[摘要]随着热电联产和集中供热的蓬勃发展，长距离蒸汽管网的数量不断增加，这势必对蒸汽管道的保温工程提出更高的要求。新型二氧化硅气凝胶绝热毡的应用为蒸汽管道的保温提供了更多的选择。为了研究气凝胶绝热毡复合保温结构的实际保温效果，对蒸汽管道的传热条件进行了模拟计算，通过数据整理和分析得出了基本结论，为今后复合材料保温结构的优化提供了参考。
[关键词]气凝胶绝热毡纳米复合保温结构；热管网络；保温工程；
1 前言
技术材料加工工业的不断发展在中国,保温材料有了长足的进步和发展,一种新型的二氧化硅气凝胶隔热材料的导热系数低,保温性能好,稳定的物理和化学性质,高温不燃,完全防水,无毒,绿色环保,和许多其他的优良性能,的高温蒸汽管道、直埋蒸汽管道工程率先使用。为了探讨复合保温结构的实际保温效果，作者通过仿真计算了蒸汽管道的传热状况，进行了数据整理、计算分析，得出了基本结论，为今后复合材料保温结构的优化提供了参考。
2气凝胶材料简介
2.1 气凝胶
气凝胶(气凝胶)，由美国凯斯特于1930年首次合成。其组成为98%的空气。它是一种新型的以纳米颗粒和空气为分散介质的非晶固体材料。轻质纳米多孔材料的热性能和电学性能。气凝胶是目前已知的导热系数最低和隔热性能最好的材料，纳米多孔三维结构，主要成分为二氧化硅，故又称二氧化硅气凝胶。
二氧化硅气凝胶是三种有效的防止热传导的方法，因为它们具有独特的纳米孔结构。凝胶涂布的空气，直径为30～70nm可以减少热对流（70nm时空气体静止）。纳米多孔结构导致堆积密度和无限长的凝胶壁，可以无限地减少热传导；弧形表面结构众多，并且有许多遮阳效果，可以无限期地减少热辐射。
气凝胶毡在管道保温工程中施工现场图
2.2二氧化硅气凝胶绝热材料的特性及比较分析
1、导热系数低
气凝胶绝热毡的导热系数低于其他传统绝热材料。在30 0℃时，气凝胶毡的导热系数仅比其他材料低，导热系数远低于其他材料。在相同的保温条件下，保温厚度仅为传统保温材料的1/4/1/5，大大降低了保温层的厚度。将其应用于直埋蒸汽管道，可以减小套管的尺寸，减少埋地开挖量，降低套管材料、运输和施工成本。
2、散热损失小，节能率高
在相同的表面温度下，气凝胶绝热层的厚度减小，散热面积明显减少，管道热损失减少，长距离蒸汽管道的温降和压降大幅度降低，能耗损失大。有效减少。
3、防水性好
气凝胶隔热衬垫疏水率是99%或更高,没有特别的防水措施,在雨中或潮湿的环境中仍然可以施工。和传统材料不完全防水,保护板表面喷涂金属防水密封胶。
4、抗压抗拉
在变形量为10%时，气凝胶绝热毡的抗压强度优于100 kPa，可充分承受导管的载荷。然而，传统的保温材料结构松散，压缩变形大，压缩弹性差，压缩后导热系数明显提高。使用气凝胶绝热毡可以减少某些不可控因素对绝热效果的影响。
5、使用寿命
气凝胶绝热毡在使用过程中具有良好的完整性、良好的抗震、抗拉强度、无颗粒堆积、沉降等现象，20年的收缩模拟试验小于1，导热系数不变。传统保温材料结构松散，重量、设备振动、材料水易导致材料崩解、沉降、保温效果明显降低。
包扎好气凝胶毡的管道现场图
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流程需要4.5MPa以上450℃的高温高压蒸汽，蒸汽必须从附近的发电厂供应。因此，有必要铺设蒸汽管道加热2公里左右。具体工作条件如下：
1.管径：OD219X8；
2、介质：过热蒸汽；
3、初始压力：5.3MPa；
4、启动温度：460-490℃；
5、蒸汽流量:15-36 t / h。
6.平均环境温度：14℃；
7. 平均风速：3m/s；
8、要求：1000米管温降小于7.5摄氏度。
由于管道流量不稳定，变化幅度大，管道的保温要求很高，管道的热损失也尽量减少。因此，作者打算采用二氧化硅气凝胶作为绝热材料。采用传统的复合硅酸铝材料进行了计算和比较。
3.2 保温材料主要参数对比
计算了硅质气凝胶绝热毡和复合硅酸铝毡的工艺参数：
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
由于二氧化硅气凝胶的成本较高，为了避免工程材料的高成本，作者采用复合保温（气凝胶+硅酸铝）1和传统保温2两种方案进行了对比计算，具体如下：
保温厚度设计方案
2、保温效果分析
参考GB / T 8175 - 8175《设备及管道保温设计指南计算热损失,根据实验的结果和修正。
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）
根据管道的热损失和以下计算公式，可以计算管道的温降：
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。
按IAPWSIF97水汽参数计算标准，温度为460℃，压力5.3PMa为过热蒸汽。恒压比热为2377.9J/(kg℃)。
保温厚度设计结果
通过以上数据分析，二氧化硅气凝胶复合硅酸铝复合保温结构能有效地减小管道保温墙的厚度，对于高温管道具有更加实际的应用条件。建议今后高温（340摄氏度以上）蒸汽管道应采用该保温形式。
4 结语
随着集中供热的不断推广，蒸汽管网的敷设距离从经济半径早期的5km延长到目前的20~30 km长距离输电网络。原有的保温方法和方法已不能满足运行要求。硅质气凝胶毡的使用很好地解决了绝热缘和绝缘材料的问题。在蒸汽温度高、场地狭小、恶劣的条件下，有很好的发挥空间。材料价格在后期趋于合理后，可以大面积推广。通过精确的模拟计算，可以有效地降低管道热损失，降低管网运行风险，充分发挥经济效益。
本文结合实际工程实例，采用硅气凝胶复合硅酸铝保温结构，将管道的温度和压降到最低，为今后类似工程的设计提供参考。
参考文献
〔1〕施振球。动力管道设计手册。北京：机械工业出版社，2006
[2]GB 50264 - 2013工业设备和管道保温工程设计规范,2013年