小管径管道保温材料选择研究.pdf

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1、第 1 2卷第 3期2 0 1 2年 1月 1 6 7 1 1 8 1 5(2 0 1 1)3 0 6 7 9 0 4 科学技术与工程 S c i e n c e T e c h n o l o g y a n d En g i n e e r i n g V o 1 1 2 N o 3 J a n 2 0 1 2 2 0 1 2 S c i T e c h E n g r g 动力技术 小管径管道保温材料选择研究 周 猛 罗卓英 旷金 玉 和丽虎(昆明理工大学建 筑工程学 院，昆 明 6 5 0 2 2 4)摘要在保温工程中普遍地存在着这样的认识：只要保温材料足够厚，无论什么保温材料都能起到

2、减少热量损失的作用。根据传热学原理可知，保温层厚度的确对减少热量损失有积极贡献，然而有一个前提条件就是：管道外径必须大于临界热绝 缘直径。而在外部环境一定的情况下，临界热绝缘直径仅取决于保温材料的物理性质。当管道外径小于临界热绝缘直径时，管道热损失反而会增大。通过分析了保温层厚度、临界热绝缘直径与管道外径之间的关系，以及这几种关系中对管道保温的 影响；并通过计算流体力学数值模拟软件一F J u e n t 对同一管道不同保温材料进行 了数值模拟且加以对比。最后得 出：在 管道保温，特别是对管径较小的管道进行保温时，要注意保温材料的选择。关键词保温材料 临界热绝缘直径 计算流体力学 数值模拟 中

3、图法分类号T K 1 7 2 4；文献标志码A 据文献 1 规定：外表面温度高于3 2 3 K(5 0 C)的设备、管道及其 附件必须保温。但是 随着经济 的 发展，市场竞争的激烈，越来越多公司单独地追求 利益，而忽视 了工程 质量。就保 温工程而言，普遍 认为，无论什 么保温 材料，只要厚 度越厚就一 定能 起到保温作用。其实不然。管道 保温时，要注意保 温材料 的选取。保温材料 的临界 热绝缘直径 不能 小于管道外径，不然就起不到保温的效果。1 临界热绝缘直径 高温流体通过 管道壁和保温层传 热给低 温流 体，由文献 2 可知传热热阻为：兄=丽 1+n 鲁+去In d x+(1)h 一高温

4、流体与管壁的对流换热系数；一低温流体与保温层壁的对流换热系数；A 一管道材料的导热系数；A 一保温材料的导热系数；d 一管道 内径；d，一管道外径；2 0 1 1年 7月 4日收到 第一作者简介：周猛(1 9 8 5 一)，男，湖北宜 昌人，昆 明理 工大学硕 士研究生，研究方 向：供热、供燃气、通风及空调工程。通信作者 简介：罗卓英，女，汉族，昆明理工大学硕士 生导师，高级 工程师，研究方 向：建筑节能。d 一保温层外径。当针对某一具体 的管道 时，式(1)前两项热 阻 的热值 已定。当保温材料选定以后，则保温材料的 物性参数一导热系数 A 也就成 了定值，此时决 定热阻 的就取决于保温层厚

5、度，此公式 中就取决 1 于保温层外径 d 。当 d 增大 时，I n 项 随之 Z订A d 增大，而 项则 随之减小；当 d 减小时，以上两，2 n U 项则发生相反 的变化。由此 可见 的大小取决于 保温层的厚度。图 1 总热阻R随着 的增大 通过图 1可以得 出：总热阻 尺随着 的增大，先是逐渐减小，然后是 逐渐增大；这个 过程 中具有 6 8 0 科学技术与工程 1 2卷 一个极小值，此极小值可以通过对式(1)求极限得 到，即：令：d R=(。麦一 壶)=o H：d =(2)此极小值 d 又称之 为l临界热绝缘直径 d。，即 d =d 。由传热量和热阻的关系式：g 2=A t (3)可

6、知，总传热量与热阻成反 比，即：传热量随着 d 的增大，先是逐渐增大，然后逐渐减小，当 d =d 时，传热量 g 达到极 大值。如图 2所示：当管道外 径 d d ，保温层外径 d 在管道外径 d：与 d 之间 变化时，管道的传热量 g 反而 比没有保温层时的传 热量 g。更大，直到保温层外径大于 d 时，才开始起 到保温，减少热损失的效果。图2 总传热量 g 随d的变化 由此可知，只有当管道外径 d 大于临界热绝缘 直径 d 时，覆盖保温层 才会起到减少热 损失 的作 用。由式(2)可 以看出，l 临界热绝缘 直径与保温层 材料导热系数 A 有关，因此可以选择不同的保温材 料来改变 d 的大

