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太陽熱水系統管道保溫的設計計算

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標簽:給水排水設計規范,建筑給水排水, 太陽熱水系統管道保溫的設計計算,http://www.tljciu.live

  太陽熱水器及大型太陽熱水系統應用越來越廣,產品的技術水平及質量日趨提高和成熟,節能效果十分顯著。但在使用中的一些具體細節上,往往引不起人們的足夠重視,如管道的保溫,筆者就曾在甘肅地區看到個別廠家的太陽熱水器管道保溫采用了薄薄的聚乙烯,外纏塑料薄膜,起不到很好的保溫節能效果,一個月不到,薄膜裂開,隨風飄舞,保溫形同虛設。有鑒于此,本文僅就管道保溫的設計談談自己的看法。

  絕熱材料,是指用于建筑圍護結構或熱工設備、管道,阻抗熱流傳遞的材料或材料的復合體。絕熱材料的意義,一方面是為了滿足建筑空間或熱工設備的熱環境,另一方面是為了節約能源。隨著世界范圍內能源的日趨緊張,絕熱材料在節能方面的意義日顯突出。僅就一般的居民采暖和空調而言,通過使用絕熱圍護材料,可在現有的基礎上節能50%~80%。根據日本的節能實踐證明,每使用1D屯絕熱材料,可節約標準煤3噸/年,其節能效益是材料生產成本的10倍。

  暴露在大氣中的熱水管道,存在大量的熱損失,為了節約能量,減少系統的熱損失,必須對管道進行保溫。保溫材料種類眾多,在選用不同的保溫材料的時候,應該做到既滿足系統的使用要求,又盡可能的節約材料,降低成本。

  一個完整的熱工管道和熱工設備的絕熱結構,通常包括:(1)防腐層;(2)滑動層(可與防腐層并用);(3)絕熱層:(4)防水防潮層;(5)外保護層(也可以兼作防水防潮層)。

  由于熱水系統所用的管道都已經經過防腐處理,所以絕熱設計的任務主要是絕熱層、防水防潮層和外保護層的設計。

  一、絕熱層的設計1.材料導熱系數導熱系數λ,單位w/(m.℃),是表證物質導熱能力的熱物理參數,是指在穩態條件下,1m厚的物體,兩側表面溫差為1℃,1h內通過1㎡面積傳遞的熱量。數值越大,導熱能力越強,數值越小,絕熱性能越好。該參數的大小,主要取決于傳熱介質的成分和結構時還與溫度、濕度、壓力、密度、以及熱流的方向有關。成分相同的材料,導熱系數不一定相同,即便是已經成型的同一種保溫材料制品,其導熱系數也會因為使用的具體系統、具體環境不同而有所差異。

  為了計算的方便,本文根據相關的部門標準和國標的相關規定來選擇材料的導熱系數作為設計的標準。

  (1)硬質聚氨脂泡沫塑料硬質聚氨脂泡沫塑料是用聚醚與多異氰酸脂為主要原料,再加入阻燃劑、穩泡劑和發泡劑等,經混合攪拌、化學反應而成的一種微孔發泡體,其導熱系數一般在0.016~0.055W/(m.℃)。使用溫度-100℃~100℃。

  按照石油部部頒標準(SYJl8—1986),對于設備及管道用的硬質聚氨脂塑料泡沫的基本要求見表1:計算中取λ=0.035W/(m.℃)=0.126(KJ/h.m℃)

  (2)聚苯乙烯泡沫塑料聚苯乙烯泡沫塑料簡稱EPS,是以苯乙烯為主要原料,經發泡劑發泡而成的一種內部有無數密封微孔的材料。可發性聚苯乙烯泡沫塑料的導熱系數在0.033—0.044W/(m.℃),安全使用溫度-150~70℃;硬質聚苯乙烯泡沫塑料的導熱系數在0.035~0.052W/(m.℃)。

  根據GB10801—1989的規定,對絕熱用聚苯乙烯泡沫塑料的技術性能要求如表2:計算中取λ=0.041W/(m.℃)=0.1476(KJ/h.m℃)

  (3)聚乙烯泡沫塑料聚乙烯塑料泡沫的導熱系數一般在0.035~0.056W/(m.℃),根據GB50176—93《民用建筑熱工設計規范》中的規定,聚乙烯泡沫塑料的導熱系數<0.047W/(m.℃)。

  計算中取λ=0.047W/(m.℃)=0.1692(KJ/h.m℃)

  (4)巖棉巖棉是一種無機人造棉,生產巖棉的原料主要是一些成分均勻的天然的硅酸鹽礦石。巖棉的化學成分為:SiO2/(40~50%),Al203(9~18%),Fe2O3(1~9%),Ca0(18~28%),Mg0(5~18%),其它(1~5%)。不同巖棉制品的導熱系數一般在0.035~0.052W/(m.℃),最高使用溫度為650℃。

  根據GBll835—1989《絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品》的規定,散棉的導熱系數≤0.044W/(m.℃)。巖棉氈、墊及管殼、筒等在常溫下的導熱系數一般在0.047~0.052W/(m.℃)。計算中取λ=0.052W/(m.℃)=0.1872(KJ/h.m℃)

  2.保溫層厚度的計算(1)保溫層厚度的計算公式δ=3.14dwl.2λ1.35tl.75/ql.5 (式1)

  δ——保溫層厚度(mm);dw——管道的外徑(mm):λ一一保溫層的導熱系數(KJ/h.m.℃);t一一未保溫的管道的外表面的溫度(℃):q一一保溫后的允許熱損失(KJ/m.h)。

