如何计算管道绝热层厚度？

冷热介质的能量从管道内部,经金属壁、保温结构的主保温层和保护层,最后散失到周围大气中去,这是一种复杂的传热过程。

冷热介质的能量首先从冷热介质传递至金属壁的内表面,这是一种包括传导、对流和辐射三种方式的传热过程。冷热介质的能量继续从金属内表面向金属外表面传递,然后再从保温结构(由保温层和保护层等组成)内表面向它的外表面传递。

冷热介质的能量从保温结构外表面向周围大气散热或从保温结构外表面向密闭无风场合(如地沟内空气)散热,这也是一种包括传导、对流和辐射三种方式的复杂传热过程。

在绝热设计方面,我国已制定了许多规范和标准,如管道绝热设计规范、管道保温设计导则、管道保冷技术通则等,设计计算时可结合选用。

1.保温计算数据的选取

保温设计和保温厚度的决定,受环境中各种因素的影响较大。因此,进行保温计算时,首先要按条件选取有关数据,在这介绍的计算方法是其中之一,可推荐使用及参考。

(1)保温层表面至周围空气之间的总给热系数αs

式中 αr——管道或保温层面的辐射传热系数,W/(m2·℃);

αk——对流传热系数,W/(m2·℃)。

式中 Ts——管道或保温层外面的温度,℃;

Ta——环境温度,℃;

Cr——辐射系数,见表6-2,W/(m2·℃)。

表6-2　辐射系数Cr值　　单位:W/(m2·℃)

①在密闭无风场合(如地沟)

式中 D1——管道或保温层外径,m。

②在室内无风情况下

式中 Tm——保温层的平均温度,℃。

③当风速小于5m/s时,可按式(6-6)求αr值。

平壁

式中 ω——风速,应以当地气象资料为依据,m/s;

L——沿风速向的平壁长度,m。

圆筒

④为了便于计算,也可用图6-1、图6-2查出的简便方法,决定总给热系数。Ta=0～150℃时,室内总给热系数可按式(6-8)、式(6-9)近似计算。

管道

αs=8.1+0.045(Ts-Ta)

(6-8)

平壁

αs=8.4+0.06(Ts-Ta)

(6-9)

室内保温可认为,取ω=0,取αs=11.63W/(m2·℃)。

对室外保温,必须考虑受风的影响,当风速ω大于5m/s时,室外总的给热系数为

对保冷可取αs=6～7,对保温取αs=10。

图6-1　辐射传热系数αr

图6-2　对流传热系数αk

(2)周围空气温度Ta

①室内一般采用Ta=20℃左右。

②通行地沟,当介质温度为80℃时取Ta=20℃,当介质温度为81～110℃,取Ta=30℃,当介质温度大于或等于100℃时,取Ta=40℃。

③室外保温常年运行采用历年年平均温度;季节运行采用历年运行期日平均温度。

④保冷在经济厚度计算时取年平均温度,在防结露及最大热损失时取夏季空调计算干球温度。

⑤防冻取冬季历年极端平均最低温度。

⑥防烫伤取历年最热月份平均温度。

(3)相对湿度Ψ和露点Td

保冷采用最热月份相对湿度。露点Td可根据选定的周围空气温度Ta及相对湿度Ψ(%)从相关的标准中查得。

(4)被绝热物体的外壁温度To

绝热计算中,对外壁的传热一般忽略不计,因此,外壁温度可采用载热介质温度Tf(℃)。

(5)保温层表面温度Ts

首先解释概念“经济厚度”,经济厚度是绝热后的年散热(冷)损失费用和投资的年分摊费用之和为最小值时绝热层的计算厚度。

①保温层表面温度的确定,关系到热损失和经济厚度。为简便计算,在室内情况下,可按式(6-11)求得保温层表面温度。为方便起见也可按表6 3选用。另外,室内外表面温度计算也可按式(6-33)～式(6-36)计算。

