保温管道散热损失评估与结构优化设计.pdf

保温管道散热损失评估与结构优化设计李春成1 ，陈盛军1 ，李世武2{ l 、中油抚顺石化设备检测监理研究中心抚顺1 1 3 0 0 8 )( 2 、西北工业大学动力与能源学院西安7 1 0 0 7 2 )摘要；本文通过对管道保温评估测试数据分析，结合专业计算，对保温管道表面温度场分布情况进行分析，并为达到最佳保温效果和最小热损，从结构上提出优化设计方法关链词：管道、保温评售、教热损失、结构优化一、前言工业管道保温技术作为企业主要节能措施之一，在实际工作中．为减少管道保温散热损失，使其达到相关国标要求，并减少材料浪费，在保温层厚度设计选择上通常有以下三种方式；l 、经济保温屡厚度；2 、给定允许单位面积热损失下的保温层厚度；3 、安全保温层厚度在保温工程研究领域中，由相关研究文献中可获得如下结论：保温结构的设计以经济保涅层厚度为首选，经济管径与经济保温层厚度同步选择，丽县前管道保温层厚度设计大多采取的是等厚度的，如果采用非等厚度的保温层，保温效果如何? 下面将傲简要阐述二、保温工程现状2 ．' 管道保温层犀度的常规确定方法在实际保温工程中，为了减少保温结构散热损失及控制材料费用，经济保温层厚度的选取应遵循着节能与减少保湿建设费的原则，也就是最小保温工程年度化费用原贝} j 。

有关管道及设备保温层经济厚度的确定，已在国家标准和其它大量文献中报道，如G B ／' T 4 2 7 2 ．1 9 9 2 《设备及管道保温技术通则》；G B ／T S l 7 5 ．1 9 8 7 《设备及管道保温设计导则》等2 ．2 有风情况下管道保温层外壁面的温度分布在保温工程中，以下的两个问题值得考虑：( 1 ) 由于流体绕圆柱体的流动很复杂，流体与圆柱壁之间的局部换热系数很难通过分析法求解，目前多数通过实验研究来求解 2 )在自然状况下，风的大小和方向，随着季节、天气、时间的变化，而较为频繁地变化基于上述分析建立的有风情况下的数学模型，来求解管道保温层外表面的局部换热系数分布、局部散热损失分布以及局部温度分布的问题，实用性并不强，且无太大的实际意义一2 7 3 —2 ．3 无风情况下管道保温屡外壁面的模拟方法研究对应着无风情况下的管道保温状况，一旦与不同温度的固体表面相接触，热边界层中的流体受固体表面温度的影响，其温度和密度将发生变化固体表面与流体之间的温度差，是流体产生自然对流和换热的根本原因本文提及系统温度分布的数值模拟，将管道保温层划分为多个能量单元，采用热网络方法建立各单元的能量守恒方程，并联立方程组求解。

对于保温层外表面的局部努谢尔数№，依据有可靠实验数据所得出得函数关系，即局部努谢尔数N u 随圆周角西的函数式Ⅳ0 ( ≯) = ( 1 —0 ．3 3 3 e o ‘3 1 ’一O ．1 l s i n ≯) ，( G r ·P r ) 1 7 4( 1 ) 嘶) = 半对于在无风的自然对流环境下，将保温管道划分为3 6 0 ×9 个能量单元，该保温管道和环境的参数为：管道外直径为4 0 0 m m ：保温层厚度为1 1 0 m m ；保温材料导热系数为0 ．0 5 W ／( m ．o C ) ：管内流体温度为3 0 0 0 C ；环境大气温度为非等厚度经济保温层的优化模型为：M i n ．C = A + B( 3 ) s t - A ：弓矗2 仁盟至幽．丝(4)42z～．B 瑚f ，砂半等④s ：罂芸( 6 )o = —————_l O l ( 1 + 矿叫⋯’删= 百瓦T o 而- T ,( 7 )耻士砌掣( 8 )‘2 ·死．丸D n一心= 而‰( 9 )谢) = 华( 1 0 )N u f 击、：r 1 —03 3 3 e o ·3 Ⅲ一01 1 s i n 击、．( G r ．p r 、1 1 4f 1 1 、对于以上各式中，M i n ．表示求最小值的优化计算，S t ．表示对优化目标函数C ( 保温管道的年总费用C ) 的约束条件。

