绝热设计（精选8篇）
绝热设计 篇1
风洞是空气动力学研究和飞行器研制的最基本的试验设备。结冰风洞是为了进行飞行器的结冰试验,研究飞行器表面的结冰机理和防除冰方法而设计和建造的风洞。开展飞行器结冰影响的研究,对飞行器研制具有重要的意义[1]。因此,世界上的航空强国大多数拥有自己的结冰风洞[2]。典型的结冰风洞采用风扇或压缩机驱动的连续式风洞结构。为了降低风洞换热器的功率、有效节约能源、保障人员安全,结冰风洞一般都设计有绝热系统。绝热系统的形式分为两种,一种是在洞体外面包裹绝热材料———外绝热方式,另一种是在洞壁内侧敷设绝热材料———内绝热方式[[3,4]。根据温度条件的模拟范围和风洞设计的实际情况,结冰风洞的绝热系统一般采取外绝热方式。绝热层材料既要有良好的隔热能力又要求具备一定的强度和刚度。绝热系统对结冰风洞的性能、运行经济性等方面具有重要影响,并且绝热系统本身结构具有一定的复杂性,因此,对结冰风洞绝热系统开展设计方法及实现方法的研究具有十分重要的意义。
1 结冰风洞绝热系统传热计算
1.1 绝热材料选择
某结冰风洞外形结构如图1所示,风洞设计总温为-40~+60℃,绝热系统采用外绝热形式,要求冷损失量不大于10 W/m2。
工程中常用的绝热材料有硬质聚氨酯泡沫塑料、硅藻土、矿棉、膨胀珍珠岩、泡沫玻璃、玻璃棉等,几种绝热材料常温下的导热系数对比如表1所示。
1为第四拐角段,2为喷雾段,3为驻室,4为驻室大门,5为高速扩散段,6为第一拐角段,7为第二拐角段,8为压缩机段,9为低速扩散段,10为换气段,11为换热段,12为第三拐角段,13为洞体支座,14为与洞体连接的管道
从表1中可以看出,硬质聚氨酯泡沫塑料是常用的几种绝热材料中导热系数最低的产品。除此之外,硬质聚氨酯泡沫塑料还具有防潮性能好、耐候性好、防火阻燃性能优异等优点,近年来在建筑行业、冰柜冷库行业等都得到了广泛的应用[[5,6,7]]。因此,本结冰风洞绝热系统的材料选用硬质聚氨酯泡沫塑料,其导热系数取0.024,安全使用温度范围为-50~+150℃,采用现场喷涂的工艺方案。
1.2 传热计算
本结冰风洞外形较为复杂,整体结构为多截面直径的圆筒形设备,根据其截面直径较大、变径较多等特点,在传热计算过程中将其简化为平面传热。由于结冰风洞正常运行时,风洞内空气与洞体内表面之间属于强制对流传热,相对绝热系统而言热阻很小,为简化计算忽略不计。洞体材料为导热性能良好的钢材,相对绝热系统而言热阻也很小,可以忽略不计[8]。
绝热层厚度按式(1)计算。
式(1)中,δ为绝热层厚度,单位为米(m);λ为绝热材料制品在使用温度下的热导率,单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)],取值为0.024;t为金属设备和管道的表面温度,单位为摄氏度(℃),取介质的正常运行温度,取值为-40;ta为环境温度,单位为摄氏度(℃),取累年夏季空调室外干球计算温度,查表为31.4;qp为绝热层单位面积冷损失,单位为瓦每平方米(W/m2),取值为10;αs为绝热层外表面对周围空气的换热系数,单位为瓦每平方米开尔文[W/(m2·K)],一般取值为8.14。
从式(1)可以求得,绝热层计算厚度为174.3mm,考虑到实际工程问题的复杂性,并且留有适当的余量,本结冰风洞绝热系统绝热层实际厚度取为200 mm。根据选取的绝热层厚度,对绝热层实际冷损失量、绝热层外表面温度进行核算。
绝热层实际冷损失量按式(2)计算。
从式(2)可以求得,洞体进行绝热处理后,单位面积冷损失量为8.44 W/m2,满足设计指标要求。
绝热层外表面温度按式(3)和式(4)计算:
