绝热保温（精选4篇）
绝热保温 篇1
国际上把绝热材料与绝热工程称为“第五能源”, 这种称谓涵盖了节能与环保的双重性, 明确地指出绝热与节能的辩证关系, 标明了“第五能源”是国民经济发展中一个非常重要的产业链, 可以与其他能源相提并论, 虽然不是“能”却能有能, 而从某种意义上显示了它的开发与应用对能源的可持续发展更有效, 更能取得非同凡响的效果。
绝热是最有效的节能, 这已是一个被世人普遍认可的事实。绝热材料及绝热工程也一直随着能源的利用而发展着, 其功不可没。但是它的辅助作用的地位, 使其始终处于被动地位, 在国民经济大发展中, 人们把先进的人才、先进的科学技术和经济实力集中的运用在主力战线上, 因而它的被动地位使其被忽略了, 以至于在国民经济发展中处在落后状态, 甚至影响了大局的进展。
1 绝热材料的分类
1.1 有机质材料
基本上都属于石油化工的副产品, 主用于建筑物体的隔热保温及制冷设备上, 其代表性产品:EPS、XPS类、聚氨酯泡沫类。
其优势是:质轻, 隔热保温效果好, 制作工艺成熟, 施工方便, 已在国内外应用多年。
本质上的缺陷: (1) 防火功能低下, 虽然做了自熄、阻燃等处理, 但仍难防止火灾, 最可怕的是释放出令人窒息的气体; (2) 本身使用寿命只有20年 (理论上) 而且在其逐渐衰变中失去了隔热保温功能。
人为的缺陷:
在建筑市场上, 由于这类产品多为小型厂家生产, 整体质量上存在着: (1) 原材料多为再生品; (2) 养护不达标, 使用 (包括施工) 质量难以保障 (常发生裂缝、脱落等现象) , 加之无法现场监测 (缺少实际监测仪器) , 因此其潜在的危害是灾难性的。
前景预测:通过多年的应用人们才能从其优劣对比中, 选择出淘汰与改变 (折中) 两种出路, 在先进国家如美国已采取了禁止使用, 也有采取折中的办法, 即将其与无机质材料结合, 以优势互补的办法改变其现状。
1.2 无机质材料
基本上都属于天然矿物质加工而成的产品, 主要用于工业领域里以围材、隔材及衬材的形式对工业设备、管道等部位进行绝热以阻止热扩散, 提高热能利用率。其代表性产品:岩 (矿) 棉制品、玻璃棉制品、硅酸铝 (镁) 纤维制品, 以及近年来兴起的复合材制品。
其优势与特性:因其对高温的优势, 在以高温作业的工业领域里, 如石油化工、热电热网、冶金等必须绝热的部位普遍应用着;在这些高耗能的领域里其绝热的功能和高温作业区保护作业人员的健康的需要尤为重要。因此, 对绝热材料及绝热工程的要求更高。
本质上的缺陷: (1) 单一的材料结构, 多为一种材质, 松散无序, 导致空气在其中自由流通, 热量随空气大量流失; (2) 吸水、吸湿, 水浸使绝热性能降低甚至丧失; (3) 其制作的高耗能, 成型时 (管、板) 又多用有机粘合剂, 在高温下易挥发、松散、解体而失去整体绝热功能, 导致热能大量流失。与人体接触时刺激皮肤出疹, 影响人身健康。
人为的缺陷: (1) 多为小作坊的生产模式, 产品品种单一; (2) 制作工艺落后; (3) 缺乏科技含量, 产品质量难以提高, 与现代工业节能要求差距太大。
前景预测:在工业领域里, 绝热材料及绝热工程与工业市场发展水平及速度长期存在着不相适应的矛盾, 即长期处于被动落后的状态, 在节能与环保上拖着工业发展的后腿, 这种严峻的形势迫使绝热领域里必须进行大变革, 否则将使这个用能大市场成为国民经济的“罪人”。
1.3 复合型材料
基本上仍然属于无机质材料, 以硅酸盐类材料制成, 如复合硅酸铝与石棉等按一定比例制成软质管、板、卷材, 有价格低、施工方便等优势, 其缺陷与其他无机质材料基本相同。
2 建筑领域绝热材料的特色
运用专利技术产生的孤立密闭的类真空空穴 (气泡型) , 加上硅-铝闭孔空心微珠, 充分发挥了真空隔热原理, 绝热效果突出, 在热电绝热“比武”中名列前茅;通过专用技术进行键能重组合, 使键能大、商值高, 有很强的亲和力, 产生着新的“贡献和”;层式网状叠力单元及填充的结构, 使气相和固相紧密结合, 结构严谨, 固态稳定, 绝热效果经久不衰;多功能、多品种, 有胶凝材料任意可塑, “一涂即可”, 型材 (硬质管材、板材) 一贴即成, 能满足各种需求。
