[摘要]隨著熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱的蓬勃發(fā)展，長距離蒸汽管網(wǎng)的數(shù)量不斷增加，這勢必對蒸汽管道的保溫工程提出更高的要求。新型二氧化硅氣凝膠絕緣氈的應用為蒸汽管道的保溫提供了更多的選擇。為了研究氣凝膠絕緣氈復合保溫結(jié)構的實際保溫效果，對蒸汽管道的傳熱條件進行了模擬計算，通過數(shù)據(jù)整理和分析得出了基本結(jié)論，為今后復合材料保溫結(jié)構的優(yōu)化提供了參考。
[關鍵詞]氣凝膠絕緣氈納米復合保溫結(jié)構；熱管網(wǎng)絡；保溫工程；
1 前言
技術材料加工工業(yè)的不斷發(fā)展在中國,保溫材料有了長足的進步和發(fā)展,一種新型的二氧化硅氣凝膠隔熱材料的導熱系數(shù)低,保溫性能好,穩(wěn)定的物理和化學性質(zhì),高溫不燃,完全防水,無毒,綠色環(huán)保,和許多其他的優(yōu)良性能,的高溫蒸汽管道、直埋蒸汽管道工程率先使用。為了探討復合保溫結(jié)構的實際保溫效果，作者通過仿真計算了蒸汽管道的傳熱狀況，進行了數(shù)據(jù)整理、計算分析，得出了基本結(jié)論，為今后復合材料保溫結(jié)構的優(yōu)化提供了參考。
氣凝膠氈在管道保溫隔熱工程中施工圖
2氣凝膠材料簡介
2.1 氣凝膠
氣凝膠(氣凝膠)，由美國凱斯特于1930年首次合成。其組成為98%的空氣。它是一種新型的以納米顆粒和空氣為分散介質(zhì)的非晶固體材料。輕質(zhì)納米多孔材料的熱性能和電學性能。氣凝膠是目前已知的導熱系數(shù)最低和隔熱性能最好的材料，納米多孔三維結(jié)構，主要成分為二氧化硅，故又稱二氧化硅氣凝膠。
二氧化硅氣凝膠是三種有效的防止熱傳導的方法，因為它們具有獨特的納米孔結(jié)構。凝膠涂布的空氣，直徑為30～70nm可以減少熱對流（70nm時空氣體靜止）。納米多孔結(jié)構導致堆積密度和無限長的凝膠壁，可以無限地減少熱傳導；弧形表面結(jié)構眾多，并且有許多遮陽效果，可以無限期地減少熱輻射。
2.2二氧化硅氣凝膠絕緣材料的特性及比較分析
1、導熱系數(shù)低
氣凝膠絕緣氈的導熱系數(shù)低于其他傳統(tǒng)絕緣材料。在30 0℃時，氣凝膠氈的導熱系數(shù)僅比其他材料低，導熱系數(shù)遠低于其他材料。在相同的保溫條件下，保溫厚度僅為傳統(tǒng)保溫材料的1/4/1/5，大大降低了保溫層的厚度。將其應用于直埋蒸汽管道，可以減小套管的尺寸，減少埋地開挖量，降低套管材料、運輸和施工成本。
2、散熱損失小，節(jié)能率高
在相同的表面溫度下，氣凝膠絕緣層的厚度減小，散熱面積明顯減少，管道熱損失減少，長距離蒸汽管道的溫降和壓降大幅度降低，能耗損失大。有效減少。
3、防水性好
氣凝膠隔熱襯墊疏水率是99%或更高,沒有特別的防水措施,在雨中或潮濕的環(huán)境中仍然可以施工。和傳統(tǒng)材料不完全防水,保護板表面噴涂金屬防水密封膠。
4、抗壓抗拉
在變形量為10%時，氣凝膠絕緣氈的抗壓強度優(yōu)于100 kPa，可充分承受導管的載荷。然而，傳統(tǒng)的保溫材料結(jié)構松散，壓縮變形大，壓縮彈性差，壓縮后導熱系數(shù)明顯提高。使用氣凝膠絕緣氈可以減少某些不可控因素對絕緣效果的影響。
5、使用壽命
