doc改进保温厚度计算方法的探讨

1、改进保温厚度计算方法的探讨呷1甜料,职寸改进保温厚度计算方法的探讨内窖提要山西电建总套司这是作者多年来的研究成果.本文针对利用在实验室的条件下樽i得的保温材料导热系数计算的保沮厚度,往往进不刊绝热工程预期的设计与节能嫂果的问题.进了实用保温厚度概念与各种修正系数,对保温厚度计算进行了修正.并推荐散热掼失法作为基本的计算方法.期引起同行们的注意与进一步的探讨.一,问题的提出在现今保温厚度计算的3种主要方法中,表面温度法应只限于分层保温的界面温度计算及防烫隔热的厚度计算,而经济厚度法与散热损失法一直是广为流行的方法.前者并为gb8175国家标准推荐采用.然而这3种方法都存在一个共同的关键性缺陷,即

2、以任何一种计算方法所建立的保温结构,在没有考虑任何附加因素(包括设计选材与计算,施工工艺及运行的影响)的前提下,其实际的绝热效果与长期使用效果常常达不到预期的设计效果或节船效果.3种计算方法的公式中都有一个关键性的技术指标(导热系数).上述计算方法中取用的导热系数几十年来都是各种保温材料在标准化的实验室工况下所测得的材料自身的导热系数或表观导热系数.由此而计算出来的保温厚度,实际上只船是材料自身的热阻厚度值,即理论绝热厚度值,而不是保温层或保温结构在实际使用工况下所需要的总热阻值.将大多数材料并不具备的单纯导热现象理解为保温层(结构)内部热流运动的全过程,这是一种学术上的误解.美国cm.pel

3、anne早在1986年就提出6蕾太斧-5qh,斗绝热材料有导热系数吗?一个令人深思的问题.而且指出导热系数的测定结果不能用于确定使用中的热量损失计算.近年来一些国家和学者建立了或主张以节能为首要的散热损失一加校正系数的保温层实用厚度计算.例如,前捷克在纤维状材料保温层厚度计算中,对材料的导热系数引人校正系数,?k.如对于岩棉制品,对包括保温层金属固定件,支承件在内的影响因素采取k一12的保温结构系数.河南建材科研设计院也认为040c范围内建筑隔热用的保温材料,其实际工作状态下的导热系数应是由标准状态下测得的导热系数,按不同地区的温差和工作湿度以及材料的密度与含湿量进行各项修正后的数值.又如波兰

4、的国家标准pn一61/30144i一:及pn一77/m一34030采用将散热损失法的理论厚度(8),按下式换算成保温层结构的实用厚度(8).81=k1?8(室内保温)81=k1?k?(室外保温)式中k-结构校正系数(k->1,按pn规定,见表1)ike取决于气候环境,工况条件的室外校正系数(k>1,按pn规定,见表2).表1pn校正系数k推荐值epcvoi.i5no.6表2pn校正系数k推荐值舟庙黼应保温计算草度m2o30405060:s0100120-1602oo300501?71?63l?591-571?551?531?516.11.531.481.161.441.451.4o

5、1.39701.161.411.391.3t1.361.:541.33s0l411.a71.351.381.311.291.2s1.27901.361.341_a11_301.29?1.271.261.已51001.331.311.281.已71.261.251.231_22_1201.2:s1.61.2411.221.211.201.181.151401.2l1.221.2o1.151.171.161.151.141601.211.191.181.161_151.141.131.12i8c1.151.17.161.141.131.12lj111.102001.16;1.151.141_131

6、.121.111_101.0911_05q.5o1.131.121_111.101_o91_o81.071.061.053001.111a11.091.051.071.061.05l_051.041.04j0o1_051.o1.041.041.o81.031.oa1.03:5001.031.081.031.口31.o31.口21.026001.021_o21.021.011_0l有肇国家考虑到材料自身导热系数与保温结构的实际导热系数之问的差别,从节能的角度出发,采取了强化保温的立法.如13本将允许救热损失值在降低l020的基础上,又进一步降低1015.如前所述,解决保温工程实际与理论绝热效果的