式中,ts为绝热层外表面温度,单位为摄氏度(℃);td为露点温度,单位为摄氏度(℃),取累年室外最热月月平均相对湿度与环境温度ta相对应的露点温度,查表为27。
从式(3)和式(4)可以求得,洞体进行绝热处理后,绝热层外表面温度为30.33℃,高于当地环境露点温度。
经过以上计算,本结冰风洞绝热系统绝热材料选用硬质聚氨酯泡沫塑料,绝热层厚度取为200 mm。
2 结冰风洞绝热系统结构设计
2.1 结构设计综述
考虑到结冰风洞是一种结构复杂、造价昂贵的重大实验设施,其设计使用寿命一般较长。绝热系统作为结冰风洞最外层的结构,不仅要求具备良好的隔热性能,而且要求能够与常规风洞运行维护功能完美兼容、整体美观耐用。综合考虑这些要求,本结冰风洞绝热系统设计采用骨架+蒙皮的结构形式,内部填充硬泡聚氨酯绝热材料。由于长期使用过程中,绝热材料吸收水蒸汽受潮后其隔热性能会有所下降,因此在绝热层内外表面均设置有专用的聚氨酯防潮底漆,以防止水蒸汽的双向渗透,确保聚氨酯材料的隔热性能长期稳定。综上所述,本结冰风洞绝热系统主要由骨架、防潮层、绝热层、蒙皮等部分组成,其典型结构如图2所示。
2.2 可拆卸部位
本结冰风洞结构复杂,洞体上设置有多处检修入孔、连接法兰等结构,这些特殊区域的绝热系统设计成可拆卸式结构,采用卡扣或螺栓等联接形式。检修入孔处的绝热结构根据实际尺寸做成金属盒,将硬泡聚氨酯在金属盒内喷涂成型,然后用螺栓联接紧固、做好密封,其结构形式如图3所示。洞体连接法兰处的绝热结构,设计成两个半圆形或多个弧形金属盒,之间采用螺栓联接,将硬泡聚氨酯在金属盒内喷涂成型,洞体连接法兰两侧的绝热结构应留出螺栓的拆卸距离,其结构形式如图4所示。
2.3 可移动部位
本结冰风洞的单向滑移支座、多向滑移支座以及驻室大门等部位属于可移动部位,绝热系统设计中需要单独考虑。其中驻室大门为移动部件,大门门框及承力钩为固定部件。驻室大门的绝热结构需在相对运动界面断开,并使大门在整个运动行程内不发生干涉。单向滑移支座和多向滑移支座一般都分为上下两层,上层与洞体焊接为一体、为移动部件,下层与洞体基础焊接为一体、为固定部件。滑动支座的绝热结构需在上下两层之间的相对滑动界面断开,并使洞体支座在滑动过程中不发生干涉。
3 结冰风洞绝热系统工程实施
如图1所示,本结冰风洞绝热系统施工范围主要包括:第四拐角段、喷雾段、驻室、驻室大门、高速扩散段、第一拐角段、第二拐角段、压缩机段、低速扩散段、换气段、换热段、第三拐角段,以及各部段洞体支座、与风洞直接相连的管道等,其中各部段洞体支座的绝热处理需要做到混凝土基础为止,与洞体直接相连的管道绝热处理需要做到地坑中为止。绝热系统总体施工工序如图5所示。
本结冰风洞绝热系统的绝热材料主要选用硬质聚氨酯泡沫塑料,采用现场喷涂的工艺方案,其在使用温度下的平均热导率为0.024 W/(m·K),密度为50~60 kg/m3,闭孔率不小于95%,吸水率不大于1%,抗压强度不小于0.15 MPa,抗拉强度不小于0.1 MPa,安全使用温度范围-50~+150℃,防火阻燃性能达到B1级。
防潮材料选用聚氨酯防潮底漆,是聚氨酯材料防潮隔汽的专用材料。防潮材料与洞体钢材和聚氨酯均具有较好的粘合性和附着力,其保冷、防潮隔汽性能均达到国家标准。在现有风洞洞体钢结构外表面、聚氨酯绝热层外表面,均涂刷防潮材料,即在聚氨酯绝热层内外表面都形成防潮隔汽层,以阻隔水蒸汽的双向渗透,达到保护聚氨酯绝热材料的作用,延长绝热系统的使用寿命。
