裝等操作，如果采用普通巖棉材料則無法二次利用，這樣閥門就需要再次做保溫處理，不僅增加了工作量，也增加了使用成本。目前常用的處理方法是采用保溫效果好、拆裝簡便、能二次利用的可拆卸式閥門保溫套或柔性閥門保溫衣等產品。保護層一般采用玻璃鋼復合結構，具有良好的絕熱性能，保溫層的厚度及材質使用符合導熱系數設計要求，定制的保溫套與閥門形狀契合，不僅外形美觀，更能減少熱對流的產生，從而達到較好的保溫效果。

3 節能效果

通過對蒸汽閥門加裝保溫護套，其外表面溫度可降低至40℃以下。通過計算，其散熱量將降低至155W其節能率可達80%以上。

4 結語

從節能管理的角度來考慮，良好的保溫是每一個熱力系統節能的重要環節，由于蒸汽閥門外形相對復雜，而且閥門需要頻繁的操作和定期的維保，因而經常可以看到許多用熱單位僅對蒸汽管道做了較好的保溫，但對蒸汽閥門卻沒有做任何的保溫處理。這樣不僅導致由于過多的散熱實能耗增加，而且也會造成工作環境溫度較高和潛在的燙傷隱患，并且管線散熱量的增加也加速了蒸汽冷凝的速率，造成高溫冷凝水排出量的加大，因而隨冷凝水帶走的熱量也隨之增加，導致更進一步的能源浪費。因此，在整個熱力系統管網中，除了熱靜力型疏水閥前需要有1m以上不保溫的過冷管外，在其它形式的疏水閥之前應盡量做好全方位保溫措施，尤其是蒸汽閥門等比較容易忽視的地方。