[摘要]隨著(zhù)熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱的蓬勃發(fā)展，長(cháng)距離蒸汽管網(wǎng)的數量不斷增加，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熱氈的應用為蒸汽管道的保溫提供了更多的選擇。為了研究氣凝膠絕熱氈復合保溫結構的實(shí)際保溫效果，對蒸汽管道的傳熱條件進(jìn)行了模擬計算，通過(guò)數據整理和分析得出了基本結論，為今后復合材料保溫結構的優(yōu)化提供了參考。
[關(guān)鍵詞]氣凝膠絕熱氈納米復合保溫結構；熱管網(wǎng)絡(luò )；保溫工程；
1 前言
技術(shù)材料加工工業(yè)的不斷發(fā)展在中國,保溫材料有了長(cháng)足的進(jìn)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低,保溫性能好,穩定的物理和化學(xué)性質(zhì),高溫不燃,完全防水,無(wú)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構的實(shí)際保溫效果，作者通過(guò)仿真計算了蒸汽管道的傳熱狀況，進(jìn)行了數據整理、計算分析，得出了基本結論，為今后復合材料保溫結構的優(yōu)化提供了參考。
2氣凝膠材料簡(jiǎn)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(xué)性能。氣凝膠是目前已知的導熱系數最低和隔熱性能最好的材料，納米多孔三維結構，主要成分為二氧化硅，故又稱(chēng)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構。凝膠涂布的空氣，直徑為30～70nm可以減少熱對流（70nm時(shí)空氣體靜止）。納米多孔結構導致堆積密度和無(wú)限長(cháng)的凝膠壁，可以無(wú)限地減少熱傳導；弧形表面結構眾多，并且有許多遮陽(yáng)效果，可以無(wú)限期地減少熱輻射。
氣凝膠氈在管道保溫工程中施工現場(chǎng)圖
2.2二氧化硅氣凝膠絕熱材料的特性及比較分析
1、導熱系數低
氣凝膠絕熱氈的導熱系數低于其他傳統絕熱材料。在30 0℃時(shí)，氣凝膠氈的導熱系數僅比其他材料低，導熱系數遠低于其他材料。在相同的保溫條件下，保溫厚度僅為傳統保溫材料的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(kāi)挖量，降低套管材料、運輸和施工成本。
2、散熱損失小，節能率高
在相同的表面溫度下，氣凝膠絕熱層的厚度減小，散熱面積明顯減少，管道熱損失減少，長(cháng)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(méi)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(shí)，氣凝膠絕熱氈的抗壓強度優(yōu)于100 kPa，可充分承受導管的載荷。然而，傳統的保溫材料結構松散，壓縮變形大，壓縮彈性差，壓縮后導熱系數明顯提高。使用氣凝膠絕熱氈可以減少某些不可控因素對絕熱效果的影響。
5、使用壽命
氣凝膠絕熱氈在使用過(guò)程中具有良好的完整性、良好的抗震、抗拉強度、無(wú)顆粒堆積、沉降等現象，20年的收縮模擬試驗小于1，導熱系數不變。傳統保溫材料結構松散，重量、設備振動(dòng)、材料水易導致材料崩解、沉降、保溫效果明顯降低。
包扎好氣凝膠氈的管道現場(chǎng)圖
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(chǎng)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(guò)熱蒸汽；
3、初始壓力：5.3MPa；
4、啟動(dòng)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(fēng)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熱材料。采用傳統的復合硅酸鋁材料進(jìn)行了計算和比較。
3.2 保溫材料主要參數對比
計算了硅質(zhì)氣凝膠絕熱氈和復合硅酸鋁氈的工藝參數：
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和傳統保溫2兩種方案進(jìn)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,根據實(shí)驗的結果和修正。
計算公式如下：
其中：
q線(xiàn)：管道線(xiàn)散熱損失，w/m
T：介質(zhì)溫度，℃；
Ta：環(huán)境溫度，℃；
λ：導熱系數，W/（m?k）
D0：保溫層外徑，m；
Di：管道外徑，m；
ω：風(fēng)速，m/s；
α：表面放熱系數，W/（m?k）
根據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(cháng)度，m；
Q：流量，t/h；
n：修正系數。
按IAPWSIF97水汽參數計算標準，溫度為460℃，壓力5.3PMa為過(guò)熱蒸汽。恒壓比熱為2377.9J/(kg℃)。
保溫厚度設計結果
通過(guò)以上數據分析，二氧化硅氣凝膠復合硅酸鋁復合保溫結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(shí)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 結語(yǔ)
隨著(zhù)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(cháng)到目前的20~30 km長(cháng)距離輸電網(wǎng)絡(luò )。原有的保溫方法和方法已不能滿(mǎn)足運行要求。硅質(zhì)氣凝膠氈的使用很好地解決了絕熱緣和絕緣材料的問(wèn)題。在蒸汽溫度高、場(chǎng)地狹小、惡劣的條件下，有很好的發(fā)揮空間。材料價(jià)格在后期趨于合理后，可以大面積推廣。通過(guò)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(fēng)險，充分發(fā)揮經(jīng)濟效益。
本文結合實(shí)際工程實(shí)例，采用硅氣凝膠復合硅酸鋁保溫結構，將管道的溫度和壓降到最低，為今后類(lèi)似工程的設計提供參考。
參考文獻
〔1〕施振球。動(dòng)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范,2013年