利用計算機研究單層保溫對管道散熱的影響

呂慧敏，劉新狀

（中國電子工程設計院有限公司）

1 引言

管道保溫的主要目的是減少熱量損失，防止管道內的熱介質凝結;減少鍋爐提供的熱量，降低燃料消耗，達到節能目的。

目前，在工程設計中主要采用經濟保溫層厚度方法，但是該方法受設計保溫層運行年數、熱量的價格和保溫材料的年分攤費用等多種因素的影響，由于這些因素在不同的時間段內存在變數，所以經濟保溫層厚度會發生變化。運行時，上述因素發生變化，那么當下的經濟保溫層厚度就不是設計時的經濟保溫層厚度。由于存在變數，文章不采用經濟保溫層厚度方法進行研究，直接研究散熱量與保溫層厚度的關系。

管道的排布方式不同，管道保溫層散熱損失的計算方法不同，由于實際中水平管道占比非常大，所以文章只研究水平管道的保溫層厚度對散熱的影響。管道輸送過程中熱介質在管道內部，因此其散熱的過程為：熱量由管道內部傳熱到管道外表面(文章研究的是金屬管道，因此該部分的熱阻非常小，所以不考慮該部分熱阻)，再由管道外表面傳熱到保溫層的外表面，再通過保溫層的外表面對流和輻射傳熱到環境中，多層保溫的計算與單層保溫計算類似，所以本文只用單層保溫為例進行研究。該過程需要分上述兩部分(對流傳熱和輻射傳熱)進行計算。具體單層保溫散熱量公式如下[1]:

其中:t,ta,ts分別為管道的外表面、環境、外表面溫度℃；Ri為隔熱層熱阻，m·K/W；Rs為隔熱層表面熱阻，m·K/W；α為隔熱層外表面向大氣的放熱系數，W/m2·℃；q為單位表面熱損失量，W/m；D0為隔熱層外直徑，m；Di為隔熱層內直徑，m；λ為隔熱層材料制品的導熱系數，W/m2·℃.

上述隔熱層外表面的放熱系數α是輻射放熱系數αr和對流放熱系數αc的綜合值。即：

αr為輻射放熱系數，W/m2·℃；αc為對流放熱系數，W/m2·℃；α為表面放熱系數，W/m2·℃。

當管道敷設情況比較復雜，要求精確計算時，可按JISA9501規定計算。

Cb為完全黑體的輻射常數4.88；ts為表面溫度，℃；ta為環境溫度，℃；ε為鍍鋅板為0.5。

Vm風速m/s。

保溫材料的導熱系數λ:

A，B是不同材質的保溫材料系數；tm為平均溫度，℃。

其中tm:

符號的意義與上面相同。

將公式(3)，(4)，(5)代入公式(1)，得到的方程式中，未知的只有管道外表面溫度ts，要求出管道外表面溫度，通過人工計算，該過程非常困難，所以采用計算機對該方程進行求解。

以巖棉保溫殼為保溫材料，其導熱系數方程為0.040+0.0002tm[1]，計算達到的精度要求為0.000001，以內部管道的表面溫度350℃、環境溫度15℃、風速2.0m/s、管道直徑350mm為參數，對管道的表面溫度和散熱量進行計算[2]。

圖1 保溫層厚度對管道外表面溫度影響

圖2 保溫層厚度對管道散熱量的影響

圖3 風速對保溫層外表面溫度影響

圖4 風速對保溫散熱量的影響

2 探討保溫層厚度對表面溫度和散熱量的影響

當不同的保溫層厚度時，其對管道散熱量和管道的外表面溫度的影響如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知：管道的散熱量隨著保溫層的厚度的增加而明顯減小，從散熱趨勢可以看出，管道由無保溫到增加保溫，其散熱趨勢下降比較明顯，只要進行保溫，其散熱量就會明顯的減小，尤其當保溫層厚度超過200mm后，散熱損失明顯趨于一個常值，即增加保溫層厚度對散熱損失的影響很小，所以在保溫層的厚度達到一定數值后，其經濟性就比較差。管道的外表面溫度隨著保溫層厚度增加而逐漸減小，當達到一定的厚度時，其減小的趨勢也比較小。

3 探討風速對表面溫度和散熱量的影響

圖5 保溫散熱計算程序界面

保溫層厚度為200mm的巖棉保溫殼材料，計算精度為0.000001，管道的外表面溫度為350℃，環境溫度為15℃，管道直徑為350mm，以此為例計算風速對保溫層外表面和散熱量的影響，其影響如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知：在正常保溫情況下，風速對散熱量的影響較小，對保溫層外表面的溫度影響也較小，所以在保溫合理的情況下，風速對其散熱影響很小。

程序界面如圖5所示，程序計算簡單快捷。

4 結語

由以上分析可知，熱管道的散熱量受保溫層厚度影響較大，尤其是保溫層厚度比較薄的情況下，隨著保溫層厚度的變化其散熱量變化很大，當保溫層達到一定厚度時，隨著保溫層厚度的變化其散熱量變化不明顯；在合理保溫層厚度的情況下，風速的變化對散熱損失的影響非常小。