7、分歧,首先应正确理解保温材料的导热系数,并进行正确的取值.二,导热系数存在的条件多取用1.导热系数存在的基本条件材料的传热现象实际上都是传导,对流与辐射三者热传递的综合.美国c.m.pelanne用表观导热系数(kapp)一词来代表综合热传递系数.目前习惯上所谓的导热系数应称之为表观导热系数.那么真正的导热系数存在的条件又是什么:(1)材料应是备向均质的(2)材料与金属(热板,冷板)之问接触无任何缝隙,(3)稳态传热.不但从测试仪器所取得的数据,实际上不是真正的导热系数,只能称之为表观导热系数,而且处于保温结构运行中的材料的传热工况与上述几个条件相比较,其差别就更大了.7所以将材料本身的表观导

8、热系数直接应用于工况不同的保温结构计算,无论从理论上和实践上都是不恰当的.2.导热系数值的取用正确取用导热系数应从概念上弄清几个问题:(1)导热系数的表达形式应是因材而异,取其随温度而变的方程式,曲线圈或温度对照表,对各种压缩性保温材料不应强求其导热系数的线性方程式(2)气孔结构,纤维直径,成层方式和粘结荆成份古量不同都会影_茸材料的导热系数取值(3)可压塘性材料(纤维状材料及其它半硬质绝热制品)应取用最佳容重下的导热系数,厂家应提供不同压缩比的导热系数.三,保温结构的实际工况对绝热性能的影响从材料导热系数的正确取值求得的保温层理论厚度,转化为保温结构实际总热阻所需的实甩厚度时,还必须进一步分

9、析保温结构的实际运行工况对材料的绝热性能和效果的影响,为制定理论厚度的校正系数提供依据.1.水分(湿度)?保温材料的导热系数是在烘干状态下的测量值,而材料一旦进入保温结构后,处于各种古湿状态下的材料导热系数将会显着增大.材料的水份来自出厂交货时产品按国标允许的含水率以及在使用过程中大气水分的进入.以泡沫石棉为例,当其台水率由4增至11.4时,其常温下导热系数将要增大3.5当增加至2o时,其导热系数将增大75.台湿材料除了自身的传导传热外,还有湿分的传质传热由于在保温厚度方向上存在着温度梯度(液相表面张力梯度)与湿度梯度(蒸汽分压力梯度),里层的水分受热汽化向外层迁移到达某一厚度而冷凝.冷凝的水

10、分又会在毛细管力作用下向里层渗透沉降.如此反复循环,造成大量热量的额外损失.并能破坏保温,保冷结构,出现保护层金属溃疡性腐蚀及奥氏体钢管道的应力腐蚀.82.拼缝,问隙据报导:管道采甩硬质管壳保温,即使存在1.59ram的干拼缝t也将使散热量增大到116.74w/m而两个半圆管壳之间的接t=l部位,其散热损失将增大到312.35w/m保温层内有贯穿性裂缝时,其散热量损失可达到631946.5w/m.国外对汽缸保温层设计规定:用塞尺检查保温层与金属壁面之间的缝隙不得深入loomm以上.我国新的工程验收标准gbj126对保温层拼麓宽度已有严格规定,由以前的允许宽度7ram改为5mm.3.金插入件文献

11、指出:当保温层厚度为127ram,金属错钉的直径为6nun时,受其影响的热流扩大至半径16from,使这一区域的散热损失增大30.6.作者曾举例计算金属插入件对保温层绝热效果的影响即取lra保温厚度为140ram,介质温度320c的热风道硅酸钙保温层,布置l0个6铕钉,间距300500ram,计算在有和无销钉下的散热损失计算表明,仅销钉一项金属插入件t将使保温层单位面积的散热损失增大18.5.若再考虑保温结构尚有其它金属附件,如支撑环,金属绑扎件,铁丝网,托架等,其额外的散热损失就更大了.4.保沮结构的寰面状况和工作环境保温结构的表面状况和工作环境,尤其是后者t与实验室的标准化测试条件完全不同

