淺談直埋蒸汽供熱管道保溫層厚度計算

文/周曉陽 丹東市規劃設計研究院 遼寧丹東 118000

淺談直埋蒸汽供熱管道保溫層厚度計算

文/周曉陽 丹東市規劃設計研究院 遼寧丹東 118000

本文通過對直埋蒸汽供熱管道熱損失量的影響因素及供熱介質本身特性的分析說明，例舉出蒸汽管道設備的組成部分及保溫層的結構樣式。經過舉例計算，得出直埋蒸汽供熱管道的保溫層厚度。用計算出的保溫層厚度對直埋蒸汽供熱管道的熱損失量及保溫層外表面溫度進行驗算，以此證實此保溫層厚度是否可以滿足蒸汽介質在運行期間溫降要求及對外環境放熱要求。同時為節約成本，降低工程造價，應對蒸汽管道的保溫層厚度進行反復驗算，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算，對直埋蒸汽供熱管道的設計將有重要的意義。

管道；保溫層；厚度；溫度；熱損失

水在定壓狀態下經加熱可呈現出一下幾種發生過程，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。本文將重點介紹干飽和蒸汽及其以后狀態對供熱管道保溫層厚度的要求的計算。

蒸汽作為供熱介質與熱水相比具有通用性高、因高差而產生的靜壓力小、蒸汽介質溫度高、傳輸壓力大等特點，決定了蒸汽供熱管道的保溫層的結構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滿足工藝對介質溫降的要求外，還應滿足蒸汽供熱管道的熱損失對周圍溫度場的影響等技術要求。同時，在保證直埋蒸汽供熱管道保溫層厚度的技術要求外，還應通過嚴謹的科學計算和對保溫層材料細致的選擇，取得最小保溫層厚度，降低經濟成本。

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

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

近年來專家通過對蒸汽供熱介質特性的深入研究，得出蒸汽供熱管道保溫層厚度不同計算方法，如“表面溫度控制法”；“經濟厚度計算法”；“允許最大散熱損失法”等。為進一步討論直埋蒸汽管道的保溫層厚度，現運用“表面溫度控制法”舉例分析：

例一 DN400蒸汽管道，采用復合保溫層結構（內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），同時在計算中忽略外護管及土壤的傳熱量。計算參數如下所示：

T0——工作管外表面設定溫度（可取介質溫度，例：介質溫度為220℃）

Ta——冬季室外極端平均最低溫度（試取-10℃）

T1——內層保溫層外表面溫度（由于外層保溫層介質的特殊性，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——內層保溫層外徑（m）

δ1——內層保溫層厚度（m）

D2——外層保溫層外徑（m）

δ2——外層保溫層厚度（m）

λ1——內層保溫層導熱系數（λ1=0.07 W ／m·℃）

λ2——外層保溫層導熱系數（λ2=0.03 W ／m·℃）

as——蒸汽管道上方地表面大氣換熱系數（在防燙計算中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、由上述數據可知，內層保溫層外徑可計算得出

由此可得出內層保溫層厚度δ1=40mm。

2、由上述數據可知，外層保溫層外徑可計算得出

由此可得出外層保溫層厚度δ2=40mm。

經計算可知，直埋蒸汽供熱管道采用復合保溫層結構時，內層保溫層厚度為40mm，外層保溫層為40mm。由此得出的保溫層厚度還須進一步計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行驗算：

在防燙計算中 as可取為8.14W／m2由此可計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行驗算

由此可計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。

由上述計算結果可知，采用內層保溫層厚度為40mm，外層保溫

層厚度為40mm的復合保溫層結構，理論上可認為直埋蒸汽供熱管道的此種保溫結構已滿足蒸汽介質在運行期間的溫降要求及對外環境放熱要求。

為追求更經濟的保溫形式，可適當調整保溫層厚度。參考相關文獻，當直埋蒸汽供熱管道設備外表面溫度不超過50℃，蒸汽供熱介質熱損失量小于116 .0W／m2時，便滿足保溫層厚度要求。因此，只要調整管道設備外表面溫度及保溫層厚度進行重新驗算即可。

當然，要尋求更好的保溫效果，除采用上述科學的計算外，保證保溫層材料的質地和管道設備的制造工藝以及提高施工質量等也是非常重要的因素。同時還應加強施工質量，做好節點端面的保溫防水設計，如預制保溫管端頭密封處理；固定支墩的隔熱防水處理；補償器、三通、彎頭、疏水器、穿井壁及節點都有配套的防水保溫密封措施等，以達到全線保溫防水密封的目的。

結束語

由于我國南北跨度大，氣候差異較大，同時供熱管道保溫結構的經濟性的技術要求也千差萬別，因此采用手冊或規范推薦的經濟保溫厚度與工程實際情況有較大差異；同時，保溫材料及保溫結構形式技術進步日新月異，原有的計算方法無法對新型保溫結構形式進行較為準確的定量計算。采用本文計算方法可以方便工程人員根據項目自身特點確定保溫結構，以滿足工程需求最經濟的散熱量，工程適應性較強。

[1]章錫民，任澤霈，梅飛鳴，等．傳熱學(第4版)，[M]．北京：中國建筑工業出版社，2001．

[2]范季賢，湯惠芬．熱能工程設計手冊[M]．北京：機械工業出版社，1999．

[3]韓彥榮,謝華.熱力管道保溫材料的選用分析[J].制冷與空調,2006,(4):59-61.