7、小，以使 d d 。当管道直 径较小，而保 温材 料导 热 系数 较大 时，就要注意临界热绝缘直径的问题。2 利用不同保温材料进行保温的数值模拟 选用外径为 1 6 fi lm，壁厚 1 5 m m的管道输送 6 O 的热水。分别选用导热系数为 0 1 2 W(m K)的石棉保温材料和导热 系数为 0 0 7 W(m K)的矿渣棉保温材料进行保温。管外的对流换热系 数定为 1 2 W(m K)。2 1 用石棉保温材料进行保温 2 1 1 保 温层厚度 确 定 结合文献 3 规定保温层厚度的计算方法和文 献 4 涉及的保温层经济厚度的计算方法来确定保 温层厚度：D 0 l n D o=A f A

8、 tP(T-sT o)2 A (4)6：(5 一保温层外径；D 一管道外径；A 一常数，按我 国法定 计算 单位计 算其 值 为 3 79 5 x1 0：一热价，取值：5 1 0。k J；A 一保温材料导热系数，石棉导热系数取值 为：0 1 2 w(m-K)；f 一年运行时间，取 5 0 0 0 h；卜 管道的外 表面温 度，取 6 0 ；T o=环 境温 度，取 2 5；P。一保温结构单位造价，取 2 0 0 0 Y r Jm ；Js 一保 温 工 程 投 资 贷 款 年 分 摊 率，s=，；一年利息，取 6 ；n 一计息年数，取 1 0年；一保温层外表面与大气环境的对流换热系 数，取 1

9、2 W(m K)。计算得保温层厚度 为 1 7 m m。2 1 2 模型建立 根据文献 5 二维管传热模 型的建立及网格划 分的方法，采用 G a mb i t 二维建立此模型。由于管道 是对称的，所以建一半的模型：管内径 6 5 m m，管外 径 8 m m，保温层厚度 1 7 m m，如图 3所示。图3 管道保温模型 为了网格划分的精确，便于迭代，对管面运用 6 8 2 科学技术与工程 1 2卷 参考文献 l 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准设 备 及 管 道 保 温 技 术 通 则(G B 4 2 7 2-9 2)国家标 准局 2 章熙 民，任泽 霈传 热 学北 京：中 国建

10、筑工 业 出版 社，2 0 0 6；(1】)：3 7 0 8 3 中 华 人 民共 和 国 国家 标 准设 备 及 管 道 保 温 设 计 导 则(G B 4 2 7 2-9 2)国家标准局 4 李德英，徐文发供热工程 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 6；(1)：1 3 3 1 4 4 5 朱红钧，林元华，谢 龙汉流体分 析及仿 真实用教程 北京：人 民 邮电出版社，2 0 1 0；(4)：9 2 J 9 9 6 周俊杰，徐国权，张华俊F L U E N T工程技术与实例分析北京：中国水利水电出版社，2 0 1 0；(6)：1 9 3 2 6 7 Re s e a r c h t h e

11、 S e l e c t i o n o f I n s u l a t i o n M a t e r i a l a b o u t t he S mall Di a me t e r Pi pe Z HO U Me n g，L UO Z h u o y i n g ，K UAN G J i n y u，HE L i h u (F a c u l t y o f C i fil a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g，K u n mi n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a

12、n d T e c h n o l o g y，K u n m i n g 6 5 0 2 2 4，P R C h i n a)A b s t r a c t T h e r e i s a g e n e r a l c o g n i t i o n e x i s t i n g i n t h e I n s u l a t i o n p r o j e c t i o n t h a t a s l o n g a s t h e i n s u l a t i o n m a t e ri a l i s t h i c k e n o u g h，i ns u l a t i

13、o n ma t e ria l wo u l d p l a y a r o l e i n r e d u c i n g h e a t l o s s Th e p rin c i p l e o f h e a t t r a n s f e r s h o ws t h a t t h e t h i c k n e s s o f t h e i n s u l a t i o n l a y e r s h o u l d h a v e a p o s i t i v e c o n t ri b u t i o n i n r e d u c i n g h e a t l