建筑领域的新技术以“窑洞效应”打造冬暖夏凉的节能型、环保型、安全型三型合一的人居环境: (1) 全无机质的材质结构, 防火等级A级, 安全系数高; (2) 可与建筑物体同寿命, 并对建筑物体有保护作用; (3) 生产、使用全过程均无“三废”排放, 并可回收再利用, 环境健康有保证; (4) 一经使用长期有效, 其节能效果始终如一、经久不衰, 并对建筑物体根据不同要求用不同材料具有不同功能 (如呼吸、调湿、防火隔断等) , 又能优先减少建筑本体能耗, 在技术政策导向上, 把减少建筑本体能源消耗 (即被动式技术) 放在比提高发电效率、供热制冷效率 (即主动式技术) 更优先位置上, 更好的挖出建筑本体的节能潜力, 构成更优的组合节能效力。
3 建筑物墙体用绝热材料更节能
绝热材料在热电厂应用较为普遍, 表1是电力系统对建筑物墙体温差比的统计结果, 从表1可以看出12.5万kW～30万kW, 256台机组因绝热不良造成的热损失相当于50万t标煤的发电量。
国家电力系统曾提出将每发一度电耗煤从350 g降到250 g, 仅此一项一组120万kW机组一年就能节煤65万t。
4 结束语
建筑材料除了寻求自然能的同时, 还应大力倡导发展“第五能源”———节能保温材料, 因为“第五能源”不但可以节能, 还是代价最低、效果最好、最能立竿见影、又最能形成“全民行动”的办法, 它将以节能又环保的双重功效材料造福于人类。
摘要：介绍了绝热材料的概念、分类及绝热材料在建筑领域的使用, 指出使用绝热材料更节能, 更符合未来发展趋势。
关键词：绝热,节能,绝热材料,墙体保温,第五能源
参考文献
[1]谢文丁.新型复合高效节能保温隔热材料[J].砖瓦, 2000 (S1) .
[2]谢文丁.开发节能型、健康型和安全三型一体的新型墙用隔热保温材料[J].砖瓦, 2005 (2) .
[3]谢文丁.环保与节能原材料——海泡石[J].砖瓦, 2005 (7) .
[4]谢文丁.对以膨胀玻化微珠为代表的新型无机质绝热材料的探索[J].砖瓦, 2009 (9) .
绝热保温材料研究进展 篇2
绝热材料是指在平均温度等于或小于623K (350℃) 时, 热导率小于0.14W/ (m·K) 的材料[1]。绝热材料又称为保温或保冷材料[2]。航天领域中热力设备及管道用保温材料多为无机绝热材料, 具有不腐烂、不燃烧、耐高温等特点;普冷下的保冷材料多用有机绝热材料, 具有极小的导热系数、耐低温、易燃等特点。前者主要发展了石棉、玻璃纤维、泡沫玻璃、硅酸钙材料体系, 后者主要发展了聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、酚醛树脂泡沫材料体系。随着绝热材料使用行业的迅速发展, 传统绝热保温产品已不能满足社会和工业需求, 近些年来, 既有保温材料不断升级完善, 新型环境友好型保温材料应运而生, 绝热保温材料的组成体系和性能特点也正在逐渐的扩大化。
2 绝热保温材料发展现状
2.1 泡沫塑料保温隔热材料
泡沫塑料作为一种重要的有机保温隔热材料主要有聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛泡沫塑料三种。有机类保温材料具有导热系数低、吸湿性小、容重轻、价格便宜等优点;缺点是不耐高温、亲和性较差、易燃等。目前应用比较多的是聚氨酯泡沫塑料 (PU) 、聚苯乙烯泡沫塑料 (PS) 和酚醛 (PF) 泡沫塑料。
聚氨酯泡沫塑料由含有羟基的聚醚树脂或聚酯树脂与异氰酸酯反应构成聚氨酯主体, 由异氰酸酯与水反应产生CO2气体, 或用低沸点氟氯烃受热气化而成, 闭孔率可高达92%。聚氨酯泡沫塑料一般可分为:硬质泡沫塑料、软质泡沫塑料、半硬质泡沫。其中硬质泡沫塑料制品热导率低、质轻, 广泛用作保温隔热材料, 具有优异的抗水渗透性、机械强度和抗老化性。
