摘 要

摘　要：針對(duì)工作鋼管規(guī)格為0529×8，絕熱層厚度為200 Inm，采用棉類絕熱材料的水平安裝供熱管道，分析計(jì)算沿供熱管道周向絕熱層熱導(dǎo)率的分布。水平安裝供熱管道的棉類絕熱層

摘　要：針對(duì)工作鋼管規(guī)格為0529×8，絕熱層厚度為200 Inm，采用棉類絕熱材料的水平安裝供熱管道，分析計(jì)算沿供熱管道周向絕熱層熱導(dǎo)率的分布。水平安裝供熱管道的棉類絕熱層上部熱導(dǎo)率大，下部熱導(dǎo)率小。提出將絕熱層與鋼管偏心布置(絕熱層垂直上移)的方法，對(duì)偏心距進(jìn)行了計(jì)算。

關(guān)鍵詞：供熱管道  棉類絕熱材料  熱導(dǎo)率  偏心布置

Rational Arrangement of Circumferential Cotton Insulation Layer of Horizontally Installed Heating Pipeline

Abstract：The heating pipeline with outer diameter of 529mm and wall thickness of 8mm is horizontally installed using cotton insulation materials with thickness of 200mm，and the distribution of thermal conductivity of circumferential insulation layer along the heating pipeline is analyzed and calculated．The thermal conductivity of the upper part of cotton insulation layer along the horizontally installed heating pipeline is high，and that of the lower part is low．An eccentric arrangement method of insulation layer and steel pipe namely vertical shift of insulation layer is proposed，and the eccentric distance is calculated．

Key words：heating pipeline；cotton insulation material；thermal conductivity；eccentric arrangement

1　概述

絕熱材料可分為棉類、非棉類兩類。我國廣泛應(yīng)用的棉類絕熱材料有巖棉、玻璃棉、硅酸鋁棉、石棉、礦渣棉等，非棉類絕熱材料有微孔硅酸鈣制品、聚氨酯泡沫塑料、橡塑制品、水泥珍珠巖制品、泡沫混凝土制品、聚苯乙烯泡沫塑料等。

無論何種絕熱材料，其自身熱導(dǎo)率并不小，如混凝土的熱導(dǎo)率約0.93 W／(m·K)，而泡沫混凝土制品的熱導(dǎo)率約0.16 w／(m·K)。這是由于絕熱材料內(nèi)部比較均勻地密布著空氣，空氣的熱導(dǎo)率很小。

傳熱形式分為導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射3種形式。導(dǎo)熱是熱量通過密實(shí)無空隙的固體傳熱，對(duì)流是熱量通過流體攜帶熱量的交換傳熱，輻射是通過真空以高頻電磁波的方式將熱量從一處傳遞到另一處。絕熱材料熱導(dǎo)率的含義是一般固體傳熱的一個(gè)常規(guī)系數(shù)，然而絕熱材料并非密實(shí)無空隙的固體，也不是流體或真空，絕熱材料是由固體與空氣組成的復(fù)合體，因此絕熱材料的傳熱是導(dǎo)熱、對(duì)流與輻射并存的綜合傳熱。

非棉類閉孔絕熱材料有一項(xiàng)指標(biāo)——閉孔率，聚氨酯泡沫塑料的閉孔率約98％，聚苯乙烯泡沫塑料的閉孔率也很高，棉類絕熱材料沒有此項(xiàng)指標(biāo)，這是由于棉類絕熱材料的閉孔率為零。閉孔比較均勻地分布在絕熱材料內(nèi)部，閉孔之間不相通，空氣只能在一個(gè)閉孔內(nèi)流動(dòng)。閉孔薄壁阻止絕熱材料內(nèi)的空氣大范圍流動(dòng)，并形成對(duì)流傳熱的熱阻，因此閉孔率越高，絕熱材料的熱阻越大，熱導(dǎo)率越低。非棉類閉孔絕熱材料除閉孔內(nèi)的對(duì)流傳熱外，還存在閉孔內(nèi)的輻射傳熱以及閉孔薄壁的導(dǎo)熱。因此，對(duì)于非棉類閉孔絕熱材料，導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射3種傳熱方式并存。

非棉類不閉孔絕熱材料的一般特征是密度較大，如微孔硅酸鈣制品的最小密度為l70kg/m³，最大密度可達(dá)到270kg／m³。因此非棉類不閉孔絕熱材料內(nèi)部空氣量較少，熱導(dǎo)率較大。

