管道设备保温绝热设计计算

tc"设备及管理绝热设计"\l01设备及管道绝热设计1 常用绝热材料的性能GOTOBUTTONB0x014CA741PAGEREFB0x014CA74112 保温计算参数求取GOTOBUTTONB0xBDB628D4PAGEREFB0xBDB628D433 保温层厚度计算GOTOBUTTONB0x679F0A50PAGEREFB0x679F0A5054 附录tc"常用绝热材料的性能"\l011常用绝热材料的性能表6-1常用绝热材料性能表注：1.设计计算采用的技术数据必须以产品生产厂商提供的数据为准。本表数据仅供参考。2.设计采用的各种绝热材料的物理化学性能及数据应符合各自的产品的标准规定。一般绝热材料的导热系数都与温度近似地成线性关系：（6-1）式中霔桾m温度下的导热系数，W/(m2·℃)；_0—常温，T0时的导热系数，W/(m·℃)；b—系数b，见表6-1；Tm—保温层平均温度，℃，；Ts—管道外表面温度，计算时取介质温度，℃；Ta—周围环境温度，℃。表达式中各个参数的取值请参照表6-1。2保温计算参数求取2.1总给热系数的求取式中ar—管道或保温层的辐射传热系数，W/(m2·℃)；ak—对流传热系数，W/(m2·℃)。式中Ts—管道外表面温度，计算时取介质温度，℃；Ta—周围环境温度，℃；Cr—辐射系数，W/(m2·℃)。在密闭场合（如地沟）：式中D1—管道或保温层外径，m。在室内无风情况下：式中Tm—保温层平均温度，℃，。当风速小于5m/s时：平壁：式中W—风速，应以当地气候资料为依据，m/s；L—沿风速向德平壁长度，m；D1—保温层外径，m。圆筒：在实际应用上，给热系数的求取可以简化，因为（1） 有许多公式本身是基于相似理论或实验的基础上得出的。（2） 保温计算的精度不需要很高，考虑到安全的因素，对于气象因素实际与计算的出入，故允许带有一定范围的公差。（3） 保温的制作和施工属于建筑工艺范畴，本身允许的工艺误差是毫米级。故室内总给热系数：Ta=0～150℃时，可近似计算管道（6-2）平壁（6_3）也可把as进一步当作一个近似不变得常数，W/(m2·℃)室内保温也可取as=11.63W/(m2·℃)。考虑受风的影响，当风速大于5m/s时：W/(m2·℃)（6_4）2.2周围环境温度Ta室内：一般采用20℃。通行地沟：当介质温度80℃时，取20℃；当介质温度81～110℃时，取30℃；当介质温度≥110℃时，取40℃。室外保温：常年运行采用历年年平均温度，季节运行采用历年运行期日平均气温。保冷：可采用历年最热月平均温度。防冻：取冬季历年极端平均最低温度。防烫伤：取年最热平均温度值。2.3相对湿度Φ及露点温度Td保冷采用最热月相对湿度。露点温度Td可根据选定的周围空气温度Ta和相对湿度从附表1中查询。2.4室外风速W保温采用冬季风速，保冷采用夏季平均风速。2.5管道或设备的外壁温度T0在绝热计算中，对外壁的传热一般忽略不计，因此外壁温度可采用载热介质温度。2.6保温层外表面温度Ts保温表面温度的确定，是关系到热损失和经济厚度的计算。我国目前规定：当周围空气为25℃时，绝热结构外表面温度应低于50℃。在室内情况下，表面温度可按下式计算：式中Tf—载热介质温度，℃。表6-2表面温度Ts取用表3保温层厚度计算3.1本软件计算中的一些约定（只适用于本软件说明）①计算保温材料导热系数用通式（6-1）：有关参数可参考表6-1。②计算总给热系数，不同情况分别用（6-2）、（6-3）、（6-4）。③为计算表达方便，令，取名为保温因子。④为了计算式的通用性，如没有直接表达式计算保温厚度δ时，最后求取结果为D1—保温层外径，m。计算机用以下方程求取：