12、.(1)保护层(等于实际补充热阻)的种类及其表面热幅射率e值,对保温层表面散热系数a与散热量产生影响,见表3.表3保护层材料对散热损失的影响f保温层材料:保护层材料外表温度i散热损失j节雠cc)(w/_(岩棉缝板一油毡,玻璃布层岩棉带加f出漆27.7308.60层e=0.9同上镀锌铁皮f36.9301.42.3=o?3j英国tl4522977标准规定无风时,保护层的散热系数采用t(a)低幅射率的光亮铝材,a一5.7w/lm?h;(b)中幅射率的镀锌铁皮,油漆铁皮,a一80w/m?h(c)高幅射率的抹面层,口一10w/mh.(2)水平管道保温层的顶部热流密度要比管道平均周向热流增大3o4o;管道

13、弯头部位及垂直管道上部的热流均较其它部位大.(3)汽轮机下缸的实际散热面积(包括抽汽管段在内)大于上缸,下缸的保温施工难度大,加以缸体的振动,所以下缸的保温层容易产生缝隙和脱壳现象.(4)室外和地沟中的保温结构受到潮湿,雨雪和不同安装位置,高度的风速风压影响以及沿海,西北,东北与中原地区的地理环境及气候条件(海拔,气温,湿度等)的差别,都会对保温结构的传热工况产生不同的影响.5.保沮结构性能的劣化保温结构未达到设计的使用年限,在热态或负温运行下,其绝热性能逐渐衰减或丧失,这就是保温层的机械强度,同形性和热物理性能等的劣化.导致劣化主要有下列一些因素,(1)烧失.岩棉制品中不同台量的树脂成分将在

14、使用过程中烧失.上海市绝热工程标准db31649l规定t岩棉制品使用温度t毡400板及管壳300.(2)析晶.llt型硅酸铝纤维毡长期高于85oc使用,会产生析晶及纤维粉化的现象.(3)裂缝.檄孔硅酸钙制品加入d纤维后,使用温度超过350时,制品出现裂缝.(4)气相结构.聚氨脂泡沫塑料在6o下,工作500天后,由于气孔内的氟里昂气体膨胀升压j巾破气孔壁而外逸,使材料的导热系数由0.01sw/m?k上升至0.0227w/m?k.(5)振动.文献认为,保温材料应具有耐频率为6hz的抗震性能.由于激振或自振而产生频率超过10hz的振动,船引起保温结构的开裂,酥松,沉陷,形成热桥和气袋,使散热损失增大

15、.由于保温结构绝热性能逐渐劣化,为此在计算保温层的理论厚度时,不但耍预见在这些使用条件下不利因素的影响,正确取定材料的长期安全工作温度和导热系数,而且还必须针对保温材质,保温结构,使用工况(环境)及介质温度(爝值)等不同情况,提出一系列附加于理论保温厚度的校正系数,才能获得长期稳定的绝热效果所需的保温层实用厚度.四,保温层实用厚度的计算方法1.制订校正系数的导则(1)节能第一.制订理论厚度的校正系数必须首先考虑减少散热损失,并保证在任何地区,任何工况下的长期使用年限内保温层的散热损失都能符合gb4272的规定.(2)经济性.将保温层的理论厚度按照不同工程,即保温对象对企业生产的不同功用(炯值的

16、不同)从保温后能耗的节省中抽出-zj,部分费用预支到今天的保温工程上.这种强化保温节能的方法是所谓的积极经济性原则.但不是任意选定校正系数(加大理论厚度),以致超过企业承担的投资能力.(3)相对性.其吉义可包括如下:a,保温层综合传热系数的一些主要影响因素的校正系数的取值,不是机械地采用算术叠加的绝对化方式,而是从它们当中确认最普遍的最小影响的程度(尽量遵循现行工程质量检验标准,如gb4272,gbji26,gb8174),选样的取值才具有实践性.b.影响因素的大小是可控制的,如拼缝的工艺改誊,但不能完全消除拼缝部位的散热量与保温层本体散热量的差异.c.必须以设计选材,保温结构,施工工艺和设备

17、(管道)运行等都属于正确和正常的前提下来综合进行校正系数的取值.2.校正秉散的取用方式由理论厚度通过校正系数转变为实用厚度,有两种可行的方案:(1)直接将材料的导热系数理论值乘以一个或几个校正系数,得出该材料在不同使用工况下的导热系数设计值,而后按照gb4272规定的散热量允许值计算实用保温厚度(2)采用散热量法计算保温理论厚度后,按照保温材质与结构,安装位置,环境气象,温度参数(娴值或负温度)等不同情况.综合制订三组系列的理论厚度校正系数1,s.这就是所谓校正系数的综合性原则本文探讨改进的就是该方案.为何不推荐经济厚度法计算保温层的理论厚度再附加不同的校正系数?(1)本文不排除采用经济厚度法

