供热管道保温影响因素分析

[摘要]：供热管道的保温对供热工程的可靠性与经济性起着关键性的作用，通过对影响供热管道保温的因素进行分析，确定各种参数与供热管道热损失之间的关系，以便在实际工程建设、运行中降低工程造价、节约运行成本、提高供热系统的热效率。

[关键词]管道保温管道热损失热导率保温层厚度

中图分类号：TU81 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

随着经济的发展，供热工程正在中国北方地区大规模建设，供热管道的保温对供热工程的可靠性与经济性起着关键性的作用，保温效果的关键是保温材料的选取及保温层厚度的计算。保温层太薄，则热损失严重;反之，则保温工程投资太大。

影响管道保温的因素主要有：土壤温度，保温材料热导率，保温层厚度，管道顶部的覆土埋深，土壤热导率，管道外径D，输水温度等。本文以西安地区为例，对影响供热管道保温的因素进行分析，以便确定各种参数与供热管道热损失之间的关系。在实际工程建设、运行中能抓住主要因素，降低工程造价、节约运行成本、提高供热系统的热效率【1】。

1 管道保温结构模型

保温结构一般由防腐层、保温层、防水层及保护层组成【2】，其中保温层的优劣直接影响保温效果。埋地供热管道横断面示意图见图1

图1保温管道物理模型图

图中大地表面空气温度为Tk,大地表面与空气的放热系数为α1，土壤的热导率为λt,埋深为h，供热管道外径为D，保温材料厚度为σ，保温材料的热导率为λb，管内介质温度为Tr，热水对管壁的换热系数为α2。

2 管道保温结构数学模型

供热管道保温结构热阻由管内热水至地面空气之间的传热热阻，即热水与钢管内表面放热热阻、钢管导热热阻、保温层导热热阻、外保护套管导热热阻、土壤导热热阻、地面与空气的放热热阻组成。其中以保温层导热热阻和土壤导热热阻为主，因此热工计算时只考虑这2项热阻。土壤导热热阻、保温材料热阻等采用《热能工程设计手册》中的理论公式【3】。

（1）供热保温管道单管单位长度热损失按照式(2.1)计算：

（2.1）

式中:q—单位长度管道热损失(W/m)；

Tr—管道内热媒温度(℃)；

Tb—室外空气温度(℃)；

Rb—保温层热阻（m•℃/W）；

Rt—土壤热阻（m•℃/W）。

（2）供热保温管道双管单位长度热损失按照式(2.2)、式(2.3)计算：

（2.2）（2.3）

式中：q1、q2—单位长度供回水热管损失(W/m)；

Tg、Th—供回水管热媒温度(℃)；

Rb1、Rb2—供回水管保温热阻（m•℃/W）；

Rt1、Rt2—供回水管土壤热阻（m•℃/W）；

Re—附加热阻（m•℃/W）。

（3）土壤热阻按式(2.4)计算：

（2.4）

（2.5）

式中：Hz—管道中心的折算埋深(m)；

H—管道顶部的覆土埋深(m)；

λt—土壤的热导率(W/( m•℃))；

Dk—保温管的外壳直径(m)；

αk—土壤表面的表面传热系数，通常可取12～15 W/( m2•℃)。

（4）保温材料的热阻，按式(2.6)计算:

（2.6）

式中：Db—保温材料外表面的直径(m)；

dw—钢管的外壁直径(m)；

λb—保温材料的热导率（W/( m•℃)）。

（5）附加热阻按式(2.7)计算：

（2.7）

式中：b0—供回水管中心线间的距离(m)。

管道单位长度表面积热损失q′ (W/m2)的计算：

（2.8）

在由保温层厚度计算出的管道单位长度表面积散热损失后，要小于国家规定的允许热损失，否则要调整保温层厚度的大小，直到满足要求为止。

3 管道保温的主要影响因素分析

西安地区采暖天数为100天，采暖期间室外平均温度为0.9℃，其他参数取值表1：

表1各参数取值

3.1管道内热媒温度对供热管道热损失的影响

取输水温度ts=65～130℃，其它参数见表1，

得到图2所示的保温管道热损失随管道内热媒温度的变化曲线：

图2保温管道热损失随管道内热媒温度的变化曲线

当供回水温度为80/65；95/70；115/80；120/80；115/70；130/80、120/70；130/70℃时，得到图3所示的保温管道热损失随供回水温差的变化曲线：

图3保温管道热损失随供回水温差的变化曲线

从图2、图3可以分析如下：对于一定输水温度的保温管道，管道散失的热量随管道外径的增大而增加。当输水温度较小时，管道散失的热量在不同管径处随输水温度的降低，其差距越来越小；反之越大。对于一定管径的保温管道，管道散失的热量随管内供回水温差的增大总体呈增加的趋势。

3.2保温材料热导率对供热管道热损失的影响

取保温材料热导率λb =0.018～0.060 W/(m•℃)，其它参数见表1，得到图4所示的保温管道热损失随保温材料热导率的变化曲线：

图4保温管道热损失随保温材料热导率的变化曲线

从图4可以分析如下：对于一定管径的保温管道，管道散失的热量随保温材质热导率的增大而增加，且二者之间近似成线性关系。对于一定保温材质热导率的保温管道，管道散失的热量随管道外径的增大而增加。

3.3土壤热导率对供热管道热损失的影响

取土壤热导率λf =0.5～2.0 W/(m•℃¬) 其它参数见表1，数得到图5所示的保温管道热损失随土壤热导率的变化曲线：

图5 保温管道热损失随土壤热导率的变化曲线

从图5可以分析如下：对于一定管径的保温管道，管道散失的热量随土壤热导率的增大而增加。在土壤热导率一定的情况下，管道散失的热量随管道外径的增大而增加，且增大的幅度较大。当土壤热导率较小时，管道散失的热量在不同管径处随土壤热导率的降低，其差距逐渐减小，但减小的幅度不大。

3.4保温层厚度对供热管道热损失的影响

取保温层厚度σ(mm) =25～75 mm，其它参数见表1，得到图6所示的保温管道热损失随保温层厚度的变化曲线：

图6保温管道热损失随管道保温层厚度的变化曲线

从图6可以分析如下：对于一定管径的保温管道，管道散失的热量随保温层厚度的增大而减小，且二者之间近似成反比例关系.

在保温层厚度一定的情况下，管道散失的热量随管道外径的增大而增加。当保温层厚度较小时，管道散失的热量在不同管径处随保温层厚度的降低，其差距越来越大。

4 结论

通过对管道保温影响因素的分析可以总结出以下结论：

（1）当供回水温差一定时，要尽量采用低水温，这样可以减少热损失、节约能量。

（2）为减小管道散热损失，适当采用热导率较小的保温材质和外径较小的保温管道。

（3）供热管道热损失在保温材质热导率较低时，要受到其价格的制约，反之，要受到热损失费用和管道周围土壤热导率等因素制约。

（4）靠增大或者减小土壤热导率来改变管道散失的热量，其意义不大，要靠改变管道外径才能使管道散热损失大幅度改变。

（5）适当采用一定厚度的保温层，可以为达到减小管道散热损失的目的。

参考文献：

【1】黄文，管昌生．供热系统优化方法研究．国外建材科技[J]．2005，Vol.26（2）：81-83

【2】刑晓凯，陈永昌，马重芳.输油管道及保温层的同步设计. 煤气与热力[J]．2004，Vol.24（12）：692-695

【3】汤惠芬，范季贤.热能工程设计手册[S].北京：机械工业出版社.1999