0 引言

气凝胶作为一种纳米多孔结构的无机固体材料,具有超低导热系数､耐火不燃､疏水､轻质等特点,因其密度低被誉为世界上最轻的固体材料｡在导热性能方面,其材料性能远优于目前应用较多的硅酸铝､聚氨酯等传统材料｡其他特性也弥补了传统材料在实践应用中存在易老化脆化､吸水导热系数增大､空间占比高､更换频率高等缺点,是极佳的保温材料｡随着生产工艺的改进,低成本､快速制备的常压制备技术获得研发应用,在一定程度上改进了气凝胶的性能,也降低了其使用费用,促进其在工程领域中的应用｡实践研究气凝胶的应用效果和保温层的修正优化计算,对促进气凝胶在具体的节能减碳项目中推广应用具有直接的实用价值｡

1 气凝胶的材料特性

气凝胶根据其组分一般可分为无机氧化物气凝胶､有机气凝胶､有机-无机杂化气凝胶等聚合物增强氧化硅气凝胶､碳化物气凝胶及石墨烯气凝胶等,此外还有一些多组分气凝胶｡其主要产品有气凝胶绝热毡､气凝胶涂料､气凝胶粉体､石墨烯气凝胶复合纤维及柔性陶瓷纳米纤维｡

1.1物性稳定性能好

气凝胶的导热系数远低于其他保温材料,其独特的结构可有效阻止热量的传递,并且随着温度的升高其导热系数的增加速度缓慢,导热性能稳定｡有研究其与传统保温隔热材料发现,气凝胶的温度传递延迟时间比传统保温隔热材料多出1倍,衰减倍数可增大40%,其导热性能明显优于传统保温隔热材料｡同时由于气凝胶内的酸根和卤素阴离子的量很低,在恶劣的环境下也不能产生严重的环境污染｡

1.2同生命周期经济效果优良

热能领域的传统保温材料主要有硅酸铝､聚氨酯等材质的保温材料｡这些材料普遍存在导热系数大､疏水性差､耐久性差和易老化等缺点｡尤其是在露天环境下,随着使用时间的增加,这类保温材料逐渐出现老化粉化脆化､吸水性变强､蒸汽渗透率高等不良问题,严重地影响了保温效果｡尤其在保护层的接口处,雨水､空气中水蒸气､冷凝水会渗透到接口处周边的保温层部位,逐渐造成更大范围的破坏｡这些不利因素极大地降低了保温材料的有效使用时间,不同的外界环境下有效使用期为3-5年｡

气凝胶本身具有导热系数小､A级阻燃､高孔隙率､密度低､产品寿命长的特点,是良好的露天保温材料｡在航空航天､工业和建筑保温领域有着广泛应用的潜力,有研究其使用寿命约20年｡在相同生命周期和使用环境条件下,气凝胶具有很好的经济适用效果｡

1.3空间利用率高

气凝胶因其特殊的材质结构,造就了其低导热和强憎水的特性,在相同的导热性能要求下,气凝胶的使用量远低于传统保温材料的使用量,极大地提高了设备保温空间利用率,降低了应用中的施工困难,节省存储和操作空间｡特别适用于一些受重量､体积或空间限制的特殊部位和环境｡

2 气凝胶产品示范应用

2.1示范项目简介

为了获得关于气凝胶产品实践应用参数,本文依托中西部地区一个大型煤矿的供热改造项目,铺设一条2100m的供热蒸汽管道,从自备电厂首站分汽缸至煤矿的主副井供热管道分别采用气凝胶和硅酸铝两类不同材质的保温材料｡并采用两种品牌的气凝胶产品对比分析传热效果｡室外工作管道采用钢架支撑架空敷设,配套建设监测平台｡

2.2数据监测措施

为客观地对比研究各保温材料的真实导热效果,本文采用实时数据监测措施,通过蒸汽管道的在线监测系统,实时监测记录工作管道各段的温度､流量､压力等参数｡温度监测采用热电偶传感器进行实时监测和数据采集,热电偶贴片沿管线和断面布置｡压力测量采用压力传感器进行实时监测和数据采集｡流量测量采用流量计在线监测,测量管道内蒸汽的流速和流量,监测瞬时值和累计值｡设定数据采集周期为60s,进行连续记录｡

3 厚度计算和优化算法

3.1保温层厚度计算

保温材料的选择与计算是热能工程设计和节能改造的重要内容之一,不仅关系到供热线路的初投资大小,也对供热管线的热工性能有直接影响｡目前对保温层厚度计算方法主要有三种:保温层外表面允许最高温度法､允许最大散热损失法､经济厚度法｡

本文从热量传递的基本原理出发,结合实践应用的表面散热损失限额标准,考虑到金属支座､补偿器和其他附件产生的附加热损失,对保温层厚度计算公式进行散热修正,采用迭代验算的方法计算保温层厚,验算值与限额值偏差取5%以内｡