由计算机方程求解。D1求取后，再另行计算保温厚度δ。⑤管道与设备的计算分界线为公称直径DN1000，≤DN1000的管道和设备，都视为管道（即圆筒面）计算，＞DN1000的管道和设备，都视为设备（即平壁面）计算。3.2经济厚度计算保温层经济厚度是指设备、管道采用保温结构后，年热损失值与保温工程投资费的年分摊率价值之和为最小值时的保温厚度。（1）管道绝热层厚度计算：（6_5）说明：保冷经济厚度必须用防结露厚度校核。式中β—保温因子D0—管道外径，m；D1—绝热层外径，m—能价，元/106KJ，保温中，，称“热价”；保冷中，，Pc称为“冷价”；PT—绝热结构单位造价，元/m3；—绝热材料在Tm平均温度下的导热常数,W/(m2·℃);—绝热层（最）外表面向周围空气的给热系数，W/(m2·℃)； —年运行时间，h（常年运行的按8000h计，其余按实际情况计算）；T0—管道外表面温度，℃；金属设备和管道的壁温，在无衬里时，取介质的正常运行温度；保冷时取介质的低操作温度；当要求用热介质吹扫管线时，取吹扫介质的最高温度。 —环境温度，（运行期间平均气温）℃；—绝热投资年分摊率，%。式中S—绝热投资贷款年分摊率，%；i—年利率（复利率），%；n—计息年数，年；δ—绝热层厚度，m。例1设一架空蒸汽管道，管道D0=108mm，蒸汽温度T0=200℃，当地环境温度Ta=20℃，室外风速W=3m/s，能价为PR=3.6元/106kJ，投资计息年限数n=5年，年利率i=10%（复利率），绝热材料总造价Pr=640元/m3；选用岩棉管壳作为保温材料。计算管道需要的保温厚度，热损失量以及表面温度。解①求导热系数==110岩棉管壳<200kg/m3：λ=0.044+0.00018(-70)λ=0.044+0.00018(110-70)=0.0512W/(m·℃)求总表面给热系数取=7，=（+6）1.163=（7+6）1.163=20.23② 保温工程投资偿还念分摊率按下式计算：S==0.264③ 求保温厚度==0.1454由计算机求解函数xlnx_x，返回函数值x=1.9759，则：D1=x*D0=1.9759*1.9759=0.2134（m）=0.0527（m）取δ=60mm（2）设备绝热层经济厚度计算（6_6）式中符号意义及注释内容同上。例2一容器内装物料，Tf=300℃，当地环境温度，Ta=22℃，风速3.5m/s，热价为3.6元/106kJ，投资计息年限n=6，年利率10%，保温材料采用水泥珍珠岩制品，保温工程总价为400元/m3，常年生产使用，求需要的保温厚度，热损失及表面温度。解①求材料导热系数选用200kg/m3增水珍珠岩制品==170.2℃②求表面给热系数取，a0=7，=（+6）1.163=（7+6）1.163=21.2③保温工程投资偿还年分摊率S==0.229④求保温厚度=0.163（m）取厚度170mm3.3允许热（冷）损失量的规定值计算3.3.1管道单层热（冷）损失下绝热层厚度（1）按允许热（冷）损失量的规定值计算（6_7）式中[Q]—以每平方米绝热层外表面积为计算单位的“最大允许”放热（冷）损失量W/m2；[Q]按附表3、4取值；X—修正值，取1.1～1.4。最大允许冷损失量分不同情况，按下列二式进行计算：当时，当时，[Q]=。—当地气象条件下（最热月的）的露点温度，℃；其余符号同前。（2）当工艺要求允许热（冷）损失量以每米管道长的热（冷）损失量为准计算时：（6_8）式中[q]—以每米管道长度为计算单位的“最大允许”放热损失损失量，W/m，其值以工艺计算为准。其余符号同前。手算时，可先设=0，代入式（6_8）求出D1的初始值。再将初始代入式（6_8），用逐次逼近法计算1～2次，即可得精确值。3.3.2 管道多层热（冷）损失下绝热层厚度（1）按允许热（冷）损失量的规定值计算（a）.总厚δ各层代号为i，总层数为n时：第层厚δi最外层厚式中[Ti+1]—第i+1层绝热材料的允许安全使用温度，℃。[Q]取值同6-7。