丁玉棟王強(qiáng) 王宏 重慶大學(xué)工程熱物理研究所 重慶 400030

胡先林 中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

范勇剛 中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院 成都 610021

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標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

工業(yè)設(shè)備及管道絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)取值的探討

丁玉棟*王強(qiáng) 王宏 重慶大學(xué)工程熱物理研究所 重慶 400030

胡先林 中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

范勇剛 中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院 成都 610021

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對比和分析《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50264－97中絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果與國外標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)典實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式中相同條件下?lián)Q熱系數(shù)取值，指出該規(guī)范中換熱系數(shù)計(jì)算方法的欠妥之處;修正保溫效果檢測研究中水平和豎直放置圓管絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)的計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果表明修正后的公式可以反映真實(shí)的傳熱過程特性;并建議參照美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM C680－2004計(jì)算水平平板對流換熱系數(shù)。

國家標(biāo)準(zhǔn)絕熱結(jié)構(gòu)換熱系數(shù)設(shè)備管道

《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50264－97［1］在保溫節(jié)能和絕熱工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用，但隨著科技的進(jìn)步和國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，該規(guī)范中的某些規(guī)定已不符合當(dāng)前節(jié)能減排和工業(yè)發(fā)展的要求。例如該標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)厚度、最大允許熱損失下的厚度、表面放熱損失量和絕熱結(jié)構(gòu)外表面溫度的計(jì)算中，室外絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)的計(jì)算只考慮了風(fēng)速變化的影響，并且與《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則》GB/T 8175［2］中提供的絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)計(jì)算公式不統(tǒng)一。在設(shè)備和管道絕熱設(shè)計(jì)過程中，換熱系數(shù)計(jì)算的合理性將直接影響最終絕熱方案的制定與實(shí)施。因此，在不同外表面特性和現(xiàn)場氣象條件下外表面換熱系數(shù)的合理取值非常重要。

Wijeysundera［3］的研究表明:表面換熱系數(shù)的15%不確定量可導(dǎo)致15%～20%在預(yù)測熱流中的不確定量，而且絕熱結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的取值對絕熱計(jì)算時(shí)的保溫層厚度影響很大，某些情況可達(dá)20～40mm。不恰當(dāng)?shù)娜≈岛芸赡軒硗獗砻娉瑴兀龃鬅釗p失量，影響經(jīng)濟(jì)性;對于工藝參數(shù)要求嚴(yán)格的情況，超溫甚至可能導(dǎo)致安全事故。

為切實(shí)做好《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50264－97的修訂工作，經(jīng)修訂組分析和探討規(guī)范中的絕熱結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的取值，提出更符合國際通行標(biāo)準(zhǔn)且便于操作的公式，以供相關(guān)人員在引用和修訂規(guī)范時(shí)參考。

1 計(jì)算方法

為對GB 50264－97標(biāo)準(zhǔn)中換熱系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行校核，將其同國際上現(xiàn)行常用標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中的絕熱結(jié)構(gòu)外表面保溫、保冷換熱系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行對比。采用的對比標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算規(guī)范包括:《傳熱學(xué)(第四版)》中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式［4］、ASTM C680－2004美國標(biāo)準(zhǔn)［5］、JIS A9501－2006日本標(biāo)準(zhǔn)［6］、BS EN ISO 12241－2008英國標(biāo)準(zhǔn)［7］和VDI 2055－2007德國標(biāo)準(zhǔn)［8］。各標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范中輻射換熱系數(shù)αr計(jì)算公式為:

1.1 GB 50264－97標(biāo)準(zhǔn)

GB 50264－97標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了兩種絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)的計(jì)算方法。

方法A是在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)厚度、最大允許熱損失下的厚度、表面放熱損失量和絕熱結(jié)構(gòu)外表面溫度的計(jì)算中，室外絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)αS的計(jì)算:

