淺談直埋蒸汽供熱管道保溫層厚度計(jì)算

文/周曉陽 丹東市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 遼寧丹東 118000

淺談直埋蒸汽供熱管道保溫層厚度計(jì)算

文/周曉陽 丹東市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 遼寧丹東 118000

本文通過對(duì)直埋蒸汽供熱管道熱損失量的影響因素及供熱介質(zhì)本身特性的分析說明，例舉出蒸汽管道設(shè)備的組成部分及保溫層的結(jié)構(gòu)樣式。經(jīng)過舉例計(jì)算，得出直埋蒸汽供熱管道的保溫層厚度。用計(jì)算出的保溫層厚度對(duì)直埋蒸汽供熱管道的熱損失量及保溫層外表面溫度進(jìn)行驗(yàn)算，以此證實(shí)此保溫層厚度是否可以滿足蒸汽介質(zhì)在運(yùn)行期間溫降要求及對(duì)外環(huán)境放熱要求。同時(shí)為節(jié)約成本，降低工程造價(jià)，應(yīng)對(duì)蒸汽管道的保溫層厚度進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)算，以尋求最佳的保溫層厚度。掌握直埋蒸汽供熱管道保溫層厚度的計(jì)算，對(duì)直埋蒸汽供熱管道的設(shè)計(jì)將有重要的意義。

管道；保溫層；厚度；溫度；熱損失

水在定壓狀態(tài)下經(jīng)加熱可呈現(xiàn)出一下幾種發(fā)生過程，即未飽和水過程、飽和水過程、濕蒸汽過程、干飽和蒸汽過程、過熱蒸汽過程。本文將重點(diǎn)介紹干飽和蒸汽及其以后狀態(tài)對(duì)供熱管道保溫層厚度的要求的計(jì)算。

蒸汽作為供熱介質(zhì)與熱水相比具有通用性高、因高差而產(chǎn)生的靜壓力小、蒸汽介質(zhì)溫度高、傳輸壓力大等特點(diǎn)，決定了蒸汽供熱管道的保溫層的結(jié)構(gòu)樣式及厚度與熱水管道相比具有很大的不同。

直埋蒸汽供熱管道保溫層厚度除應(yīng)滿足工藝對(duì)介質(zhì)溫降的要求外，還應(yīng)滿足蒸汽供熱管道的熱損失對(duì)周圍溫度場(chǎng)的影響等技術(shù)要求。同時(shí)，在保證直埋蒸汽供熱管道保溫層厚度的技術(shù)要求外，還應(yīng)通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)計(jì)算和對(duì)保溫層材料細(xì)致的選擇，取得最小保溫層厚度，降低經(jīng)濟(jì)成本。

直埋蒸汽供熱管道通常由三部分組成，分別為工作管，保溫層和外護(hù)管。影響直埋蒸汽供熱管道的熱損失量和造價(jià)成本的關(guān)鍵部分為保溫層?？紤]到蒸汽供熱管道對(duì)比熱水供熱管道的特殊性以及達(dá)到良好的保溫性能，直埋蒸汽供熱管道的保溫材料通常由兩部分組成，即多層保溫層結(jié)構(gòu)，亦稱為復(fù)合保溫層結(jié)構(gòu)。

近年來，由于廠家的制造工藝不同及保溫和外護(hù)管的材料的多樣性，出現(xiàn)了不同形式的蒸汽保溫管道。如保溫材料可分為用巖棉、復(fù)合硅酸鹽氈與聚氨酯泡沫復(fù)合；微孔硅酸鈣瓦與聚氨酯泡沫復(fù)合；硅酸鈣、高密度玻璃棉管殼、硅珠復(fù)合等材料。而外護(hù)管亦有多種樣式，如采用“塑套鋼”，型式，即外護(hù)層采用高密度聚乙烯；玻璃鋼外護(hù)層；鋼外護(hù)層等。

近年來專家通過對(duì)蒸汽供熱介質(zhì)特性的深入研究，得出蒸汽供熱管道保溫層厚度不同計(jì)算方法，如“表面溫度控制法”；“經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算法”；“允許最大散熱損失法”等。為進(jìn)一步討論直埋蒸汽管道的保溫層厚度，現(xiàn)運(yùn)用“表面溫度控制法”舉例分析：

例一 DN400蒸汽管道，采用復(fù)合保溫層結(jié)構(gòu)（內(nèi)層保溫層為微孔硅酸鈣，外層保溫層為耐溫型改性聚氨酯泡沫材料），同時(shí)在計(jì)算中忽略外護(hù)管及土壤的傳熱量。計(jì)算參數(shù)如下所示：

