水平安装供热管道周向棉类绝热层的合理布置_安全运行

摘要

摘　要：针对工作钢管规格为0529×8，绝热层厚度为200 Inm，采用棉类绝热材料的水平安装供热管道，分析计算沿供热管道周向绝热层热导率的分布。水平安装供热管道的棉类绝热层

摘　要：针对工作钢管规格为0529×8，绝热层厚度为200 Inm，采用棉类绝热材料的水平安装供热管道，分析计算沿供热管道周向绝热层热导率的分布。水平安装供热管道的棉类绝热层上部热导率大，下部热导率小。提出将绝热层与钢管偏心布置(绝热层垂直上移)的方法，对偏心距进行了计算。

关键词：供热管道棉类绝热材料热导率偏心布置

Rational Arrangement of Circumferential Cotton Insulation Layer of Horizontally Installed Heating Pipeline

Abstract：The heating pipeline with outer diameter of 529mm and wall thickness of 8mm is horizontally installed using cotton insulation materials with thickness of 200mm，and the distribution of thermal conductivity of circumferential insulation layer along the heating pipeline is analyzed and calculated．The thermal conductivity of the upper part of cotton insulation layer along the horizontally installed heating pipeline is high，and that of the lower part is low．An eccentric arrangement method of insulation layer and steel pipe namely vertical shift of insulation layer is proposed，and the eccentric distance is calculated．

Key words：heating pipeline；cotton insulation material；thermal conductivity；eccentric arrangement

1　概述

绝热材料可分为棉类、非棉类两类。我国广泛应用的棉类绝热材料有岩棉、玻璃棉、硅酸铝棉、石棉、矿渣棉等，非棉类绝热材料有微孔硅酸钙制品、聚氨酯泡沫塑料、橡塑制品、水泥珍珠岩制品、泡沫混凝土制品、聚苯乙烯泡沫塑料等。

无论何种绝热材料，其自身热导率并不小，如混凝土的热导率约0.93 W／(m·K)，而泡沫混凝土制品的热导率约0.16 w／(m·K)。这是由于绝热材料内部比较均匀地密布着空气，空气的热导率很小。

传热形式分为导热、对流、辐射3种形式。导热是热量通过密实无空隙的固体传热，对流是热量通过流体携带热量的交换传热，辐射是通过真空以高频电磁波的方式将热量从一处传递到另一处。绝热材料热导率的含义是一般固体传热的一个常规系数，然而绝热材料并非密实无空隙的固体，也不是流体或真空，绝热材料是由固体与空气组成的复合体，因此绝热材料的传热是导热、对流与辐射并存的综合传热。

非棉类闭孔绝热材料有一项指标——闭孔率，聚氨酯泡沫塑料的闭孔率约98％，聚苯乙烯泡沫塑料的闭孔率也很高，棉类绝热材料没有此项指标，这是由于棉类绝热材料的闭孔率为零。闭孔比较均匀地分布在绝热材料内部，闭孔之间不相通，空气只能在一个闭孔内流动。闭孔薄壁阻止绝热材料内的空气大范围流动，并形成对流传热的热阻，因此闭孔率越高，绝热材料的热阻越大，热导率越低。非棉类闭孔绝热材料除闭孔内的对流传热外，还存在闭孔内的辐射传热以及闭孔薄壁的导热。因此，对于非棉类闭孔绝热材料，导热、对流、辐射3种传热方式并存。

非棉类不闭孔绝热材料的一般特征是密度较大，如微孔硅酸钙制品的最小密度为l70kg/m³，最大密度可达到270kg／m³。因此非棉类不闭孔绝热材料内部空气量较少，热导率较大。

棉类绝热材料一般由无机材料纤维组成，特征是不闭孔、密度小、热导率小。由于棉类绝热材料内部所含空气量较大，而且不闭孔，因此相对于非棉类绝热材料，棉类绝热材料的对流传热量比例较大。

