《過程裝備成套技術課程》第八章 絕熱設計

1、8 絕熱設計81 概 述 隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，同世界上許多國家一樣，能源短缺問題日益突出，節(jié)能工作越來越受到各工業(yè)部門的普遍重視。目前，節(jié)約能源，降低成本，已成為企業(yè)生存和發(fā)展的有效措施之一。而工業(yè)設備及管道絕熱是節(jié)能降耗、改善環(huán)境的重要措施，絕熱工程已成為生產(chǎn)和建設過程中不可缺少的一項工程。 8 絕熱設計81 概 述 絕熱是保溫和保冷的統(tǒng)稱。絕熱的目的是為了防止在生產(chǎn)過程中的設備和管道等向周圍環(huán)境散發(fā)或吸收熱量，以節(jié)約能源，降低能耗，改善操作條件，保護環(huán)境，保障設備和管道的安全運行。 8 絕熱設計81 概 述 當設備、管道及其附件有下列情況之一時， 一般應采取絕熱措施。 外表面溫度大于5

2、0以及外表面溫度小于 或等于50但工藝需要保溫的設備、管 道及其附件。 工藝生產(chǎn)中需要減小介質的溫度降或延遲 介質凝結時。 介質溫度低于周圍空氣露點溫度時；以及 在環(huán)境溫度下，為防止設備或管道外表 面凝露時。 8 絕熱設計 當設備、管道及其附件有下列情況之一時， 一般應采取絕熱措施。 對于工藝生產(chǎn)中不需要保溫的設備、管道及其附件， 當其外表面溫度超過60，而需經(jīng)常操作維護，在無 法采用其他措施防止燙傷時，應進行防燙傷絕熱。 凡用絕熱來提高設備的耐火等級時，例如直徑大于或 等于1.5m的設備支架和裙座需雙面絕熱，直徑小于 1.5m的設備支架和裙座只要在外側絕熱。減少冷介質在生產(chǎn)或輸送過程中的冷量

3、損失以及制冷系 統(tǒng)中的冷設備、冷管道等。8 絕熱設計81 概 述 當設備、管道及其附件有下列情況之一時，一般應采取絕熱措施。 與保冷設備或管道相連的儀表及其管道。 為防止0以上常溫以下的設備或管道外表面凝露時。8 絕熱設計81 概 述 可不絕熱的設備、管道及其附件主要有： 要求散熱或必須裸露的設備和管道；要求及時發(fā)現(xiàn)泄漏的設備和管道法蘭； 工藝上無特殊要求的放空、排凝管道；要求經(jīng)常監(jiān)測，防止發(fā)生損壞的部位。 8 絕熱設計81 概 述 絕熱技術的理論基礎是傳熱學。傳熱有三種基本形式，即熱傳導、熱對流、熱輻射。為了達到絕熱目的，需要針對這三種基本傳熱形式，采取有效的絕熱措施，限制熱量傳遞，減緩傳熱

4、速度。 8 絕熱設計81 概 述 采用一些具有特殊性能的材料(絕熱材料)，組成一定的結構形式即絕熱結構，以滿足絕熱要求。 絕熱結構 不僅一個絕熱層，還要考慮防腐、防潮及防水防損傷等問題。8 絕熱設計81 概 述 一個完整的絕熱結構最多可由5層組成，由里到外分別為防銹層、絕熱層、防潮層、保護層、修飾層(識別層)。8 絕熱設計81 概 述 絕熱層是由具有較高熱阻的絕熱材料組成并用于阻擋熱流的絕熱結構的主層。 防潮層是在特定條件下用來防止水蒸氣遷移的結構層。 保護層是由各種金屬或非金屬材料組成用于包裹絕熱層或防潮層。 8 絕熱設計82 絕熱材料的選擇821 絕熱層材料的性能要求導熱系數(shù) 絕熱層材料應

5、有隨溫度變化的導熱系數(shù)方程式或圖表。在運行中，保溫材料的平均溫度低于350時，其導熱系數(shù)值不應大于0.12W(m)；保冷材料的平均溫度低于27時，其導熱系數(shù)值不應大于0.064W(m)。 8 絕熱設計82 絕熱材料的選擇821 絕熱層材料的性能要求密度 保溫的硬質材料密度不大于300kgm3； 軟質材料及半硬質制品密度不大于 200kgm3； 保冷材料的密度不大于200kgm3。8 絕熱設計82 絕熱材料的選擇821 絕熱層材料的性能要求抗壓強度 用于保溫的硬質材料抗壓強度不應小于0.4MPa； 用于保冷的硬質材料抗壓強度不應小于0.15MPa。8 絕熱設計82 絕熱材料的選擇821 絕熱層材

