[摘要]隨著熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱的蓬勃發(fā)展，長(zhǎng)距離蒸汽管網(wǎng)的數(shù)量不斷增加，這勢(shì)必對(duì)蒸汽管道的保溫工程提出更高的要求。新型二氧化硅氣凝膠絕熱氈的應(yīng)用為蒸汽管道的保溫提供了更多的選擇。為了研究氣凝膠絕熱氈復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)的實(shí)際保溫效果，對(duì)蒸汽管道的傳熱條件進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過(guò)數(shù)據(jù)整理和分析得出了基本結(jié)論，為今后復(fù)合材料保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了參考。
[關(guān)鍵詞]氣凝膠絕熱氈納米復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)；熱管網(wǎng)絡(luò)；保溫工程；
1 前言
技術(shù)材料加工工業(yè)的不斷發(fā)展在中國(guó),保溫材料有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展,一種新型的二氧化硅氣凝膠隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)低,保溫性能好,穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì),高溫不燃,完全防水,無(wú)毒,綠色環(huán)保,和許多其他的優(yōu)良性能,的高溫蒸汽管道、直埋蒸汽管道工程率先使用。為了探討復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)的實(shí)際保溫效果，作者通過(guò)仿真計(jì)算了蒸汽管道的傳熱狀況，進(jìn)行了數(shù)據(jù)整理、計(jì)算分析，得出了基本結(jié)論，為今后復(fù)合材料保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了參考。
2氣凝膠材料簡(jiǎn)介
2.1 氣凝膠
氣凝膠(氣凝膠)，由美國(guó)凱斯特于1930年首次合成。其組成為98%的空氣。它是一種新型的以納米顆粒和空氣為分散介質(zhì)的非晶固體材料。輕質(zhì)納米多孔材料的熱性能和電學(xué)性能。氣凝膠是目前已知的導(dǎo)熱系數(shù)最低和隔熱性能最好的材料，納米多孔三維結(jié)構(gòu)，主要成分為二氧化硅，故又稱二氧化硅氣凝膠。
二氧化硅氣凝膠是三種有效的防止熱傳導(dǎo)的方法，因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的納米孔結(jié)構(gòu)。凝膠涂布的空氣，直徑為30～70nm可以減少熱對(duì)流（70nm時(shí)空氣體靜止）。納米多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致堆積密度和無(wú)限長(zhǎng)的凝膠壁，可以無(wú)限地減少熱傳導(dǎo)；弧形表面結(jié)構(gòu)眾多，并且有許多遮陽(yáng)效果，可以無(wú)限期地減少熱輻射。
氣凝膠氈在管道保溫工程中施工現(xiàn)場(chǎng)圖
2.2二氧化硅氣凝膠絕熱材料的特性及比較分析
1、導(dǎo)熱系數(shù)低
氣凝膠絕熱氈的導(dǎo)熱系數(shù)低于其他傳統(tǒng)絕熱材料。在30 0℃時(shí)，氣凝膠氈的導(dǎo)熱系數(shù)僅比其他材料低，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于其他材料。在相同的保溫條件下，保溫厚度僅為傳統(tǒng)保溫材料的1/4/1/5，大大降低了保溫層的厚度。將其應(yīng)用于直埋蒸汽管道，可以減小套管的尺寸，減少埋地開(kāi)挖量，降低套管材料、運(yùn)輸和施工成本。
2、散熱損失小，節(jié)能率高
在相同的表面溫度下，氣凝膠絕熱層的厚度減小，散熱面積明顯減少，管道熱損失減少，長(zhǎng)距離蒸汽管道的溫降和壓降大幅度降低，能耗損失大。有效減少。
3、防水性好
氣凝膠隔熱襯墊疏水率是99%或更高,沒(méi)有特別的防水措施,在雨中或潮濕的環(huán)境中仍然可以施工。和傳統(tǒng)材料不完全防水,保護(hù)板表面噴涂金屬防水密封膠。
4、抗壓抗拉
在變形量為10%時(shí)，氣凝膠絕熱氈的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于100 kPa，可充分承受導(dǎo)管的載荷。然而，傳統(tǒng)的保溫材料結(jié)構(gòu)松散，壓縮變形大，壓縮彈性差，壓縮后導(dǎo)熱系數(shù)明顯提高。使用氣凝膠絕熱氈可以減少某些不可控因素對(duì)絕熱效果的影響。
5、使用壽命
