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管道复合保温结构中各保温层厚度的确定

浏览:61 发布日期:2020-03-11

1. 传统单材料保温结构及特点

在热电、石化等工业园区内外的热力管网、输送高温介质的管道等系统中,合理高效的保温结构,是降低热力输送时所造成能量损耗、使介质温度满足端口工艺要求的重要保障。

比较通用的保温结构,是以一定厚度的某种保温材料作为保温层,并在保温层外安装薄的金属壳层形成的,其中保温层发挥保温作用,金属壳层则可以保护保温材料免受磕碰、雨水等造成的损坏。

在设计及实际应用中,都发现输送高温介质的管道系统,管道外部保温层内的温度并不是沿着半径方向均匀降低的(原因:平壁保温层内各处的热流密度都是相同的,但筒状的保温层中的热流密度是沿着半径方向逐渐减小的)。其温度分布趋势可用公式1来表示【】,

公式 1




1


其中r是测温点与管轴的距离,C1C2是待定常数,对已经达到稳定传热的保温层来说,C1C2可以由保温层内某两点(或分别处于保温层内外侧表面上的两点)的位置和温度确定,图1形象地表示了这种温度分布,即随着测温点位置的外移,其温度先是迅速下降,之后则趋于平缓。也就是说靠近保温层内表面的区域,温度随位置变化快;靠近保温层外表面的区域,温度随位置变化缓。那么仅使用一种保温材料来安装保温层时可能存在这样的问题:

    一层靠外的保温毡其降温效率不如同样厚度的一层靠内的保温毡,而且因为该层毡距离管轴更远,铺设时所消耗的材料也会更多;

    所选保温材料必须能耐受管壁的温度,并在该温度下有良好的保温性能,这是高温管道的保温成本较高的一个主要原因,而靠外的材料内部温度并不高,其耐热性能反而并没有得到有效利用。

2. 复合保温结构

为解决第1节中传统单材料保温结构中存在的问题,一些保温工程开始采用复合保温结构。这里的复合保温结构,是指保温结构的保温层是由多种保温材料复合而成的。不过从材料管理及施工等多方面考虑,复合保温结构中保温材料通常仅采用两种(即内层保温与外层保温材料)。对于复合保温结构来说,外层保温材料不需要过高的耐热、绝热性能(意味着单价更低),所以只要内外层厚度选用合理,就可以降低保温层的总成本。这里先讨论复合保温结构中各层材料厚度的计算方法;再根据计算实例来分析各层材料厚度的选取与材料总成本之间的关系,得到满足保温要求的,材料成本最低的可行方案。

2.1 保温层厚度的计算方法

要达到与传统保温结构同样的保温效果,复合保温结构必须满足这样的要求:

①整体保温性能达到设计要求(比如单位管长最大热损失、表面最高温度、每公里介质温度降等);

②各层材料持久耐热性(每种保温材料实际使用温度必须低于其最高使用温度而且内外层材料界面处的温度必须小于外层材料最高使用温度的0.9倍【】)。

从上述的两个要求,依据传热相关的基础定律,可以将复合保温结构中的稳态传热过程这样描述:

公式 2

再将公式 2中的三个热阻值具体描述,公式1可更详细地写为为:

 

公式 3



公式 3中两种材料的导热系数是与材料的使用温度相关的,这里以冷热两面的平均温度表示其使用温度,即:

公式 4

2.2 保温层厚度及材料成本的计算实例

2指定不同的界面温度下的复合方案

 3内外层材料单价分别为100002000/立方时,复合保温结构与材料成本的关系(其中蓝实线为d1,蓝虚线为d2成本Cost)。