应用于管道系统的最佳隔热厚度的热经济学方法
Aynur Ucara)机械工程系, Firat 大学, 23279 Elazıg, 土耳其
在本研究中，我们使用热经济学分析方法，找出了土耳其四个不同气候区域的城市的火用成本、火用损失和最佳保温厚度。选用玻璃棉、EPS、XPS作为保温材料。结果表明，绝缘层的火用成本和火用损失等最优值与有效积温有关，且随有效积温的增加而增大。Aydın Tekirda˘g, Elazı˘g,和卡尔斯分别以天然气作为燃料和XPS作为绝缘材料,发现绝缘厚度的最佳值分别为0.019,0.030,0.036,和0.057 m。(火用)节余和回收期随管径的增大而增大。此外，最佳保温厚度与管道外表面对流换热系数有关，且随对流换热系数的增大而增大。从灵敏度分析结果可以看出，折现率和膨胀率的增加对最佳绝缘厚度的敏感性程度大于其他变化。
1.介绍
在许多国家，建筑物所用的能源约占全国能源需求的40%，建筑物供暖和制冷所需的能源约占建筑物所用能源总量的60%,占最大比例的能源消耗(Kaynakli, 2012)。管道保温产生了热阻，降低了热流密度。用于管道节能的保温厚度发生了变化，因为通常在非常高的温度下工作的管道显示出更大的热流密度，而更大的厚度是更大的潜在节能需求所导致的。为了计算管道的最佳保温厚度以减少热损失，已经进行了许多研究(Bahadori和Vuthaluru, 2010;Kaynakli, 2014;李和周，2005;Zaki和Al-Turki, 2000)。在建筑物内采取适当的隔热材料会使建筑物冷暖能源需求量的显著减少及大气中的二氧化碳和二氧化硫排放量的减少。(Yıldız et al., 2008; Bascedil;ogul and Keccedil;ebas, 2011;Uccedil;ar and Balo, 2011). Zhang et al. (2017)采用生命周期成本分析方法，确定了中国西安地区供热管网直接埋地敷设的最佳保温厚度，不同管径、不同燃料类型、不同土壤深度的节能效果及回收期。报告显示，最佳绝缘厚度在0.060m至0.121 m之间，节能材料价格在36.395美元/m至194.682美元/m之间，投资回收期在0.445至1.691年之间。Bascedil;ogul et al. (2016)的分析确定管道的最优绝缘厚度是基于两种不同的方法(生命周期评估和寿命周期成本)，用于减少管道绝缘对环境的影响。他们评估了寿命周期成本分析的准确性，并将其结果与从绝缘和能源市场收集的数据进行了比较。Das demir等(2017)针对土耳其Afyonkarahisar的气候条件，利用基于加热积温值的生命周期成本分析，确定了暖通空调管道用不同材料制成的管道保温层的最佳厚度。结果表明，最节省燃料和保温材料分别为燃料油和洛科威，钢和铜管的最佳绝缘厚度分别为5～16 cm和5～12 cm。Co z et al. (2017)利用火用经济学方法对某区域冷却系统的配水管网进行了评价。他们在分析中使用了两种不同类型的冷却能力的管道:预保温钢管(其中保温材料是聚氨酯)和聚乙烯管道(没有任何保温材料)。热力学优化的目的是减少系统内部的热力不足，而系统热经济性优化的目的是预测各元素热力学不充分的成本最优结构和成本最优值(Abusoglu和Kanoglu, 2009)。在文献中，有一些研究如Kec, ebas, et al. (2012)， Oeuro;zteuro;urk et al. (2006)， Karabay (2007)， Kec, ebas, et al. (2011)， Zhang et al. (2017)和Ucar(2010)，其中提出了不同的热经济技术来优化管道和管道的保温厚度。本文通过对燃油和保温材料的成本进行热经济学分析，得出了考虑管道外表面集中蒸汽的最佳保温厚度。为此，利用MATLAB优化工具箱，针对土耳其不同气候地区和不同燃料类型的城市，对所选城市的管道保温厚度进行了优化。此外，还确定了不同保温材料的回收期。
2.火用分析
A.管道的火用损失