氣凝膠絕熱氈在使用過(guò)程中具有良好的完整性、良好的抗震、抗拉強(qiáng)度、無(wú)顆粒堆積、沉降等現(xiàn)象，20年的收縮模擬試驗(yàn)小于1，導(dǎo)熱系數(shù)不變。傳統(tǒng)保溫材料結(jié)構(gòu)松散，重量、設(shè)備振動(dòng)、材料水易導(dǎo)致材料崩解、沉降、保溫效果明顯降低。
包扎好氣凝膠氈的管道現(xiàn)場(chǎng)圖
3高溫?zé)崃艿拦こ贪咐?jì)算
3.1 工況條件
江蘇某化工企業(yè)某工藝流程需要4.5MPa以上450℃的高溫高壓蒸汽，蒸汽必須從附近的發(fā)電廠供應(yīng)。因此，有必要鋪設(shè)蒸汽管道加熱2公里左右。具體工作條件如下：
1.管徑：OD219X8；
2、介質(zhì)：過(guò)熱蒸汽；
3、初始?jí)毫Γ?.3MPa；
4、啟動(dòng)溫度：460-490℃；
5、蒸汽流量:15-36 t / h。
6.平均環(huán)境溫度：14℃；
7. 平均風(fēng)速：3m/s；
8、要求：1000米管溫降小于7.5攝氏度。
由于管道流量不穩(wěn)定，變化幅度大，管道的保溫要求很高，管道的熱損失也盡量減少。因此，作者打算采用二氧化硅氣凝膠作為絕熱材料。采用傳統(tǒng)的復(fù)合硅酸鋁材料進(jìn)行了計(jì)算和比較。
3.2 保溫材料主要參數(shù)對(duì)比
計(jì)算了硅質(zhì)氣凝膠絕熱氈和復(fù)合硅酸鋁氈的工藝參數(shù)：
二氧化硅氣凝膠絕熱氈指標(biāo)
復(fù)合硅酸鋁氈計(jì)算指標(biāo)
對(duì)于有憎水要求的，憎水率不小于93％
3.3 保溫厚度及表面溫度效果計(jì)算
1、保溫厚度設(shè)計(jì)方案
由于二氧化硅氣凝膠的成本較高，為了避免工程材料的高成本，作者采用復(fù)合保溫（氣凝膠+硅酸鋁）1和傳統(tǒng)保溫2兩種方案進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，具體如下：
保溫厚度設(shè)計(jì)方案
2、保溫效果分析
參考GB / T 8175 - 8175《設(shè)備及管道保溫設(shè)計(jì)指南計(jì)算熱損失,根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和修正。
計(jì)算公式如下：
其中：
q線：管道線散熱損失，w/m
T：介質(zhì)溫度，℃；
Ta：環(huán)境溫度，℃；
λ：導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m?k）
D0：保溫層外徑，m；
Di：管道外徑，m；
ω：風(fēng)速，m/s；
α：表面放熱系數(shù)，W/（m?k）
根據(jù)管道的熱損失和以下計(jì)算公式，可以計(jì)算管道的溫降：
其中，
C：介質(zhì)定壓比熱，J/（kg?℃）
L：管道長(zhǎng)度，m；
Q：流量，t/h；
n：修正系數(shù)。
按IAPWSIF97水汽參數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，溫度為460℃，壓力5.3PMa為過(guò)熱蒸汽。恒壓比熱為2377.9J/(kg℃)。
保溫厚度設(shè)計(jì)結(jié)果
通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，二氧化硅氣凝膠復(fù)合硅酸鋁復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)能有效地減小管道保溫墻的厚度，對(duì)于高溫管道具有更加實(shí)際的應(yīng)用條件。建議今后高溫（340攝氏度以上）蒸汽管道應(yīng)采用該保溫形式。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著集中供熱的不斷推廣，蒸汽管網(wǎng)的敷設(shè)距離從經(jīng)濟(jì)半徑早期的5km延長(zhǎng)到目前的20~30 km長(zhǎng)距離輸電網(wǎng)絡(luò)。原有的保溫方法和方法已不能滿足運(yùn)行要求。硅質(zhì)氣凝膠氈的使用很好地解決了絕熱緣和絕緣材料的問(wèn)題。在蒸汽溫度高、場(chǎng)地狹小、惡劣的條件下，有很好的發(fā)揮空間。材料價(jià)格在后期趨于合理后，可以大面積推廣。通過(guò)精確的模擬計(jì)算，可以有效地降低管道熱損失，降低管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。
本文結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，采用硅氣凝膠復(fù)合硅酸鋁保溫結(jié)構(gòu)，將管道的溫度和壓降到最低，為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。
參考文獻(xiàn)
〔1〕施振球。動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006
[2]GB 50264 - 2013工業(yè)設(shè)備和管道保溫工程設(shè)計(jì)規(guī)范,2013年