本文主要对水平安装供热管道周向棉类绝热层合理布置进行研究，未特殊指明的均指棉类绝热材料。

2　绝热层热导率与方向的关系

①理论分析

由于流体的密度与温度的变化关系相反，因此形成自然对流传热的必要条件是高温侧在下，反之不会形成自然对流传热。供热管道绝热层内的对流传热属于自然对流传热。水平安装供热管道绝热层内空气流向见图1，图中箭头为绝热层内空气的流向。工作钢管附近的高温空气沿工作钢管外壁自下而上向上流动，低温空气沿保护层内壁自上向下流动。由于棉类绝热材料的对流传热量比例较大，加之棉类绝热层内部的热空气向上流动，因此热导率与方向相关，向上的热导率较大，向下的热导率较小。

②试验验证

采用测温法，在特定条件下试验验证绝热层热导率与方向的关系。特定条件：供热管道工作钢管规格为Æ529×8，绝热层厚度为200mm，绝热材料为某品牌超细玻璃棉(密度为48 k9／m3)，供热介质温度为270℃，测温时的室外温度为1℃。为避免阳光照射和风力的影响，在风速几乎为零且阴天无太阳照射的情况下测温。

分别对垂直安装与水平安装的供热管道进行测温，截面设12个测点(见图2)，12个测点均匀分布，测点与绝热层外表面的距离为20mm，所选择的测温截面的绝热材料比较均匀。垂直与水平两种安装方式下的测点温度见表1。由表1可知：对于垂直安装供热管道，l2个测点的平均温度为37.18℃。对于水平安装供热管道，12个测点的平均温度为37.85℃。对于两种安装方式，虽然测点平均温度基本一致，但是水平安装供热管道测点l的温度最高，比测点7的温度高9.2℃，这说明水平安装供热管道的绝热层热导率有明显的方向性。

3　方向性热导率方程

针对特定条件，建立方向性热导率方程。水平安装供热管道的截面见图2，设与x轴夹角q方向上的热导率为lq，则方向性热导率方程式为：

lq=ls+ldsinq (1)

式中lq——与x轴夹角lq方向上的热导率，W／(m·K)

ls——绝热层在水平方向的基本热导率，W／(m·K)

ld——方向性附加热导率，W／(m·K)，即相对于水平方向，垂直方向的热导率增量

q——传热方向与戈轴的夹角，rad

厂家提供的ls计算式为：

ls=0.029071+1.10022×10^-4t+7.65229×10^-10t³ (2)

式中t——绝热层的平均温度，℃

供热管道单位长度热损失△多的常规计算式为：

式中DF——供热管道单位长度热损失，W／m

th——供热介质温度，℃

t0——室外温度，℃

l——绝热层的基本热导率，w／(m·K)，取0.0454 W／(m·K)

dz——绝热层外表面直径，m，为0.929m

dw——工作管道外径，m

Kw——从绝热层外表面至保护层外侧空气之间的传热系数，W／(m²·K)，为11.6 W／(m²·K)

对于水平安装供热管道，设定绝热层热导率与方向无关且等于测点n方向的热导率ln，根据式(3)与能量守恒定律，以测点所在圆为分界线，测点内圆绝热层与测点外圆绝热层的热流量相等。供热管道单位长度热损失DF可写为：

式中tn——测点n的温度，℃

ln——测点凡的热导率，W／(m·K)

dn——测点凡所在圆周直径，m，为0.889m

由测点平均温度37.85℃、供热介质温度270℃、室外温度l℃，可计算得各区域算术平均温度，并由式(2)计算得到各区域在水平方向的基本热导率。根据计算结果对式(4)进行修正，以得到相对准确的方程：

将已知数据代入式(5)得：

将表l中水平安装供热管道各测点温度代入式(6)可得各测点的热导率(对称测点取热导率的平均值)：l1=0.1369w／(m·K)，l2≈l12=0.1230W／(m·K)，l3≈l11=0.1045 W／(m·K)，l4≈l10=0.0748W／(m·K)，l5≈l9=0.0444W／(m·K)，l6≈l8=0.0300W／(m·K)，l7=0.0139W／(m·K)。