对于固定不动的洞体表面,骨架采用30 mm×50 mm×1.5 mm方钢管拉弯成型,并焊接在洞体筋板上,骨架具体尺寸根据洞体实际位置及形状确定,蒙皮采用0.8 mm厚碳钢板滚弯成形再用铆钉铆接在骨架上。对于检修人孔、连接法兰、换热器吊装孔及压缩机段等活动可拆卸部位,采用60 mm×100mm×2 mm方钢管拉弯成型做成骨架,蒙皮采用1.5 mm厚碳钢板滚弯成形再用铆钉铆接在骨架上。所有蒙皮内表面喷涂环氧富锌底漆两道;外表面喷涂环氧富锌底漆两道,聚氨酯面漆两道。考虑到绝热系统施工后的风洞整体效果,蒙皮外表面采用蓝色哑光漆。本结冰风洞绝热系统竣工后的实际效果如图6所示。
4 结冰风洞绝热系统实验验证
本结冰风洞绝热系统建设完成后,结合结冰风洞的性能调试,对绝热系统的隔热性能进行了实验验证。结冰风洞内部和洞壁预先安置温度传感器,用以监测风洞内气流总温和洞壁温度。实验表明,在风洞制冷系统正常运行的条件下,低速旋转风洞压缩机,使风洞内气体处于低速流动状态,在设计时间段内,风洞内气流总温成功从+25℃连续下降到-40℃,并能够维持气流总温在一定误差范围内恒定不变,达到本结冰风洞的设计指标要求。经过实验证明,本结冰风洞绝热系统的研制取得初步成功。
5 结论
(1)通过本结冰风洞的性能调试证明,所设计的绝热系统其综合性能满足使用要求,绝热材料选择适当、结构设计可靠性强、施工工艺合理可行;
(2)所设计的结冰风洞绝热系统,不仅具备良好的隔热性能、有效减小了冷损失量,并且较好的兼顾了风洞运行维护、保养检修的工艺要求;
(3)本结冰风洞绝热系统,设计采用骨架+蒙皮的结构形式,既增强了绝热系统的强度和刚度、延长了绝热系统的使用寿命,又保证了风洞外形平整美观、增加了风洞设备的工业美感。
(4)本结冰风洞绝热系统的设计方法和研制经验,对其他类似工业设备的绝热系统建设具有一定的参考和借鉴意义。
摘要：结冰风洞是研究飞行器表面结冰机理和防除冰方法的试验设备。典型的结冰风洞采用风扇或压缩机驱动的连续式风洞结构;并且一般设计有洞体绝热系统。绝热系统对结冰风洞性能、运行经济性等方面具有重要影响。通过总结某结冰风洞绝热系统的研制和使用经验,着重分析了结冰风洞绝热系统的传热计算方法和结构设计方案;并且通过实验研究对绝热系统的性能进行了验证。
关键词：结冰风洞,绝热,设计,实验验证
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绝热设计 篇2
2013年江苏省化学高考试卷第15题：一定条件下存在反应：
CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）
其正反应放热。现有三个相同的2L恒容绝热（与外界没有热量交换）密闭容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，在Ⅰ中充入1 mol CO和1 mol H2O，在Ⅱ中充入1 mol CO2和1 mol H2，在Ⅲ中充入2 mol CO和2 mol H2O，700℃条件下开始反应。达到平衡时，下列说法正确的是（）。
A.容器Ⅰ、Ⅱ中正反应速率相同
B.容器Ⅰ、Ⅲ中反应的平衡常数相同
C.容器Ⅰ中CO的物质的量比容器Ⅱ中的多
D.容器Ⅰ中CO的转化率与容器Ⅱ中CO2的转化率之和小于1
为了清楚地说明问题，本题中的反应起始状态用图1表示：
Ⅰ 700℃1 mol CO1 mol H2O2 L
Ⅱ 700℃1 mol CO21 mol H22 L
Ⅲ 700℃2 mol CO2 mol H2O2 L
图1
一、假设为恒温条件
对于
CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）