方法B是在保溫效果檢測研究中的保溫計(jì)算，外表面放熱系數(shù)αS應(yīng)為表面材料的輻射放熱系數(shù)與對流放熱系數(shù)之和。

1.2 《傳熱學(xué)》中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

外表面換熱系數(shù)為表面材料的輻射放熱系數(shù)與對流放熱系數(shù)之和。

(1)有風(fēng)(強(qiáng)制對流)時(shí)，流體橫掠圓管(單管)對流放熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為:

該式對空氣的實(shí)驗(yàn)溫度驗(yàn)證范圍為15.5～980℃，并可根據(jù)對空氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而推廣到液體。

流體外掠平板時(shí)的對流放熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為:

(2)無風(fēng)(自然對流)時(shí)，豎圓管及豎平板對流放熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為:

當(dāng)豎直圓管不滿足d/H≥35/Gr0.25，用如下關(guān)聯(lián)式:

無風(fēng)時(shí)水平圓管對流放熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為:

無風(fēng)時(shí)對于水平熱面向上(冷面向下)的情形，對流放熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為:

無風(fēng)時(shí)對于熱面朝下(冷面向上)的情形，對流放熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為:

式(4)～式(11)中特征尺寸和常數(shù)項(xiàng)的取值參考文獻(xiàn)［4］。

1.3 ASTM C680－2004

外表面換熱系數(shù)為表面材料的輻射放熱系數(shù)與對流放熱系數(shù)之和。

(1)有風(fēng)(強(qiáng)制對流)時(shí)，對流換熱計(jì)算公式與式(4)、式(5)、式(6)一致。

(2)無風(fēng)(自然對流)時(shí)，水平圓管的對流換熱計(jì)算式為:

對豎直圓管和豎直放置的平板，對流換熱計(jì)算式為:

式(13)在整個(gè)Ra范圍內(nèi)均可使用，但為了計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，在層流范圍可用下式計(jì)算:

水平平板自然對流換熱系數(shù)計(jì)算式與式(10)和(11)一致。

1.4 JIS A9501－2006

外表面換熱系數(shù)為表面材料的輻射放熱系數(shù)與對流放熱系數(shù)之和。無風(fēng)(自然對流)時(shí)，換熱系數(shù)計(jì)算式與強(qiáng)制對流情況下的計(jì)算公式一致，只需將風(fēng)速取W=0 m/s即可。

對豎直圓管和豎直放置的平板，對流換熱計(jì)算式為:

圓管水平放置時(shí)換熱系數(shù)計(jì)算式:

平板水平放置時(shí)換熱系數(shù)計(jì)算式:平板熱面向上時(shí):

平板熱面向下時(shí):

1.5 BS EN ISO 12241:2008

外表面換熱系數(shù)為表面材料的輻射放熱系數(shù)與對流放熱系數(shù)之和。

(1)有風(fēng)(強(qiáng)制對流)時(shí)，流體橫掠圓管表面換熱系數(shù)計(jì)算式為:

對于室外平板，特征尺度H在豎直放置時(shí)采用平板高度;水平放置時(shí)采用平板長度，計(jì)算式如下:

(2)無風(fēng)(自然對流)時(shí)水平放置和豎直放置圓管絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)如式(21)和(22)所示:

水平和豎直放置的平板絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)的計(jì)算均采用式(28)和式(29)。

1.6 VDI 2055－2007

外表面換熱系數(shù)為表面材料的輻射放熱系數(shù)與對流放熱系數(shù)之和。

(1)無風(fēng)(自然對流)時(shí)，水平放置圓管的對流換熱計(jì)算式為:

豎直放置圓管的對流換熱計(jì)算式為:

(2)有風(fēng)(強(qiáng)制對流)時(shí)流體橫掠圓管外表面換熱系數(shù)計(jì)算式為:

2 計(jì)算結(jié)果及影響分析

鑒于《傳熱學(xué)》第四版中的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式是通過對大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合得到，因此在計(jì)算結(jié)果分析中，均以《傳熱學(xué)》第四版的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算值作為對比基準(zhǔn)。文中曲線標(biāo)注含義，見表1。

