管道多層反射結(jié)構(gòu)保溫性能影響因素分析

吳 然，張由素，沈建鋒

(江蘇中圣管道工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 211112)

0 引言

熱電聯(lián)產(chǎn)和區(qū)域鍋爐的供給方式，都要求蒸汽管道的輸送距離足夠遠，有的長達20 km，甚至30 km以上。文獻[1]對熱網(wǎng)的散熱量進行了分析，給出了優(yōu)化設計。蒸汽長輸管道在技術(shù)上要求管道的熱損失要足夠小，保障蒸汽能夠輸送到管網(wǎng)最遠端的熱用戶。同時要求管網(wǎng)的熱損失小，冷凝水輸出少。

多層反射保溫結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)，加入了金屬反射層，顯著減少了蒸汽管道的散熱損失，提高了蒸汽管道的輸送距離。工程實踐表明，多層反射保溫結(jié)構(gòu)的保溫效果好，熱損失小，冷凝水析出少[2]。

1 多層反射隔熱結(jié)構(gòu)

管道多層反射隔熱結(jié)構(gòu)如圖1所示。該隔熱結(jié)構(gòu)由工作管、間隔材料(一般為纖維質(zhì)隔熱材料)、反射屏和外護層組成，每層隔熱材料外均包裹一層反射屏。保溫層外部為防潮層和外護層。

圖1 多層金屬反射保溫結(jié)構(gòu)示意圖

熱量在保溫層內(nèi)的傳播方式有：熱傳導、對流和輻射傳播。保溫材料纖維的發(fā)射率一般在0.8以上，金屬反射層表面發(fā)射率很低(一般為0.1左右)。輻射傳熱量與溫度的4次方成正比，隨著溫度的升高，通過輻射傳遞的熱量顯著增大。限制輻射傳熱量能夠有效提高高溫情況下保溫結(jié)構(gòu)的隔熱性能。在管道隔熱層中設置金屬反射層，能夠有效抑制輻射傳熱，顯著提高保溫效果。

2 多層反射隔熱計算模型

管道多層反射保溫結(jié)構(gòu)由纖維隔熱材料與反射屏堆棧而成，兩層反射屏之間為一個傳熱單元，沿管道軸向，單位長度傳熱單元的傳熱方式及傳熱量是相同的。多層反射保溫結(jié)構(gòu)傳熱單元如圖2所示。由于結(jié)構(gòu)中對流傳熱量可忽略不計，單元內(nèi)的熱傳遞由氣體、固體的導熱和輻射傳熱組成。對于純散射介質(zhì)，輻射與傳導復合傳遞的能量是兩者的疊加[3]。

圖2 多層保溫單元傳熱示意圖

傳熱單元總的傳熱量為

q=qc+qr

(1)

式中：q為沿徑向單位長度散熱量，W/m；qc為導熱傳遞的散熱量，W/m；qr為輻射傳遞的散熱量，W/m。

傳熱單元內(nèi)導熱傳遞的熱量為

(2)

式中：Ti為第i層熱面溫度，℃；Ti+1為第i層冷面溫度，℃；di為第i層外徑，m；di+1為第i+1層外徑，m；λc為隔熱材料氣固耦合導熱系數(shù)，W/(m·K)。

此處隔熱材料采用高溫超細玻璃棉，密度為48 kg/m3，其氣固耦合導熱系數(shù)為[4]

λc=0.024+7.8×10-5Tm+4.0×10-5ρ

式中：Tm為定性溫度，℃；ρ為超細玻璃棉的密度，kg/m3。

輻射傳熱量可通過求解纖維隔熱材料內(nèi)的輻射傳遞方程得到，主要有光學薄近似、光學厚近似和量熱流近似法。兩熱流近似法適用于一維平行平面，對于無限長同心圓柱面，采用傳遞方程的P1微分近似法。無限長同心圓柱面之間存在吸收、發(fā)射、散射介質(zhì)時的能量傳遞P1近似方程[3]：

(3)

式中：κe為纖維隔熱材料輻射衰減系數(shù)；σ為斯特潘-玻爾茲曼常數(shù)；ε1為內(nèi)側(cè)發(fā)射率；ε2為外側(cè)發(fā)射率。

玻璃纖維輻射衰減系數(shù)可用式(4)計算[5]：

κe=22-0.062 9Tm

(4)

如用導熱形式的公式計算散熱量，其導熱系數(shù)實質(zhì)上是有效導熱系數(shù)。由熱傳導、對流和輻射部分組成。即：

λ=λcd+λd+λr

(5)