聚苯乙烯泡沫塑料板, 是以聚苯乙烯树脂为基料, 加入一定剂量的含低沸点液体发泡剂、催化剂、稳定剂等辅助材料, 经加热后使可发性聚苯乙烯珠粒预发泡, 然后在模具中加热而制得的一种具有密闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫塑料类是目前使用最普遍的一种保温隔热材料, 聚苯乙烯泡沫塑料制品具有质轻、吸水性小、保温隔热性能良好, 吸声良好、价格低的性能。
酚醛树脂泡沫保温材料是由酚醛齐聚物通过交联发泡制成的。酚醛树脂分为热固性树脂和线型酚醛树脂两类。具有导热系数低 (近期已经研制出导热系数仅为 (0.0175 W/ (m·K) ) 的酚醛泡沫塑料) 力学性能好、尺寸稳定、吸水率低、耐热性好、电绝缘性优良、难燃、良好的耐酸性和耐溶剂性等优点, 尤其适合于某些特殊场合作隔热保温材料或其他功能性材料。其优异的防火阻燃性是以上两种泡沫塑料无以媲美的, 它可以长期在130℃下工作, 抗火焰穿透时间可达1h以上。酚醛树脂与其它材料共混改性, 可以制备出性能极优良的复合保温材料, 如密度小于50kg/m3的泡沫玻璃为填料的玻璃酚醛泡沫塑料极限抗压强度可达0.16MPa, 使用年限可超25年。酚醛泡沫均匀的细孔结构, 决定了它的导热能力小。不管在0℃以上还是以下, 导热系数都随着温度的升高和平稳的升高, 因而在实际应用中表现出特优的绝热和绝冷作用。如表1对几种常用保温隔热材料的性能进行了对比。
2.2 复合硅酸盐保温材料
复合硅酸盐保温材料具有导热系数低、可塑性强、耐高温、收缩率小等特点。主要种类有硅酸镁、硅镁铝、稀土复合保温材料等。而近年出现的海泡石保温隔热材料作为复合硅酸盐保温材料中的佼佼者, 海泡石保温隔热材料是以特种非金属矿物质-海泡石为主要原料, 辅以多种变质矿物原料、添加助剂, 采用新工艺经发泡复合面而成。该材料无毒、无味, 为灰白色静电无机膏体, 干燥成型后为灰白色封闭网状结构物。其显著特点是导热系数小, 温度使用范围广, 抗老化、轻质、隔音、阻燃、施工简便、成本低等。广泛应用在石油、化工、电力、冶炼、交通、轻工与国防工业等部门的热力设备, 管道的保温隔热和烟囱内壁、炉窑外壳的保温 (冷) 工程中。
2.3 玻璃棉制品保温材料
玻璃棉是以硅砂、石灰石、萤石等矿物为主要原料, 熔化后经过特殊工艺将熔融玻璃液制成无机纤维。质轻, 导热系数为0.034W/ (m·K) , 是非燃材料, 最高使用温度300℃, 抗老化, 不溶于水和有机溶剂, 但缺点是吸水率大, 须防水处理。玻璃棉使用寿命较短, 它受潮后易变形, 即使风干后也不能恢复至原来的性能。在由于成本低廉、施工方便, 是空调工程中较为广泛使用的一种保温材料。
2.4 泡沫玻璃保温材料
泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和促进剂等, 经过细粉碎混合均匀后、放入到特定的磨具中, 经过预热、熔融、发泡、退火等工艺制成的多孔玻璃。是一种性能优越的绝热 (保冷) 、吸声、防潮、防火的轻质高强建筑材料和装饰材料, 泡沫玻璃的工作温度范围为-200~+430℃、导热系数为0.058W/ (m·K) , 膨胀系数较小 (8×10℃) , 且可逆, 因此材料性能长期不变, 不易脆化, 稳定性好。
3 新型环境友好型保温绝热材料
3.1 聚丙烯泡沫保温材料
聚丙烯发泡材料以其优良的力学性能和环保性能, 引起了广泛的关注。聚丙烯发泡材料具有优良的耐热性, 使用温度范围-20℃~+150℃;作业温度下的制品尺寸稳定, 优良的力学性能弯曲模量高, 具有良好的耐冲击性能;环境友好性出色, 燃烧时无毒气放出, 可自然光降解, 易于回收;具有优良的耐化学腐蚀性, 但聚丙烯是一种结晶聚合物, 其发泡只能在结晶熔点附近进行, 超过熔点熔体粘度迅速下降使发泡成型非常困难。