Ts=32+0.028Tf

(6-11)

表6-3　表面温度Ts选用　　单位:℃

2.管道的保温计算

(1)在满足保温工程需要和各种工艺要求的情况下,为了简化保温计算需作以下几点说明。

①管道的计算分界线为公称直径DN=1000mm。DN≤1000mm的管道,都视为按管道(即圆筒面)计算;DN＞1000mm的管道可视为按大直径管道(即平壁面)计算。

②计算原则。无特别工艺要求时,保温厚度应以“经济厚度”的方法计算厚度,并且其散热损失不得超过最大允许热损失量标准。

③防止烫伤的保温层厚度,按表面温度法计算,保温层外表面不得超过60℃。(2)保温层厚度计算

①经济厚度计算

a.外径Do≤1 m的管道绝热层厚度计算经济厚度δ,详见式(6-12)。保冷计算时,式(6-12)中的(To-Ta)改用为(Ta-To)。保冷经济厚度必须用防结露厚度校核。式中 Do——管道外径,m;

D1——绝热层外径,m;

PR——能价,元/103千焦,保温中,PR=PH,PH称“热价”;保冷中,PR=PC,PC称“冷价”;

PT——绝热结构单位造价,元/米3;

λ——绝热材料在平均温度下的导热系数,W/(m·℃);

αs——绝热层(最)外表面周围空气的放热系数,W/(m·℃);

t——年运行时间,h(常年运行的按8000h计,其余按实际情况计算);

To——管道的外表面温度,金属管道外表面温度,在无衬里时,取介质的正常运行温度,保冷时取介质最低操作温度,当要求用热介质吹扫管道时,取吹扫介质的最高温度,℃;

Ts——环境温度;

S——绝热投资年份摊率，S=;

i——年利率(复利率),%;

n——计息年数,年;

δ——绝热层厚度,m。

求出D1ln值后,查表6-3可得经济厚度δ。

b.大直径管道(平面型)的绝热层经济厚度按式(6-13)计算

式中,各符号意义及有关说明和式(6-12)相同。

②允许热(冷)损失下的保温厚度计算

a.管道单层绝热层厚度

按允许热(冷)损失量计算

式中 χ——修正值,取χ=1.1～1.4;

[Q]——绝热层外表面单位面积的最大允许热(冷)损失量,W/m2。

保温时按国家标准取[Q]值;保冷时,最大允许冷损失量分不同情况,按下列两式分别计算[Q]。

当Ta-Td≤4.5时,[Q]=(Ta-Td)αs;

当Ta-Td＞4.5时,[Q]=-4.5αs。

式中 Td——当地气象条件下(最热月份)的露点,℃。

其余符号同前。

b.管道双层绝热层厚度计算

按每米管道长度的允许热(冷)损失量计算厚度。

绝热层总厚δ,外层绝热层外径D2,双层绝热层总厚度δ计算中,应使外层绝热层外径D2满足恒等式(6-15)的要求。

内层厚度δ2计算中,应使内层绝热层外径D1满足恒等式(6-16)的要求。

式中 T1——内层绝热层外表面温度,要求T1＜0.9[T2],其正负号与[T2]的符号一致;

[T2]——外层绝热材料的允许使用温度,℃;

T2——外层绝热层外表面温度,℃;

λ1——内层绝热材料导热系数,W/(m·℃);

λ2——外层绝热材料导热系数,W/(m·℃)。(www.xing528.com)