式中：λ為有效導熱系數(shù)，W/(m·K)；λcd為熱傳導部分的導熱系數(shù)，W/(m·K)；λd為對流部分的導熱系數(shù)，W/(m·K)；λr為輻射部分的導熱系數(shù)，W/(m·K)。

工程中一般情況下纖維保溫材料內(nèi)部的對流作用可忽略不計，即λd=0。

保溫管道通常會包裹多層傳熱單元，構(gòu)成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。對于穩(wěn)態(tài)傳熱過程，通過串聯(lián)的每個傳熱單元的散熱量相等。q1=q2=…=qn。qi為第i-1和第i個反射屏之間的單位長度散熱量。求解方程組即可得到保溫結(jié)構(gòu)的溫度分布及其散熱量。

3 保溫性能影響因素分析

3.1 加入反射屏

以DN200(外徑219 mm)，管道溫度T1=200 ℃，保溫層(3層)共90 mm，每層30 mm為例。加入反射層后的保溫效果計算結(jié)果如表1所示。

表1 加入反射層的影響

通過對比可知，在相同的管道溫度下，添加反射屏后，層間溫度和表面溫度均降低。表面溫度降低了1.7 ℃。反射屏的加入不但降低了層間溫度和表面溫度，保溫結(jié)構(gòu)的散熱損失也減少了17.5%。加入反射屏后的節(jié)能效果明顯。

3.2 管道溫度

設DN200(外徑219 mm)，保溫層(3層)共90 mm，每層30 mm，反射屏等間隔分布。管道溫度100～300 ℃，環(huán)境溫度20 ℃，風速0 m/s下，保溫結(jié)構(gòu)表面溫度隨管道溫度變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 管道溫度對保溫結(jié)構(gòu)表面溫度的影響

由圖3可知，隨著管道溫度的升高，保溫結(jié)構(gòu)表面溫度均升高，但加入反射屏后在不同的管道溫度下，其表面溫度均低于無反射屏的表面溫度。

在不同管道溫度下，加入反射屏后，表面溫度的降低值如圖4所示。圖4的結(jié)果表明，隨著管道溫度的升高，反射結(jié)構(gòu)外表面溫度的降低值增加。說明在高溫下，反射屏的加入其節(jié)能效果更加明顯。

圖4 不同管道溫度下表面溫度降低值

不同溫度下，加入反射屏前后保溫結(jié)構(gòu)的散熱損失以及反射屏結(jié)構(gòu)的節(jié)能率如圖5、圖6所示。

圖5 有/無反射屏結(jié)構(gòu)散熱損失

圖6 反射屏結(jié)構(gòu)的節(jié)能率

可以看出，隨著溫度的升高，有反射屏結(jié)構(gòu)與無反射屏結(jié)構(gòu)的散熱損失差值越大，節(jié)能效果越明顯。在100 ℃時，反射屏結(jié)構(gòu)的節(jié)能率小于10%。200 ℃以上，隨著溫度的升高，節(jié)能率隨之明顯增大。300 ℃時，節(jié)能35%以上。這與圖3、圖4的結(jié)果是一致的。

3.3 反射屏層數(shù)

設DN350(外徑377 mm)，保溫層共150 mm，管道溫度250 ℃，環(huán)境溫度20 ℃，風速0 m/s下，反射屏等間隔分布，2～5層反射屏時的散熱損失情況如圖7所示。

圖7 反射屏層數(shù)的影響

由圖7可知，加入反射屏后散熱損失顯著降低，隨著反射屏層數(shù)的增加，在反射屏2～5層時，層數(shù)越多，散熱損失越小。但是當保溫厚度一定時，反射屏層數(shù)越多，造成施工費用和材料費用的增加，因此存在一個最經(jīng)濟的反射屏層數(shù)。

4 結(jié)論

文中建立了管道多層反射保溫結(jié)構(gòu)傳熱模型，并對其影響因素進行了分析。

(1)以超細高溫玻璃棉為反射屏間隔保溫材料，加入反射屏后，保溫結(jié)構(gòu)表面溫度及散熱損失均降低。在200 ℃時，DN200管道，3層反射屏減少了17.5%的散熱損失。

(2)有反射屏結(jié)構(gòu)的表面溫度均低于無反射屏結(jié)構(gòu)的表面溫度。當反射屏層數(shù)相同時，管道溫度越高，反射屏結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果越明顯。在100 ℃時，反射屏結(jié)構(gòu)的節(jié)能率小于10%。300 ℃時，節(jié)能可達35%以上。

(3)在相同溫度下，隨著反射屏層數(shù)的增加，節(jié)能效果越好,但存在一個最佳的經(jīng)濟層數(shù)。