18、计算保温厚度但经济厚度法虽使用电算,数据与程序却十分繁琐,而且不适应社会主义市场经济的要求今后保温材料的计算价格应从市场价格变化的动态(如燃料价格的上涨,地区间热价或成本的差别等)及保温对象的不同来考虑整个保温结构的结构价.但现行的经济厚度计算方法中,不论温度高低和管径大小都采用一个结构债(郾保温投资年费用),其求得的理论厚度显然是不恰当的.而且按照经济厚度法求得的保温厚度,还必须按gb4272规定和散热量法来校核其散热损失.但有人认为采用散热量控制法所依据的散热量允许值乃是gb4272的极限规定,从而所计算的理论厚度必然是最薄的.作者认为,正由于是极限值,所以得出的理论厚度必须予以校正,才能

19、获得可靠的实用厚度.实用厚度的概念具有二重性,首先是节能性,其次才是经济性.反之,若单纯采用经济厚度法,则不惜繁琐计算得到的理论厚度还可能超过gb4272的极限值规定.从这一点上,散热量损失法不但不会出现这种结果,而且它还可保证经过厚度校正后的保温层,其实际散热量可在一定的设计使用年限和工况条件下,符合或优于国标的极限允许值.(2)电站热力管道的温度参数不同,从热量的质的方面分析,即其闸质(exergie)不同,故其作功能力也不等.以两条管径相同的热力管道为例,因其介质温度(t)不同,计算的保温层厚度也不同.若保温层表面散热损失(q)相同1n时,结果导致介质温度(一)高的管道保温后所损失的作功

20、能力(炯)比介质温度(丁t)低的管道为大.有下式tawt1一仇一(1一)aqwt=一(1-)qt1>tt.wti>wtt仇>式中twt,wt两条管道由于外部散热而损失的作功能力两条管道介质的有效热向外部传递的娴损失t.环境温度.文献认为,现行国标对散热损失允许值的规定忽略了炯参量的同题,等于允许介质的散热损失可与其作功能力(烟)损失同步增大.但按照用能即用炯,节能即节媚的热经济学观点,在国标散热量允许值规定尚未结合媚参量进行修订之前,必须在保温实用厚度计算时,加入温度参数阚参量的校正系数.3,计算公式与校正系数本文推荐的保温层厚度计算是以散热量控制方法为主,而后遵循节能性,经

21、济性,相对性与综合性的原则(包括介质温度不同的炯值)来制定三组校正系数,从而将理论厚度换算成保温层总热阻所需的实用厚度(1)理论厚度的计算公式t平壁单神材料的保温厚度8一(t-t,一)(m)lq2平壁两种材料的复合保温厚度8=h(t-t.一1一(m)管道单种材料的保温厚度domt-t.一)(m)uj2管道两种材料的保温厚度一一击)(m)式中;保温材料在所给的平均温度下的导热系数,w/m?k;t介质温度,t.环境温度;q平璧保温在该介质温度下按gb4272规定允许的散热损失,w/m;,2第1种(里层),第2种(外层)保温材料在所给平均温度的睁热深数,6,吼,8平壁保温层单种,第1,第2种保温材料

22、的理论厚度,md.保温层的外径,m;d保温层的内径,即管道的外径,m,q管道保温在该介质温度下按gb4272规定允许的散热量损失,w/md管道第1种材料保温层的外径或第2种材料保温层的内径,mde管道第2种材料保温层的外径,平壁与管道采用两种材料的复合保温时,两层之问的界面温度可按表面温度法来计算.界面温度应为第2种材料的安全使用温度.第一层厚度(a,dt)可在假设第二层厚度(,do的条件下进行计算,而后按要求的界面温度进行校核.(2)计算公式中有关数据的取甩a.放热系数al的取值对保温层厚度的影响文献表明,a值如取小,在表面温度法进行复合保温防烫隔热等计算时,保温层厚度将稍增大而采用散热量控