表1 曲線標(biāo)注含義

2.1 風(fēng)速

風(fēng)橫掠圓管時(shí)強(qiáng)制對流換熱系數(shù)隨風(fēng)速的變化，見圖1。

圖1 風(fēng)橫掠圓管強(qiáng)制對流時(shí)換熱系數(shù)隨風(fēng)速的變化

圖中-H表示水平放置，-V表示垂直放置，-HU表示水平平板熱面向上，-H-D表示水平平板熱面向下。

由圖1可知，JISA9501-H、HT-BOOK、ASTMC 680、VID 2055和GB 50264B計(jì)算結(jié)果和變化趨勢基本相同;ISO 12411與其它標(biāo)準(zhǔn)相比，隨風(fēng)速增加較快;計(jì)算區(qū)域內(nèi)，GB 50264A與HTBOOK相比，計(jì)算結(jié)果的最大絕對誤差10.1W/ (m·K)，相對誤差為267%;GB 50264B與HTBOOK之間計(jì)算結(jié)果的最大絕對誤差2.6W/(m2·K)，相對誤差為11%。

風(fēng)外掠平板時(shí)強(qiáng)制對流換熱系數(shù)隨風(fēng)速的變化，見圖2。

圖2 風(fēng)外掠平板強(qiáng)制對流時(shí)換熱系數(shù)隨風(fēng)速的變化

由圖2可知，ISO 12411、HT-BOOK、VDI 2055、ASTM C680-H-D和ASTM C680-V的計(jì)算值基本相同;JIS A9501－2006標(biāo)準(zhǔn)和GB 50264標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)濟(jì)厚度，最大熱損失下表面放熱換熱系數(shù)的計(jì)算值(GB 50264B)與其它標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果相比偏大。

分析ASTM C680的計(jì)算過程可知，在平板熱面向上時(shí)，定壁溫下風(fēng)速愈低，混合對流中自然對流的比例愈大，因此低風(fēng)速時(shí)計(jì)算結(jié)果大于僅考慮強(qiáng)制對流時(shí)的計(jì)算結(jié)果，隨風(fēng)速的增加，表面放熱換熱系數(shù)逐漸趨于一致。在給定計(jì)算區(qū)域內(nèi)，GB 50264A與HT-BOOK之間絕對誤差隨風(fēng)速的增加逐漸增大，但相對誤差隨風(fēng)速的增加逐漸減小。最小絕對誤差10.57W/(m2·K)，對應(yīng)的相對誤差為323%;最大絕對誤差16.47 W/(m2·K)，對應(yīng)的相對誤差為155%;當(dāng)風(fēng)速W＞1 m/s時(shí)，GB 50264B與HT-BOOK間的絕對誤差和相對誤差隨風(fēng)速的增加而逐漸增加，最大絕對誤值為6.68W/(m2·K)，最大相對誤差為62.9%。這表明GB 50264-97在方法A中用公式(2)計(jì)算的絕熱結(jié)構(gòu)外表面強(qiáng)制對流換熱系數(shù)誤差較大，需改進(jìn)計(jì)算方法。而GB 50264-97在方法B中用公式(1)和式(4)計(jì)算的絕熱結(jié)構(gòu)外表面強(qiáng)制對流換熱系數(shù)與HT-BOOK和ASTM C680間的誤差遠(yuǎn)小于方法A，尤其是風(fēng)橫掠圓管強(qiáng)制對流換熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與HT-BOOK和ASTM C680符合較好。

2.2 強(qiáng)制對流時(shí)的絕熱結(jié)構(gòu)特征尺寸

GB 50264-97標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)的方法A無法反映絕熱結(jié)構(gòu)幾何特征的影響，而且其換熱系數(shù)計(jì)算值大于其它標(biāo)準(zhǔn)或方法的計(jì)算值。

風(fēng)橫掠圓管強(qiáng)制對流時(shí)換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化，見圖3。

圖3 風(fēng)橫掠圓管強(qiáng)制對流時(shí)換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化