氣凝膠絕緣氈在使用過程中具有良好的完整性、良好的抗震、抗拉強度、無顆粒堆積、沉降等現(xiàn)象，20年的收縮模擬試驗小于1，導熱系數(shù)不變。傳統(tǒng)保溫材料結(jié)構松散，重量、設備振動、材料水易導致材料崩解、沉降、保溫效果明顯降低。
3高溫熱力管道工程案例計算
3.1 工況條件
江蘇某化工企業(yè)某工藝流程需要4.5MPa以上450℃的高溫高壓蒸汽，蒸汽必須從附近的發(fā)電廠供應。因此，有必要鋪設蒸汽管道加熱2公里左右。具體工作條件如下：
1.管徑：OD219X8；
2、介質(zhì)：過熱蒸汽；
3、初始壓力：5.3MPa；
4、啟動溫度：460-490℃；
5、蒸汽流量:15-36 t / h。
6.平均環(huán)境溫度：14℃；
7. 平均風速：3m/s；
8、要求：1000米管溫降小于7.5攝氏度。
由于管道流量不穩(wěn)定，變化幅度大，管道的保溫要求很高，管道的熱損失也盡量減少。因此，作者打算采用二氧化硅氣凝膠作為絕緣材料。采用傳統(tǒng)的復合硅酸鋁材料進行了計算和比較。
3.2 保溫材料主要參數(shù)對比
計算了硅質(zhì)氣凝膠絕緣氈和復合硅酸鋁氈的工藝參數(shù)：
二氧化硅氣凝膠絕熱氈指標
復合硅酸鋁氈計算指標
對于有憎水要求的，憎水率不小于93％
3.3 保溫厚度及表面溫度效果計算
1、保溫厚度設計方案
由于二氧化硅氣凝膠的成本較高，為了避免工程材料的高成本，作者采用復合保溫（氣凝膠+硅酸鋁）1和傳統(tǒng)保溫2兩種方案進行了對比計算，具體如下：
保溫厚度設計方案
2、保溫效果分析
參考GB / T 8175 - 8175《設備及管道保溫設計指南計算熱損失,根據(jù)實驗的結(jié)果和修正。
計算公式如下：
其中：
q線：管道線散熱損失，w/m
T：介質(zhì)溫度，℃；
Ta：環(huán)境溫度，℃；
λ：導熱系數(shù)，W/（m?k）
D0：保溫層外徑，m；
Di：管道外徑，m；
ω：風速，m/s；
α：表面放熱系數(shù)，W/（m?k）
根據(jù)管道的熱損失和以下計算公式，可以計算管道的溫降：
其中，
C：介質(zhì)定壓比熱，J/（kg?℃）
L：管道長度，m；
Q：流量，t/h；
n：修正系數(shù)。
按IAPWSIF97水汽參數(shù)計算標準，溫度為460℃，壓力5.3PMa為過熱蒸汽。恒壓比熱為2377.9J/(kg℃)。
保溫厚度設計結(jié)果
通過以上數(shù)據(jù)分析，二氧化硅氣凝膠復合硅酸鋁復合保溫結(jié)構能有效地減小管道保溫墻的厚度，對于高溫管道具有更加實際的應用條件。建議今后高溫（340攝氏度以上）蒸汽管道應采用該保溫形式。
4 結(jié)語
隨著集中供熱的不斷推廣，蒸汽管網(wǎng)的敷設距離從經(jīng)濟半徑早期的5km延長到目前的20~30 km長距離輸電網(wǎng)絡。原有的保溫方法和方法已不能滿足運行要求。硅質(zhì)氣凝膠氈的使用很好地解決了絕緣和絕緣材料的問題。在蒸汽溫度高、場地狹小、惡劣的條件下，有很好的發(fā)揮空間。材料價格在后期趨于合理后，可以大面積推廣。通過精確的模擬計算，可以有效地降低管道熱損失，降低管網(wǎng)運行風險，充分發(fā)揮經(jīng)濟效益。
本文結(jié)合實際工程實例，采用硅氣凝膠復合硅酸鋁保溫結(jié)構，將管道的溫度和壓降到最低，為今后類似工程的設計提供參考。
參考文獻
〔1〕施振球。動力管道設計手冊。北京：機械工業(yè)出版社，2006
[2]GB 50264 - 2013工業(yè)設備和管道保溫工程設計規(guī)范,2013年