6、料的性能要求含水率 保溫材料的含水率不應大于7.5(質量分數(shù))； 保冷材料的含水率不應大于1(質量分數(shù))。 8 絕熱設計82 絕熱材料的選擇821 絕熱層材料的性能要求可燃性 絕熱層材料按被絕熱的工藝設備和管道外表面溫度不同，其燃燒性能應符合現(xiàn)行國家標準建筑材料燃燒性能分級方法(GB 8624)規(guī)定的燃燒等級。8 絕熱設計82 絕熱材料的選擇821 絕熱層材料的性能要求化學性能 絕熱材料及其制品的化學性能應穩(wěn)定，對金屬不得有腐蝕作用。8 絕熱設計82 絕熱材料的選擇821 絕熱層材料的性能要求其他 如使用年限長、復用率高、價格低廉、施工方便，盡可能選用制品或半制品材料等。 8 絕熱設計82 絕

7、熱材料的選擇8 絕熱設計82 絕熱材料的選擇821 絕熱層材料的性能要求研究發(fā)展高效能絕熱材料 輕級、超輕級絕熱材料； 真空保溫材料； 研究應用反射型絕熱材料。8 絕熱設計82 絕熱材料的選擇821 絕熱層材料的性能要求研究發(fā)展廉價的絕熱材料 利用資源豐富的原料制造新型絕熱材料； 價格較低的無機聚合物和無機質絕熱材料； 有機泡沫材料或利用廉價原料代替昂貴原料，以降低材料的造價。8 絕熱設計82 絕熱材料的選擇822 防潮層材料的性能要求 防潮層材料應具有抗蒸汽滲透性能、防水性能和防潮性能，并且其吸水率應不大于1。 防潮層材料的燃燒性能應與絕熱層材料的規(guī)定相同。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計8

8、31 絕熱結構的基本要求 保證熱損失不超過國家規(guī)定的熱能最大損耗允許值； 應有足夠的機械強度，要能承受自重及外力的沖擊； 應有良好的保護層； 應滿足使用壽命； 要簡單，并應考慮易于施工； 外表面應整齊美觀。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計832 絕熱結構形式 充填結構 充填結構一般采用圓鋼或扁鋼做支承環(huán)，將環(huán)套或焊在管道或設備外壁，在支承環(huán)外包上鍍鋅鐵絲網(wǎng)或鍍鋅鐵皮，在中間充填疏松散狀的絕熱材料，使之達到規(guī)定的密度。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計832 絕熱結構形式 捆扎結構 捆扎結構是利用氈、席、繩或帶之類的半成品絕熱材料，在現(xiàn)場裁剪成所需要的尺寸，然后捆扎在管道或設備上，外面用鍍鋅鐵絲或

9、鍍鋅鋼帶纏繞扎緊。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計832 絕熱結構形式 澆注結構 澆注結構是將發(fā)泡材料在現(xiàn)場澆入被絕熱的設備、管道等的模殼中，發(fā)泡成絕熱層結構。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計832 絕熱結構形式 預制品結構 預制品結構是將絕熱材料預制成硬質或半硬質的成型制品，如管殼、板、塊，及特殊成型材料，施工時將成型預制品用鉤釘或鐵絲捆扎在管道或設備壁上構成絕熱層。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計832 絕熱結構形式 噴涂結構 噴涂法是近年來發(fā)展起來的一種新的施工方法，將原料在現(xiàn)場噴涂于管道或設備外壁，使其瞬時發(fā)泡，形成絕熱層。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計832 絕熱結構形式 復合結構