  (2)允許熱損根據建設部2003年頒布的《全國民用建筑工程設計技術措施。給水排水》中的規定,當管道中的流體的溫度為60℃時,允許的熱損如表3:(3)參數確定公稱管徑為:2 0、40、5 0的管道(鋼)其外徑分別為33.5mm、48mm、60mm保溫層的導熱系數λ:1.1中已經確定,未保溫的管道的外表面的溫度t:由于鋼的導熱系數很大,管道壁又薄,所以可以認為管道的外表面的溫度和流體的溫度相等(誤差不超過0.2℃)

  (4)根據式——1計算的保溫層厚度如表4:3.結果驗證和實際熱損(1)模型的建立如圖所示是包裹著保溫材料的管道的橫截面。設管道中的熱水溫度為t1,管道內壁的溫度是t2,管道和保溫材料接觸處的溫度為t3,保溫材料外表面的溫度為t4,管道所處空間的溫度為t5:設管道的內徑是r1外徑是r2,保溫材料的外徑是r3.設管道材料的導熱系數為λ1,保溫材料導熱系數為λ2,管內熱水和管外空氣與管壁間的對流換熱系數分別 a1、a2.由傳熱學公式可知,熱水通過管道壁和保溫層傳熱給空氣的過程總熱阻為R=1/(2a1πr1)+(1nr2/r1)/2πλ1+(1nr3/r2)/2πλ2+l/2a2πr3 =R1十R2+R3+R4 (式2)

  式中:R1——管內對流換熱熱阻,R1=1/(2a1πr1);R2——管壁導熱熱阻,R2=(1nr2/r1)/2πλ1;R3——保溫層導熱熱阻,R3=(1nr3/r2)/2πλ2;R4——保溫層外對流換熱熱阻,R4=1/2a3πr3. q=(t1-t5)/(Rl+R2+R3+R4) (式3)

  由于所計算的管道材料為鑄鐵、鋼或者銅,其導熱系數都很大,而且管道壁的厚度很小,所以其熱阻可以忽略,認為其外壁溫度和其中熱水的溫度相等;同時,為了計算的簡便可以將R4忽略,這樣得出的結果將比實際的值偏大,但若在偏大的情況下能滿足表——3的要求,則精確的結果肯定也能滿足。

  所以q≈(tl-t5)/R3=(tl-t5)/(1nr3/r2)/2πλ2 (式4)

  (2)分區在采用同一種保溫材料并且厚度也相同的條件下,如果環境的溫度不相同,管道的熱損是不一樣的。為了驗證所選用的保溫層是否符合使用要求,現根據一月份(全年溫度最低的月份)的平均氣溫的高低把全國劃分為五個區。

  1月份平均氣溫不低于1 0℃的(A區):臺灣、香港、澳門、海南、廣東、廣西、福建、云南:1月份平均氣溫不低于0℃的(B區):貴州、湖南、湖北、重慶、四川、江西、安徽、浙江、上海、江蘇:1月份平均氣溫不低于-10℃的(C區):河南、 山東、 山西、陜西、河北、北京、天津、寧夏、西藏東南部、甘肅南部、遼寧南部;1月份平均氣溫不低于-20℃的(D區):西藏、青海、新疆、甘肅北部、遼寧、吉林;1月份平均氣溫不低于-30℃的(E區):黑龍江、內蒙古東北部、新疆北部(3)計算結果驗證將1.2.4中的結果用1.3.1中的(式4)分別對五個區驗證,結果如表5:從表5可以看出,在所選用的保溫材料質量合格(滿足國標或相關的行業標準)的情況下,表4中列出的最小厚度是滿足使用要求(熱損不超過規定值)的。

  (4)建議選用厚度在實際工程中選用保溫材料的時候,其厚度不得低于表4中列出的最小厚度。為了使管道保溫達到好的效果,建議保溫層厚度選用表6中的值:二、防水防潮層的設計絕熱材料的絕熱原理都是利用氣體的導熱系數比固體低而將材料作成微孔的結構,來獲得絕熱性能優良的制品的。由于空隙的存在,材料不可避免的要吸收水分,然而,水的導熱系數λ=0.5818W/(m.℃),比靜止空氣的λ=0.02326W/(m.℃)要大,所以當環境的濕度較高的時候,材料的平衡含水率將相應的提高,導熱系數相應的增大,使保溫性能降低。

  因此,在絕熱層的外面必須有防水防潮處理。

  在外保護層可以起到防水防潮的作用的情況下,可以不作單獨的防水防潮層,但若外保護層的防水防潮效果不好時,必須單獨作防水防潮處理。可以在絕熱層和外保護層之間加幾層塑料薄膜來防水。

  三、外保護層的設計外保護層的施工質量的好壞直接影響絕熱層的絕熱性能。外保護層主要起到兩個作用:①防水、防潮:②防止絕熱層機械損傷和風化、腐蝕。

  太陽能熱水系統管道的外保護層常用的一般有兩類:一類是采用金屬外保護層(下圖),主要是鍍鋅薄鋼板、薄鋁合金板和不銹鋼板,使用金屬外保護層外形美觀,使用壽命長,但是材料成本高,并且需要專門的加工設備另一類是箔布外保護層,最常用的是膠粘劑玻璃布、外涂樹脂等。

來源:網易給排水摘自2004.5《中國住宅設施》 

 作者:孫嚴權 孫桂蓮 袁家普

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