論化工管路絕熱工程設計中一些問題的研究探討

中國化學工程第三建設有限公司 安徽淮南 232038

摘 要：本文結合筆者多年實踐工作經驗，針對化工管路當中的絕熱工程設計做出全面的闡述以及具體詳細的相關計算方法和步奏，在具體的物品材料選擇時，例如管道以及設備保溫和其他相關設備等，在選取的時候不僅需要注意實用性以及是否能夠節能，而且對于同時所使用的材料的經濟性，也應當進行全面認真的比較，從而更加有效的來選擇所適用的材料設備，以期能夠在后期的具體實踐設計當中有著借鑒作用，望與大家共同探討分析。

關鍵詞：化工管路；絕熱設計；問題；研究探討

當今社會所有的化工企業在具體的生產過程當中，為了能夠使得在生產當中所利用到的所有設備以及管道材料，能夠有效的防止向周圍的環境散發或者熱量，從而在工程當中進行的整體絕熱工程。在社會當中生存發展的化工企業以及石油和冶金部門，包括包括建材等諸多部門的設備和管道，都有所利用到絕熱工程進行有效的隔熱處理，然而這項具體工程在當今諸多相關企業中，不管是在生產當中還是在建設的整體過程當中已然成為了一項必不可少的重要工程。在化工企業的具體生產過程中，由于在具體的處理過程當中所涉及到的物品材料，絕大部分都不是常溫的存在，然而物品材料不管是在運輸方面還是在儲存方面都是需要確保其整體具有一定的具體溫度。所以，在具體的工程當中材料管道以及相關設備的絕熱在化工廠當中就顯得更加的常見。與此同時，在化工廠當中所運用到的所有物品以及材料，在種類方面都是非常的多，而且復雜在具體的性能方面也顯得各異，那么在具體的運用中所需要的絕熱要求，也必然有著諸多方面的不同，這樣對于其本身所體現出來的特殊性質就更加的明顯。

在管路絕熱工程設計當中包含的管路以及設備的絕熱，筆者經過分析認為可以按照它們具體的用途，可以有效的具體分成三種主要類型，其一，保溫；其二，加熱保護；其三保冷。下文便是筆者對此工程設計是做出的詳細闡述。

一 絕熱工程設計中的有效方法

在化工設計當中，絕熱工程的有效設計在其中起著至關重要的之作用，其在整體系統當中主要涉及到保溫材料的選擇，而且針對保溫的厚度也有著確定作用。通常情況，如果我們只是單純的考慮到保溫的效果，那么在保溫的厚度方面則是材料的厚度越厚，那么它所體現出來的保溫效果就是越好，然而將保溫材料的厚度進行了增加了，那么在投入的資金費用方面也就顯得有所增加。所以，針對化工設計中的絕熱工程設計我們需要進行綜合考慮，在采取的有效方法上我們可以采用經濟厚度法。但是在利用這種方法的時候其具體的計算又太過于復雜，針對部分參數在選取方面顯得不是十分方便，所以在具體的應用當中則又受到諸多限制。在具體的工程當中，通常所使用到的方法都是采用經驗法，可是在一些相對而言較為特殊的情況當中，例如材料的管徑比較細小，還有絕熱材料的絕熱性能總體而言顯得比較不理想，那么此時就存在一種臨界厚度，在使用經驗法的時候就顯得具有一些局限性。那么在具體的處理過程當中，就需要進行具體作業的工作人員對于經驗法所求得的詳細結果，與具體的臨界厚度進行一定性質的比較，如果兩者之間的結果有著差異性，那么就需要工作人員或者設計者做出適當有效的修正，從而能夠更好的做到理想當中的絕熱效果。

