利用计算机研究单层保温对管道散热的影响

吕慧敏，刘新状

（中国电子工程设计院有限公司）

1 引言

管道保温的主要目的是减少热量损失，防止管道内的热介质凝结;减少锅炉提供的热量，降低燃料消耗，达到节能目的。

目前，在工程设计中主要采用经济保温层厚度方法，但是该方法受设计保温层运行年数、热量的价格和保温材料的年分摊费用等多种因素的影响，由于这些因素在不同的时间段内存在变数，所以经济保温层厚度会发生变化。运行时，上述因素发生变化，那么当下的经济保温层厚度就不是设计时的经济保温层厚度。由于存在变数，文章不采用经济保温层厚度方法进行研究，直接研究散热量与保温层厚度的关系。

管道的排布方式不同，管道保温层散热损失的计算方法不同，由于实际中水平管道占比非常大，所以文章只研究水平管道的保温层厚度对散热的影响。管道输送过程中热介质在管道内部，因此其散热的过程为：热量由管道内部传热到管道外表面(文章研究的是金属管道，因此该部分的热阻非常小，所以不考虑该部分热阻)，再由管道外表面传热到保温层的外表面，再通过保温层的外表面对流和辐射传热到环境中，多层保温的计算与单层保温计算类似，所以本文只用单层保温为例进行研究。该过程需要分上述两部分(对流传热和辐射传热)进行计算。具体单层保温散热量公式如下[1]:

其中:t,ta,ts分别为管道的外表面、环境、外表面温度℃；Ri为隔热层热阻，m·K/W；Rs为隔热层表面热阻，m·K/W；α为隔热层外表面向大气的放热系数，W/m2·℃；q为单位表面热损失量，W/m；D0为隔热层外直径，m；Di为隔热层内直径，m；λ为隔热层材料制品的导热系数，W/m2·℃.

上述隔热层外表面的放热系数α是辐射放热系数αr和对流放热系数αc的综合值。即：

αr为辐射放热系数，W/m2·℃；αc为对流放热系数，W/m2·℃；α为表面放热系数，W/m2·℃。

当管道敷设情况比较复杂，要求精确计算时，可按JISA9501规定计算。

Cb为完全黑体的辐射常数4.88；ts为表面温度，℃；ta为环境温度，℃；ε为镀锌板为0.5。

Vm风速m/s。

保温材料的导热系数λ:

A，B是不同材质的保温材料系数；tm为平均温度，℃。

其中tm:

符号的意义与上面相同。

将公式(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温度ts，要求出管道外表面温度，通过人工计算，该过程非常困难，所以采用计算机对该方程进行求解。

以岩棉保温壳为保温材料，其导热系数方程为0.040+0.0002tm[1]，计算达到的精度要求为0.000001，以内部管道的表面温度350℃、环境温度15℃、风速2.0m/s、管道直径350mm为参数，对管道的表面温度和散热量进行计算[2]。

图1 保温层厚度对管道外表面温度影响

图2 保温层厚度对管道散热量的影响

图3 风速对保温层外表面温度影响

图4 风速对保温散热量的影响

2 探讨保温层厚度对表面温度和散热量的影响

当不同的保温层厚度时，其对管道散热量和管道的外表面温度的影响如图1和图2所示。

由图1和图2可知：管道的散热量随着保温层的厚度的增加而明显减小，从散热趋势可以看出，管道由无保温到增加保温，其散热趋势下降比较明显，只要进行保温，其散热量就会明显的减小，尤其当保温层厚度超过200mm后，散热损失明显趋于一个常值，即增加保温层厚度对散热损失的影响很小，所以在保温层的厚度达到一定数值后，其经济性就比较差。管道的外表面温度随着保温层厚度增加而逐渐减小，当达到一定的厚度时，其减小的趋势也比较小。

3 探讨风速对表面温度和散热量的影响

图5 保温散热计算程序界面

保温层厚度为200mm的岩棉保温壳材料，计算精度为0.000001，管道的外表面温度为350℃，环境温度为15℃，管道直径为350mm，以此为例计算风速对保温层外表面和散热量的影响，其影响如图3和图4所示。

由图3和图4可知：在正常保温情况下，风速对散热量的影响较小，对保温层外表面的温度影响也较小，所以在保温合理的情况下，风速对其散热影响很小。

程序界面如图5所示，程序计算简单快捷。

4 结语

由以上分析可知，热管道的散热量受保温层厚度影响较大，尤其是保温层厚度比较薄的情况下，随着保温层厚度的变化其散热量变化很大，当保温层达到一定厚度时，随着保温层厚度的变化其散热量变化不明显；在合理保温层厚度的情况下，风速的变化对散热损失的影响非常小。