BASF公司的Neopolen P系列泡沫塑料的粒子呈球状, 以非交联闭孔为主要结构。这种结构制造的制品质量轻, 吸收冲击载荷的能力强, 形变后回复率高, 吸水率低, 耐腐蚀性好, 耐热及隔热性强。Neopolen P系列粒子密度为20~85kg/m3, 不含氟利昂等有害发泡剂, 可用于接触食物, 干净的回收料可再次回收利用。
Sentinel公司正在与Dow化学公司合作生产Strandfoam的PP发泡板, 采用共挤出方法, 先挤出多层发泡片材, 然后迅速冷却使其坚硬而且高度取向, 制得密度0.1~0.5g/cm3以及厚度1~3.5mm的聚丙烯片材。这些片材可以用于食品或肉品包装, 还可以用于制作薄壳制品、各种器皿 (盘、碟、碗、盒等) , 以及汽车中的消音和绝缘材料等用的内插件。此外, 用共挤出方法将发泡层和密实的覆盖层相结合, 可以得到十分良好的表观质量和更好的柔韧性;光洁的表面也改善了表面的光学性能和印刷性。这种板可以用作冲浪板。该公司正在开发其在绝缘和汽车上的应用。
Packaging Trays公司已经在旋转热成型机上热成型发泡PP片材。PP泡沫除了价格上低廉, 其还可在微波炉中安全使用。该公司采用化学交联剂生产的发泡PP片材密度为0.5g/cm3在工业中的应用主要是在汽车工业上, 如地毯背衬材料、遮光板、门衬和行李架等。
目前国内在硬脂酸钡对聚丙烯发泡过程的影响及其机理等方面曾有过一定的研究, 但总体上, 在聚丙烯发泡技术方面的研究与实际应用中需要的水平仍相差很远。聚丙烯良好的耐应力开裂性能, 使PP从挤出到热成型加工成本低于PS, 因此PP发泡制品备受人们的青睐。聚丙烯发泡材料, 尤其是发泡片材在我国有着广泛的应用前景。
3.2 聚异氰脲酸脂泡沫保温材料
聚异氰脲酸脂泡沫塑料 (PIR) , 由异氢酸醋为主要原料, 加入催化剂等其它辅料通过自聚反应发泡而成的高分子化合物, 如图1所示, 该分子结构中含有异氰脲酸脂环, 形成封闭的多孔结构。PIR节能保温板, 不仅不含氟利昂、甲醛、游离苯等有害物质, 还具有防火和高保温功能, 保温效果比聚氨酯泡沫提高了30%左右, 更是聚苯板、酚醛板、玻璃棉的两倍, 导热系数低达0.018W/ (m·K) (25℃) , 是新一代环保型保温材料。
PIR节能保温板拥有十分优异的防火性能, 机理是通过添加复配反应型的阻燃剂或采取异氰酸酯过量三聚反应原理, 在聚异氰脲酸酯环状分子结构中引入了大量的聚氨酯分子链段, 使得阻燃剂渗透到分子结构凝聚相中, 从分子架构层次上提高泡沫的阻燃性能, 遇火时阻燃剂可阻止CO氧化为CO2, 对凝聚相形成一层薄的玻璃状液态保护膜, 隔绝或降低了氧气扩散和气相与固相之间的热量传递, 从而抑制了炭的氧化, 阻碍火焰向泡沫内部燃烧, 且发烟量低, 刺激小, 无融滴现象, 本体几乎无明火。PIR泡沫兼具更超越了聚异氰脲酸酯和聚氨酯两种材料的全部优异性能。经DOW实验室、中国科学院理化技术研究所低温实验室测试PIR节能保温板的允许工作温度范围为-265℃~+205℃, 物理性能稳定, 无变形、融塌、鼓泡现象发生。
3.3 纳米气凝胶保温绝热材料
一般所说的纳米气凝胶为二氧化硅 (Si O2) 气凝胶, 由Si O2网络骨架和填充在纳米孔隙中的气体构成的一种高分散固体材料。由于Si O2气凝胶的密度仅为30~100kg/m3, 并具有80%以上的孔隙率, 因此, 常温下Si O2气凝胶的热导率仅为0.102W/ (m·K) , 最高可耐1600℃的高温。是一种典型的轻质、高效隔热材料, 在航空航天、能源、化工等众多领域中得到广范应用, 也是一种最理想的新型节能和环保材料。
美国“旋翼飞行器的轻质隔热材料研究 (LTIR) ”以及“气凝胶与航天器生存能力 (ARIAS) ”研究计划在AATD和JTCG基金资助下开展了研究, 制备了温度在350℃~1000℃性能优良的多孔纳米气凝胶。与传统绝热材料相比, 质量更轻、厚度更薄、体积更小的纳米孔超级绝热材料可以达到与之等效甚至更好的隔热效果。