因为是恒温条件，平衡常数不变。又因为该反应两边化学计量数的和相等，因此达到平衡状态时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为等效平衡，各物质的物质的量之比及某物质的物质的量分数相等；Ⅲ中各物质浓度是Ⅰ、Ⅱ中各物质浓度的两倍；Ⅰ、Ⅱ正反应速率相同，Ⅲ正反应速率是Ⅰ、Ⅱ正反应速率的两倍；Ⅰ、Ⅲ中CO的转化率相同，Ⅰ中CO的转化率与Ⅱ中CO2的转化率之和等于1[证明：Ⅰ中n（CO）=1-1α（CO）， Ⅱ中n（CO）=1α（CO2），因为Ⅰ、Ⅱ、为等效平衡，n（CO）相等，所以，1-1α（CO）=
1α（CO2），α（CO）+α（CO2）=1]。
达平衡时各相关量见表1。
表1恒温条件下，达到平衡状态时，相关量的比较
ⅠⅡⅢ
V（正）aa2a
压强bb2b
平衡常数ccc
转化率α（CO）=d （CO2）=1-dα（CO）=d
n（CO）ee2e
n（CO）%fff
二、绝热条件
绝热条件，即反应体系与外界无热量交换。从反应开始到平衡状态，若向放热反应方向进行，则温度越来越高；若向吸热反应方向进行，则温度越来越低，直至趋向平衡状态时温度才不变。因受温度改变的影响，达到平衡状态时，平衡常数、反应速率、体系压强、反应物的转化率、某物质的体积分数等，都与恒温条件不同，原恒温条件下的“等效平衡”也不复存在。
对于
CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）
由于正反应是放热反应，所以Ⅰ、Ⅲ容器中，随着反应的进行，温度逐渐上升，因此达到平衡状态时，温度高于恒温条件下达到平衡状态时的温度，反应速率、体系压强比恒温条件下的要大；因温度升高，反应不利于向正方向进行，平衡常数和CO的转化率都比恒温条件下的要小； CO的物质的量及CO的物质的量分数也比恒温条件下的要大。在Ⅱ容器中，反应逆向进行，逆反应为吸热反应，随着反应的进行，温度下降，因此达到平衡状态时，温度低于恒温条件下达到平衡状态时的温度，反应速率、体系压强比恒温条件下的要小；因温度降低，反应不利于向生成CO的方向进行，平衡常数[CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）的平衡常数]增大，CO2的转化率都比恒温条件下的要小； CO的物质的量及CO的物质的量分数也比恒温条件下的要小。由于Ⅲ容器中CO（g）和H2O（g）的起始物质的量浓度是Ⅰ容器的两倍，达到平衡状态时，Ⅲ容器中的温度比Ⅰ容器更高，所以，反应速率、体系压强、CO的物质的量及CO的物质的量分数更大；平衡常数、CO的转化率更小。
表2绝热条件下，达到平衡状态时，相关量的比较
ⅠⅡⅢ
温度T1>700℃T2<700℃T3>T1
v（正）a1>aa2
压强b1>bb2
平衡常数c1 转化率α（CO）1 α（CO2）2=1-dα（CO）3=α（CO）1 n（CO）e1>ee2 n（CO）%f1>ff2 根据以上分析可清楚地看出此高考题的正确选项是CD。 （收稿日期：2014-01-27） 一、绝热材料的选取 在天然气液化工厂绝热设计过程中, 需要充分的考虑到对导热油、胺液等管道进行保温, 这个保温工作至关重要。另外, 还需要对BOG管道、LNG管道以及制冷管道做好保冷工作。液化设计的对象工作主要是做好操作温度工作, 这个工作开展对技术要求比较高。众所周知, 再生管道、胺液管道以及导热油管道, 进行操作时, 这个操作的温度要求分别为300℃、150℃, 给出的这些设计温度范畴是为了更好的分析温度比例内根据这个比例进行配对。