0 引言
氣凝膠作為一種納米多孔結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)固體材料,具有超低導(dǎo)熱系數(shù)?耐火不燃?疏水?輕質(zhì)等特點(diǎn),因其密度低被譽(yù)為世界上最輕的固體材料?在導(dǎo)熱性能方面,其材料性能遠(yuǎn)優(yōu)于目前應(yīng)用較多的硅酸鋁?聚氨酯等傳統(tǒng)材料?其他特性也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)材料在實(shí)踐應(yīng)用中存在易老化脆化?吸水導(dǎo)熱系數(shù)增大?空間占比高?更換頻率高等缺點(diǎn),是極佳的保溫材料?隨著生產(chǎn)工藝的改進(jìn),低成本?快速制備的常壓制備技術(shù)獲得研發(fā)應(yīng)用,在一定程度上改進(jìn)了氣凝膠的性能,也降低了其使用費(fèi)用,促進(jìn)其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用?實(shí)踐研究氣凝膠的應(yīng)用效果和保溫層的修正優(yōu)化計(jì)算,對(duì)促進(jìn)氣凝膠在具體的節(jié)能減碳項(xiàng)目中推廣應(yīng)用具有直接的實(shí)用價(jià)值?
1 氣凝膠的材料特性
氣凝膠根據(jù)其組分一般可分為無(wú)機(jī)氧化物氣凝膠?有機(jī)氣凝膠?有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化氣凝膠等聚合物增強(qiáng)氧化硅氣凝膠?碳化物氣凝膠及石墨烯氣凝膠等,此外還有一些多組分氣凝膠?其主要產(chǎn)品有氣凝膠絕熱氈?氣凝膠涂料?氣凝膠粉體?石墨烯氣凝膠復(fù)合纖維及柔性陶瓷納米纖維?
1.1物性穩(wěn)定性能好
氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于其他保溫材料,其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可有效阻止熱量的傳遞,并且隨著溫度的升高其導(dǎo)熱系數(shù)的增加速度緩慢,導(dǎo)熱性能穩(wěn)定?有研究其與傳統(tǒng)保溫隔熱材料發(fā)現(xiàn),氣凝膠的溫度傳遞延遲時(shí)間比傳統(tǒng)保溫隔熱材料多出1倍,衰減倍數(shù)可增大40%,其導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)保溫隔熱材料?同時(shí)由于氣凝膠內(nèi)的酸根和鹵素陰離子的量很低,在惡劣的環(huán)境下也不能產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染?
1.2同生命周期經(jīng)濟(jì)效果優(yōu)良
熱能領(lǐng)域的傳統(tǒng)保溫材料主要有硅酸鋁?聚氨酯等材質(zhì)的保溫材料?這些材料普遍存在導(dǎo)熱系數(shù)大?疏水性差?耐久性差和易老化等缺點(diǎn)?尤其是在露天環(huán)境下,隨著使用時(shí)間的增加,這類(lèi)保溫材料逐漸出現(xiàn)老化粉化脆化?吸水性變強(qiáng)?蒸汽滲透率高等不良問(wèn)題,嚴(yán)重地影響了保溫效果?尤其在保護(hù)層的接口處,雨水?空氣中水蒸氣?冷凝水會(huì)滲透到接口處周邊的保溫層部位,逐漸造成更大范圍的破壞?這些不利因素極大地降低了保溫材料的有效使用時(shí)間,不同的外界環(huán)境下有效使用期為3-5年?
氣凝膠本身具有導(dǎo)熱系數(shù)小?A級(jí)阻燃?高孔隙率?密度低?產(chǎn)品壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),是良好的露天保溫材料?在航空航天?工業(yè)和建筑保溫領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的潛力,有研究其使用壽命約20年?在相同生命周期和使用環(huán)境條件下,氣凝膠具有很好的經(jīng)濟(jì)適用效果?
1.3空間利用率高
氣凝膠因其特殊的材質(zhì)結(jié)構(gòu),造就了其低導(dǎo)熱和強(qiáng)憎水的特性,在相同的導(dǎo)熱性能要求下,氣凝膠的使用量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)保溫材料的使用量,極大地提高了設(shè)備保溫空間利用率,降低了應(yīng)用中的施工困難,節(jié)省存儲(chǔ)和操作空間?特別適用于一些受重量?體積或空間限制的特殊部位和環(huán)境?
2 氣凝膠產(chǎn)品示范應(yīng)用
2.1示范項(xiàng)目簡(jiǎn)介
為了獲得關(guān)于氣凝膠產(chǎn)品實(shí)踐應(yīng)用參數(shù),本文依托中西部地區(qū)一個(gè)大型煤礦的供熱改造項(xiàng)目,鋪設(shè)一條2100m的供熱蒸汽管道,從自備電廠首站分汽缸至煤礦的主副井供熱管道分別采用氣凝膠和硅酸鋁兩類(lèi)不同材質(zhì)的保溫材料?并采用兩種品牌的氣凝膠產(chǎn)品對(duì)比分析傳熱效果?室外工作管道采用鋼架支撐架空敷設(shè),配套建設(shè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)?
