中高溫循環熱油的套層保溫方法及理論探索

劉永嶺 胡玉濤 王艷艷

（江蘇省聯合職業技術學院連云港中醫藥分院，江蘇 連云港222007）

以導熱油作為工質的儲熱系統已被廣泛應用于醫藥、化工等行業。此項應用的基本思路是利用導熱油沸點高（150-400℃）、導熱性能良好的特點取代最為常用的水工質，以提高工質與換熱設備的換熱能力，使比導熱油沸點低的液體沸騰蒸發，實現提取、濃縮、干燥的使用目的。

導熱油的導熱性能好、沸點高、常壓運行、可以閉環循環、熱損低，在許多場合可以取代蒸汽。比較有代表性的應用是利用太陽能將熱油加熱到必要的溫度后泵送到換熱設備或儲存在保溫油箱中。

根據我們的研究，在非陰雨天氣環境下使用太陽能真空管給導熱油加熱，工質溫度可以達到200-350℃，通過換熱器交換直接給加熱、干燥、提取、濃縮等設備供熱。絕大多數的應用系統都要使用保溫油箱，以便于暫存或儲存能量。

1 常規保溫方法及效果分析

常規的熱油應用系統多采用熱油箱與冷油箱獨立放置的方式。如圖1 所示為常規導熱油循環系統的結構示意圖，熱油箱1 和冷油箱2 分別進行保溫。這種做法的好處是保溫箱結構簡單、易于制造、易于安裝和維護、制造成本較低。

在進行熱油保溫箱設計時，必須合理的選用保溫材料。保溫材料的幾個重要物理參數是熱導率λ、保溫層厚度δ 和最高使用溫度T。

熱導率λ 是體現絕熱材料絕熱性能的重要參數，λ 值越低其保溫性能越好，λ 不僅與材料的種類有關，而且與使用溫度密切相關。

圖1 常規熱油循環系統結構示意圖

為了詳細描述保溫箱的保溫性能、評價保溫效果與節能效益的密切關系，我們引用《絕熱材料及相關術語》GB/T4132-1996、《工業設備及管道絕熱工程設計規范》GB50264-97 等相關規范，對常見的六種保溫材料的主要參數列下：

表1 六種常用保溫材料的主要參數

從上表可見，各種常用的絕熱材料的熱導率都與使用溫度有關，隨著使用溫度的升高，保溫材料的保溫性能隨之下降。所以，在進行保溫設計時需要進行溫度修正或設法降低使用溫度。

最高使用溫度是保溫材料的在不發生變性情況下極限溫度。

如果希望獲得良好的保溫效果，勢必在保證使用溫度滿足的前提下，要選擇熱導率λ 低、設計保溫厚度δ 大的保溫箱建造方案。

然而，由于導熱油的溫度較高，使用常規的熱油保溫方法具有諸多缺陷，主要體現在以下兩個方面：

首先是導熱油的溫度高，工質與環境之間的溫差大，勢必要加大保溫層厚度以實現必要的保溫要求，因此增加了保溫箱的造價；

其次是在保溫箱結構方面，但其存在的缺陷是整體散熱面積大、散熱溫差大，使得系統的熱效相對較低。

2 創新設計

圖2 是創新設計的中高溫循環熱油系統的結構示意圖。

圖2 熱油循環系統套層保溫結構示意圖

該設計的特征是在管路循環關系保持不變的情況下，將熱油箱1 放置于冷油箱2 的內部；熱油箱和冷油箱分別保溫，其中熱油箱的保溫層防護套使用耐油腐蝕材料（通常是鋼板或不銹鋼板）制作并且密焊；設計時要使冷油箱的有效容積（四周的容積）等于或略大于熱油箱的有效容積；為盡量降低比表面積，熱油箱和冷油箱的高度與上下底直徑相同。

3 套層保溫方式中的傳熱平衡

為了方便起見，我們建立一個簡化模型。假定通過供熱組件獲得熱量使得熱油箱內的熱油溫度tf1保持不變、冷油箱外部的環境溫度tf3也保持不變。

套層保溫能夠節能的基本思路是：從供熱組件獲得的中高溫熱油存放在熱油箱內，熱油箱的外部環境是冷油箱中溫度較低的導熱油，熱油箱散失的熱流量φ1被冷油箱中的冷油吸收使得冷油箱中的冷油溫度升高，使熱油箱與冷油箱的溫差不斷減小，熱油箱內的熱油散失的熱流量φ1不斷降低；另一方面，隨著冷油箱內冷油的溫度不斷升高，冷油箱散失到外部環境的熱流量φ2不斷增大。

