0 引言
氣凝膠作為一種納米多孔結構的無機固體材料,具有超低導熱系數?耐火不燃?疏水?輕質等特點,因其密度低被譽為世界上最輕的固體材料?在導熱性能方面,其材料性能遠優于目前應用較多的硅酸鋁?聚氨酯等傳統材料?其他特性也彌補了傳統材料在實踐應用中存在易老化脆化?吸水導熱系數增大?空間占比高?更換頻率高等缺點,是極佳的保溫材料?隨著生產工藝的改進,低成本?快速制備的常壓制備技術獲得研發應用,在一定程度上改進了氣凝膠的性能,也降低了其使用費用,促進其在工程領域中的應用?實踐研究氣凝膠的應用效果和保溫層的修正優化計算,對促進氣凝膠在具體的節能減碳項目中推廣應用具有直接的實用價值?
1 氣凝膠的材料特性
氣凝膠根據其組分一般可分為無機氧化物氣凝膠?有機氣凝膠?有機-無機雜化氣凝膠等聚合物增強氧化硅氣凝膠?碳化物氣凝膠及石墨烯氣凝膠等,此外還有一些多組分氣凝膠?其主要產品有氣凝膠絕熱氈?氣凝膠涂料?氣凝膠粉體?石墨烯氣凝膠復合纖維及柔性陶瓷納米纖維?
1.1物性穩定性能好
氣凝膠的導熱系數遠低于其他保溫材料,其獨特的結構可有效阻止熱量的傳遞,并且隨著溫度的升高其導熱系數的增加速度緩慢,導熱性能穩定?有研究其與傳統保溫隔熱材料發現,氣凝膠的溫度傳遞延遲時間比傳統保溫隔熱材料多出1倍,衰減倍數可增大40%,其導熱性能明顯優于傳統保溫隔熱材料?同時由于氣凝膠內的酸根和鹵素陰離子的量很低,在惡劣的環境下也不能產生嚴重的環境污染?
1.2同生命周期經濟效果優良
熱能領域的傳統保溫材料主要有硅酸鋁?聚氨酯等材質的保溫材料?這些材料普遍存在導熱系數大?疏水性差?耐久性差和易老化等缺點?尤其是在露天環境下,隨著使用時間的增加,這類保溫材料逐漸出現老化粉化脆化?吸水性變強?蒸汽滲透率高等不良問題,嚴重地影響了保溫效果?尤其在保護層的接口處,雨水?空氣中水蒸氣?冷凝水會滲透到接口處周邊的保溫層部位,逐漸造成更大范圍的破壞?這些不利因素極大地降低了保溫材料的有效使用時間,不同的外界環境下有效使用期為3-5年?
氣凝膠本身具有導熱系數小?A級阻燃?高孔隙率?密度低?產品壽命長的特點,是良好的露天保溫材料?在航空航天?工業和建筑保溫領域有著廣泛應用的潛力,有研究其使用壽命約20年?在相同生命周期和使用環境條件下,氣凝膠具有很好的經濟適用效果?
1.3空間利用率高
氣凝膠因其特殊的材質結構,造就了其低導熱和強憎水的特性,在相同的導熱性能要求下,氣凝膠的使用量遠低于傳統保溫材料的使用量,極大地提高了設備保溫空間利用率,降低了應用中的施工困難,節省存儲和操作空間?特別適用于一些受重量?體積或空間限制的特殊部位和環境?
2 氣凝膠產品示范應用
2.1示范項目簡介
為了獲得關于氣凝膠產品實踐應用參數,本文依托中西部地區一個大型煤礦的供熱改造項目,鋪設一條2100m的供熱蒸汽管道,從自備電廠首站分汽缸至煤礦的主副井供熱管道分別采用氣凝膠和硅酸鋁兩類不同材質的保溫材料?并采用兩種品牌的氣凝膠產品對比分析傳熱效果?室外工作管道采用鋼架支撐架空敷設,配套建設監測平臺?
2.2數據監測措施
為客觀地對比研究各保溫材料的真實導熱效果,本文采用實時數據監測措施,通過蒸汽管道的在線監測系統,實時監測記錄工作管道各段的溫度?流量?壓力等參數?溫度監測采用熱電偶傳感器進行實時監測和數據采集,熱電偶貼片沿管線和斷面布置?壓力測量采用壓力傳感器進行實時監測和數據采集?流量測量采用流量計在線監測,測量管道內蒸汽的流速和流量,監測瞬時值和累計值?設定數據采集周期為60s,進行連續記錄?
3 厚度計算和優化算法
3.1保溫層厚度計算
保溫材料的選擇與計算是熱能工程設計和節能改造的重要內容之一,不僅關系到供熱線路的初投資大小,也對供熱管線的熱工性能有直接影響?目前對保溫層厚度計算方法主要有三種:保溫層外表面允許最高溫度法?允許最大散熱損失法?經濟厚度法?
本文從熱量傳遞的基本原理出發,結合實踐應用的表面散熱損失限額標準,考慮到金屬支座?補償器和其他附件產生的附加熱損失,對保溫層厚度計算公式進行散熱修正,采用迭代驗算的方法計算保溫層厚,驗算值與限額值偏差取5%以內?
供熱蒸汽工作管在結構上其長度遠大于厚度,其對外散熱可視為圓筒壁的一維導熱,采用第一類邊界條件,建立保溫層的導熱公式?引用第三類邊界條件可計算單位管長度圓管上的熱流量,示范項目采用的大型金屬無縫鋼管,直徑遠大于壁厚,金屬導熱系數高,故壁厚熱阻忽略不計,其工作管的外壁溫度與介質溫度可視為相等?大多數露天架空的供熱管道采用金屬支架支撐,考慮到數量眾多的金屬支架上的管道支座?補償器等附件產生的熱損失,引入散熱量的附加系數β,經過校核驗算,架空鋪設取0.175較為合適?