[Q]的取值与式(6-14)相同。

c.大直径管道(平面型)单层绝热层,在最大允许放热(冷)损失下,绝热层厚度应按式(6-17)计算。

d.大直径管道(平面型)异材双层绝热层在最大允许热(冷)损失下,绝热层厚度应按式(6-18)、式(6-19)计算。

·内层厚度δ1应按式(6-18)计算

·外层厚度δ2应按式(6-19)计算

[Q]的取值与式(6-14)相同。

③防结露,防烫伤厚度计算

a.管道防止单层绝热层外表面结露的绝热层厚度计算中,应使绝热层外径满足恒等式(6-20)的要求。

b.管道防止异材双层结露绝热层厚度计算中,应使绝热外径D2满足恒等式(6-21)的要求。

·双绝热层总厚度δ的计算中,应使外层绝热层外径D2满足恒等式(6-21)的要求。

·内层厚度δ1的计算中,应使内层绝热层外径D1满足恒等式(6-22)的要求。

·外层厚度δ2的计算中,应使内层绝热层外径D1满足恒等式(6-23)的要求。

式中 Td——当地气象条件下,最热月份的露点,Td的取值可查相关资料得到,℃。

c.大直径管道(平面型)单层防结露保冷层厚度,应按式(6-24)计算。

d.大直径管道(平面型)异材双层防结露绝热层厚度,应按式(6 25)、式(6 26)计算。

·内层厚度δ1应按式(6-25)计算。

·外层厚度δ2应按式(6-26)计算。

其中,界面温度T1取值为第2层保冷材料安全使用温度[T2]的0.9倍。

e.管道防止人身烫伤的绝热层厚度计算中,绝热层外径D1应满足恒等式(6-27)的要求。

式中 Ts——绝热层外表面温度,取Ts=60℃。

f.大直径管道(平面型)防烫伤绝热层厚度,按式(6-28)计算。

式中,取Ts=60℃。

绝热层厚度可参照表6-4速查。

(3)热(冷)损失量计算

最大允许冷损失量[Q]计算

①当Ta-Td≤4.5时

[Q]=-(Ta-Tb)αs

②当Ta-Td＞4.5时

[Q]=-4.5αs

式中 Td——当地气象条件下(最热月份)的露点,℃。

③绝热层的热(冷)损失量计算

·管道单层绝热结构的热(冷)损失计算

两种不同热损失单位的数值,应采用下式换算。

q=πD1Q 单位:W/m

式中 Q——以每平方米绝热层外表面积表示的热损失量,Q为负值时为冷损失量,W/m2;

q——以每米管道长度表示的热损失量,q为负值时为冷损失量,W/m。

·管道异材双层绝热结构的热(冷)损失计算

两种不同热损失单位之间的数值,应采用下式换算

q=πD2Q 单位:W/m

·大直径管道(平面型)单层绝热结构的热(冷)损失量计算

·大直径管道(平面型)双层绝热结构的热(冷)损失量计算

式中符号意义和单位同前。

(4)绝热层外表面温度计算

对Q以W/m2计的圆筒型、平面型单、双层绝热结构,其外表面温度应按式(6-33)计算。

对q以W/m计的圆筒型单、双层绝热结构的外表面温度应按下式计算:

式中D2——外层绝热层的外径,m。对单层绝热,D2=D1。

①圆筒型异材双层绝热结构,层间界面处温度应按式(6-35)校核。

②大直径管道(平面型)双层异材绝热结构,层间界面处温度应按式(6-36)校核。

式(6-36)中,Ts用式(6-33)或式(6-34)求取。

对双层异材绝热结构内外层界面处的温度T1,应校核其外层绝热材料对温度的承受能力。当T1超出外层绝热材料的安全使用温度[T2]的0.9倍,即T1＞0.9[T2]时,必须重新调整内外层厚度比。

(5)绝热层伸缩量计算

①管道的线膨胀量或收缩量的计算式中 ΔLo——管道的线膨胀或收缩(为负值时)量,mm;

(aL)o——管道的线膨胀系数,℃-1;

L——伸缩缝间距,m。

其余符号意义同前。

②绝热材料的线膨胀量或收缩量的计算

单层绝热结构

双层绝热结构

式中 ΔL1——绝热材料的线膨胀或收缩(为负值时)量,mm;