由圖3可知，除GB 50264A和JIS A9501-V外，其余標(biāo)準(zhǔn)中換熱系數(shù)均隨管徑的增大而逐漸減小;JIS A9501-H、HT-BOOK、ASTM C680、VDI 2055和GB 50264B的大小和變化趨勢基本一致，ISO 12411計(jì)算值偏大;在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，GB 50264A與HT-BOOK之間的最大絕對誤差11.8W/ (m2·K)，相對誤差為140%，且誤差隨管徑的增大而增加;GB 50264B與HT-BOOK符合較好，兩者間的最大相對誤差為7%。

風(fēng)外掠平板強(qiáng)制對流時(shí)換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化，見圖4。

圖4 風(fēng)外掠平板強(qiáng)制對流時(shí)換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化

分析圖4可知，計(jì)算水平平板和豎直平板強(qiáng)制對流外表面換熱系數(shù)時(shí)，日本標(biāo)準(zhǔn)JIS A9501－2006沒有體現(xiàn)絕熱結(jié)構(gòu)幾何特征的影響，其余標(biāo)準(zhǔn)中換熱系數(shù)隨平板特征尺寸的增大而逐漸減小; HT-BOOK、ASTM C680-H-D、ASTM C680-V、VDI 2055和ISO 12411的大小和變化趨勢基本一致;在給定的特征尺寸計(jì)算區(qū)域內(nèi)，GB 50264A與HT-BOOK間的最大絕對誤差14.9 W/(m·K)，相對誤差為285%，且誤差隨特征尺寸的增加而增大。同樣對GB 50264-97標(biāo)準(zhǔn)中方法B進(jìn)行比較，方法B中沒有提及對于水平或豎直放置的平板外表面換熱如何計(jì)算，此處將式(4)中的D視為沿流動(dòng)方向的平板長度帶入計(jì)算，比較發(fā)現(xiàn)在特征尺寸L為0.5m左右時(shí)，GB 50264B與HT-BOOK的值基本一致;隨特征尺寸L的增加，GB 50264B與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(HT-BOOK)間的誤差也逐漸增加，最大相對誤差為38.7%。這表明GB 50264-97中方法A忽略絕熱結(jié)構(gòu)的幾何特征變化的影響是不合適的;而方法B計(jì)算平板外表面換熱系數(shù)時(shí)同樣誤差較大，不太適合，但用于計(jì)算圓管時(shí)，符合程度較好。

2.3 強(qiáng)制對流時(shí)的絕熱結(jié)構(gòu)壁面溫度

圖5和圖6分別為風(fēng)橫掠圓管和外掠平板時(shí)強(qiáng)制對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化。由于GB 50264-97標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)的方法A沒有考慮表面溫度的變化對換熱系數(shù)的影響，因此表面換熱系數(shù)不隨溫度而變化。而其它標(biāo)準(zhǔn)或計(jì)算方法中，除日本JIS A9501－2006標(biāo)準(zhǔn)外，其他標(biāo)準(zhǔn)中換熱系數(shù)隨溫度變化而改變的量值均很小，并且此很小量值的變化主要是溫度增加導(dǎo)致輻射換熱增強(qiáng)而引起的。如當(dāng)壁面溫度由20℃升高到60℃時(shí)，風(fēng)橫掠圓管強(qiáng)制對流換熱系數(shù)HT-BOOK值僅增加了0.3 W/(m2·K)。相對增量2.8%，見圖5。

圖5 風(fēng)橫掠圓管強(qiáng)制對流時(shí)換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化

風(fēng)外掠平板強(qiáng)制對流換熱系數(shù)HT-BOOK值增加了0.58W/(m2·K)，相對增量9%，見圖6。

這表明，當(dāng)絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)視為表面材料輻射放熱系數(shù)與對流放熱系數(shù)之和時(shí)，可以忽略壁面溫度變化對強(qiáng)制對流換熱的影響。

圖6 風(fēng)外掠平板強(qiáng)制對流時(shí)換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化

