第5卷 第8期2015年3月
技术探讨
CONSTRUCTION
浅谈气凝胶绝热毡在热力管道保温工程中的应用
黄 杰 陈令施
江苏省节能工程设计研究院 江苏南京 210007
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要求。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 1 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。（见下图）
材料导热系数数据
导热
气凝胶传统保温材料系数W/（m·K）
绝热毡硅酸铝超细离心纤维毯玻璃棉毡20℃0.0180.0350.034100℃0.0190.0450.041200℃0.0210.0600.058300℃0.0240.0790.087400℃
0.028
0.115
0.124
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。
文献标识码：A 二氧化硅气凝胶导热系数曲线
材料参数对比数据
传统保温材料项目
气凝胶绝热毡硅酸铝超细离心纤维毯玻璃棉毡最高使用温度℃650800400-450容重，kg/m3
180-200
120-150
40-60
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：
1、管径：OD219X8；2、介质：过热蒸汽；
（70nm
技术探讨
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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
项目指标产品名称复合硅酸铝毡产品代码LYMX-700T 使用温度（℃）-50～700
理论体积密度（kg/m3）
128加热永久线变化（700℃×24h）（%）
≤1.5200℃（热面）
≤0.043导热系数W/（m·k）
400℃（热面）≤0.054600℃（热面）
≤0.075
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
由于二氧化硅气凝胶成本较高，为避免工程材料费用过高，笔者采用复合保温（气凝胶+硅酸铝）1及传统保温2两种方案进行对比计算，具体如下：
保温厚度设计方案
气凝胶厚度
硅酸铝厚度总厚度mm
方案110mm×4层
80mm×2层200方案2
100mm×4层
400
2、保温效果分析
参照GB/T8175-2008《设备及管道绝热设计导则》计算散热损失，并根据实验结果进行修正。
第5卷 第8期2015年3月
计算公式如下：
其中：q线：管道线散热损失，w/m T：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
表面温度
面散热损失W/m2
线散热损失W/m
1km 温降方案119.1℃82.2159.97.5℃方案2
16.4℃
50.7
162.3
7.6℃
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。
参考文献：
[1]施振球.动力管道设计手册.北京：机械工业出版社，2006[2] GB50264-2013工业设备及管道绝热工程设计规范，2013
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浅谈气凝胶绝热毡在热力管道保温工程中的应用
黄 杰 陈令施
江苏省节能工程设计研究院 江苏南京 210007
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要求。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 1 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。（见下图）
材料导热系数数据
导热
气凝胶传统保温材料系数W/（m·K）
绝热毡硅酸铝超细离心纤维毯玻璃棉毡20℃0.0180.0350.034100℃0.0190.0450.041200℃0.0210.0600.058300℃0.0240.0790.087400℃
0.028
0.115
0.124
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。
文献标识码：A 二氧化硅气凝胶导热系数曲线
材料参数对比数据
传统保温材料项目
气凝胶绝热毡硅酸铝超细离心纤维毯玻璃棉毡最高使用温度℃650800400-450容重，kg/m3
180-200
120-150
40-60
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：
1、管径：OD219X8；2、介质：过热蒸汽；
（70nm
技术探讨
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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
项目指标产品名称复合硅酸铝毡产品代码LYMX-700T 使用温度（℃）-50～700
理论体积密度（kg/m3）
128加热永久线变化（700℃×24h）（%）
≤1.5200℃（热面）
≤0.043导热系数W/（m·k）
400℃（热面）≤0.054600℃（热面）
≤0.075
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
由于二氧化硅气凝胶成本较高，为避免工程材料费用过高，笔者采用复合保温（气凝胶+硅酸铝）1及传统保温2两种方案进行对比计算，具体如下：
保温厚度设计方案
气凝胶厚度
硅酸铝厚度总厚度mm
方案110mm×4层
80mm×2层200方案2
100mm×4层
400
2、保温效果分析
参照GB/T8175-2008《设备及管道绝热设计导则》计算散热损失，并根据实验结果进行修正。
第5卷 第8期2015年3月
计算公式如下：
其中：q线：管道线散热损失，w/m T：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
表面温度
面散热损失W/m2
线散热损失W/m
1km 温降方案119.1℃82.2159.97.5℃方案2
16.4℃
50.7
162.3
7.6℃
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。
参考文献：
[1]施振球.动力管道设计手册.北京：机械工业出版社，2006[2] GB50264-2013工业设备及管道绝热工程设计规范，2013
文章被我刊收录，以上为全文。
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