ΔL2——外层绝热材料的线膨胀或收缩量,mm;

(αL)1——绝热材料的线膨胀系数,℃-1;

(αL)2——外层绝热材料的线膨胀系数,℃-1。

其余符号意义同前。

③绝热层伸缩缝的膨胀或收缩量的计算

式中ΔL——绝热层伸缩缝的扩展或压缩(为负值时)量,mm。

(6)地下敷设管道的保温计算

地下管道有三种敷设方法,其保温计算方法要视敷设情况不同而有所区别,在通行地沟中敷设的管道,可按前述室内架空管道的保温计算方法计算;无管沟直埋敷设的管道及在不通行地沟敷设的管道,其计算相当复杂,且以经验公式居多。在此不再详细描述。

3.伴热

(1)蒸汽、热水伴管加热

为了防止易凝结物质在管道输送过程中产生凝固或黏度增大,可采用蒸汽、热水伴管加热,以维持被加热物料的原有温度。

蒸汽、热水伴管常以0.3～1.0 MPa的饱和蒸汽和热水作为加热介质,伴管直径一般为15～40mm,但常用18～25mm。

输送凝固点低于50℃的物料,可采用压力为0.3MPa的蒸汽伴管和热水伴管加热。

输送凝固点高于50℃的物料,可采用压力为0.3～1.0MPa的蒸汽伴管和热水伴管单根或多根伴管保温。输送凝固点等于或高于150℃的物料,应采用蒸汽夹套管加热。夹套管保温层厚度的计算,按夹套中蒸汽温度进行。

带蒸汽、热水伴管的物料管道,常采用软质保温材料,将其一并包裹保温,如超细玻璃棉毡、矿渣棉席等。为提高加热效果,在伴管与物料管间应形成加热空间,使热空气易于产生对流传热。设计中采用铁丝网作骨架,使之构成加热空间。物料管的管壁与热空气接触面小于180°的称为“自然加热角”,等于180°的称“半加热角”(图6-3),管道的管壁完全被热空气包围的称为“全加热”。考虑安装方便、节约物料,通常采用前两种加热方法,当介质温度不高(50～80℃)时,可采用“自然加热角”方式保温。温度较高时,最好采用“半加热角”结构,必要时,采用“全加热”或夹套管加热保温。

当输送物料为腐蚀性介质,或热敏性强、易分解的介质时,不允许将伴热管紧贴于物料管管壁,应在伴管上焊一隔离板或在物料管和伴热管之间衬垫一绝热片。

(2)电伴热

电伴热是电伴热带安装在物料管道外部,利用电阻发热来补充物料管道的散热损失。

电伴热能适用于各种情况,而且尤其适用于热敏介质管道伴热,因为电伴热能有效地控制伴热温度,克服蒸汽管道伴热的温降及温度过热。同时电伴热还适用于分散或远离供气点的管道及设备,对无规则外形的设备的伴热同样适合,但造价及费用较高。

4.绝热计算实例

【例】 设一架空蒸汽管道,管道D0=108mm,蒸汽温度To=200℃,当地环境温度Ta=20℃,室外风速ω=3m/s,能价为PR=3.6元/106千焦,投资计息年限数n=5年,年利率i=10%(复利率),绝热材料总造价Pr=640元/米3;选用岩棉管壳作为保温材料。计算管道需要的保温厚度、热损失量及表面温度。

【解】 ①求导热系数

岩棉管壳的密度小于200kg/m3,

λ=0.044+0.00018(Tm-To)=0.044+0.00018×(110-70)=0.0512[W/(m·℃)]

②求总的表面给热系数αs

取αo=7,代入式(6-10)得

③保温工程投资偿还年分摊率S按下式计算。

图6-3　自然加热角和半加热角结构

④由式(6-12)求保温厚度

查表6-4δ=57mm,取60mm。

⑤由式(6-29)计算管道热损失

⑥由式(6-41)求保温层外表面温度