2.4 自然對流時(shí)的絕熱結(jié)構(gòu)特征尺寸

水平圓管自然對流換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化，見圖7。

圖7 水平圓管自然對流換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化

圖7中，在計(jì)算范圍內(nèi)GB 50264A與HTBOOK計(jì)算結(jié)果的最大絕對誤差為5.7W/(m2· K)，相對誤差達(dá)到了97%;而GB 50264B與HTBOOK、ASTM C680、VDI 2055、ISO 12411和JIS A9501計(jì)算值吻合較好，與HT-BOOK相比，兩者間最大絕對誤差為0.95 W/(m2·K)，相對誤差為12%。當(dāng)圓管或平板豎直放置時(shí)，自然對流換熱系數(shù)計(jì)算中特征尺寸取豎直高度。為進(jìn)行比較，將式(3)中D代入豎直高度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖8。

由圖8可知，在特征尺寸較小(H≤1.5m)時(shí)，HT-BOOK、ISO 12441和ASTM C680計(jì)算值有先降后升的變化過程，這是由豎直自然對流的流動(dòng)特性所導(dǎo)致的，隨著特征尺寸的增大，流動(dòng)進(jìn)入紊流區(qū)，此時(shí)換熱系數(shù)趨于穩(wěn)定。在特征尺寸H≤1.5m時(shí)，GB 50264A與HT-BOOK之間的最大絕對誤差為5.3W/(m2·K)，相對誤差為85%;在特征尺寸H＞1.5m時(shí)，GB 50264A與HT-BOOK之間的最大絕對誤差為5W/(m2·K)，最大相對誤差為50%。而GB 50264B與HT-BOOK之間的差值隨著特征尺寸的增加而變大，計(jì)算范圍內(nèi)最大絕對誤差為2.5 W/(m2·K)，相對誤差為38%。

圖8 豎直圓管及豎直平板自然對流換熱系數(shù)

圖9和圖10分別為水平平板熱面向上和熱面向下時(shí)自然對流換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化。

圖9 水平平板熱面向上自然對流換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化

圖10 水平平板熱面向下自然對流換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化

為了與HT-BOOK和ASTM C680進(jìn)行比較，計(jì)算時(shí)將公式(3)中的D用水平平板的特征尺寸L帶入計(jì)算，特征尺寸L的定義為:L=Ap/P，其中，Ap、P分別為平板的換熱面積和周界長度。對水平平板自然對流換熱，由于浮升力的作用，熱面向上時(shí)換熱系數(shù)明顯比熱面向下時(shí)大，但比較圖9和圖10發(fā)現(xiàn)GB 50264A、GB 50264B、VDI 2055和ISO 12441均沒反映出這種差別。水平平板熱面向上時(shí)，在計(jì)算范圍內(nèi)GB 50264A與HTBOOK之間最大絕對誤差為3.3 W/(m2·K)，相對誤差為40%，且誤差基本上不隨特征尺寸變化; GB 50264B與HT-BOOK的最大絕對誤差為3.2 W/ (m2·K)，相對誤差為38%，誤差隨特征尺寸的增加而增大。水平平板熱面向下時(shí)，計(jì)算范圍內(nèi)GB 50264A與HT-BOOK之間最大絕對誤差為8.1W/(m2·K)，最大相對誤差為230%，兩者間誤差隨特征尺寸的增加而變大。GB 50264B與HT-BOOK之間的最大絕對誤差為3.4 W/(m2· K)，最大相對誤差為66%，兩者間誤差隨特征尺寸的增加而減小。

通過分析圖7～圖10可知，GB 50264-97標(biāo)準(zhǔn)中方法A不考慮絕熱結(jié)構(gòu)幾何特征變化的影響，將自然對流換熱系數(shù)值取為常數(shù)的做法是不合適的。而GB 50264-97標(biāo)準(zhǔn)中方法B雖然考慮了絕熱結(jié)構(gòu)幾何特征變化的影響，但沒有考慮絕熱結(jié)構(gòu)放置方式的影響，因此用于計(jì)算豎直圓管、豎直平板、水平平板熱面向上和熱面向下自然對流換熱系數(shù)時(shí)誤差較大。這表明GB 50264-97標(biāo)準(zhǔn)中方法B僅對水平放置圓管自然對流換熱系數(shù)計(jì)算適應(yīng)性較好。