下面分别列举出最常用的两层、三层绝热厚度计算（b）双层管道绝热计算总厚度D2的计算式：（6_9）第一层的厚度计算式：（6_9a）第二层的厚度计算式：（c）三层管道绝热计算总厚度D3的计算式：（6_10）第一层（内层）的厚度计算式：（6_10a）第二层的厚度计算式：（6_10a）第三层的厚度计算式：（2）当工艺要求允许热（冷）损失量按照每米管道长度的热（冷）损失量为准计算时：（a）总厚，各层代号为，总层数为时：第层厚度：式中[q]取值同式6-8，W/m。最外层的计算公式：（b）双层管道绝热计算总厚度D2的计算式：（6_11）内层的厚度计算式：（6_11a）外层的厚度计算式：（c）三层管道绝热计算总厚度D3的计算式：（6_12）第一层（内层）的厚度计算式：（6_12a）第二层的厚度计算式：（6_12b）第三层的厚度计算式：3.3.3设备单层允许热（冷）损失下绝热层厚度计算：（6-13）例3已知一方形锅炉给水箱，水温100℃，周围空气温度为25℃，绝热材料为水泥膨胀珍珠岩制品，求绝热层厚度。解：由表6-1查得水泥膨胀珍珠岩制品的导热系数方程为：λ=0.072+0.00012tpλ1=0.072+0.00013×（0.5*（100+25）-25）=0.07687查允许最大热损失表得q=93W/m2及取a2=11.6W/m2·℃，按公式计算如下：取水箱的绝热厚度为70mm。3.3.4设备异材多层允许热（冷）损失下绝热层厚度计算：（a）第层厚度最外层厚度（b）双层设备绝热计算内层的厚度计算式：（6-14）外层的厚度计算式：（6_14b）（c）三层设备绝热计算第一层（内层）的厚度计算式：（6-15）第二层的厚度计算式：（6_15b）第三层的厚度计算式：（6_15c）[Q]取值同式17_14。意义同上。最大允许冷损失量分不同情况，选下列二式之一进行计算。当时，当时，式中—当时气象条件下（最热月的）的露点温度，℃。3.4防结露厚度计算3.4.1管道单层防结露绝热层厚度按下式计算（6-16）3.4.2管道异材多层防结露绝热层厚度按下式计算（a）总厚第层厚最外层厚或者（b）双层管道防结露厚度计算总厚度D2的计算式：（6_17）内层的厚度计算式：（6_17a）外层的厚度计算式：

（c）三层管道防结露厚度计算总厚度D3的计算式：（6_18）第一层（内层）的厚度计算式：（6_18a）第二层的厚度计算式：（6_18b）第三层的厚度计算式：3.4.3设备单层防结露保冷层厚度按下式计算（6_19）3.4.4设备异材多层防结露绝热层厚度按下式计算（a）第层最外层（b）多层设备防结露厚度计算第一层（内层）的厚度计算式：（6_20）第二层的厚度计算式：（6_20b）以后依次类推，但需注意的是最外层Tn为环境温度。界面温度T1取值为第（i+1）层保冷材料安全使用温度[Ti+1]的0.9倍。3.5 防烫伤厚度计算3.5.1管道防烫伤绝热层厚度按下式计算（6_21）式中—绝热层外表面温度，℃；=60℃。3.5.2 设备防烫伤绝热层厚度按下式计算：（6_22）式中=60℃。注意：对于要求绝热层表面温度不超过或等于一定温度时，都可以分别用（6-21）、（6-22）进行计算。例4已知蒸汽管道外径d0=0.273m，蒸汽温度tf=250℃，周围空气温度ta=25℃，要求管道绝热结构的外表面温度不超过tw=50℃，绝热材料为矿渣棉管壳，导热系数方程为λ=0.093+0.00024tp，求绝热层厚度。解：室内取a2=11.63W/m2·℃λ1=0.093+0.00024tp=0.093+0.00024×（250+50）/2=0.129W/m2·℃用公式（3_48）计算如下：由计算机公式xlnx_x求得d1=d0×1.58=0.273×1.58=0.431m绝热厚度取80mm。例5有一个大型矩形风道，风温600℃，用微孔硅酸钙和水泥泡沫混凝土两种绝热材料作复合式绝热结构，并用石棉水泥作抹面层，要求在室温25℃时表面温度不超过50℃，求各层厚度。解：tf=600℃，因为水泥泡沫混凝土最高使用温度为250℃，所以取tw1=250×0.9=225℃，再取水泥泡沫混凝土外表面温度tw2=60℃，tw=50℃，a2=11.6W/m2·℃。