[ 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 文献标识码： A
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（70nm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。
材料导热系数数据
二氧化硅气凝胶导热系数曲线
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。
材料参数对比数据
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≥100 KPa，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：
2、介质：过热蒸汽；
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
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
保温厚度设计方案
2、保温效果分析
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
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。