棉類絕熱材料一般由無機(jī)材料纖維組成，特征是不閉孔、密度小、熱導(dǎo)率小。由于棉類絕熱材料內(nèi)部所含空氣量較大，而且不閉孔，因此相對(duì)于非棉類絕熱材料，棉類絕熱材料的對(duì)流傳熱量比例較大。

本文主要對(duì)水平安裝供熱管道周向棉類絕熱層合理布置進(jìn)行研究，未特殊指明的均指棉類絕熱材料。

2　絕熱層熱導(dǎo)率與方向的關(guān)系

①理論分析

由于流體的密度與溫度的變化關(guān)系相反，因此形成自然對(duì)流傳熱的必要條件是高溫側(cè)在下，反之不會(huì)形成自然對(duì)流傳熱。供熱管道絕熱層內(nèi)的對(duì)流傳熱屬于自然對(duì)流傳熱。水平安裝供熱管道絕熱層內(nèi)空氣流向見圖1，圖中箭頭為絕熱層內(nèi)空氣的流向。工作鋼管附近的高溫空氣沿工作鋼管外壁自下而上向上流動(dòng)，低溫空氣沿保護(hù)層內(nèi)壁自上向下流動(dòng)。由于棉類絕熱材料的對(duì)流傳熱量比例較大，加之棉類絕熱層內(nèi)部的熱空氣向上流動(dòng)，因此熱導(dǎo)率與方向相關(guān)，向上的熱導(dǎo)率較大，向下的熱導(dǎo)率較小。

 

②試驗(yàn)驗(yàn)證

采用測(cè)溫法，在特定條件下試驗(yàn)驗(yàn)證絕熱層熱導(dǎo)率與方向的關(guān)系。特定條件：供熱管道工作鋼管規(guī)格為Æ529×8，絕熱層厚度為200mm，絕熱材料為某品牌超細(xì)玻璃棉(密度為48 k9／m3)，供熱介質(zhì)溫度為270℃，測(cè)溫時(shí)的室外溫度為1℃。為避免陽光照射和風(fēng)力的影響，在風(fēng)速幾乎為零且陰天無太陽照射的情況下測(cè)溫。

分別對(duì)垂直安裝與水平安裝的供熱管道進(jìn)行測(cè)溫，截面設(shè)12個(gè)測(cè)點(diǎn)(見圖2)，12個(gè)測(cè)點(diǎn)均勻分布，測(cè)點(diǎn)與絕熱層外表面的距離為20mm，所選擇的測(cè)溫截面的絕熱材料比較均勻。垂直與水平兩種安裝方式下的測(cè)點(diǎn)溫度見表1。由表1可知：對(duì)于垂直安裝供熱管道，l2個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度為37.18℃。對(duì)于水平安裝供熱管道，12個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度為37.85℃。對(duì)于兩種安裝方式，雖然測(cè)點(diǎn)平均溫度基本一致，但是水平安裝供熱管道測(cè)點(diǎn)l的溫度最高，比測(cè)點(diǎn)7的溫度高9.2℃，這說明水平安裝供熱管道的絕熱層熱導(dǎo)率有明顯的方向性。

 

 

3　方向性熱導(dǎo)率方程

針對(duì)特定條件，建立方向性熱導(dǎo)率方程。水平安裝供熱管道的截面見圖2，設(shè)與x軸夾角q方向上的熱導(dǎo)率為lq，則方向性熱導(dǎo)率方程式為：

lq=ls+ldsinq                                    (1)

式中lq——與x軸夾角lq方向上的熱導(dǎo)率，W／(m·K)

ls——絕熱層在水平方向的基本熱導(dǎo)率，W／(m·K)

ld——方向性附加熱導(dǎo)率，W／(m·K)，即相對(duì)于水平方向，垂直方向的熱導(dǎo)率增量

q——傳熱方向與戈軸的夾角，rad

廠家提供的ls計(jì)算式為：

ls=0.029071+1.10022×10^-4t+7.65229×10^-10t³         (2)

式中t——絕熱層的平均溫度，℃

供熱管道單位長度熱損失△多的常規(guī)計(jì)算式為：

 

式中DF——供熱管道單位長度熱損失，W／m

th——供熱介質(zhì)溫度，℃

t0——室外溫度，℃

l——絕熱層的基本熱導(dǎo)率，w／(m·K)，取0.0454 W／(m·K)

dz——絕熱層外表面直徑，m，為0.929m

dw——工作管道外徑，m

Kw——從絕熱層外表面至保護(hù)層外側(cè)空氣之間的傳熱系數(shù)，W／(m²·K)，為11.6 W／(m²·K)