查表6-1得微孔硅酸钙的导热系数方程为_1＝_0+0.00011祝ǎ詍_70）=0.062+0.00011×（（600+225）/2-70）=0.099675W/m·℃水泥泡沫混凝土的导热系数方程为λ2=0.091+0.00020tp=0.091+0.00020×（225+60）/2=0.1195W/m·℃石棉水泥抹面层λ3=0.35W/m·℃取130mm取70mm取15mm总实际厚度3.6延迟介质冻结保温厚度计算延迟管道内介质冻结、凝固、结晶的保温厚度，应按达到凝固点前时的热平衡状态进行计算。（6_23）式中Kr—管件及管道支吊架附加热损失系数，Kr=1.1～1.2（大管取值靠下限，反之靠上限）；—介质凝固点，℃；—环境温度，℃，室外管道取冬季极端平均最低温度；—介质在管道内不出现结冻的停留时间，h;—冬季最多风向平均风速下的放热系数，按式17_10计算；、—分别为介质体积和管壁体积,;、—分别为介质密度和管壁密度，kg/m3；c、—分别为介质比热容和管壁比热容，J/（kg℃）;其余符号同前。3.7在液体允许的温度降下保温厚度计算液体管道在允许的温度下保温厚度应按热平衡方法计算。3.7.1 无分支（无节点）管道（6_24）式中D—管道内径，；W—介质流速，m/s；TA—介质在（上游）点处的温度，℃；TB—介质在（下游）点处的温度，℃；LAB—A、B之间管道实际长度，；、、的取值规定与式6-23一致；其余符号同式6-23。3.8热（冷）损失量计算3.8.1管道单层绝热结构热（冷）损失量按下式计算：（6_25）（6_26）式中Q—以每平方米绝热层外表面积表示的放热损失，W/m2，Q为负值时，为冷损失量；—以每米管道长度表示的放热损失，W/m。为负值时，为冷损失量。例6已知条件见例1，求管道热损失。解：在例1中已求解的条件：δ=60mm，λ=0.0512W/(m2·℃)，D0=0.108mm，as=20.23W/(m2·℃)，则=228（mm）＜[q]3.8.2管道异材多层绝热结构热（冷）损失量按下式计算：（a）（b）管道异材双层绝热结构损失量计算（6_27）（6_27a）（c）三层（6_28）（6_28a）3.8.3设备单层绝热结构热（冷）损失量按下式计算：（6_29）例7已知条件见例2，求热损失解，在例2中已求解的条件：δ=170mm，λ=0.089W/(m2·℃)，as=21.2W/(m2·℃)，则＜[q]3.8.4设备多层绝热结构热（冷）损失量按下式计算：（a）（b）设备双层绝热结构损失量计算（6_30）（c）三层（6_30a）式中符号意义和单位同前。3.9绝热层外表面温度计算3.9.1管道单层绝热结构外表面温度按下式计算：对Q以W/m2计时的平壁及圆筒面（6_31）对以W/m计时的平壁及圆筒面（6_32）3.9.2管道异材多层绝热结构外表面温度按下式计算：（a）（b）管道异材双层绝热结构损失量计算（6_33）（c）三层（6_33a）式中—第n层绝热层外径，m。3.9.3设备单层绝热结构外表面温度计算同式6-31。3.9.4设备多层绝热结构外表面温度按下式计算：（a）（b）设备双层绝热结构外表面温度计算（6_34）（c）三层（6_34a）3.9.5双层绝热时内外层界面处温度计算：（1）管道异材双层绝热结构层界面温度T1按下式校核：（6_35）（2）设备双层绝热结构层界面温度按下式校核：（6_36）式中用式6-31、6-32计算。3.10绝热层伸缩量计算3.10.1管道或设备的线膨胀量或收缩量的计算：（6_37）式中ΔL—管道或设备的线膨胀或收缩（为负值时）量，mm； a0—管道或设备的线胀系数，1/℃；L—伸缩缝间距，m；其余符号意义同前。3.10.2绝热材料的线膨胀量或收缩量的计算：单层（6_38）双层 （6_39）三层（6_40）式中—第i层绝热材料的线膨胀或收缩（为负值时）量，mm；ai—绝热材料的线膨胀系数，1/℃；其余符号意义同前。3.10.3绝热层伸缩缝的膨胀或收缩量的计算：式中—绝热层伸缩缝的扩展或压缩（为负值时）量，mm。