在后期更好的执行保温工作, 时常选用的保温材料有岩棉, 还有聚异氰脲酸酯, 还有PIR的管壳, 这样施工比较方便, 这两种绝热材料综合使用之后, 可以更好的发挥出实际作用, 当综合使用材料时对性能的要求比较高。材料性能符合需求之后, 才可以保障保温效率。 PIR泡沫塑料是一种最常见的深冷型保冷材料, 该材料具备的优势比较明显, 最突出的优势是耐寒性、耐热性以及阻燃性非常好。该材料和市场中一些保温材料相比, 性能优势更加明显。PU是一种聚氨酯材料的泡沫, 在合适的温度内, 它一般都不能满足天然气保冷需求。因此通过对比之后, 最终确定了PIR泡沫塑料。该材料的保温效果很明显, 非常适用于天然气液化工厂保温使用。加之, 泡沫玻璃的线膨胀系数变动比较大, 材料的敏感度也比较强, 通过对比之后终于可以确定出使用PIR泡沫塑料。 二、绝热设计包含内容 绝热技术设计一般包含以下几种重要组成部分:保冷设计、防烫设计、保温设计等, 相对于深度的保冷绝热而言。在进行设计时, 应该具备多层结构, 一般都不会由一种简单的结构组成。因为单层结构不能够起到良好的保温效果。而且单层结构容易出现局部因为受冷变形而使得整体性受到影响的问题。在每一层使用结构中, 最好是使用拼接形式。这样在处于低温环境下时, 依旧可以获得良好的保护, 也不会因为局部出现问题而导致整体无法发挥出实际效益。 1. 保温设计 保温对象:外表面正常操作温度>50℃, 需要减少热损失的管道及设备;外表面正常操作温度<50℃, 因工艺原因需要保温的管道及设备;操作温度>200℃的管道及设备。除特别要求外, 下列元件不保温:设备的裙座、支座、吊耳、管道的仪表管座、支架、吊架以及按工艺和维修要求需经常拆卸的法兰、法兰盖等。 2. 防烫设计 当设备或管道的表面温度超过60°C, 且需要经常操作维护, 又无其它措施防止人身烫伤的部位, (1) 净空高度小于等于2.1m, (2) 距离塔器等操作侧0.75m的半径范围内, 均应设置保温材料进行防烫保护 当表面温度已经超过了60℃且不要求进行保温时, 应在相应的范围内进行设备以及管道的防烫处理。距离地面或者操作平台上, 这个高度如果小于2.1米时, 通常和操作平台或者是整个通道距离理当小于0.75m。一般而言, 这个防烫层最好采用50mm岩棉毡加以防护。 3. 保冷设计 这个对保温设计要求都比较高, 在低温运行时, 这个管道保冷设计最终的目的, 是为了减少管道以及管子中出现的冷量损失问题。不断减少因为输送过程中导致中低保温材料升温速度过快, 从而不利于系统运行。 三、防潮层及保护层设计 防潮层设计应该对以下几个表面层进行设计, 有埋地保温层、管沟内敷管道保温层、板材外表保温层等, 这些部位需要进行防潮设置。防潮层理当包含一定的技术性能, 例如抗蒸汽渗透性一定要好, 这个防潮的能力要强, 而且保障吸水率不能大于百分之一。材料使用应该是具备阻燃性、自熄性等。这样当温度变动时, 才不会出现安全事故。在安全的范围内使用材料, 提升材料使用效率, 获得了良好保温效果。例如:涉及到液化工厂内设计时, 应该采用真空绝热结构, 并且由外罐以及内罐组成。需要注意的是这个内罐材质要得到保障, 最好使用不锈钢材料, 同时外罐材质要求也比较高, 最好保障压力容器是使用刚性材料。这两个罐之间必须做好绝热工作, 有绝热材料进行缝隙填充, 从而起到绝热层作用。当外部出现着火问题时, 这个材料不会熔融也不会出现坍塌。当前使用最多的是珠光砂绝热材料, 使用效果比较明显。 结束语 对于天然气液化工厂开展绝热设计工作而言, 除了相关的要求之外, 需要把握绝热材料质量, 需要控制好材料性能。因此, 在进行设计时, 一般都会充分考虑到施工方便、容易采购相关因素。 