年能耗的计算方法多种多样。度日法被认为是估算年供热和制冷能源需求的一种基本而又相当简单的方法。度日是平均室外空气温度与基准温度之间温差的总和，基准温度是指不需要运行加热或冷却系统的室外温度。
管道单位长度的年热损失定义为下式（1）(Ucar和Balo, 2011)
年能源需求由（2）计算
计算了带保温管的总传热系数
管道内外的对流换热系数分别由(C engel, 2004)计算得到。
利用式(2)计算管道年火用损失如下式（6）:
o
所研究的保温热水管道结构如图1所示。
B.燃料的火用损失
对于一个开放系统，热力学第一定律可以写成(C engel and Boles，2006）
其中Nr 和NP 为化合物参与反应的摩尔数与每单位生成物的摩尔数，hmacr;0为任何组分在298k时的焓。由一个操作可完成的最大工作量由以下公式计算：
如果用热力学第二定律来描述燃烧过程，则烟气的火用损失定义为：
y是混合物的摩尔分数，Ru是通用气体常数。即使燃料处于周围环境的温度和压力下，也有火用，因为它们具有与周围环境的化学势不同的化学势。这种火用的很大一部分是通过燃料燃烧而被破坏的。在没有水分的固体化石燃料中，标准的比化学能火用对燃料热值的比率可以写成（10）by (Kotas, 1985)。
图1所示。热水管道采用保温结构。
含湿硫固体化石燃料的标准化学火用由(Kotas, 1985)给出
对于不含水分的液体燃料，燃料热值的标准化学火用率由（12）给出：
气体燃料的摩尔比化学能的共同关系是：
其中NC为分子中平均碳原子数。
由于燃料在燃烧室中失去了部分能量，因此燃料的火用定义为：
C.火用因蒸汽集中而消除
避免外表面凝结所需的绝缘量是一个重要的考虑因素。绝缘设计计算基于保持表面温度在规定的管道温度和空间湿度下，高于周围空气的露点温度。由于浓缩蒸汽的火用消除定义为：
mc 浓缩蒸汽的量是由下式决定的
Ppar,i 和Ppar,o 分别为室内和室外的分压。
D.Thermoeconomic优化
P1- p2 方法由Duffie和Beckman(1991)提出，用于确定与能源系统相关的生命周期成本。生命周期成本是最合适的方法，因为它包括了能源系统的资金和运行成本。生命周期成本是能源输送系统在其生命周期或经济分析期间相关的所有成本之和。用于制定优化问题的可变参数包括年利率、单位燃料价格、系统的技术寿命、转售价值、年度维护和运行成本与原始成本之比。
p1系数定义为寿命周期燃油成本节约与第一年燃油成本节约的比率。P1 取决于通货膨胀率d和利率i， P2系数是指由于额外资本投资而产生的生命周期支出与初始资本投资的比率。p1和p2的方程，其中两个是经济指标：
在稳定条件下运行的整个系统的成本平衡由(Ucar, 2010)给出。
本工作假设维修费用为0。燃料和绝缘的费用计算为：
其中V为保温材料的体积。Eqs的年度火用成本(18)及(19)计算如下:
通过使总成本最小化，得到了最佳的绝缘厚度。通过最小化等式（22），可以确定最佳绝缘厚度dins=r2 -r1。因此，取Cp、Tot相对于r2的微分，将其设为零，然后利用Matlab优化工具箱得到最佳绝缘厚度。
单位面积在使用寿命内的净火用节约量S可以表示为
P1 将式(17)代入式(23)，设为零，可确定回收期Np：
3.结果与讨论
— Exloss;S
本文采用火用分析和P1-P2方法，计算了土耳其不同气候区域、不同燃料的四个城市的最佳保温厚度。表I显示了此分析中使用的参数和值。表二和表三给出了计算中使用的燃料类型和不锈钢管的一些特性。图2显示了不同输入温度下烟道气体的燃料能量与温度的关系
可以看出，燃料能量依赖于燃料输入温度，当温度降低时，燃料能量增加。燃料的能量在高温烟气中也会降低。当燃料能量与其他燃料类型相比时，煤的能量是其他三种燃料类型中最高的，而天然气燃料的能量最低。
由烟气引起的火用损失与烟气温度和Elaz_g燃料输入温度的关系如图3所示。表四为四种煤的火用变化情况。燃料火用随燃料输入温度成比例变化，但与烟气温度成反比。烟气的火用损失随烟气温度的升高而增大。另一方面，烟气的火用损失随着燃料输入温度的升高而减小。当燃料输入的回火温度为15℃时，烟气温度为130℃ , 150 ℃, 190 ℃，煤作为燃料类型的火用损失分别为1159 kJ/kg、3763 kJ/kg和11453 kJ/kg。