美国国家宇航局 (NASA) Ames研究中心开发了陶瓷纤维-气凝胶复合防热瓦, 复合后的航天飞机绝热瓦与原隔热瓦相比, 导热系数大幅度下降, 强度大大提升, 对航天器的隔热性能比现有防热瓦提高10~100倍。NASA艾姆斯研究中心的研究表明, 这种新型气凝胶防热瓦可用于未来重复使用航天器和燃料箱隔热层中。它能有效地透过太阳光, 并阻止环境温度的红外辐射, 是一种理想的绝热透明太阳能采暖材料。在美国发射的火星探测器上, 气凝胶被用作保温材料, 对火星表面机器人的电子仪器设备起到保温作用。
广州英德埃力生公司生产了一种以二氧化硅气凝胶为主原料复合的气凝胶毡, 环保、柔韧、可抑制辐射、可灵活施工的气凝胶毡, 其导热系数极低, 可应用于-200℃到1000℃温度范围的保温隔热, 是世界上最为先进的新型节能保温材料之一。
4 结束语
另外, 随着科学技术的飞速发展, 人类社会的不断进步, 人们自我保护意识的不断增强, 开发科技含量高、性能高且稳定、环境友好型保温绝热材料必定是国内外发展的重点及热点。
摘要：文章在综合迄今为止绝热保温材料的研究、生产和应用方面研究的基础上, 重点介绍了聚丙烯泡沫、聚异氰脲酸脂泡沫、纳米气凝胶等几种新型环保型绝热保温材料, 并对其研究进展和应用进行了总结。
关键词：绝热保温材料,环保,聚丙烯泡沫,聚异氰脲酸脂泡沫,纳米气凝胶
参考文献
[1]王强, 杨林, 刘敏.聚氨酯制品的应用现状及发展趋势[J].辽宁化工, 2003, 32 (7) :289-290.
绝热保温 篇3
随着经济、城市的发展, 建筑能耗占总能耗的比例日益增大, 且呈逐年上升趋势, 目前建筑节能已成为各国节能战略的重要组成部分。而使用外墙保温隔热材料是建筑节能最直接有效的方法[1]。有研究表明, 对于建筑外墙每使用1t外墙保温隔热材料, 可节约标准煤3t/年, 其节能效益是材料生产成本的10倍[2]。近年来, 国内保温绝热材料需求逐年递增, 高性能的建筑外墙保温绝热材料将具有广阔的市场前景。
高性能的保温绝热材料需具有高隔热性, 良好的化学稳定性, 较高的机械强度, 低吸水率等众多优良特性。其中隔热性能是其最重要的性能指标。而导热系数又是影响材料隔热性能的主要因素[3], 本文主要介绍保温隔热材料隔热性能影响因素及导热系数的测试方法。
2 隔热性能的影响因素
2.1 气孔率
气孔率又称空隙率, 表征物体的多孔性或致密程度。以物体中气孔体积占总体积的百分数表示。保温隔热材料中的气孔分为开口气孔和封闭气孔, 分别具有不同的大小和形状。对于保温隔热材料, 封闭气孔的数量越多保温隔热效果越好。
2.2 容重
容重是指一立方米 (包括材料孔隙) 的保温隔热材料的质量 (kg/m3) , 是保温隔热材料的重要性能指标。
降低保温材料的导热系数可以通过减小容重或增大气孔率来实现。但是, 导热系数不是随容重的减小而无限降低的, 当容重减小到某一临界值ρ1后, 如果再减小容重, 虽使固相导热减小, 但通过气孔的辐射传热、气相导热和对流换热的值却明显增大, 因而材料总的导热系数值仍增大。反之, 当容重增大到某一临界值ρ2后, 如果再增加, 通过气孔的三种传热会有所减小但与此同时固相导热值增大, 综合作用的结果仍会使材料总导热系数值增大。因此容重ρm控制在 (ρ1~ρ2) 范围时, 各个导热因子之和趋于最小, 即材料具有最佳的隔热性能[4]。
2.3 导热系数
导热系数是指热流密度与温度梯度之比, 即在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度。导热系数越大, 传递的热量越多, 保温隔热性能越差, 反之, 则越好。导热系数的大小与材料的组成结构、状态、成分等因素密切相关。对同一种物质来说, 影响导热系数的因素主要有含湿率、温度、密度、热流方向等[5,6,7,8]。
2.3.1 含湿率的影响