T0——工作管外表面設(shè)定溫度（可取介質(zhì)溫度，例：介質(zhì)溫度為220℃）

Ta——冬季室外極端平均最低溫度（試取-10℃）

T1——內(nèi)層保溫層外表面溫度（由于外層保溫層介質(zhì)的特殊性，因此可取T1=90℃）

T2——外層保溫層表面溫度（℃）

D0——工作管外表面直徑（D0=0.426m）

D1——內(nèi)層保溫層外徑（m）

δ1——內(nèi)層保溫層厚度（m）

D2——外層保溫層外徑（m）

δ2——外層保溫層厚度（m）

λ1——內(nèi)層保溫層導(dǎo)熱系數(shù)（λ1=0.07 W ／m·℃）

λ2——外層保溫層導(dǎo)熱系數(shù)（λ2=0.03 W ／m·℃）

as——蒸汽管道上方地表面大氣換熱系數(shù)（在防燙計(jì)算中as可取為8.14 W／m2）

Q——直埋蒸汽管道最大熱損失（管道最大熱損失可限定為116 W／m2。）

1、由上述數(shù)據(jù)可知，內(nèi)層保溫層外徑可計(jì)算得出

由此可得出內(nèi)層保溫層厚度δ1=40mm。

2、由上述數(shù)據(jù)可知，外層保溫層外徑可計(jì)算得出

由此可得出外層保溫層厚度δ2=40mm。

經(jīng)計(jì)算可知，直埋蒸汽供熱管道采用復(fù)合保溫層結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)層保溫層厚度為40mm，外層保溫層為40mm。由此得出的保溫層厚度還須進(jìn)一步計(jì)算蒸汽管道的熱損失量及保溫層外表面溫度，方可知道其是否滿足要求。

1、直埋蒸汽供熱管道熱損失量可按下式進(jìn)行驗(yàn)算：

在防燙計(jì)算中 as可取為8.14W／m2由此可計(jì)算出直埋蒸汽管道在此保溫層下最大熱損失量為105.5W／m2，小于規(guī)定的116 W／m2的最大熱損失量，因此蒸汽管道的熱損失量可以滿足要求。

2、直埋蒸汽供熱管道外層保溫層表面溫度可按下式進(jìn)行驗(yàn)算

由此可計(jì)算出直埋蒸汽供熱管道外層保溫層表面溫度T2為3.0℃，小于規(guī)定的50℃。因此蒸汽管道的外層保溫層表面溫度可以滿足要求。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，采用內(nèi)層保溫層厚度為40mm，外層保溫

層厚度為40mm的復(fù)合保溫層結(jié)構(gòu)，理論上可認(rèn)為直埋蒸汽供熱管道的此種保溫結(jié)構(gòu)已滿足蒸汽介質(zhì)在運(yùn)行期間的溫降要求及對(duì)外環(huán)境放熱要求。

為追求更經(jīng)濟(jì)的保溫形式，可適當(dāng)調(diào)整保溫層厚度。參考相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)直埋蒸汽供熱管道設(shè)備外表面溫度不超過50℃，蒸汽供熱介質(zhì)熱損失量小于116 .0W／m2時(shí)，便滿足保溫層厚度要求。因此，只要調(diào)整管道設(shè)備外表面溫度及保溫層厚度進(jìn)行重新驗(yàn)算即可。

當(dāng)然，要尋求更好的保溫效果，除采用上述科學(xué)的計(jì)算外，保證保溫層材料的質(zhì)地和管道設(shè)備的制造工藝以及提高施工質(zhì)量等也是非常重要的因素。同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)施工質(zhì)量，做好節(jié)點(diǎn)端面的保溫防水設(shè)計(jì)，如預(yù)制保溫管端頭密封處理；固定支墩的隔熱防水處理；補(bǔ)償器、三通、彎頭、疏水器、穿井壁及節(jié)點(diǎn)都有配套的防水保溫密封措施等，以達(dá)到全線保溫防水密封的目的。

結(jié)束語

由于我國南北跨度大，氣候差異較大，同時(shí)供熱管道保溫結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)要求也千差萬別，因此采用手冊(cè)或規(guī)范推薦的經(jīng)濟(jì)保溫厚度與工程實(shí)際情況有較大差異；同時(shí)，保溫材料及保溫結(jié)構(gòu)形式技術(shù)進(jìn)步日新月異，原有的計(jì)算方法無法對(duì)新型保溫結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定量計(jì)算。采用本文計(jì)算方法可以方便工程人員根據(jù)項(xiàng)目自身特點(diǎn)確定保溫結(jié)構(gòu)，以滿足工程需求最經(jīng)濟(jì)的散熱量，工程適應(yīng)性較強(qiáng)。

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