燃料的化学火用和质量分数见表五。从下表可以看出，燃料的化学成分对燃料的化学火用影响很大。燃料的化学火用取决于燃料化学成分的变化。得到了液化石油气的最大熵值，煤的最小熵值。图4为不同燃料类型烟气火用损失随度日和绝缘厚度的变化情况。结果表明，火用损失随气候条件的变化而变化。烟气的火用损失随保温厚度的增加而减小，随保温天数的增加而增大。
例如，厚度为0.04m的保温材料的烟气火用损失为98.4万kJ/kg每5500度日和209.000 kJ/kg每1000度日燃（以煤为燃料）。在2500度日的情况下，天然气的烟气火用损失为236 060 kJ/kg燃料（绝缘厚度为0.04 m），90 270 kJ/kg燃料（绝缘厚度为0.2 m）。
保温层厚度对四个城市年火用成本的影响如图5所示。如果管道表面的绝缘厚度增加，燃料消耗就会减少，从而降低燃料成本。如果管道表面被绝缘材料覆盖，则管道表面的温度降低。然而，传热面积增加了。但温度的降低比面积的增加和温度的降低的影响要大得多,减少了热损失。因此，圆管的保温成本不随保温厚度线性增加。年火用成本是燃料和保温材料成本之和，在最佳保温厚度下最小。
图6显示了不同绝缘材料、燃料类型和城市的火用节约量与管道尺寸和绝缘厚度的关系。在这三幅图中，我们发现火用节约量随着绝缘厚度的增加而增加。当火用能节约达到最佳绝缘厚度的最大值后，开始下降，而绝缘材料的厚度增加。火用节余随管道的增加而增加。
从图6(a)可以看出，从节约能源的角度来看，液化石油气被认为是最合适的能源，而天然气的性能最差。在图6(b)中，Kars得到的火用节余值高于其他三个城市(位于低纬度地区)地区的火用节余值。
表六:所分析的所有城市、燃料类型和保温材料的最佳保温厚度、(火用)成本和传热(火用)损失。
城市 燃料类型
最佳绝缘厚度，厘米
Exergetic成本(美元/ m2)
思想(火用)损失,李世默oss,Q (焦每千克)
Aydın (HDDfrac14;1213)
Tekirda˘g (HDDfrac14;2032)
Elazı˘g (HDDfrac14;2653)
卡尔斯(HDDfrac14;4772)
每股收益 煤炭 0.0293 8.80 80 600
天然气 0.0291 8.30 76 030
燃油 0.0334 9.90 90 690
液化石油气 0.0650 20.17 184 770
XPS 煤炭 0.0199 11.44 104 790
天然气 0.0197 10.81 99 050
燃油 0.0228 12.83 117 570
液化石油气 0.0461 25.23 231 100
Glasswool 煤炭 0.0399 7.13 65 380
天然气 0.0395 6.74 61 800
燃油 0.0451 8.08 74 080
液化石油气 0.0851 17.06 156 260
每股收益 煤炭 0.0413 11.68 107 020
天然气 0.0409 11.04 101 130
燃油 0.0467 13.24 121 260
液化石油气 0.0878 28.04 256 870
XPS 煤炭 0.0303 14.41 131 980
天然气 0.0300 13.62 124 750
燃油 0.0344 16.25 148 910
液化石油气 0.0668 33.21 304 200
Glasswool 煤炭 0.0578 9.36 85 720
天然气 0.0582 8.74 80 130
燃油 0.0655 10.62 97 310
液化石油气 0.1195 23.42 214 520
每股收益 煤炭 0.0503 13.38 122 550
天然气 0.0499 12.63 115 670
燃油 0.0567 15.21 139 380
液化石油气 0.1048 32.97 301 980
XPS 煤炭 0.0373 16.33 149 640lt;
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