摘要：天然气液化生产工艺主要包含几种工艺:压缩、膨胀、液化、储运、脱水和重烃类、脱酸性气体等等。使用脱酸性气体过程中, 一般胺液会进行再生。同时还需要做好制冷循环工作, 对LNG储运环境进行把控, 因为这个环节对绝热要求比较高。由于天然气液化工艺在使用过程中, 温度变化比较大, 这个变化已经超过了数值范围, 在超低温或者常温情况下, 很容易对设备造成破坏。因此, 在进行液化工厂绝热设计时, 应该注重技术应用, 文章对天然气液化工厂绝热设计涉及相关问题进行探究。 关键词：天然气液化工厂,绝热设计,设计方法 参考文献 [1]黄志军.输送高凝固点油脂管线伴热保温的绝热设计, 传热计算及施工要点[J].中国油脂-2010年2期. 目前多数物理实验室在测定空气绝热指数的实验中, 均采用高精度、高灵敏度的硅压力传感器和电流型集成温度传感器分别测量气体的压强和温度来提高实验结果的准确度。但实验中空气绝热指数的理论值通常是用下述方法[1]来计算的:利用 通常的文献[2,3,4,5]只给出单元理想气体的绝热指数的定义及计算公式, 而未给出多元混合理想气体的绝热指数的定义及计算公式, 本文拟利用文献[6]给出的混合理想气体绝热指数的计算公式, 计算空气绝热指数的理论值, 并对有关问题做些讨论。 1 多元混合理想气体绝热指数的计算公式 为便于讨论, 现将文献[6]给出的多元混合理想气体绝热指数的计算公式归纳如下: CiP, m和CiV, m分别表示第i种理想气体的定压摩尔热容和定体摩尔热容, ni表示相应的摩尔数, 有 用n表示混合气体的总摩尔数, 用 用γi、ni、Vi表示第i种气体的绝热指数、摩尔数、体积, 有 式 (1) -式 (5) 均可用来计算多元混合理想气体的绝热指数, 选用哪个式子计算空气的绝热指数较为方便呢? 2 空气的成分 用气相色谱-质谱法可以得到混合气体的成分及体积比, 故选用式 (5) 讨论空气绝热指数的计算问题比较方便。 大气中除了氧、氮等气体外, 还悬浮着水滴 (如云滴、雾滴) 、冰晶和固体微粒 (如尘埃、孢子、花粉等) 。大气中的悬浮物常称为气溶胶质粒。没有水汽和悬浮物的空气, 称干洁空气。在90 km以下的大气层, 对流、湍流盛行, 大气湍流扩散作用远大于分子扩散作用, 这层大气的组分比例相同, 称匀和层。匀和层中基本不变的气体成分主要是氮、氧、氩, 它们占大气总体积的99.96%, 其余气体均是微量的。可变的气体成分主要有二氧化碳、水汽、臭氧等[7] (见表1、表2) 。 4 空气绝热指数的计算 由于在90 km以下, 氮、氧等主要气体各自所占的体积比在各高度上基本相同, 而通常我们做实验所用的空气就是取自这样的大气, 所以可用如下办法计算空气绝热指数的理论值:氮气、氧气是双原子分子气体, 二氧化碳虽是三原子分子, 但在常温下其自由度与双原子分子相同, 所以有 略去0.003%的其他气体和杂质, 则空气的绝热指数的理论值为 这与将空气看成双原子分子计算所得的结果基本一致.但这只是一个数值上的巧合!巧合在空气中双原子分子气体占了99%.如果将空气中某一单原子气体的比例用某种方法加大到可以和其他双原子分子气体相比, 则这种数值上的巧合就不存在了.当然, 上面的计算表明:尽管空气是多元混合气体, 但由于其中双原子分子气体含量占了99%以上, 在计算其绝热指数的理论值时近似地将空气看成双原子分子气体是可以的. 另外, 由式 (5) 可知, 如果混合气体中各组分气体的绝热指数都相同, 则混合气体的绝热指数的理论值与各组分的体积百分比无关.这是因为 设γi=γ, 摘要：讨论了空气绝热指数的计算问题。 