23、制方法计算时,a值如取大,则保温层理论厚度将随之增加.b.放热系数a2的取值对散热损失q的影响.采用表面温度法进行分层保温或防烫隔热计算时值如取小,则保温层理论厚度将稍增大,而其散热损失,按公式atatq丁瓦干十将相应减少但对散热损失法,将因e值取小而使保温层理论厚度相应变小,故其散热损失g反而有所增大c.放热系数a的取值对表面温度t,的影响.对经济厚度法计算,由于t一+t.,att2一t.,故值如取小,则t值增大,表面温度t增大对分层保温及防烫隔热的表面温度法计算,则因t已先确定,如值取小,则必然要求散热损失q相应减少.但对散热量控制法,值的大小.与表面温度t,无关d.表面放热系数t的取值与

24、保护层材质的关系.如不考虑风速与几何尺寸的影响(风速影响在校正分系数表内列人),n值的大小应取决于保温结构的表面辐射宰值如保护层的值由0.3变到0.85,在相同温度下.其辐射放热系数a将随之增大2倍以上,因此可使整个值也相应增大.但金属保护层的e值虽小于抹面层.金属的导热系数却比抹面层大130倍以上表面放热系数t还可看作是保温层表面温度与环境温度之差的线性函数文献指出,相同的保温层采用不同的保护层,虽其表面温度不同,但不能反映其实际散热损失的大小,甚至金属保护层的表面散热损失低于抹面层.本文将这些因素进行综合处理.并鉴于近年来广泛采用金属保护层的情况,参照保温设计导则的编制说明,对不同材质的保

25、护层略去其e值的差别,而合并选用一个近似的放热系数的计算公式,即1.163(6+3厢).w/mk.w值取用当地历年年平均风速m/s.如风速小于lm/st按w=lm/s计算在热网管道及防冻工程的保温厚度计算中,风速应按当地冬季主导风向平均风速取值.e.对室外环境温度(t),先按全国统一取用+12进行理论厚度计算,然后加以各地的平均温度校正分系数.对室内环境温度(t.),由于一般电站热力设备与管道,冬季均有采暖或伴热,为简化计算,采用gb8175的规定,即统一取用2o.f.对地沟内环境温度(t.)的取用.当介质温度t(tf)8ox,t.取用20;当介质温度t(tf)为810,t.取3o;当介质温度

26、t(te)<150,t.取4o;当介质温度t(te)150,t.取50.g.对分层保温,防烫隔热的厚度计算的环境温度t.,可取当地夏季最热月份的平均温度.(3)校正系数表保温层理论厚度(6j)计算完成后,船按下式计算转化为保温结构(保温层)的实用厚度(6宴)6一6?ki?kt?k3式中tk保温制品材质,结构及施工工艺校正系数,按表4的规定选用;kt保温对象的环境工况校正系数,按表5的规定选用;k,介质沮度参数(炯)校正系数,按表6投规定进甩.序号材质t结构及工艺影响因誊l取值适用条件校正分幕藏说明t3嚣兰o.02按照保晶交货及旌工后漫分t<320eoos僳屡t大瘦茸水分不大于直理一

27、o.os.s考虑全属插件硬质地经受材料或矿糟ii较质暑l包括全恬固定件及支承件制品(管道)-e.o|f壳或帖垴工艺矿糟棉半硬质制品2硬质绝热材料或矿糟棉较质一l包括盒属固定件厦支件包括品(设备)-e.03童属固定件及支承件全ji插件矿糟棉半硬质品-t2少量甩于保分层及外表面加同蛇热材料帖结法或曩潦岳工艺矿糟棉篼燕品-e寮甩挤羹或誊接拼缝硬厦篼热晶一l拼t竞度符合gbj-126规定材质不匀性及硬厦篼热品-e.1性蠢使用翦已检验台格其性蠢劣化矿糟棉晶-e.练合l-k2=1-(kik2+k3-k4)-2-保护技材质厦其工艺的校正已作化肇麓表5保温对象的环境工巩投正乐数kt序号环境工况影响因素l取值适