10、 復合結構是一種耐高溫的高效絕熱結構，適用于較高溫度的設備及管道的保溫。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計832 絕熱結構形式 可拆卸式結構 可拆卸式結構主要適用于設備和管道上的法蘭、閥門以及需要經(jīng)常進行維護監(jiān)視的部位和支吊架的絕熱。8 絕熱設計83 絕熱結構設計 圖8-1 捆扎絕熱結構1管道； 2保溫氈或布3鍍鋅鐵絲網(wǎng)；4保護層；5鍍鋅鐵絲； 8 絕熱設計83 絕熱結構設計 圖8-2 復合絕熱結構1管子； 2內層硅酸鈣絕熱層；3外層硅酸鋁纖維制品絕熱層；4聚氨酯泡沫涂層； 5鍍鋅鐵皮護層8 絕熱設計83 絕熱結構設計圖8-3 小直徑管道彎管絕熱結構 圖8-4 閥門保溫結構 l填料絕熱材料； 1

11、玻璃棉氈；2預制管殼； 2玻璃布保護層3鍍鋅鐵絲； 3鐵殼保護層；4管道； 4保溫板5鐵皮殼 8 絕熱設計83 絕熱結構設計圖8-5 帶法蘭的臥式圓筒形設備保溫結構1弧形膨脹珍珠巖板；2鍍鋅鐵絲；3鍍鋅鐵絲網(wǎng)；4石棉水泥；5鍍鋅鐵皮8 絕熱設計83 絕熱結構設計 (1)絕熱層設計要求 絕熱層厚度應以l0mm為單位進行分檔。硬質絕熱材料制品最小厚度為30mm，但厚度小于30mm的硬質泡沫塑料允許選用25mm，其最小厚度為20mm。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計 (1)絕熱層設計要求絕熱層分層 除澆注型和填充型外，在無其他說明的情況下，絕熱層總厚度80mm時應分層敷設。 8 絕熱設計83 絕熱結

12、構設計 (1)絕熱層設計要求支承件設計 對立式設備、管道和平壁面以及立、臥式設備底面，其上的某些絕熱結構，應設支承件。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計 (1)絕熱層設計要求絕熱層用的鉤釘和銷釘設置 保溫層用鉤釘和銷釘，可用36mm的低碳圓鋼制作，對軟質絕熱材料宜采用下限。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計 (1)絕熱層設計要求絕熱層的伸縮縫設置 絕熱層為硬質制品時，應留設伸縮縫，伸縮縫寬度不宜小于20mm。伸縮縫間距，直管或設備直段長每隔3.55m應設一伸縮縫。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計 (2)防潮層設計 設備或管道保冷層和敷設在地溝內管道的保溫層，其外表面均應設置防潮層。8 絕熱設計83

13、 絕熱結構設計 (3)保護層設計 為阻擋環(huán)境和外力對絕熱結構的破壞和影響，延長絕熱結構壽命并提高絕熱效果，絕熱結構外層應設置保護層。 8 絕熱設計83 絕熱結構設計 (3)保護層設計 保護層結構應嚴密、牢固，一般情況下應選用金屬材料作為保護層。 表8-4 常用保護層厚度8 絕熱設計84 絕熱計算 絕熱計算的主要內容是計算絕熱層厚度、散熱損失、表面溫度等。 絕熱層厚度 取決于絕熱層熱阻大?。?絕熱層熱阻 取決于絕熱的要求和限制條件限定外表面溫度ts；限定散熱熱流密度q；限定內部介質溫降t；限定內部介質的凍結或凝固溫度；獲得最經(jīng)濟效果(全年總費用最低)等。8 絕熱設計84 絕熱計算 目前在絕熱設計

14、方面中國已制訂了許多規(guī)范和標準，如設備和管道絕熱設計規(guī)范、設備及管道保溫技術通則、設備及管道保溫設計導則、設備及管道保冷技術通則等。如在設備及管道保溫技術通則中提出了保溫層厚度的計算原則，在設備及管道保溫設計導則中介紹了計算公式。 8 絕熱設計84 絕熱計算 84. 1 絕熱層厚度的計算原則 除平面外，設備或管道的直徑小于或等于1020mm時，絕熱層厚度應按圓筒面(即管道)計算，大于1020mm時，應按平面(即設備)計算。 8 絕熱設計84 絕熱計算 84. 1 絕熱層厚度的計算原則 保溫計算應根據(jù)工藝要求和技術經(jīng)濟分析選擇保溫計算公式 經(jīng)濟厚度法計算 最大允許熱損失量下的厚度計算 表面溫度法