上式表明沿着圆周方向，保温层厚度是个变量3 ．2 允许热损失下的非等厚度保温层的确定方法( 在环境无风状况下)当给出保温管道外表面所允许的热损失‰，则所对应的允许热损失下的保温层非等厚度J ( ≯) ，需由下式联立迭代求解，即 铲k ‰型2 z∞，R ? ：土血幽( 1 4 ) 2 ．刀．五D n7如= 忑南厅·口·U ．1 矿)( 1 5 )·———2 7 5 ·- - ——岍半∞，N u ( O ) = ( 1 —0 ．3 3 3 e o Ⅲ’一0 ．1 l s i n ≯) ．( G r ．P r ) ¨4( 1 7 )万( 妒) = [ D I ( 妒) 一D 1 ／2( 1 8 )四、两种经济保温层优化模型的分析比较在环境无风状况下，按国标提供的等厚度经济保温层优化模型且风速为0 ，与非等厚度经济保温层的优化模型进行比较，其中按如下参数：热价易= l o 元／1 0 6 k ．／；保温结构单位造价B = 7 5 0 元／肌3 ；年运行时间r = 8 0 0 0 h ；年复利率j = 1 0 ％：保温结构在平均温度下的导热系数A = o ．0 5 W ／( m ·℃) ；环境大气温度瓦= 5 ℃进行：为了使非等厚度经济保温层的优化计算更简捷和方便，先求出等厚度的经济保温层，然后以该等厚度经济保温层的百米散热损失量为基数，再求出非等厚度的经济保温层。

这样做，可反映非等厚度经济保温层与等厚度经济保温层的性能差别以下为两种经济保温层效果的比较，见表1 从表l 中可见，尽管非等厚保温层表面平均温度要比等厚度保温层的表面平均温度高，但是、非等厚度保温层平均散热系数却比等厚度保温层的平均散热系数低由于保温层外表表1 、不同管道直径下的两种经济保温层效果比较金属丝菲笙菲位菲墼非保温F口管道厚度等厚厚度等厚厚度等厚厚度等厚材料 壁面经济经济保温保温保温保温保温保温节省 温度保温保温层放层放百米百米材料材料蛊 管径层层熟系熟系热损熟损体积体积 数数失失 ℃’m mm mW l ( m 2 ．W ／( m = ．k Wk Wm ’m ％℃)℃、2 0 01 5 07 37 22 ．6 42 ．5 56 ．56 ．56 ．2 96 ．1 】2 ．9 8 m m3 0 01 0 09 82 ．7 52 ．6 79 ．59 ．59 ．4 89 ．2 32 ．6 64 5 01 2 01 1 72 ．8 12 ．7 41 1 ．91 1 ．91 1 ．9 91 1 ．6 82 ．5 74 0 0J 5 0817 92 ．3 92 ．3 16 ．36 3l ’7 ，1 1 ．8 53 ．0 3朋_ 『，l3 0 01 1 21 1 02 ．5 l2 ．4 49 ．．|9 ．41 8 ．0 81 7 ．6 02 ．6 24 5 01 3 51 3 32 ．5 82 ．5 11 1 ．81 1 ．82 2 ．7 22 2 ．1 62 ．5 06 0 015 08 58 2’’42 。

1 66 ．26 ．21 8 ．2 21 7 ．6 63 ．0 9打材捍3 0 0¨9i ? 62 ．3 72 2 99 ．49 ．4 ；2 6 ．7 52 6 ．0 42 ．6 34 5 01 4 31 4 02 ．4 42 ．3 71 1 ．7l I ．73 3 ．4 53 2 ．6 22 ．4 8面对环境的散热损失量O = a ·F ‘( v o - L ) ，这样一高一低的影响，就可使得在不同的保温层外表面面积F 下，非等厚度经济保温层外表面与等厚度经济保温层外表面具有相同的·———2 7 6 ·—一散热损失这也就是说，某处保温层外表面的温度较高．并不能说明该处的局部散热损失就大，这还要取决于该处的散热系数表1 清楚地表明了，非等厚度经济保温层取成与等厚度经济保温层具有相同的散热损失下，非等厚度经济保温层比等厚度经济保温层可以减小保温材料体积2 ．5 ％一一3 ％，郎减小保温工程费用2 ．5 ％一3 ％五、允许热损失下两种保温层确定模型的分析比较在环境无风状况下，按国标提供的允许热损失下的保温层模型且风速为0 ，与允许热损失下保温层非等厚度的优化模型进行表2 、允许热损失下的两种保温层效果比较图2 、非等厚度与等厚度经济保温层图等菲等非等非等非等j Ⅳ保温管厚等厚度等厚厚度等厚厚度等厚厚度等厚材料 道度厚保温保温保温层放保温层放保温保温保温材保温材节省直经度层表层表热系热系百米百米料体积料体积率径济经面温面温数数热损热损保济度度W ／( m 2 ．Cw ／{ m 2 ．C失失温保℃℃) ，)k Wk Wm ’m ’％1 1 1层温m层r r lm mm金属管道壁面温度1 5 0 ℃，等厚度保温层允许热损失为1 1 6 w ／。

