浅谈气凝胶绝热毡在热力管道保温工程中的应用[摘要]随着我国热电联产和集中供热事业的蓬勃发展，长距离输送的蒸汽管网愈渐增多，这势必对蒸汽管道的绝热保温工程提出了更高的
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。新型二氧化硅气凝胶绝热毡的应用，为蒸汽管道的绝热保温提供了更多的选择。为探究气凝胶绝热毡复合保温结构实际保温效果，本文通过模拟计算蒸汽管道传热工况，通过数据整理、计算分析，得出基本结论，为今后复合保温结构优化提供参考。[关键词]气凝胶绝热毡纳米复合保温结构；热力管网；保温工程；中图分类号：E271文献标识码：A1前言随着我国材料加工工业技术水平的不断发展，保温材料也有了长足的进步和发展，新型二氧化硅气凝胶保温材料集导热系数低、保温隔热性能好、理化性能稳定、高温不燃、完全防水、无毒害、绿色环保等诸多优良性能于一身，目前部分高温蒸汽管道及直埋蒸汽管道工程已经率先使用。为探究复合保温结构实际保温效果，笔者通过模拟计算蒸汽管道传热工况，进行数据整理、计算分析，得出基本结论，为今后复合保温结构的优化提供参考。2气凝胶材料简介2.1气凝胶气凝胶（Aerogel），1930年由美国人凯斯特首次合成，其成份98%为空气，是一种由纳米级粒子聚集并以空气为分散介质的新型非晶固态材料，是一类具有独特光学、热学及电学性能的轻质纳米多孔材料。气凝胶是目前已知的导热系数最低、保温性能最好的材料，纳米多孔三维结构，主要成份是二氧化硅，故也称为二氧化硅气凝胶。二氧化硅气凝胶因其独特纳米多孔结构，可有效阻止热量传输的三种方式。凝胶包覆空气，直径在30-70nm可以无限降低热对流（70nm时空气静止）；纳米多孔结构致体积密度大，凝胶壁无限长，可以无限降低热传导；弧面结构多，有无数遮阳板效应，可以无限降低热辐射。2.2二氧化硅气凝胶保温材料特性及对比分析1、导热系数低气凝胶绝热毡具有其他传统保温材料不可比拟的低导热系数，300℃时，材料导热系数仅为0.024W/（m・K），大大低于其他材料。同等条件下保温厚度仅为传统材料的1/4～1/5，可大大降低保温层厚度，应用于直埋蒸汽管道时，能减小外套管尺寸，减少埋地开挖量，降低外套管材料、运输、施工成本。材料导热系数数据二氧化硅气凝胶导热系数曲线2、散热损失小，节能率高表面温度相同的条件下，气凝胶保温层厚度降低，散热面积明显减小，管道散热损失减小，大大减小长距离蒸汽管道的温降和压降，有效减少能耗损失。材料参数对比数据3、防水性好气凝胶绝热毡憎水率≥99%，无需特殊防水措施，在雨天或潮湿的环境下仍可施工。而传统材料不完全防水，防护板表面需喷涂金属密封胶进行防水。4、抗压抗拉气凝胶绝热毡在10%形变下的抗压强度≥100KPa，回弹性好，完全可支撑外套管的荷重。而传统保温材料结构松散，压缩形变大，受压回弹性差，压缩后导热系数明显上升。使用气凝胶绝热毡，可降低施工过程中一些不可控因素对保温效果的影响。5、使用寿命气凝胶绝热毡整体性好，具有较好的抗震抗拉性，在使用过程中不出现颗粒堆积、沉降等现象；20年模拟测试收缩率小于1%，导热系数无变化。传统保温材料材料结构松散，自重、设备振动、材料进水等极易导致材料解体、沉降，保温效果明显下降。3高温热力管道工程案例计算3.1工况条件江苏某化工企业某工艺需要4.5MPa，450℃以上的高温高压蒸汽，该蒸汽须从邻近电厂供给，故需要敷设2km左右供热蒸汽管道，具体工况要求如下：2、介质：过热蒸汽；3、起始压力：5.3MPa；4、起始温度：460-490℃；5、蒸汽流量：15-36t/h；6、环境平均温度：14℃；7、平均风速：3m/s；8、要求：1000m管道温降≤7.5℃。由于管线运行流量不稳定，变化幅度较大，因而对管道的保温要求非常高，尽可能减少管道散热损失，为此，笔者拟采用二氧化硅气凝胶作为保温材料，并用传统的复合硅酸铝材料进行计算对比。3.2保温材料主要参数对比计算选取的二氧化硅气凝胶绝热毡及复合硅酸铝毡技术参数如下：二氧化硅气凝胶绝热毡指标复合硅酸铝毡计算指标对于有憎水要求的，憎水率不小于93%3.3保温厚度及表面温度效果计算1、保温厚度设计
方案
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保温厚度设计方案2、保温效果分析计算
公式
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如下：其中：q线：管道线散热损失，w/mT：介质温度，℃；Ta：环境温度，℃；λ：导热系数，W/（m・k）D0：保温层外径，m；Di：管道外径，m；ω：风速，m/s；α：表面放热系数，W/（m・k）根据管线散热损失及以下公式可推算管道温降：其中，C：介质定压比热，J/（kg・℃）L：管道长度，m；Q：流量，t/h；n：修正系数。参照IAPWS-IF97水蒸气参数计算标准，温度460℃，压力5.3PMa的水蒸气过热蒸汽，定压比热为2377.9J/（kg・℃）。蒸汽流量30t/h时，计算出的结果如下：保温厚度设计结果通过上述数据分析，采用二氧化硅气凝胶+复合硅酸铝复合保温结构能够有效地减小管道保温壁厚，针对高温管道更有其实际运用的条件，建议今后对于温度较高的蒸汽管道（大于340℃），适当采用此种保温形式。4结语随着集中供热事业的不断推进，蒸汽管网的敷设距离由早期的5km经济半径，拓展至现阶段的20-30km长输管网，原来固有的保温方式和方法已经不能满足运行要求，二氧化硅气凝胶毡的使用很好地解决了保温绝热材料问题，在蒸汽温度高，现场空间狭小苛刻的条件下，有着很好的发挥空间，待后期材料价格趋于合理后，可以大面积推广，通过精确模拟计算，可以有效的减少管道散热损失，降低管网运行风险，发挥经济效益。文章结合实际工程计算案例，使用二氧化硅气凝胶+复合硅酸铝复合保温结构，最大限度的减小管线的温降压降，为今后类似工程的设计提供参考。
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