15、計算 熱平衡方法計算 8 絕熱設計84 絕熱計算 84. 1 絕熱層厚度的計算原則 保冷計算應根據(jù)工藝要求確定保冷計算參數(shù)，保冷厚度應采用最大允許冷損失量下的厚度，并用經(jīng)濟厚度調整；保冷的經(jīng)濟厚度必須用防結露厚度校核。 8 絕熱設計84 絕熱計算 842 絕熱計算數(shù)據(jù)的選取 設備或管道的外表面溫度T0 環(huán)境溫度 Ta 室內：一般取20左右。 室外：常年運行取歷年年平均溫度；季節(jié)性運行取歷年運行期日平均溫度。 通行地溝：當外表面溫度T0為80時，Ta取20；當外表面溫度T0為81110時，Ta取30；當T0 110時，Ta取40 8 絕熱設計84 絕熱計算 842 絕熱計算數(shù)據(jù)的選取 絕熱層外表

16、面溫度Ts的確定 關系到熱損失和絕熱厚度。一般情況下防燙傷絕熱層Ts取為60，保冷層外表面溫度Ts取為露點溫度Td。8 絕熱設計84 絕熱計算 842 絕熱計算數(shù)據(jù)的選取 絕熱層表面放熱系數(shù) s 室內設備或管道， s=10.4411.63W(m2K)。 在防燙傷計算中， s=8.141W(m2K)。 室外設備或管道，s可按下式計算 (8-1)式中 年平均風速，ms。8 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度的計算 一般，圓筒型絕熱層厚度應按下列公式計算 保溫，絕熱層為單層時厚度 保溫，絕熱層為雙層時總厚度 且雙層中的內層厚度 雙層中的外層厚度 8 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度

17、的計算 保冷，絕熱層為單層時厚度 保冷，絕熱層為雙層時總厚度 且雙層中的內層厚度 雙層中的外層厚度 8 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度的計算式中 D0管道或設備外徑，m； D1內層絕熱層外徑，m； D2外層絕熱層外徑，m； 絕熱層厚度，m； l內層絕熱層厚度，m； 2外層絕熱層厚度，m； K保冷厚度修正系數(shù)，8 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度的計算 (1)經(jīng)濟厚度計算公式 圓筒型絕熱層 S絕熱工程投資年攤消率，宜在設計使用年限內按復利率計算 8 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度的計算 (1)經(jīng)濟厚度計算公式 圓筒型絕熱層 S絕熱工程投資年攤消率，宜在設計使用年

18、限內按復利率計算 i年利率(復利率)，一般取i=10； n計息年數(shù)，年，一般取n=710年；8 絕熱設計84 絕熱計算 8 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度的計算 (2)最大允許熱、冷損失下絕熱層厚度計算方法 圓筒型絕熱層 圓筒型單層絕熱厚度 式中 Q 以每m2絕熱層外表面積為計算單位的最大允許熱損失 量W m28 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度的計算 (2)最大允許熱、冷損失下絕熱層厚度計算方法 圓筒型絕熱層 當允許熱損失以每米管道的熱損失為基準計算時式中 q以每m長管道為計算單位的最大 允許熱損失量，Wm； 8 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度的計算圓筒型雙

19、層絕熱厚度應使外層絕熱層外徑D2滿足下列恒等式 內層絕熱層外徑D1滿足下列恒等式 8 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度的計算(3)防燙傷絕熱層厚度計算方法 圓筒型絕熱層T0設備或管道的外表面溫度，。 Ts絕熱層外表面溫度，。 Ta環(huán)境溫度 ，。8 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度的計算 (4)防結露絕熱層厚度計算方法 圓筒型絕熱層Td當?shù)貧庀髼l件下最熱月的露點溫度，。 8 絕熱設計84 絕熱計算 843 絕熱層厚度的計算 (5)延遲管道內介質凍結的保溫厚度計算方法 (6)給定液體管道允許溫度降時保溫層厚度計算8 絕熱設計84 絕熱計算 例 北方某蒸汽管道長年運行，其規(guī)格為219 6，蒸汽溫度260，室外架空敷設，年平均環(huán)境溫度5，當?shù)啬昶骄L速為3ms，采用巖棉管殼保溫，保溫結構單位造價為750元m3，貸款計息年數(shù)為5年，復利率為10，熱價為10元106kJ。試用經(jīng)濟厚度計算法計算保溫厚度，散熱損失以及保溫后的外表面溫度。 8 絕熱設計84 絕熱計算 解 設保溫層外表面溫度為15，巖