2.2數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)措施
為客觀地對(duì)比研究各保溫材料的真實(shí)導(dǎo)熱效果,本文采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)措施,通過(guò)蒸汽管道的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄工作管道各段的溫度?流量?壓力等參數(shù)?溫度監(jiān)測(cè)采用熱電偶傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集,熱電偶貼片沿管線和斷面布置?壓力測(cè)量采用壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集?流量測(cè)量采用流量計(jì)在線監(jiān)測(cè),測(cè)量管道內(nèi)蒸汽的流速和流量,監(jiān)測(cè)瞬時(shí)值和累計(jì)值?設(shè)定數(shù)據(jù)采集周期為60s,進(jìn)行連續(xù)記錄?
3 厚度計(jì)算和優(yōu)化算法
3.1保溫層厚度計(jì)算
保溫材料的選擇與計(jì)算是熱能工程設(shè)計(jì)和節(jié)能改造的重要內(nèi)容之一,不僅關(guān)系到供熱線路的初投資大小,也對(duì)供熱管線的熱工性能有直接影響?目前對(duì)保溫層厚度計(jì)算方法主要有三種:保溫層外表面允許最高溫度法?允許最大散熱損失法?經(jīng)濟(jì)厚度法?
本文從熱量傳遞的基本原理出發(fā),結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用的表面散熱損失限額標(biāo)準(zhǔn),考慮到金屬支座?補(bǔ)償器和其他附件產(chǎn)生的附加熱損失,對(duì)保溫層厚度計(jì)算公式進(jìn)行散熱修正,采用迭代驗(yàn)算的方法計(jì)算保溫層厚,驗(yàn)算值與限額值偏差取5%以內(nèi)?
供熱蒸汽工作管在結(jié)構(gòu)上其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于厚度,其對(duì)外散熱可視為圓筒壁的一維導(dǎo)熱,采用第一類(lèi)邊界條件,建立保溫層的導(dǎo)熱公式?引用第三類(lèi)邊界條件可計(jì)算單位管長(zhǎng)度圓管上的熱流量,示范項(xiàng)目采用的大型金屬無(wú)縫鋼管,直徑遠(yuǎn)大于壁厚,金屬導(dǎo)熱系數(shù)高,故壁厚熱阻忽略不計(jì),其工作管的外壁溫度與介質(zhì)溫度可視為相等?大多數(shù)露天架空的供熱管道采用金屬支架支撐,考慮到數(shù)量眾多的金屬支架上的管道支座?補(bǔ)償器等附件產(chǎn)生的熱損失,引入散熱量的附加系數(shù)β,經(jīng)過(guò)校核驗(yàn)算,架空鋪設(shè)取0.175較為合適?
3.2最佳組合優(yōu)化算法
保溫層外表面允許最高溫度法?允許最大散熱損失法這兩種方法在同種保溫材料時(shí)計(jì)算方便,但是未沒(méi)有考慮材料價(jià)格的經(jīng)濟(jì)性?根據(jù)傳熱特性,保溫層越厚,對(duì)外散熱損失越小,但同時(shí)保溫材料投資也越大?不同保溫材料組合存在不同的熱損失,故不同材料間必存在一個(gè)最佳經(jīng)濟(jì)組合厚度?
氣凝膠因其復(fù)雜的生產(chǎn)制造工藝使其價(jià)格昂貴從而在一定程度上限制了其普及應(yīng)用?本文結(jié)合氣凝膠的產(chǎn)品特性和價(jià)格因素,在最大允許熱損失量的前提下,給出復(fù)合層材料經(jīng)濟(jì)厚度的最佳組合的優(yōu)化方法?
Ci為各材料單位投資(包括材料費(fèi)和施工安裝費(fèi))費(fèi)用,元/m3,Mi為各材料的總使用量,m3?Dij為各材料對(duì)應(yīng)的每層直徑?L為蒸汽管線長(zhǎng)度,m?C為建設(shè)保溫設(shè)施投資總費(fèi)用?
通過(guò)試算D1和Dw的不同值,在允許最大散熱損失限額Q的前提下,取最小C值對(duì)應(yīng)的D1和Dw則為最佳經(jīng)濟(jì)厚度值?