保温隔热材料的结构均具有疏松、轻质、呈多孔状或纤维状等特点。保温隔热材料依靠其内部的空气来阻隔热的传导。材料吸湿受潮后, 导热系数会增大, 这是因为水的导热系数远大于静止空气的导热系数 (约为25倍) 。因此, 材料的含湿率越大, 导热系数越大。
2.3.2 温度的影响
各类保温隔热材料的导热系数均与温度有直接的影响, 温度升高, 材料分子运动加剧, 传递的热量越多, 材料导热系数越大。
2.3.3 松散材料杂质和粒度的影响
常温时, 松散材料的导热系数随材料粒度的减小而降低。反之, 粒度增大, 颗粒之间的空隙尺寸增大, 其气孔率也随之增大, 最终会使导热系数增大。
杂质对导热系数的影响主要是由于杂质的导热系数通常高于保温隔热材料自身的导热系数, 增加了热传导。杂质的存在会提高材料的导热系数。因此, 杂质越多导热系数越大。
2.3.4 热流方向
热流方向对导热系数的影响, 仅仅存在于在各个方向构造不同的材料中 (即各向异性材料) 。材料纤维方向与传热方向平行时的导热系数要比垂直时大。纤维质材料根据排列状态的不同分为纤维方向与热流向垂直和纤维方向与热流方向平行两种。对于大多数的纤维保温材料, 其纤维排列状态为平行或接近于平行, 因此在密度相同的条件下, 其导热系数远小于具有其它排列形态的保温材料的导热系数。
3 导热系数测试方法
热量传递的三种基本方式是:对流, 辐射与传导, 对于保温隔热材料热量传递主要方式为辐射和传导。
导热系数测试方法主要包括动态法和稳态法两类。动态法有热带法、激光闪射法、热线法等[9], 一般用于测量中高导热系数材料。稳态法主要有热流计法、防护热箱法、保护热板法、圆管法, 主要适用于中低导热系数材料的测量。其中稳态法由于具有测试方法简便, 成本低, 精度高等优点而被普遍采用。
稳态法测定导热系数的原理是Fourier方程:
λ——为材料的导热系数W (m K) ;
Q——为从一个平面传到另一个平面的热量值W;
△T——为在物体垂直于导热方向上, 两个平行平面的温差℃;
△X——为两个平行平面的距离m。
3.1 保护热板法
保护热板法是国际上测量绝热材料导热系数最通用的方法之一, 其原理是基于无限大平板的单向稳定传热。主要由中心板和冷板组成, 热量由中心板发出, 通过置于中心板和冷板间的试样传递到冷板。热源位于两块样品 (同一材料) 的中间, 是为了获得向下与向上方向的对称热流, 并确保测试样品能够完全吸收加热器所产生的能量, 保证热流是线性的、一维的。
进而应用傅里叶定律计算材料的导热系数:
式中:
λ——导热系数W/ (m K) ;
Q——中心板的热量W;
d——试样的厚度m;
A——中心板横截面积m2;
Th——中心板温度℃;
Tc——冷板温度℃。
保护热板法具有适用温度范围宽、量程广等优点。并且由于保护热板法是绝对测试法无需对测量单元进行标定[10], 所以保护热板法测导热系数准确性、可靠性较高。
3.2 防护热箱法
防护热箱法是利用在冷箱和热箱分别建立室内和室外的气相条件而进行测试的一种方法。进入稳态测试后, 通过测量试件两侧的表面流速、表面防护箱温度、空气温度, 以及电加热器耗电量和输入热箱的风扇风量, 进而算出材料导热系数[11]。
但由于该测试方法的实验装置具有箱体笨重, 操作复杂, 稳定时间长等局限性, 并且与防护热板法和热流计法相比精度低, 因此实际应用较少。
3.3 热流计法
热流计的工作基于传热学原理。在两个冷热平板间插入厚度一定的方形样品, 垂直通入一个恒定的热流, 然后使用热流传感器测量通过该样品的热流。当冷、热平板温度恒定、通过样品的热流稳定后, 便可测出材料的导热系数。
该方法测试导热系数具有操作简单, 测量精度高, 测量速度快 (仅为同类产品的四分之一) 等优点, 可用于固体材料、纤维材料以及多孔隙材料导热系数的测定。但该方法的测量温度与测量范围有限。
4 结束语
绝热保温 篇4