對(duì)于水平安裝供熱管道，設(shè)定絕熱層熱導(dǎo)率與方向無關(guān)且等于測(cè)點(diǎn)n方向的熱導(dǎo)率ln，根據(jù)式(3)與能量守恒定律，以測(cè)點(diǎn)所在圓為分界線，測(cè)點(diǎn)內(nèi)圓絕熱層與測(cè)點(diǎn)外圓絕熱層的熱流量相等。供熱管道單位長度熱損失DF可寫為：

 

式中tn——測(cè)點(diǎn)n的溫度，℃

ln——測(cè)點(diǎn)凡的熱導(dǎo)率，W／(m·K)

dn——測(cè)點(diǎn)凡所在圓周直徑，m，為0.889m

由測(cè)點(diǎn)平均溫度37.85℃、供熱介質(zhì)溫度270℃、室外溫度l℃，可計(jì)算得各區(qū)域算術(shù)平均溫度，并由式(2)計(jì)算得到各區(qū)域在水平方向的基本熱導(dǎo)率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)式(4)進(jìn)行修正，以得到相對(duì)準(zhǔn)確的方程：

 

將已知數(shù)據(jù)代入式(5)得：

 

將表l中水平安裝供熱管道各測(cè)點(diǎn)溫度代入式(6)可得各測(cè)點(diǎn)的熱導(dǎo)率(對(duì)稱測(cè)點(diǎn)取熱導(dǎo)率的平均值)：l1=0.1369w／(m·K)，l2≈l12=0.1230W／(m·K)，l3≈l11=0.1045 W／(m·K)，l4≈l10=0.0748W／(m·K)，l5≈l9=0.0444W／(m·K)，l6≈l8=0.0300W／(m·K)，l7=0.0139W／(m·K)。

由各測(cè)點(diǎn)熱導(dǎo)率計(jì)算結(jié)果，可計(jì)算得式(1)中方向性附加熱導(dǎo)率ld=0.0627W／(m·K)，并將l4=0.0748W／(m·K)代入式(1)，可得到方向性熱導(dǎo)率方程：

lq=0.0748+0.0627sinq                  (7)

經(jīng)計(jì)算，式(6)、(7)的計(jì)算結(jié)果非常接近，這說明在特定條件下，式(7)可作為方向性熱導(dǎo)率方程。

4　絕熱層的合理布置

由以上分析可知，絕熱層熱導(dǎo)率與方向密切相關(guān)，可以考慮將絕熱層與工作鋼管偏心布置(見圖3)，絕熱層上部較厚，下部較薄，這樣可以在絕熱材料體積不變(材料造價(jià)不變)的情況下實(shí)現(xiàn)更好的絕熱效果。

圖中r——微元到工作鋼管圓心O的距離，m

rq——相對(duì)于工作鋼管圓心O絕熱層外表面偏心半徑，m

R——相對(duì)于絕熱層圓心O¢的絕熱層半徑，m，為0.4645m

dq——供熱管道單位長度在d9上的熱流量，W／m

d——相對(duì)于工作鋼管圓心O絕熱層的偏心距，m

取圖3中微元作為研究對(duì)象，根據(jù)傅里葉定律有：

 

式中dtc——微元兩弧面溫差，℃

由邊界條件：當(dāng)r=0.2645m時(shí)，微元弧面溫度為270℃；當(dāng)r= rq時(shí)，微元弧面溫度為l℃，可求得式(8)在dq內(nèi)的解為：

 

由于偏心半徑rq為偏心距d的函數(shù)，因此絕熱層的合理布置問題，轉(zhuǎn)化為確定最佳偏心距的問題。

當(dāng)采取偏心布置時(shí)，rq的計(jì)算式為：

 

將R=0.4645m代入式(10)得：

 

將式(7)、(11)代入式(9)，積分范圍為0～2p，并采用Matlab程序求解。當(dāng)d=0.0921m時(shí)，偏心布置的供熱管道單位長度熱損失Dqb取得最小值：189.48W／m。

當(dāng)采取同心布置時(shí)，將rq為0.4645m與式(7)代入式(9)，得：

 

式中Dqb——同心布置時(shí)供熱管道單位長度熱損失，W／m

解式(12)得Dqb為205.44W／m。由此可知，在材料造價(jià)不變的情況下，采用偏心布置時(shí)的供熱管道單位長度熱損失比同心布置時(shí)降低了7.8％。

 

本文作者：許世興  高百爭(zhēng)

作者單位：平煤神馬建工集團(tuán)有限公司土建處

  中國平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司供熱分公司