3.11地下敷设管道的保温计算地下管道有三种敷设方法，保温计算也因敷设情况不同而有所区别。在通行地沟中敷设的管道，其保温计算可按前述室内架空管道的保温计算方法计算。无沟直埋敷设的管道以及在不通行地沟敷设的管道，保温计算方法如下。3.11.1无管沟直埋敷设的单根管道的保温计算：（a）已知数据：允许热损失[q],W/m；载热介质温度Tt，℃；管道的埋设深度（由地表面至管中心）h，m；土壤特征（土壤的种类、温度）；管道敷设处的土壤温度tso，℃；保温厚度计算：（6_41）式中—土壤的导热系数，W/(m·K);干土壤=0.58；不太湿的土壤=1.163；较湿的土壤=1.74；很湿的土壤=2.23实际计算时，对于潮湿土壤，因易使保温材料受潮，故材料的导热系数应乘以系数m=1.5；对于较干土壤，输送介质不中断，且温度较高的情况下，保温材料的导热系数可乘以系数m=1.2（当确定保温层平均温度时，保温层表面温度采用）。（b）热损失计算：（6_42）式中—总热阻（），(m·℃)/W；—保温层热阻，(m·℃)/W； —土壤热阻，(m·℃)/W。3.11.2无管沟敷设的多根管道的保温计算：多根埋设管道的保温计算必须考虑到管道彼此间热损失的影响。计算时的已知数据除与单根管道相同外，还须知道管间中心矩（b）。现以两根埋深相同的管道为例说明计算方法。多根管及埋深不同时可以类推。（a）保温厚度计算：对第一根管道（6_43）对第二根管道（6_44）式中角标Ⅰ、Ⅱ表示第一、第二根管道，其他符号同前；R0—两根管道相互间影响的当量热阻；B—两根管道的中心距离，m。算出及值后，再以式求取厚度。（b）热损失计算（以两根埋深相同的管道为例来说明）：第一根管道第二根管道式中RI—第一根管道热阻；，(m·℃)/W； RII—第二根管道热阻；，(m·℃)/W；Rso，Ro—分别同式6-42、6-43。3.11.3不通行地沟中的单根管道的保温计算：已知数据：允许热损失[Q]，W/（m·h）；载热介质温度Tt；℃；管道外径D0，m；管沟深度h（由土壤表面至管沟水平对称轴心的距离），m；管沟的主要尺寸（横截面尺寸）m；土壤特征（土壤种类、温度）；管沟埋设处的土壤温度tSO，℃（a）保温层厚度计算（6_45）式中R—总热阻（R1+RS+Raw+Rso），（m·h·℃）/kcal；RS—保温层表面放热阻，（m·℃）/W；RS按附表5取值。Raw—管沟内空气至管沟内壁的热阻，（m·℃）/W；R1、RSo—分别为保温层及土壤热阻，（m·℃）/W；aaw—管沟内空气至管沟壁的给热系数，取aaw=a1=9，W/（m·℃）；Dag—管沟的当量直径，m。式中F—管沟截面积，m2；u—截面周边长，m。实际计算时，管沟壁的热阻（Raw）可忽略不计。因为管沟壁材料的导热系数（λaw）常与土壤的导热系数（λso）相同，所以大多数情况下就采用土壤的导热系数值。计算求得值后，再以式求取厚度。保温材料在管沟中可能受潮，实际计算时，保温材料的导热系数应乘以系数1.25。如土壤较干燥，输送介质温度高且不中断，保温材料导热系数可乘以系数1.1。计算平均温度下的导热系数λ值时，可近似取为，约60~70℃。（b）热损失计算（6_46）（c）管沟内空气温度（℃）计算K为支吊架的热损失校正系数。或3.11.4不通行地沟中敷设两根管道的保温计算（多根管道类推）：管沟中空气温度（℃）计算（允许热损失）式中qⅠ、qⅡ为第一、第二根管道的允许热损失。保温层厚度计算第一根管道（6_47）第二根管道同上、可按附表5取值，由式6-47算出及值后，再以式求取厚度。热损失计算第一根管道的热损失第二根管道的热损失无管沟敷设管道或在不通行管沟敷设管道的保温计算公式6-52、6-53仅适用于埋设较深的场合，即对无管沟敷设管道：＜2.5；不通行管沟敷设管道，＞2.5。当埋设较浅时，即或＜2.5的情况下，式中应按下式确定。式中hm—埋设深度计算值，m；h—管中心距地表面距