华北油田第一采油厂在使用新型保温绝热材料恩威尔特CC-100和纳米气凝胶后, 在减少安全隐患和节能减排方面获得了显著效果, 产生了较大的经济效益。
1 测量结果与讨论
试验分别以华北油田第一采油厂文118采油站500 m3的储油罐、加热炉和水泵房管道为研究对象, 研究了恩威尔特CC-100复合型绝热涂层在储油罐表面、加热炉外表面以及纳米气凝胶在水泵管道表面的绝热、保温效果。其中, 恩威尔特CC-100复合型绝热涂层25℃的导热系数为0.083W/ (m·K) , 抗紫外辐射系数为99.6%, 辐射率为88%以上, 太阳光反射峰值为97%;纳米气凝胶在200℃以下的导热系数为0.016 W/ (m·K) , 包裹层外表面辐射率为80%;表面温度采用FLUKE52型表面温度计进行测量, 其精度为0.1℃。
1.1 喷涂CC-100涂层前后油罐表面温度对比
储油罐表面喷涂CC-100绝热涂层前后罐体的表面温度变化情况见表1。
注:测试时间为2009-08-27 T 12:00;500 m3储油罐。
由表1可知, 喷涂CC-100复合型绝热涂层后可以显著地降低储油罐表面温度, 在实测结果中, 油罐外表面温度最高可降低19.3℃, 表面温度降低平均值约为11.1℃。而引起油气损耗的一个重要因素就是油温的变化, 由于恩威尔特CC-100复合型绝热涂层具有极小的导热系数[25℃的导热系数为0.083 W/ (m·K) ], 且其抗紫外辐射系数为99.6%, 辐射率为88%以上, 太阳光反射峰值为97%等性能, 可有效地将太阳辐射的能量反射并发射出去, 起到了较好的绝热效果, 使得储油罐内油温上升相对较小, 有效减少了油气的损耗, 节约了能源[2,3]。
1.2 喷涂CC-100涂层前后加热炉表面温度对比
加热炉外表面喷涂CC-100绝热涂层前后外表面的温度变化情况见表2。
由表2可知, 喷涂CC-100复合型绝热涂层后可以显著降低加热炉外表面温度, 在实测结果中, 加热炉外表面温度最高可降低38.2℃, 表面温度降低平均值为32.2℃。减少了热能损失, 起到了很好的节能保温作用, 减少了安全隐患[4]。
注:测试时间为2009-08-27 T14:00。
1.3 采用纳米气凝胶毛毡包裹前后水泵房管道表面温度对比
水泵房管道采用纳米气凝胶毛毡包裹前后外表面的温度变化情况见表3。
注:测试时间为2009-08-26 T15:00。
由表3可知, 采用纳米气凝胶毛毡进行包裹后可以显著降低保温层外表面温度, 在实测结果中, 保温层外表面温度最高可降低44.2℃, 表面温度降低平均值约为39.6℃。由于纳米气凝胶毛毡具有极小的导热系数[200℃以下的导热系数为0.016 W/ (m·K) ], 有效降低了管道向周围环境的热量传导, 管道的线流热密度得到显著的降低, 一方面降低了管道外表面温度, 改善了现场工作环境;另外减少了管道的散热损失, 节约了能源, 为企业带来较大的经济效益。
2 仿真分析
应用有限元分析软件[5], 通过建立模型、设置与实际情况相同的边界条件、划分网格, 模拟计算使用CC-100涂层前后储油罐表面温度变化与使用纳米气凝胶毛毡包裹前后水泵房管道热流密度变化, 从而对CC-100涂层和纳米气凝胶等复合型保温材料有更深入的认识。
2.1 使用CC-100涂层前后储油罐有限元分析对比
1) 建立几何模型:以500 m3油罐为研究对象, 由于其具有对称性, 故进行相应简化, 采用2D轴对称模型。几何模型见图1。
2) 条件设置:设模型初始温度为25.0℃, 环境温度为28℃;涂层导热系数:λ=0.11 W/ (m·K) ;太阳光直接反射比:R=0.86;涂层辐射率:ε=0.88。
3) 求解域传热方程[6]:
式中, ρ、Cp、k、T、t分别为材料密度、比热、传热系数、温度和时间。
边界方程:
式中, qo、h、Tint、σ、Tamb分别为热流密度、对流换热系数、外界温度、波尔兹曼常数和空间环境温度。
4) 计算结果:采用瞬态模拟, 计算12 h后温度分布情况, 且未考虑原油的损耗。