t2 0 04 64 53 8 ．94 0 ．43 ．0 22 ．8 91 0 ．2I O ．23 5 ．5 83 4 ．2 93 ．6 34 0 05 04 84 l ，94 3 ．62 ．7 02 ．5 81 0 ．0I O ．O7 0 ．0 76 7 ．3 73 ．8 66 0 05 l4 94 3 ，84 5 ．82 ，5 22 ．4 09 ．89 ．81 0 4 ．6 91 0 0 ．4 64 ，0 4金属管道壁面温度3 0 0 “ C ，等厚度保温层允许热损失为18 6r v ．／, , , ：2 0 05 85 65 7 ．65 9 ．53 ．2 63 ．1 51 7 ．11 7 ．14 6 ．9 04 5 ．4 73 ．0 44 0 06 36 I6 2 ．26 4 ．52 ．9 42 ．8 31 6 ．81 6 ．89 1 ．7 38 3 ．8 63 ．1 36 0 06 56 46 5 ，46 8 ．O2 ．7 52 ，6 41 6 ．61 6 ．61 3 6 ．7 81 3 2 ．3 83 ．2 2金属管道壁面温度4 5 0 C ，等厚度保温层允许热损失为2 4 4 w ／所：2 0 06 66 47 2 ．47 4 ．93 ．4 03 ．2 82 2 ．92 2 ．95 5 ．0 65 3 ．4 62 ．9 04 0 07 27 0 ．7 8 、48 1 ．93 ．0 82 ．9 42 2 ．62 2 ．61 0 7 ．2 l1 0 3 ．8 S3 ．1 16 0 07 57 38 2 ．68 6 ．72 ．8 72 ，7 32 2 ．32 2 ．31 5 9 ．6 21 5 4 ．4 13 ．2 6比较，其中按如下参数：保温结构在平均温度下的导热系数五：0 ．0 5 ( W ／( m ·℃) ；环境大气温度￡= 5 ℃进行。

从表2 中可见，尽管允许热损失下的非等厚保温层表面平均温度要··——2 7 7 ·- 一比等厚度保温层的表面平均温度高，但是非等厚度保温层平均散热系数却比等厚度保温层的平均散热系数低表2 清楚地表明了，允许热损失下的非等厚度保温层取成与等厚度保温层具有相同的散热损失下，非等厚度保温层比等厚度保温层可以减小保温材料体积3 ％——4 ％，郎减小保温工程费用3 ％- - 4 ％六、结论本文通过对常规检测分析，建立了在环境无风状况下等厚度和非等厚度这两种经济保温层优化模型以及允许热损失下的等厚度和非等厚度这两种保温层优化模型在此认识和观点下，建立的管道非等厚度保温层的优化模型和理论方法，对管道保温工程具有实际的指导意义参考文献【l 】化工部热工设计技术中心站，热能工程设计手册，化学工业出版社，1 9 9 8 年6 月第一舨，4 9 2 - 4 9 9【2 j 李世武·供煞方案的热经济优化，工程热物理学报，z o t 4 ) ，1 9 8 9 ，3 7 2 - 3 7 4【3 】于明，保温层经济厚度的确定，化学工业与工程技术，1 9 ( 2 ) ，1 9 9 8 ，1 2 —1 4【4 】扬世镰羯文铨，传热学，高等教育出版社，1 9 9 8作者赫介李誊成，1 9 7 0 年出生，毕业于西北工业大学热能。