14、 o s s，h o we v e r，w h a t h a v e a p r e r e q u i s i t e t h a t p i p e d i a me t e r mu s t b e g r e a t e r t h a n t h e c ri t i c al h e a t i n s u l a t i o n d i a me t e r b u t w h e n e n v i r o n me n t i n a c e r t a i n c i r c ums t a n c e s，t h e c rit i c a l h e a t i ns

15、 u l a t i o n d i a me t e r d e p e n ds o n t h e p h y s i c al p r o p e r t i e s o f i n s u l a t i o n ma t e ri a l s Wh e n the p i p e d i a me t e r l e s s t h a n t h e c ri t i c al h e a t i n s u l a t i o n d i a me t e r，h e a t l o s s b u t w i l l i n c r e a s e Th e r e l a

16、t i o ns h i p s o f i n s u l a t i o n t h i c k n e s s i s a n a l y z e d，p i p e d i a me t e r a n d c rit i c a l h e a t i n s u l a t i o n d i a me t e r，a nd t h e e f f e c t s o n p i pe i n s u l a t i o n i n t h e s e r e l a t i o n s h i ps；S i mu l a t i n g the s a me p i p e wi

17、 th d i f f e r e n t i n s u l a t i o n ma t e rial a n d e o m-p a ri n g t h e m i n t h e h e l p o f c o mp u t a t i o n al fl u i d d y n a mi c s s i mu l a t i o n s 0 f t w a r e nu e n t C am e t o t h e c o n c l u s i o n：i n p i p e i n s u l a t i o n，e s p e c i all y f o r t h e s

18、mall e r d i a me t e r p i p e i n s ula t i o n，p a y a t t e n t i o n t o t h e c h o i c e o f i n s ula t i o n ma t e r i als K e y w o r d s i n s u l a t i o n m a t e ri al t h e c ri t i c a l h e a t i n s u l a t i o n d i a m e t e r c o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c s n

19、 ume r i c a l s i mI 1 1 a t i O n (上接第 6 7 5页)8 张明学，冯 占勋，罗健，等 明水 一绥 化地 区反转构造 与油气藏 1 6(5)：2 O 关系 科学技术与工程，2 0 1 1；1 1(1)：1 2 5 1 3 O 1 O王燮培，严俊君，林军 反转构造及其石油地质意义 地球科学，9 胡望水 松辽盆地北部反转构造 与油 气聚集 天然气 工业，1 9 9 6；1 9 8 9；1 4(1)：1 O 1 1 O 8 I nv e r s i o n S t r uc t ur e s a nd Th e i r Re l a t i o n s h i

20、 p t o Hy d r o c a r b o n Ac c u mu l a t i o n f o r Ch a n g c h u n l i n g Ar e a ZHANG Mi ng x u e，LI Da l o n g (E a r t h S c i e n c e s I n s t i t u t e，N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y，D a q i n g 1 6 3 3 1 8，P R C h i n a)A b s t r a c t O n t h e b a s e o f n e

21、 w p r o c e s s e d 3 D s e i s m i c d a t a，r e v e r s i o n s t r u c t u r e i n C h a n g c h u n l i n g a r e a i s a c c u r a t e l y s t u d i e d On t h e b a s e o f t h e s t ruc t u r e c h a r a c t e ris t i c i n t h i s a r e a t w o k i n d s o f t y p i c a l p o s i t i v e r

22、e v e r s i o n s t ruc t u r e f a i h r e v e r s i o n s t r u c t u r e a n d f o l d r e v e r s i o n s t r u c t u r e o n o i l a n d g a s g a t h e ri n g i s s t u d i e d f u r t h e r l y Re v e r s i o n s t r u c t u r e i n s t u d y a r e a c r e r t e s g o o d c o n d i t i o n f

23、o r f o r mi n g r e s e r v o i r S o t h e s t u d y o f r e v e r s i o n s t ruc t u r e i n C h a n g c h u n l i n g a r e a i s s i g ni f i c a n t for t h e f u r t h e r o i l a nd g a s e x p l o r a t i o n K e y w o r d s C h a n g c h u n l i n g h y d r o c a r b o n a c c u m u l a ti o n in v e r s i o n s t ru c tu r e s s t ru c t u r al s t y l e