供热蒸汽工作管在结构上其长度远大于厚度,其对外散热可视为圆筒壁的一维导热,采用第一类边界条件,建立保温层的导热公式｡引用第三类边界条件可计算单位管长度圆管上的热流量,示范项目采用的大型金属无缝钢管,直径远大于壁厚,金属导热系数高,故壁厚热阻忽略不计,其工作管的外壁温度与介质温度可视为相等｡大多数露天架空的供热管道采用金属支架支撑,考虑到数量众多的金属支架上的管道支座､补偿器等附件产生的热损失,引入散热量的附加系数β,经过校核验算,架空铺设取0.175较为合适｡

3.2最佳组合优化算法

保温层外表面允许最高温度法､允许最大散热损失法这两种方法在同种保温材料时计算方便,但是未没有考虑材料价格的经济性｡根据传热特性,保温层越厚,对外散热损失越小,但同时保温材料投资也越大｡不同保温材料组合存在不同的热损失,故不同材料间必存在一个最佳经济组合厚度｡

气凝胶因其复杂的生产制造工艺使其价格昂贵从而在一定程度上限制了其普及应用｡本文结合气凝胶的产品特性和价格因素,在最大允许热损失量的前提下,给出复合层材料经济厚度的最佳组合的优化方法｡

Ci为各材料单位投资(包括材料费和施工安装费)费用,元/m3,Mi为各材料的总使用量,m3｡Dij为各材料对应的每层直径｡L为蒸汽管线长度,m｡C为建设保温设施投资总费用｡

通过试算D1和Dw的不同值,在允许最大散热损失限额Q的前提下,取最小C值对应的D1和Dw则为最佳经济厚度值｡

3.3复合层计算方法和步骤

实际应用中,对复合层内､外各层计算的基本方法及步骤:

(1)确认复合层内､外的边界参数,包括供热管道内部的热介质参数和管道外的环境参数;(2)按导热系数从小到大依次布置,内保温层为导热系数小的气凝胶层,外层为其他保温材料,根据经验先设定各层的外径值;

(3)计算各层温度分布和表面散热损失;

(4)复核各层温度和散热损失是否满足约束性要求｡要求气凝胶层的外侧温度低于外保温层最高耐热温度的0.9倍｡若不符合要求则重新设定各层的直径,直至符合散热损失限定值要求;

(5)根据各保温层的直径值采用定额概算法计算各材料的总费用;

(6)在不超过最大允许热损失量的范围内调整各直径方案,获得总体费用最低的方案,则为最经济厚度方案｡

由于大部分材料的导热系数并不是定值,大多数是随着温度的变化而增加的变量,而导热系数又直接影响着保温材料的厚度｡在选择材料导热系数时可以选工作介质和外界温度的平均温度对应的平均导热系数进行计算｡

4 示范效果

示范项目应用修正后的允许最大散热损失计算公式分别计算气凝胶和硅酸铝管段的保温层厚度｡边界参数为蒸汽温度267.65℃,压力0.179MP为起点工况,无缝钢管为D273×7,外界空气温度取设计值0.3℃,风速2.2m/s｡气凝胶保温段采用修正公式后做40mm保温,分4层施工,硅酸铝保温段做100mm保温,全线外做0.5mm铝合金薄板保护层｡施工完成后通过示范应用项目的运行监测和投资强度进行分析｡

4.1运行效果

通过对供热管线的温降幅度可直观地判断各管段的保温材料的保温性能｡Ⅰ､Ⅱ为两种不同品牌气凝胶产品,Ⅲ为硅酸铝产品｡(Ⅰ)0-700m管段､(Ⅱ)700-1400m管段､(Ⅲ)1400-2100m管段的温降图如图1-3所示｡

对三段管道的温降数据分别进行拟合,可得到各管段的温度下降函数､下降率､下降温度差和百米温降等参数,具体数据如表1所示｡

如表1所示,硅酸铝材料对应的温度变化下降率大于气凝胶值,说明气凝胶的温变小于硅酸铝｡

同时温度下降率三者数值又十分接近,表明新材料在初始阶段的保温性能接近,但是同示范项目淘汰下来的硅酸铝材质比较来看,长期使用效果上气凝胶的导热性能优于硅酸铝｡

4.2同周期投资强度分析

采用同生命周期法进行比较,气凝胶以其产品特有的耐腐蚀､耐老化､防水性好的优势,使用寿命约为硅酸铝材料的5倍,极大地减少了供热保温工程反复的工作量｡由示范项目的材料投资表2可知,单位距离的材料使用量气凝胶约为硅酸的40%,即采用气凝胶的设备空间使用率远高于硅酸铝,有利于施工和运输仓储｡其疏水特性能也使得采用埋地铺设的供热管道减少了频繁翻地开沟进行维护的费用｡

从投资强度角度来看,在材料同周期基础上气凝胶的投资强度仅是硅酸铝的30%,具有很好的经济效益｡

5  结语

随着气凝胶生产工艺发展和成本的降低,气凝胶在大型热能工程中必将获得广泛的应用,进而推动国内热能领域的节能减碳行动｡同生命周期条件下气凝胶的投资强度仅为硅酸铝的30%,整体投资低,经济效益好｡本文给出了稳态导热下蒸汽管道保温层的修正公式和复合层经济厚度的优化验算步骤,为气凝胶实践应用设计和节能改造提供参考｡同时本文所提出的计算方法和思路及相关公式不仅适用于架空供热管道的设计计算,也可用于大多数露天供热设施的(保温层)的设计计算｡

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