3.3復(fù)合層計(jì)算方法和步驟
實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)復(fù)合層內(nèi)?外各層計(jì)算的基本方法及步驟:
(1)確認(rèn)復(fù)合層內(nèi)?外的邊界參數(shù),包括供熱管道內(nèi)部的熱介質(zhì)參數(shù)和管道外的環(huán)境參數(shù);(2)按導(dǎo)熱系數(shù)從小到大依次布置,內(nèi)保溫層為導(dǎo)熱系數(shù)小的氣凝膠層,外層為其他保溫材料,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先設(shè)定各層的外徑值;
(3)計(jì)算各層溫度分布和表面散熱損失;
(4)復(fù)核各層溫度和散熱損失是否滿足約束性要求?要求氣凝膠層的外側(cè)溫度低于外保溫層最高耐熱溫度的0.9倍?若不符合要求則重新設(shè)定各層的直徑,直至符合散熱損失限定值要求;
(5)根據(jù)各保溫層的直徑值采用定額概算法計(jì)算各材料的總費(fèi)用;
(6)在不超過(guò)最大允許熱損失量的范圍內(nèi)調(diào)整各直徑方案,獲得總體費(fèi)用最低的方案,則為最經(jīng)濟(jì)厚度方案?
由于大部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)并不是定值,大多數(shù)是隨著溫度的變化而增加的變量,而導(dǎo)熱系數(shù)又直接影響著保溫材料的厚度?在選擇材料導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)可以選工作介質(zhì)和外界溫度的平均溫度對(duì)應(yīng)的平均導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算?
4 示范效果
示范項(xiàng)目應(yīng)用修正后的允許最大散熱損失計(jì)算公式分別計(jì)算氣凝膠和硅酸鋁管段的保溫層厚度?邊界參數(shù)為蒸汽溫度267.65℃,壓力0.179MP為起點(diǎn)工況,無(wú)縫鋼管為D273×7,外界空氣溫度取設(shè)計(jì)值0.3℃,風(fēng)速2.2m/s?氣凝膠保溫段采用修正公式后做40mm保溫,分4層施工,硅酸鋁保溫段做100mm保溫,全線外做0.5mm鋁合金薄板保護(hù)層?施工完成后通過(guò)示范應(yīng)用項(xiàng)目的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和投資強(qiáng)度進(jìn)行分析?
4.1運(yùn)行效果
通過(guò)對(duì)供熱管線的溫降幅度可直觀地判斷各管段的保溫材料的保溫性能?Ⅰ?Ⅱ為兩種不同品牌氣凝膠產(chǎn)品,Ⅲ為硅酸鋁產(chǎn)品?(Ⅰ)0-700m管段?(Ⅱ)700-1400m管段?(Ⅲ)1400-2100m管段的溫降圖如圖1-3所示?
對(duì)三段管道的溫降數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合,可得到各管段的溫度下降函數(shù)?下降率?下降溫度差和百米溫降等參數(shù),具體數(shù)據(jù)如表1所示?
如表1所示,硅酸鋁材料對(duì)應(yīng)的溫度變化下降率大于氣凝膠值,說(shuō)明氣凝膠的溫變小于硅酸鋁?
同時(shí)溫度下降率三者數(shù)值又十分接近,表明新材料在初始階段的保溫性能接近,但是同示范項(xiàng)目淘汰下來(lái)的硅酸鋁材質(zhì)比較來(lái)看,長(zhǎng)期使用效果上氣凝膠的導(dǎo)熱性能優(yōu)于硅酸鋁?
4.2同周期投資強(qiáng)度分析
采用同生命周期法進(jìn)行比較,氣凝膠以其產(chǎn)品特有的耐腐蝕?耐老化?防水性好的優(yōu)勢(shì),使用壽命約為硅酸鋁材料的5倍,極大地減少了供熱保溫工程反復(fù)的工作量?由示范項(xiàng)目的材料投資表2可知,單位距離的材料使用量氣凝膠約為硅酸的40%,即采用氣凝膠的設(shè)備空間使用率遠(yuǎn)高于硅酸鋁,有利于施工和運(yùn)輸倉(cāng)儲(chǔ)?其疏水特性能也使得采用埋地鋪設(shè)的供熱管道減少了頻繁翻地開(kāi)溝進(jìn)行維護(hù)的費(fèi)用?
從投資強(qiáng)度角度來(lái)看,在材料同周期基礎(chǔ)上氣凝膠的投資強(qiáng)度僅是硅酸鋁的30%,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益?
5 結(jié)語(yǔ)
隨著氣凝膠生產(chǎn)工藝發(fā)展和成本的降低,氣凝膠在大型熱能工程中必將獲得廣泛的應(yīng)用,進(jìn)而推動(dòng)國(guó)內(nèi)熱能領(lǐng)域的節(jié)能減碳行動(dòng)?同生命周期條件下氣凝膠的投資強(qiáng)度僅為硅酸鋁的30%,整體投資低,經(jīng)濟(jì)效益好?本文給出了穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱下蒸汽管道保溫層的修正公式和復(fù)合層經(jīng)濟(jì)厚度的優(yōu)化驗(yàn)算步驟,為氣凝膠實(shí)踐應(yīng)用設(shè)計(jì)和節(jié)能改造提供參考?同時(shí)本文所提出的計(jì)算方法和思路及相關(guān)公式不僅適用于架空供熱管道的設(shè)計(jì)計(jì)算,也可用于大多數(shù)露天供熱設(shè)施的(保溫層)的設(shè)計(jì)計(jì)算?
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