28、用条件校正分系数说明1安装于地面架空及楼层等位置室内及年平均风速3m/-场所iki=0冬季室内采暖年平均风速>3m/s场所及宣外k.=07l包括风速大于3$的室内场所室及保温计算温度0k.=o室外及保温计算温度为一l一l5k?=o.05室外及保温计算温度为一l6一40cke=o.102安装于沟道内不通行井高于地下水位k7=0有排水及防潮螨通行并高于地下水位k,=0.05有排水及防潮|殳商表6介质温度参数(j:!i1)校正系数ks练台ka=1+(k.或k-o或k.或k.,(4)校正分系数取值的补充说明a.k.的取值按制品交货时其含水率应能符合产品标准或订货合同及其在使用过程中可能继续被干燥

29、但在露天或潮湿的环境中,在保护层(或防潮层)的封闭状态下,仍保留有残余水份;或保护层不严,局部缺陷和损坏使环境中水分进人保护层,故作表4序号1的规定b.kt的取值,考虑了矿物棉半硬质制品可不需金属固定件或金属支撑环,但在设备的垂直面及底部仍需少量销钉和支承件或固定件;对于粘结法与喷涂法施工工艺一般布置少量销钉或螺杆作为厚度标志或固定外层镀锌铁丝网之用,故其kt值分别取低c.对矿物棉制品按产品国家标准或行业标准进行加工,但不考虑采用缝被式毡垫制品,以免出现有布元棉的空缝气袋硬质绝热制品的拼缝必须执行gbj126第八章的有关规定,故其k值方可取用o.o5o.1.d保温材料的材质不均一性及其性能参数

30、的不稳定性,主要指保温制品的容重,导热系数,机械强度,憎水度及其使用过程中性能的劣化.后者如保温制品的闭口气孔的一部分变为开口气孔(矿物棉制品粘结剂的挥发).但k.的取值是以设计选材的导热系数方程式或随温度而变化的曲线圈,表的数据均属正确并具有批量代表性为基础而制订的.e.环境工况指安装位置为室内或室外,大气温度与风速的差异室内的设备及管道虽因互相靠近,其表面放热互相干扰,但对整体散热量的损失影响很小,保温结构的表面温度可能因此而增大,温差t=t.一t.反因此而减少.故室内年平均风速3m/s的k;值不作考虑如年平均风速>3m/s的室内敷设(如高层过遭)或半露天,其k值也应与露天的安装位置

31、同样看待.我国幅员广大,如按某地历年平均温度之平均值,可能与另外城市相同或相近,但其昼夜温差两地相差很大,一昼夜中较高温度时问相对短于其较低温度的时问,因此对保温结构表面的温差,放热系数等带来明显的影响.故校正分系数ke的取值按当地年保温计算温度,而不采用其历年之年平均温度的平均值为简化计算,只规定了三个温度档次f通行地沟形成隧道式风洞,其风速可能5m/s,故规定了其校正分系数值;不通行地掏与直埋的校正分系数k与ks均不作规定g.介质温度450c570的蒸汽一般均为媚值最高的新鲜燕汽或再热燕汽,其作功能力为电厂生产的关键,故规定的校正分系数值校大.其余的汽温,其校正分系数值递减对抽汽及扩容汽,

32、因其属于已作功的二次汽余热利(下持第29页)一13分冒灰严重,经检查,发现水封式搅拌器进干灰侧积干灰严重,立即辅以人工搅拌,虽然能勉强维持运行,但问题没有根本解决.经分析,积干灰是搅拌器的搅力太小所致.为此,立即改造水封式搅拌器,同时加大排干灰管径.经局部改造后,虽未达到擐理想状态,但却免去了人工搅拌,满足了1号机满负荷时的排灰制浆要求.我院已拟定了进一步改造水封式搅拌器的方案,在2号机投运时将会有较大的改观.高架溜槽转运灰浆,自始至今未出现任何问题从而打消了许多人认为高架溜槽不能转运灰浆的疑虑,也为新系统的进一步改进创造了极为有利的条件.竖流斜板沉清池的回收水质,在96小时的试运期间,水质相当不错.沉清池下部的排浆泵一直在运行.可是移交给电厂后,不久就出现了排浆泵冻堵的故障.主要原因是排浆泵没有备用泵,一旦排