呼吸閥保溫折減因子計算

＊劉春麗

（北京沃利工程技術(shù)有限公司 北京 100102）

引言

呼吸閥是一種用于石油、化工、天然氣等行業(yè)的低壓保護設(shè)施，可用來保持儲罐壓力始終處于正常狀態(tài)。隨著外部環(huán)境溫度的變化，氣相空間相應(yīng)變化，呼吸閥進行熱呼入呼出，調(diào)節(jié)儲罐內(nèi)的壓力。熱呼入呼出量與保溫密切相關(guān)，不同的保溫形式將產(chǎn)生不同的折減因子，獲得不同的呼吸量。在設(shè)計實踐中，對保溫材料對折減因子應(yīng)用較少，選用較大的呼吸量，增加生產(chǎn)運行的能耗。以乙醇儲罐為例，介紹呼吸閥保溫折減因子的計算方法和對熱呼吸量的影響[1]。

1.保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)計算

(1)絕熱保溫材料巖棉制品

巖棉具有多種型號和規(guī)格，以巖棉板為例，最高使用溫度550℃[2]。采用式（1）、式（2）計算保溫材料隨溫度的變化。

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K）；Tm為操作溫度（℃）。

(2)防火保溫材料硅酸鋁棉

防火型保溫材料以硅酸鋁棉2#氈為例，最高使用溫度1200℃[2]。采用式（3）、式（4）計算保溫材料隨溫度的變化。

式中，λL為低溫下導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K），取Tm=400℃時的值；λH為高溫下導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K）；Tm為操作溫度（℃）。

(3)新型氣凝膠保溫材料

氣凝膠是新型的保溫材料，具有耐火不燃和超低導(dǎo)熱系數(shù)約0.02W/m·K，數(shù)遠(yuǎn)低于其他保溫材料，其獨特的結(jié)構(gòu)可有效阻止熱量的傳遞，且隨著溫度的升高其導(dǎo)熱系數(shù)的增加速度緩慢，導(dǎo)熱性能穩(wěn)定。有研究發(fā)現(xiàn)，氣凝膠的溫度傳遞延遲時間比傳統(tǒng)保溫隔熱材料多出1倍，衰減倍數(shù)可增大40%,其導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)保溫隔熱材料[3-4]。

2.熱呼吸量的計算

(1)熱呼出量的計算

采用式（5）計算因為系統(tǒng)升溫而導(dǎo)致的熱呼出量（即加熱的最大熱流率）VoT[5]。

式中，VoT為熱呼出量（Nm3/h）；Y為緯度因子；Vtk為儲罐容積（m3）；Ri為保溫折減因子。保溫折減因子，如果未使用保溫Ri=1；部分保溫儲罐的Ri=Rinp；完全保溫儲罐的Ri=Rin；雙壁罐Ri=Rc。

(2)熱呼入量的計算

采用式（6）計算因為環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致的熱呼入量VIT[5]。

式中，VIT為熱量呼入量（Nm3/h）；C取決于蒸汽壓、平均存儲溫度和緯度的因子；Vtk為儲罐容積（m3）；Ri為保溫折減因子。

3.保溫折減因子計算

(1)全保溫折減因子

加熱（熱呼出）或冷卻（熱吸入）的熱流率因保溫而降低，并取決于保溫的特性和厚度。根據(jù)式（7）計算完全保溫儲罐的折減因子Rin。

式中，Rin為全保溫折減因子；h為內(nèi)部傳熱系數(shù)（W/m2·K），取4W/m2·K；lin為保溫層的壁厚（m）；λin為保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K）。