二 絕熱厚度具體計算，有效保證絕熱效果

（１）絕熱工程設計中絕熱厚度具體計算

在實踐當中絕熱工程的具體設計中，工作人員主要關心的是所使用的絕熱材料以及絕熱的厚度問題。然而在整體工程設計當中。所使用的絕熱材料都是根據其介質情況以及絕熱的類型和所需要材料的價格，甚至還有材料在本地所體現出來的供應情況等諸多因素，需要相關負責人員進行綜合的考慮進而加以明確確定。那么一旦將所需要的材料進行確定之后，就可以針對絕熱厚度進行有效的計算分析，由于所使用的設備可以當作較大直徑的管道處理。所以，在下本的分析論證當中，僅針對管道的絕熱方面做出考慮進而做出相關計算。管路和周圍具體環境的傳熱過成，其中包括絕熱材料的傳導傳熱以及材料的外表面輻射傳熱和外表面與周邊附著的空氣所形成的對流熱，通常所使用的管材普遍都是金屬材料，那么金屬管材所體現出來的熱阻就相對非常小，可以將其熱阻進行忽略不計入計算公式當中。以下便是筆者針對絕熱材料的傳導傳熱速率的計算方程：

q1=2πλ（tf - to）/ ln（D1 / D0） （1）

外表面散熱速率方程：

q2=a1πD1（tf - ta） （2）

穩定傳熱過程q1=q2=q，q即為單位管長熱損失。

上二式中，t所代表的數值分別都是為介質、絕熱層外表面、環境的溫度，π為絕熱材料導熱系數，D0管道外徑，D1為絕熱層外徑，a1為絕熱層外表面與周圍空氣之間的總給熱系數。

當絕熱材料被選定時，π已知，上述方程組共包含7個變量，在絕熱層厚度的設計計算中，一般給定的已知條件為：tf、t0、a1、D0，有三個未知量：q、D1、t0，而獨立方程只有兩個，屬于無定解，必需再補充一個條件時才能滿足方程求解的需要。對上述命題可指定外表溫度ta，可對應求出D1及q，如防燙要求時取ta＝60°C。

對于保溫要求的計算一般有經驗法、經濟厚度法。經驗法先選用絕熱層表面溫度，一般情況：tf -to =15℃～20℃【1】

由式（1）、（2）可得：

可用查圖法【1】或試差法求得D1，保溫厚度為：δ=D1-D0/2

濟厚度指管道保溫后，年熱損失值與保溫工程投資費的年分攤率之和為最小時的保溫厚度。如外徑≤1m時，可由下式計算【2】。

式中B為熱能價格，Y為年運行時數，A為保溫材料綜合價格，N為保溫工程投資年分攤率，二為投資償還年限計息年數，N為年復利率。計算經濟厚度時，必須用到B、m、n等數值，而這些數據不是設計人員能自行決定的，目前尚無確切的數值可供參考。所以工程設計中常用的是經驗法。

通過上述兩種方法計算所得的厚度一般工程上是可以采用的。但通過以下討論可以發現，在比較特殊的條件下，保溫層厚度的增加并不能使熱損失減少，相反使熱損失增加。此時需要對保溫材料、計算結果作適當修正。

由前述式（l）、（2）得。

其中絕熱層熱阻：R2=1/aπD1

外表與空氣傳熱熱阻：R1=lnD1/D0/2πλ

熱損失為：

左為總熱阻：R=R1+R2

在介質溫度tf環境溫度一定的情況下，熱阻R越大，熱損失q越小。厚度時，即D，增大，絕熱層熱阻R.增大，而外表與空氣的傳熱熱阻R：減小，R存在極值。當增加保溫層所以，總熱阻R存在極值。

由：

得：dR/Dd1=1/2πλD1-1/a1πD12 （3）

令：dR=dD1=0

求得：D1’=2π/a1則D1’為臨界直徑。

即當D1=2π/a1時候出現R的極值點。

由式（3）求得：

將D1=2λ/a1帶入到上式中，d2R/Dd12=1/2πλ（a0/2π）2可以看出：d2R/Dd12＞0此時R出現極小值，q有極大值，說明此時總熱阻最小，而散熱量最大，保溫效果最差，這是我們所不希望的。但并不是所有情況下，臨界直徑D1‘都是有意義的。由上述討論可知，任何情況下都存在臨界直徑D1’，當D1’＜D。時，則不存在臨界厚度，反之，臨界厚度是存在的。