2.5 自然對流時(shí)的絕熱結(jié)構(gòu)壁面溫度

圖11～圖14為圓管及平板自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化。

水平圓管自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化，見圖11。

圖11 水平圓管自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化

圖11中，在計(jì)算范圍內(nèi)GB 50264A與HT-BOOK計(jì)算結(jié)果的最大絕對誤差為7.3W/(m· K)，相對誤差達(dá)到了170%;而GB 50264B與HTBOOK、ASTM C680、VDI 2055、ISO 12411和JIS A9501計(jì)算值吻合較好，與HT-BOOK相比，兩者間最大絕對誤差為0.78 W/(m2·K)，相對誤差為12%。同樣為進(jìn)行比較，當(dāng)圓管或平板豎直放置時(shí)，自然對流換熱系數(shù)計(jì)算中將式(3)中D代入豎直高度進(jìn)行計(jì)算，豎直圓管及豎直平板自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化，見圖12。

圖12 豎直圓管及豎直平板自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化

GB 50264B計(jì)算值小于其它標(biāo)準(zhǔn)，且與HTBOOK之間的差值隨壁面溫度的增加而變大，計(jì)算范圍內(nèi)最大絕對誤差為2.2 W/(m2·K)，相對誤差為32%。

同樣為了與HT-BOOK和ASTM C680進(jìn)行比較，計(jì)算時(shí)將公式(3)中的D用水平平板的特征尺寸L=Ap/P帶入計(jì)算。水平平板熱面向上自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化，見圖13。

圖13 水平平板熱面向上自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化

在計(jì)算范圍內(nèi)GB 50264A與HT-BOOK之間最大絕對誤差為6.9 W/(m2·K)，相對誤差為143%，且誤差隨壁面溫度的增加而降低;GB 50264B計(jì)算值小于HT-BOOK，兩者間最大絕對誤差為2.7W/(m·K)，相對誤差為31%，誤差隨壁面溫度的增加而增大。水平平板熱面向下自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化，見圖14。

圖14 水平平板熱面向下自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化

計(jì)算范圍內(nèi)GB 50264A與HT-BOOK之間最大絕對誤差為8.9W/(m2·K)，最大相對誤差為328%，兩者間誤差隨壁面溫度的增加而逐漸減小。GB 50264B與HT-BOOK之間的最大絕對誤差為2 W/(m2·K)，最大相對誤差為50%，兩者間誤差隨壁面溫度的增加而略有增加。

通過分析圖11～圖14可知，GB 50264-97標(biāo)準(zhǔn)中方法A不考慮絕熱結(jié)構(gòu)壁面溫度變化的影響，將自然對流換熱系數(shù)值取為常數(shù)的做法同樣是不合適的。而GB 50264-97標(biāo)準(zhǔn)中方法B雖然考慮了絕熱結(jié)構(gòu)壁面溫度變化的影響，但沒有考慮絕熱結(jié)構(gòu)放置方式的影響，因此用于計(jì)算豎直圓管、豎直平板、水平平板熱面向上和熱面向下自然對流換熱系數(shù)時(shí)誤差較大。而GB 50264-97標(biāo)準(zhǔn)中方法B僅對水平放置圓管自然對流換熱系數(shù)計(jì)算適應(yīng)性較好。另外，圖9、圖10、圖13和圖14還反映出，對于水平平板自然對流，由于浮升力的作用，熱面向上時(shí)換熱系數(shù)明顯比熱面向下時(shí)大，即說明計(jì)算工業(yè)設(shè)備及管道絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)時(shí)不應(yīng)忽略水平平板熱面朝向的影響。

3 計(jì)算公式的改進(jìn)

經(jīng)過公式推導(dǎo)并結(jié)合前期研究結(jié)果中數(shù)據(jù)的擬合，將GB 50264-97中保溫效果檢測研究中水平和豎直放置圓管絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)計(jì)算式修正如下:

(1)流體橫掠圓管(有風(fēng))時(shí):

當(dāng)WD≤0.8 m2/s時(shí):

當(dāng)WD＞0.8 m/s時(shí):

無論圓管水平、垂直放置，式中特征尺寸D值均取絕熱層外徑。

(2)自然對流(無風(fēng))時(shí):

其中D表示特征尺寸，水平圓管D值取絕熱層外徑，豎壁和豎直圓管D值取豎直高度，式中常數(shù)項(xiàng)的取值，見表2。

表2 式(41)中的C和n值

改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果見圖15～圖20。

流體橫掠圓管強(qiáng)制對流時(shí)，在計(jì)算區(qū)間內(nèi)，風(fēng)速變化時(shí)改進(jìn)公式的計(jì)算結(jié)果(GB 50264BRevised)與HT-BOOK之間最大絕對誤差為0.32W/ (m2·K)，最大相對誤差為8.5%，見圖15。

圖15 風(fēng)橫掠圓管強(qiáng)制對流時(shí)換熱系數(shù)隨風(fēng)速的變化

特征尺寸變化時(shí)改進(jìn)公式的計(jì)算結(jié)果與HTBOOK之間最大絕對誤差為0.8W/(m2·K)，最大相對誤差為5.3%，見圖16。

圖16 風(fēng)橫掠圓管強(qiáng)制對流時(shí)換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化

自然對流時(shí)，水平圓管特征尺寸變化時(shí)改進(jìn)公式的計(jì)算結(jié)果與HT-BOOK之間最大絕對誤差為0.52 W/(m2·K)，最大相對誤差為8.5%，見圖17。

圖17 水平圓管自然對流換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化

水平圓管壁面溫度變化時(shí)改進(jìn)公式的計(jì)算結(jié)果與HT-BOOK之間最大絕對誤差為0.02W/(m2·K)，最大相對誤差為0.3%，見圖18。

圖18 水平圓管自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化

豎直圓管及豎直平板特征尺寸變化時(shí)改進(jìn)公式的計(jì)算結(jié)果與HT-BOOK之間最大絕對誤差為0.2W/(m2·K)，最大相對誤差為2.9%，見圖19。

圖19 豎直圓管及豎直平板自然對流換熱系數(shù)隨特征尺寸的變化

豎直圓管及豎直平板壁面溫度變化時(shí)改進(jìn)公式的計(jì)算結(jié)果與HT-BOOK之間最大絕對誤差為0.2W/(m2·K)，最大相對誤差為3.9%，見圖20。

圖20 豎直圓管及豎直平板自然對流換熱系數(shù)隨壁面溫度的變化

對比前文計(jì)算結(jié)果可知，公式修正之后的計(jì)算結(jié)果與《傳熱學(xué)》第四版中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果間的絕對誤差和相對誤差均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于公式修正之前的結(jié)果，即水平和豎直放置圓管絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)的計(jì)算準(zhǔn)確度和精度得到進(jìn)一步提高，因此可認(rèn)為改進(jìn)后的公式是正確可行的。

4 結(jié)語

通過對《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50264-97中絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果與其他標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式中相同條件下?lián)Q熱系數(shù)取值進(jìn)行對比和分析，得到如下結(jié)論:

(1)GB 50264－97標(biāo)準(zhǔn)在經(jīng)濟(jì)厚度和最大熱損失下絕熱結(jié)構(gòu)外表面強(qiáng)制對流換熱系數(shù)的計(jì)算方法(即公式(1))由于大量簡化了外表面換熱的影響因素，因而與其它標(biāo)準(zhǔn)和方法的換熱系數(shù)計(jì)算值間存在較大誤差，沒能較好地反映真實(shí)的傳熱過程特性，需要改進(jìn)。

(2)GB 50264－97在保溫效果檢測研究中的保溫計(jì)算方法(公式(2)、(3)、(4))對水平圓管適應(yīng)性較好，但用于計(jì)算平板和豎直圓管外表面換熱系數(shù)時(shí)誤差較大。