(2)部分保溫折減因子

根據(jù)式（8）計算部分保溫儲罐的折減因子Rinp：

式中，Rinp為部分保溫折減因子；Ainp為儲罐的保溫表面積（m2）；ATTs為儲罐總表面積（含殼體和罐頂）（m2）；Rin為全保溫折減因子。

(3)雙壁儲罐保溫折減因子

雙壁儲罐因雙壁部分的作用對環(huán)境的傳熱量相應(yīng)減少，折減因子Rc可使用公式（9）計算。

式中，Rc為雙壁儲罐保溫折減因子；A為儲罐總表面積（m2）；Ac為不在殼內(nèi)的罐表面積。

4.計算實例

乙醇儲罐，尺寸ID 6400mm×9000mm，容積298.43m3，表面積213.02m2，操作溫度35℃，維度30°維度系數(shù)Y=0.32，與蒸汽壓儲存溫度關(guān)聯(lián)的因子C=6.5。采用API標(biāo)準(zhǔn)計算熱呼吸量[5]。

(1)巖棉保溫折減因子

根據(jù)式（1）、式（2）、式（5）、式（6）、式（7）、式（8）、式（9）計算巖棉材料保溫折減因子及熱呼吸量，保溫厚度取0.1m，部分保溫比例取0.5，計算結(jié)果見表1。

表1 巖棉保溫折減計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of rock wool insulation reduction factors

從表1中可以得出，隨著溫度的升高材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫折減因子隨著增大，熱呼出呼入量增大。

(2)硅酸鋁棉保溫折減因子

根據(jù)式（3）、式（4）、式（5）、式（6）、式（7）、式（8）、式（9）計算硅酸鋁棉保溫折減因子及熱呼吸量，保溫厚度取0.1m，部分保溫比例取0.5，計算結(jié)果見表2。

從表2可以得出，隨著溫度的升高材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫折減因子隨著增大，熱呼吸量增大。對于防火型保溫材料，在高溫時保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)成倍數(shù)的增加，在火災(zāi)溫度時已超常溫下的十倍。

表2 硅酸鋁棉保溫折減因子計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of insulation reduction factor of aluminum silicate cotton

(3)保溫厚度對保溫折減因子的影響

以巖棉在100℃的導(dǎo)熱系數(shù)為例，部分保溫的比例0.5，考察不同保溫厚度對不同保溫型式對保溫折減因子的影響。

由表3隨著保溫厚度的增加，保溫折減因子減少，熱呼吸量減小，保溫厚度的增加可以降低運行中的能耗，但相應(yīng)增加建設(shè)投資。

表3 保溫厚度對折減因子的影響Tab.3 Influence of insulation thickness on reduction factor

(4)不同保溫面積對部分折減因子的影響

以巖棉在以100℃的導(dǎo)熱系數(shù)，溫度厚度0.1m為例，考察不同保溫面積對部分保溫折減因子的影響。

由表4隨著保溫面積的增加，保溫折減因子減小，呼入呼出量減小，能有效降低生產(chǎn)能耗。

表4 保溫面積對折減因子的影響Tab.4 Influence of insulation area on reduction factor

(5)新型材料保溫折減因子

因新型保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化較小，可以視為定值，保溫折減因子只與保溫厚度和保溫面積有關(guān)，其影響見表3、表4。

(6)新型材料保溫折減因子

由式（9）得出雙壁罐的保溫折減因子，只與不在外壁內(nèi)的非雙壁面積有關(guān)，與保溫材料類型、保溫厚度、罐的壁厚無關(guān)。隨著非雙壁面積的增大，保溫折減因子增大，熱呼吸量增大。計算結(jié)果見表5。

表5 雙壁儲罐保溫折減因子計算Tab.5 Calculation for insulation reduction factor of double wall tank

5.結(jié)語

以乙醇儲罐為例介紹各種不同保溫材料下的保溫折減因子的計算方法，及不同的保溫形式對儲罐熱呼吸量的影響。隨著保溫厚度的增加保溫折減因子減小，熱乎出呼入量減小；隨著保溫面積的增加，保溫折減因子減小，熱乎出呼入量減??；不同材料隨著溫度的增加導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫折減因子增大，熱呼出呼入量增大；材料導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫折減因子小，熱呼吸量小。為在工程設(shè)計中，采用經(jīng)濟合適的保溫材料、保溫厚度、保溫面積、保溫型式提供數(shù)據(jù)支持。