開始時，φ1＞φ2，隨著冷油箱內冷油的溫度tf2不斷升高，φ1與φ2的差值φ1-φ2不斷減小，當φ1-φ2=0 時，冷油箱內冷油的溫度tf2將保持不變。

我們將在穩定傳熱過程中冷油箱內冷油的溫度保持不變時的冷油溫度定義為平衡溫度t0；

φ1-φ2=0 時的狀態稱為平衡狀態；

φ1-φ2=0 叫做平衡方程。

4 常規保溫方法的散熱分析

在常規熱油循環系統中，熱油箱1 和冷油箱2 大小尺寸相同，各自獨立放置于同一個散熱環境中，因此存在兩個獨立的散熱途徑，一個是熱油箱1 與散熱環境之間的熱損耗熱流量φ1（w），另一個是冷油箱2 與散熱環境之間的熱損耗φ2（w）。總的常規熱油循環系統熱流量為φ=φ1+φ2（w）。

設定熱油箱1 內熱油的溫度為tf1，冷油箱2 內的熱油的溫度為tf2，環境溫度為tf3；熱油與熱油箱保溫箱內筒之間的復合表面換熱系數為α1，（W/m2·℃），保溫層外壁與環境之間的復合表面換熱系數為α2（W/m2·℃）。其中的tf2雖說是冷油箱內導熱油的溫度，實際上它并不是接近常溫的溫度，tf2大致是熱油箱1內熱油溫度tf1的40%-60%，若tf1=300℃，tf2約為150℃左右。關于tf2的計算方法在后面內容中將做詳細闡述。

為便于理論分析，假定外界輸入到熱油箱1 內熱油的熱能與散熱損失的熱量相抵，保持熱油箱的溫度不變，即熱油箱與外界環境之間處于穩定傳熱狀態；冷油箱2 內的冷油溫度為tf2與換熱組件4、供熱組件3 的輸入量等因素有關，對于固定的換熱組件4 和固定的輸入量來說，tf2基本保持不變，即冷油箱2 與外界環境之間也處于穩定傳熱狀態。

根據傳熱學的基本規律，可得出如下計算式：熱油箱的散熱熱流量φ1：

φ1=（tfi-tf3）/（1/α1A1+δ/λA2+1/α2A2）（w）

冷油箱的散熱熱流量φ2：

φ2=（tf2-tf3）/（1/α1A1+δ/λA2+1/α2A2）（w）

其中A1是保溫箱內筒的表面積，A2是保溫層保護層的面積。

A1=3πd12/2（m2）

A2=3πd22/2（m2）

總的散熱熱流量φ

總散熱熱流量φ=（φ1+φ2）/1000（kw）

在24 小時內總散熱量Q

Q=24φ（kwh）（*1kwh 相當于1 度電，為便于比較，所以換算到kwh 單位）

定義：最大顯熱Q0——保溫箱內裝滿溫度為t 的某種工質時，散熱后溫度降低到環境溫度t0時總放熱量。

Q0=cm（t-t0）=cρV（t-t0）/3600（kwh）

其中c 是工質的比熱容，單位是KJ/kg·℃；ρ 是工質的密度，單位是Kg/m3；V 是工質的體積，單位是m3。

對于本項目而言

Q0=cm（t-t0）=cρV（tfi-tf3）/3600（kwh）

定義：24 小時熱損率η——保溫箱在24 小時內總散熱量Q 與最大顯熱Q0的比值。用百分數表示。

η= Q/Q0×100%

24 小時熱損率η 是衡量保溫系統保溫效果的重要參數。

具體計算數據需要在創新內容敘述完成之后才能完成，因為我們現在無法確定冷油箱內導熱油的溫度tf2。

5 套層保溫方法的散熱分析

下面我們從理論上分析套層保溫方法熱油循環系統的散熱耗能。

5.1 項目的物理模型

同樣為了減少散熱面積、節省建造材料，熱油保溫箱按照直徑與高相等的比例進行設計。

熱油箱1 和冷油箱2 的保溫箱內筒都是采用導熱性能良好的金屬材料制作，且其壁厚只有幾個毫米，我們忽略保溫箱內筒壁面材料傳導散熱的熱阻影響；忽略各連接口引起的熱量損失。

d1-- 熱油箱1 的內徑（m），d1的大小由熱油箱1 的容積決定。

從熱油箱1 的內部工質到散熱環境的傳熱途徑包括：

①從熱油箱1 的內部工質到冷油箱2 內部工質的傳熱過程，溫度由tf1到tf2，傳熱熱流量為φ1；

②從冷油箱2 的內部工質到散熱環境的傳熱過程，溫度由tf2到tf3，傳熱熱流量為φ2。

在穩定運行時，（φ1-φ2）=0 時，傳熱處于穩定狀態。這時tf2將自動維持不變。

5.2 計算原理

根據傳熱學的基本規律，可得出如下計算式：

RK1是熱油箱1 的內部工質到冷油箱2 內部工質的傳熱熱阻，單位（w/℃）。

可見，平衡溫度t0是與保溫箱的形狀、大小、保溫材料、保溫厚度、工質溫度及散熱條件有關。

6 兩種保溫方式下的熱損耗對比

為了比較套層保溫與常規分體保溫的不同，我們選定兩種保溫形式中的熱油箱大小、形狀、保溫條件完全相同，常規分體保溫的冷油箱也與其熱油箱完全相同；不同的是套層保溫方法中冷油箱按前述規則制作；保溫層材料與厚度都相同。