3.2最佳組合優化算法
保溫層外表面允許最高溫度法?允許最大散熱損失法這兩種方法在同種保溫材料時計算方便,但是未沒有考慮材料價格的經濟性?根據傳熱特性,保溫層越厚,對外散熱損失越小,但同時保溫材料投資也越大?不同保溫材料組合存在不同的熱損失,故不同材料間必存在一個最佳經濟組合厚度?
氣凝膠因其復雜的生產制造工藝使其價格昂貴從而在一定程度上限制了其普及應用?本文結合氣凝膠的產品特性和價格因素,在最大允許熱損失量的前提下,給出復合層材料經濟厚度的最佳組合的優化方法?
Ci為各材料單位投資(包括材料費和施工安裝費)費用,元/m3,Mi為各材料的總使用量,m3?Dij為各材料對應的每層直徑?L為蒸汽管線長度,m?C為建設保溫設施投資總費用?
通過試算D1和Dw的不同值,在允許最大散熱損失限額Q的前提下,取最小C值對應的D1和Dw則為最佳經濟厚度值?
3.3復合層計算方法和步驟
實際應用中,對復合層內?外各層計算的基本方法及步驟:
(1)確認復合層內?外的邊界參數,包括供熱管道內部的熱介質參數和管道外的環境參數;(2)按導熱系數從小到大依次布置,內保溫層為導熱系數小的氣凝膠層,外層為其他保溫材料,根據經驗先設定各層的外徑值;
(3)計算各層溫度分布和表面散熱損失;
(4)復核各層溫度和散熱損失是否滿足約束性要求?要求氣凝膠層的外側溫度低于外保溫層最高耐熱溫度的0.9倍?若不符合要求則重新設定各層的直徑,直至符合散熱損失限定值要求;
(5)根據各保溫層的直徑值采用定額概算法計算各材料的總費用;
(6)在不超過最大允許熱損失量的范圍內調整各直徑方案,獲得總體費用最低的方案,則為最經濟厚度方案?
由于大部分材料的導熱系數并不是定值,大多數是隨著溫度的變化而增加的變量,而導熱系數又直接影響著保溫材料的厚度?在選擇材料導熱系數時可以選工作介質和外界溫度的平均溫度對應的平均導熱系數進行計算?
4 示范效果
示范項目應用修正后的允許最大散熱損失計算公式分別計算氣凝膠和硅酸鋁管段的保溫層厚度?邊界參數為蒸汽溫度267.65℃,壓力0.179MP為起點工況,無縫鋼管為D273×7,外界空氣溫度取設計值0.3℃,風速2.2m/s?氣凝膠保溫段采用修正公式后做40mm保溫,分4層施工,硅酸鋁保溫段做100mm保溫,全線外做0.5mm鋁合金薄板保護層?施工完成后通過示范應用項目的運行監測和投資強度進行分析?
4.1運行效果
通過對供熱管線的溫降幅度可直觀地判斷各管段的保溫材料的保溫性能?Ⅰ?Ⅱ為兩種不同品牌氣凝膠產品,Ⅲ為硅酸鋁產品?(Ⅰ)0-700m管段?(Ⅱ)700-1400m管段?(Ⅲ)1400-2100m管段的溫降圖如圖1-3所示?
對三段管道的溫降數據分別進行擬合,可得到各管段的溫度下降函數?下降率?下降溫度差和百米溫降等參數,具體數據如表1所示?
如表1所示,硅酸鋁材料對應的溫度變化下降率大于氣凝膠值,說明氣凝膠的溫變小于硅酸鋁?
同時溫度下降率三者數值又十分接近,表明新材料在初始階段的保溫性能接近,但是同示范項目淘汰下來的硅酸鋁材質比較來看,長期使用效果上氣凝膠的導熱性能優于硅酸鋁?
4.2同周期投資強度分析
采用同生命周期法進行比較,氣凝膠以其產品特有的耐腐蝕?耐老化?防水性好的優勢,使用壽命約為硅酸鋁材料的5倍,極大地減少了供熱保溫工程反復的工作量?由示范項目的材料投資表2可知,單位距離的材料使用量氣凝膠約為硅酸的40%,即采用氣凝膠的設備空間使用率遠高于硅酸鋁,有利于施工和運輸倉儲?其疏水特性能也使得采用埋地鋪設的供熱管道減少了頻繁翻地開溝進行維護的費用?
從投資強度角度來看,在材料同周期基礎上氣凝膠的投資強度僅是硅酸鋁的30%,具有很好的經濟效益?
5 結語
隨著氣凝膠生產工藝發展和成本的降低,氣凝膠在大型熱能工程中必將獲得廣泛的應用,進而推動國內熱能領域的節能減碳行動?同生命周期條件下氣凝膠的投資強度僅為硅酸鋁的30%,整體投資低,經濟效益好?本文給出了穩態導熱下蒸汽管道保溫層的修正公式和復合層經濟厚度的優化驗算步驟,為氣凝膠實踐應用設計和節能改造提供參考?同時本文所提出的計算方法和思路及相關公式不僅適用于架空供熱管道的設計計算,也可用于大多數露天供熱設施的(保溫層)的設計計算?
本文來源：《資源節約與環保》 版權歸原作者所有，轉載僅供學習交流，如有不適請聯系我們，謝謝。
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