由于a1的變化范圍不大，我們可以作大致的判斷，要使2λ/a1＞D0。不等式成立，π值較大或者D0較小。由此可見，在管徑較小而保溫材料的絕熱性能欠佳的情況下，存在臨界厚度，在小于臨界厚度時，保溫層越厚，其熱損失越大。所以在工程設計中應避免這一情況。由于管徑一般是根據工藝要求選定的，不可能隨意更改，因此首先選用性能較好的保溫材料，避免出現臨界厚度，否則適得其反，這樣才能做到既保證絕熱效果又降低工程費用。

（２）絕熱工程設計中材料量的便捷計

然而在絕熱工程的具體設計當中，相關材料的具體計算是一項非常復雜繁瑣的。因為，在計算的過程當中需要針對每一個設備和管道所需要使用的材料量進行有效的計算，然而通常在計算當中都需要計算不同設備以及不通過管道的保溫厚度以及保溫層的體積和保溫層外表的面積大小，而且還有各種輔助材料的使用，例如螺母等材料的用量。在一些相關使用的手冊上針對部分不同直徑的圓形設備筒體部分，以及部分工藝相互接頭的部分在各不相同的保溫溫度下的單位消耗保溫材料的使用數量，以及輔助材料的使用量表格，有這種手冊當中所呈現出來的具體表格使用人員可以有效的通過查閱進行有力的材料的估算。但是，即便有這樣的方便性，然而在具體的實踐手工計算當中仍然存在很大的計算量。如果在實踐當中所需要使用的材料管路和設備相對較少，那么使用手工的計算方法還是可以有效的給以快速的計算出結果，然而如果所使用的材料需要大量的設備以及管道進行保溫的時候，那么單純的使用手工操作進行計算則顯得較慢和復雜，存在較多失誤因素，所得出的結果極其容易出現差錯。絕熱工程設計中保溫材料量的計算復雜而又繁瑣，介紹了一種用Excel計算保溫材料量的便捷方法，采用此方法可以極大減少保溫材料的計算量，具有推廣價值

首先，公式功能。Excel中的公式是對工作表數據進行運算的方程式，利用它可以進行數學運算。在這些公式里面，它可以引用常量值以及其他單元格。包含公式的單元格稱為從屬單元格，因為其結果值將依賴于其他單元格的值。默認情況下，只要公式引用的單元格發生更改，從屬單元格也將隨之更改。在進行管道保溫計算時，可以將管徑、管長和保溫厚度放在既定單元格里，在其它單元格利用公式通過引用既定單元格里的值進行保溫材料體積、保溫層外表面積的計算，通過引用輔助材料用量系數作為常量值來進行輔材耗量的計算。

其次，引用功能。Excel里引用功能的作用在于標識工作表上的單元格或者單元格區域，并且指明公式中所使用數據的位置。通過引用，可以在公式中使用工作表不同部分的數據，或者在多個公式中使用同一單元格的數值。還可以引用同一工作簿不同工作表的單元格、不同工作簿的單元格，甚至其它應用程序中的數據。當移動公式時，公式中的單元格引用并不發生改變。當復制公式時，單元格絕對引用也不改變，但單元格相對引用將會改變。通過利用Excel的引用功能，可以將不同保溫管路的相關數值放在同一列，然后將帶有公式的單元格復制到每行的對應位置，Excel就會將每條管路的保溫材料量都計算出來。

三 結束語

總而言之，將管道以及相關設備保溫的施工管理以及經濟和厚度的計算，有效的保證絕熱工程以及針對散熱減小方面是企業在節能管理以及降低投資中一項較為極其重要的有利措施，并且在當今社會中已經引起了人們的高度重視。雖然在上文但中我們有針對性的做出相關計算和保證，但是在具體實踐操作中使用那一種最為經濟的材料，那么還是需要從材料的在具體運用當中的使用壽命以及物理性能等方面的指標進行綜合比較。所以，在今后社會大步斷的高速發展，本文這種粗淺的論述方法在后期必定將會得到進一步的革新，化工管路絕熱工程設計在社會當中也必將有著廣闊的發展前景。

參考文獻

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[3] 劉顯茜，陳君若，侯宏英，朱代根，陶翼飛. 保溫材料管道保溫性能分析[J]. 湖南科技大學學報（自然科學版）. 2009（01）