关于大型空分设备制造企业中蒸汽阀门热损失量的计算研究

文_童炜强 李韵歌 杭州制氧机集团股份有限公司

在整个热力系统中，节能潜力的挖掘主要从两方面考虑，一方面提高换热器单元的换热效率；另一方面加强整个热力系统的保温效果。其中加强热力系统保温效果，选择适合的保温材料，可以有效降低热量损失，技术门槛较低，且投资回报率较好。

杭州制氧机集团股份有限公司（简称“杭氧”）为大型成套空分设备制造企业，其热力系统介质为蒸汽，热力主要用于超声波清洗以及产品的烘干工艺，蒸汽管道符合国标《GB50264-2013工业设备及管道绝热工程设计规范》要求，但在保温层施工的过程中，由于蒸汽阀门相对表面积较小，且需要不定期的操作以及维修更换，往往忽略了对蒸汽阀门的保温，尤其是末端蒸汽阀门的保温。因此，本文采用相关的热力学方法做定量计算，研究一只蒸汽阀门（横置）不做保温一年损失的热量，为提高能效提供支撑。

1 能量计算

杭氧所用的蒸汽来自于附近热电厂，热力管道内介质为0.6MPa的过热蒸汽，蒸汽温度达到200℃，蒸汽阀门在未做任何保温的情况下，经实测，其外表面裸露温度可达到170℃。因此，在这样的高温之下，即使裸露的表面积比较小，其散失的热力也不容忽视。

根据传热学中热量传递的基本方式来分，蒸汽阀门对外界的热损失主要分为辐射散热损失和对流换热损失两类。杭氧所用DN160的蒸汽阀门不做任何保温的热损失计算如下：

1.1 辐射散热量

热辐射是三种基本的热量传递方式之一，它的传热机理与热传导、热对流有着根本的不同。由于自身温度或者热运动的原因而激发出电磁波的方式称为热辐射，决定辐射散热量大小的因素主要包括物体的外表面积和辐射力。

1.1.1 表面积计算

在正常使用的情况下，蒸汽阀门如不做保温处理，其裸露面包括阀体外表面及两端法兰外表面，因此蒸汽阀门的表面积计算如下：

式中 S—阀门表面积，m2；D—管道直径，m；K—系数，取1.05；N—法兰个数。

1.1.2 辐射散热量计算

根据斯忒藩-玻尔兹曼定律，一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量（称为物体的辐射度或能量通量密度）与黑体本身的热力学温度T（又称绝对温度）的四次方成正比。蒸汽阀门的辐射散热量计算如下：

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式中 Q—辐射散热量，W；E—辐射力，kW/m2；ε—材料表面法向发射率，取0.82；C0—黑体辐射系数，5.669W/（m2·K4）；T1—管壁的热力学温度，K；T2—环境的热力学温度，K。

从以上计算可以得到，DN160蒸汽阀门在不保温的情况下，每秒向外界辐射散热损失达到672.56W，即相当于一台800W的小型电机在长时间不间断的运行。

1.2 对流换热量

以横向放置的蒸汽阀门为例，进行计算阀门的对流换热量，此处的对流应属于自然对流，即不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。自然对流中，流体沿壁面流动完全是因为壁面与流体之间存在温差，靠近壁面一层流体受热，密度减小，向上运动，冷流体来补充，因而产生浮升力，这样流体的运动就不需要外力来完成了，所以壁面与流体之间的温差是流体产生自然对流和换热的根本原因，温差越大，对流越激烈，热交换越强，因而自然对流有层流和湍流之分。以下就通过热力学公式来计算未做任何保温措施的蒸汽阀门的对流换热损失。

根据空气热物性软件计算结果，95℃时空气的物理特性如下：

导热系数：λ=0.0270 W/（m·K）；

普朗特数：Pr=0.69（动量扩散厚度与热量扩散厚度之比的一种度量）。

得到空气热物性相关参数以后，就可以通过计算格拉晓夫数来判断对流的状态，格拉晓夫数是浮升力与粘滞力之比的一种度量，计算公式如下：根据表1可得，此对流形式为层流，则努塞尔数是壁面上流体的无量纲温度梯度，其值计算可得：

Nu=C（Gr×Pr）n=0.48×（3.23×107×0.69）1/4=32.98。

表1 系数C、n取值查询表

对流换热表面传热系数计算可得：

对流换热量计算可得：

Q2=ShΔt=0.464×5.57×（170-20）=387.67W。

从以上计算可以得到，DN160蒸汽阀门在不保温的情况下，每秒向周围环境中对流换热损失达到387.67W，即相当于一台450W的小型电机在长时间不间断的运行。

1.3 总散热量

一只DN160的蒸汽阀门总散热量包括其辐射散热量和对流换热量，计算可得：Q阀=Q1+Q2=672.56+387.67=1060.23W。

如按实际使用时间，除去停汽维修及厂休时间，一年300d，每天24h保通汽计算，一年的散热量为：Q年=1.06023×3600×300×24÷4.186=6565017kcal；折算成标准煤是6565017kcal÷7000 kcal/kg=937.86kgce。

根据计算结果可以看出，一只蒸汽阀门（横置，DN160）如不做任何保温，每年的热损失量约为0.94tce，相当于每年多消耗7648.5kWh的电量，或者每年多损失9.5t蒸汽，多排放3.51t二氧化碳。

2 处理方法

蒸汽阀门在日常运行中，需要定期检修和并定期维护，涉及到拆装等操作，如果采用普通岩棉材料则无法二次利用，这样阀门就需要再次做保温处理，不仅增加了工作量，也增加了使用成本。目前常用的处理方法是采用保温效果好、拆装简便、能二次利用的可拆卸式阀门保温套或柔性阀门保温衣等产品。保护层一般采用玻璃钢复合结构，具有良好的绝热性能，保温层的厚度及材质使用符合导热系数设计要求，定制的保温套与阀门形状契合，不仅外形美观，更能减少热对流的产生，从而达到较好的保温效果。

3 节能效果

通过对蒸汽阀门加装保温护套，其外表面温度可降低至40℃以下。通过计算，其散热量将降低至155W其节能率可达80%以上。

4 结语

从节能管理的角度来考虑，良好的保温是每一个热力系统节能的重要环节，由于蒸汽阀门外形相对复杂，而且阀门需要频繁的操作和定期的维保，因而经常可以看到许多用热单位仅对蒸汽管道做了较好的保温，但对蒸汽阀门却没有做任何的保温处理。这样不仅导致由于过多的散热实能耗增加，而且也会造成工作环境温度较高和潜在的烫伤隐患，并且管线散热量的增加也加速了蒸汽冷凝的速率，造成高温冷凝水排出量的加大，因而随冷凝水带走的热量也随之增加，导致更进一步的能源浪费。因此，在整个热力系统管网中，除了热静力型疏水阀前需要有1m以上不保温的过冷管外，在其它形式的疏水阀之前应尽量做好全方位保温措施，尤其是蒸汽阀门等比较容易忽视的地方。