喷涂CC-100涂层前后原油罐温度场及等温线分布情况:喷涂CC-100涂层的储油罐最高温度为34.2℃, 未喷涂CC-100表面最高温度为50.6℃。模拟计算及实测数据表明, 使用CC-100涂层后可显著降低储油罐表面及罐体内温度, 进一步降低油罐里原油温度, 减少油气损耗。
2.2 使用纳米气凝胶前后水泵房管道有限元分析对比
1) 建立几何模型:以6 in (1 in=25.4 mm) 管道为研究对象, 取其长度为1 m, 由于其几何结构及传热特性具有轴对称性, 故对模型进行简化, 建立2D轴对称模型, 见图2。
2) 条件设置:设模型初始温度为25.0℃, 管道里蒸汽温度为300℃;纳米气凝胶导热系数:λ=0.016 W/ (m·K) ;保温层外表面辐射率:ε=0.8;管道外表面自然对流换热系数:h=3.5 W/ (m2·K) 。
3) 求解域传热方程和边界方程同上。
4) 计算结果:采用稳态模拟, 计算结果见图2。包裹纳米气凝胶毛毡后管道温度场及等温线分布情况是:包裹纳米气凝胶后管道外表面温度约为39℃, 包裹纳米气凝胶前管道外表面温度约为71℃。模拟计算及实测数据表明, 包裹纳米气凝胶毛毡后可显著降低管道外表面温度, 从而有效减少热量在传输中的散热损失。
3 经济效益分析
3.1 500 m3储油罐经济效益分析
对500 m3的储油罐而言, 从实测和仿真分析所得数据可以发现:CC-100复合型绝热涂层在很大程度上降低了油罐外表面及罐内油气呼吸温度, 从而减少油气呼吸损耗, 给企业带来显著的经济效益的同时减少了安全隐患。
若原油体积膨胀率为0.875%/℃, 由计算结果可知罐体温度上升约8℃, 保守估计油气损耗每天约为:375×[ (1+0.875%) 8-1]=27.07 m3 (375 m3为根据仿真分析结果计算得出的进行呼吸作用的原油体积) 。
若油气密度为2.68 kg/m3, 将其换算为对应的原油体积为0.092 m3。原油价格按照4.60元/L计, 则500 m3储罐采用CC-100复合型绝热涂层后, 平均每天节省资金约422元。1年按照200天计算, 则一年可节约资金约8.44×104元。
3.2 水泵房管道经济效益分析
在管道外表面包裹纳米气凝胶保温毛毡后可显著降低保温层外表面温度, 有效减少管道的散热。考虑管道外表面自然对流换热系数h=3.5 W/ (m2·K) , 且保温层外表面辐射率ε=0.8, 环境温度为35℃。
在未包裹纳米气凝胶保温毛毡时, 单位长度管道因辐射换热和对流换热, 散热量为220 W/m;在使用纳米气凝胶保温毛毡包裹后, 管道单位长度上因辐射和对流换热的散热量为98 W/m。包裹纳米气凝胶毛毡后每千米管道每天可节约能源1.05×107k J, 若工业用电为0.60元/ (kWh) , 则每千米管道每天可节约资金1 756元, 每年可节约63.216×104元。
4 结论
通过一系列对比试验及有限元模拟计算分析, 评价了恩威尔特CC-100复合型绝热涂层及纳米气凝胶保温毛毡在华北油田第一采油厂的实际使用情况。试验分析发现:在使用CC-100涂层后储油罐外表面平均温度降低11.1℃;加热炉外表面平均温度降低32.2℃;水泵房的管道外表面平均温度降低了39.6℃。通过使用这些绝热保温材料, 不仅降低了华北油田高温设备在使用过程中存在的安全隐患, 而且通过极好的保温和绝热, 有效地节约了能源, 为企业带来了显著的经济效益。
参考文献
[1]白世贞.石油储运与安全管理[M].北京:化学工业出版社, 2004.
[2]严大凡, 张劲军.石油储运工程[M].北京:中国石化出版社, 2003.
[3]朱松涛, 于杰.储油罐的涂层防护[J].2008, 23 (6) :59-61.
[4]华銮恩, 袁镇福.电站锅炉原理[M].北京:北京电力出版社, 1997.
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