(3)絕熱結(jié)構(gòu)外表面溫度的變化對強(qiáng)制對流換熱系數(shù)的影響較小，工程計(jì)算中考慮輻射換熱后可以忽略外壁面溫度變化對強(qiáng)制對流換熱系數(shù)的影響。

(4)水平平板的熱面朝向?qū)Q熱系數(shù)有一定影響，因此建議計(jì)算水平平板對流換熱系數(shù)時(shí)參照美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM C680－2004。

(5)對GB 50264－97中保溫效果檢測研究中水平和豎直放置圓管絕熱結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)計(jì)算公式修正之后的計(jì)算結(jié)果與《傳熱學(xué)》第四版中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果間的絕對誤差和相對誤差均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于公式修正之前的結(jié)果，因此改進(jìn)后的公式是正確可行的。

符號(hào)說明

C常數(shù)

D絕熱層外徑，m

H高度，m

L長度，或特征尺寸，m

W年平均風(fēng)速，m/s

Ts設(shè)備和管道的外表面溫度，℃

Ta環(huán)境溫度，℃

ε絕熱結(jié)構(gòu)外表面材料黑度

Pr普朗特?cái)?shù)

αs外表面總換熱系數(shù)，W/(m2·K)

αr外表面材料輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)

αn外表面自然對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)

αf外表面強(qiáng)制對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)

Nuf強(qiáng)制對流換熱努塞爾數(shù)

Nun自然對流換熱努塞爾數(shù)

Ra瑞利數(shù)

Re雷諾數(shù)

Gr格拉曉夫數(shù)

1 GB 50264－97，工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，1997．

2 GB/T 8175－2008，設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

3 N E Wijeysundera，S K Chou，S E G Jayamaha．Heat flow though walls under transfent rain conditions［J］．Journal of Thermal Insulation and Building Envelopes，1993，17:118－141．

4 楊時(shí)銘，陶文銓．傳熱學(xué)(第四版)［M］．北京:高等教育出版社，2007．

5 ASTM Committee，C680－2003 Standard practice for estimate of the heat gain or loss and the surface temperatures of insulated flat，cylindrical，and spherical systems by use of computer programs［S］．ASTM International，2003．

6 Japanese Industrial Standards Committee，JIS A 9501:2006 Standard practice for thermal insulation works［S］．Japanese Standards Association，2006．

7 British Standards Institution，BS EN ISO 12241:2008 Thermal insulation for building equipment and industrial installations——Calculation rules［S］．Europe:EuropeanCommitteefor Standardization，2009．

8 VDI－Richtlinien，VDI2055:2007 Thermal insulation of heated and refrigerated operational installation in the industry and the building services——Calculation rules［S］．Verein Deutscher ingenieure e．V．，2007．

Comparing and analyzing the heat transfer coefficient value of external surfaces of heat insulation structure calculated by Design Code for Insulation Engineering of Industrial Equipment and Pipe GB50264-97 with the heat transfer coefficient value of foreign standards and the classical correlations based on experiments under the same conditions，point out that the calculating method of the heat transfer coefficient has something wrong in the Code．Modify the formulas for computing the heat transfer coefficient of external surfaces of heat insulation structure for the round pipe in horizontal and vertical position used in heat insulation efficiency detection research，the computation results show that the modified formulas can reflect the true character of the heat conducting process．Propose to compute the convection coefficient for the plate in horizontal position according to the United States standard ASTMC680-2004．

Discussion on Heat Transfer Coefficient Value of External Surfaces of Heat Insulation Structure for Industrial Equipment and Pipe

Ding Yudong，et al
(Institute of Engineering Thermophysics of Chongqing University，Chongqing 400030)

national standardheat insulation structureheat transfer coefficientequipmentpipe

*丁玉棟:講師。2010年畢業(yè)于重慶大學(xué)工程熱物理專業(yè)獲博士學(xué)位。主要從事傳熱傳質(zhì)及兩相流動(dòng)方面的研究工作。聯(lián)系電話: (023)65102474，E－mail:dingyudong@cqu.edu.cn。

2011－04－15)