常規分體保溫條件下總的熱損熱流量為：

可見，套層保溫方法與常規分體保溫方法的節能熱流量與熱油溫度與散熱環境溫度之差（tf1-tf3）有關、與散熱環節的熱阻分布有關。在保溫材料、厚度及保溫箱形狀大小一定的情況下，兩種保溫方法相比較時的節能熱流量Δφ 與熱油溫度與散熱環境溫度之差（tf1-tf3）成正比。

7 套層保溫與常規分體保溫的節能案例分析

參數取值及說明：

導熱油溫度tfi=300（℃）（使用320#導熱油，實驗使用溫度）

環境溫度tf2=14.7（℃）（我國中部地區的年平均氣溫）

熱油箱1 保溫層巖棉的熱導率λ1=0.031+0.00018（tf1+tf2）/2（資料值）

冷油箱2 保溫層巖棉的熱導率λ2=0.031+0.00018（tf2+t3）/2（資料值）

導熱油與筒壁之間的表面換熱系數α1=110（W/m2·℃）（經驗值）

冷油箱2 外與空氣之間的表面換熱系數α2=11.6（W/m2·℃）（資料值）

導熱油的比熱容C=2.72kJ/kg·K（320#，300℃時，供應商提供）

導熱油的密度ρ=850kg/m3（320#，300℃時，供應商提供）

（1）利用上述數據并設定保溫層厚度δ1=50mm，δ2=50mm時，利用平衡方程可求得平衡溫度t0和24 小時熱損率η

由表2 數據可見：

當熱油箱1 容積V 在5m3-100m3的范圍內變化時，平衡溫度t0的變化量微小，平均值t0=151.8℃，最大偏差ζ=0.9%，所以我們可以認為，在保溫材料和保溫厚度一定時，套層保溫方法下的熱油箱的平衡溫度是恒定的。

t0=151.8℃與tf1=300℃的比值是0.506，此比值包含在換熱組件4 低溫口溫度與高溫口溫度比值范圍之內，即我們可以通過調整換熱器換熱面積、換熱工質流量的方法使得換熱組件4的低溫口工質溫度保持在平衡溫度t0，亦即我們完全可以用平衡溫度t0代表常規熱油保溫箱在相同保溫條件下的冷油箱2內工質的溫度tf2。

表2 不同容積下的平衡溫度t0 和24 小時熱損率η

24 小時熱損率η 隨著熱油箱1 容積V 的增大而降低，且η＜1%，說明套層保溫效果非常理想。

（2）用平衡溫度t0代表常規熱油保溫箱在相同保溫條件下的冷油箱2 內工質的溫度tf2，比較并分析在保溫層厚度δ1=50mm，δ2=50mm 時，套層保溫與常規熱油保溫箱相在保溫效果和節能方面的益處。

表3 套層保溫與常規保溫的保溫效果與節能效益

表4 套層保溫與常規保溫的經濟效益比較

分析表3 的計算數據，我們可以得出如下結論；

套層技術的24 小時熱損率η1明顯優于常規技術下的24小時熱損率η2，η1僅是η2的41%左右，即套層保溫的保溫效果明顯優于常規技術；

從節能數據來看，套層保溫的24 小時節能(kwh）數量可觀，累積經濟效益顯著。

（3）套層保溫技術的綜合節能效益分析

為方便說明創新特征的經濟效益，我們將24 小時節能量(kwh 數）折算為電費。

綜合工業電價1.2 元/kwh

熱油箱和冷油箱的金屬材料使用鍍鋅鋼板：50 立方以下厚度3mm，50 立方以上厚度5mm,防護層厚度1mm，鍍鋅鋼板價格4.2 元/kg

保溫材料：巖棉，使用密度60kg/m3，材料價格195 元/m3；

價格來源于網絡報價；

表4 數據關系；

E=（A+B）-（C+D），G=10F-E；使用壽命10 年；僅計算材料費，不含安裝、制作費用。

分析表4 的計算數據，我們可以得出如下結論；

套層保溫方法的建造材料費雖然比常規技術下的材料費略高，但比起其節能價值來說幾乎可以忽略不計；

從長期來看，創新特征的節能效益特別顯著。