关键词：空气,绝热指数,计算 参考文献 [1]成正维.大学物理实验.北京:高等教育出版社, 2002:155 [2]包科达.热物理学基础.北京:高等教育出版社, 2001:53—161 [3]汪志诚.热力学统计物理 (第二版) .北京:高等教育出版社, 1993:32—34 [4]秦允豪.热学.北京:高等教育出版社, 1999:180—182 [5]张三惠.大学物理学, 第二册热学 (第二版) .北京:高等教育出版社, 1999:110—119 [6]邵建新.多元混合理想气体有关问题的研究.物理与工程, 2007;17 (2) :31—32 羊毛属于天然纤维中的动物纤维, 羊毛粗细分布范围较宽, 细羊毛直径为7~10 μm, 粗羊毛直径可达200 μm。其典型横断面的微观结构见图1[1]。 JC/T 1052—2007《羊毛吸声绝热制品》标准规定, 羊毛吸声绝热制品是以天然羊毛为主要 (>50%) 原料所制成的制品。按形态可分为:羊毛吸声绝热毡, 代号YZ;羊毛吸声绝热板, 代号YB;羊毛吸声绝热管壳, 代号YG[2]。 1.1 防火性能 JC/T 1052—2007 标准规定制品的燃烧性能应达到GB8625—2005《建筑材料难燃性试验方法》中的难燃材料的要求, 作为汽车内饰材料应符合GB 8410—2006《汽车内饰材料的燃烧特性》中A-不燃烧的要求。这个要求符合GB 50222—2001《建筑内部装修设计防火规范》中B1 级的要求, 可以用于建筑室内装修工程中。 1.2 隔热和吸声性能 JC/T 1052—2007 要求, 羊毛吸声绝热毡的物理性能应符合表1 的规定。 注：1基材厚度为正偏差时，密度用标称厚度计算，基材密度允许最大偏差为+15%~-5%;2厚度 30～50 mm;3厚度>50 mm。 羊毛吸声绝热板的物理性能应符合表2的规定。 从表1 和表2 可以看出, 羊毛吸声绝热制品是防火性能合格、吸声和保温性能优异的新型建筑材料, 可作为吸声材料、绝热材料和装饰材料广泛用于建筑工程中。 2 羊毛吸声绝热制品的制造 2.1 原材料 羊毛吸声绝热制品以羊毛纺织工业的“边脚料”为主要原材料, 纤维直径平均大于50 μm, 不适宜作为纺纱用粗羊毛纤维, 通常多用于填充材料。用此类粗纤维生产羊毛吸声制品时, 根据实际需要还可以加入黄麻、竹纤维等天然纤维。 2.2 羊毛吸声绝热制品全生产过程的绿色环保特点 羊毛吸声绝热制品的生产过程先将羊毛松散, 与配料混合、梳理、铺网后, 再定型、压平、纵切、横切、保温棉卷绕、包装等过程组成。整个生产过程无高温工艺, 生产线较短, 每吨制品的平均综合电能消耗为350 k W·h, 仅为传统保温材料岩棉和玻璃棉产品的1/4 左右。 2.2.1 全生产过程无“三废”产生 羊毛吸声绝热制品的生产与岩棉和玻璃棉保温产品相比, 岩棉和玻璃棉产品需要将矿物原料于1000 ℃以上高温条件下熔融, 然后将熔融玻璃液通过“离心法”高速成纤的过程中喷射苯酚和甲醛形成酚醛树脂吸附于高速成纤的玻璃纤维表面。生产过程向大气中排放大量的“废气”, 高速成纤过程产生高分贝的“噪声”, 喷射苯酚和甲醛的过程产生“废水”, 高温烘干又产生“废气”, 切边整形过程产生不能降解的“固体废料”。因此, 这些工厂必须搬迁至专门的工业区, 远离城市。而羊毛吸声绝热制品生产过程的主要工艺为羊毛松散、混合、铺网等物理过程, 生产过程无高温下的化学反应, 不产生“废水”、“废渣”、“废气”和影响环境有害物质, 生产能耗低, 全生产过程无环境污染。 2.2.2 使用中的绿色环保 JC/T 1052—2007 要求制品的甲醛释放量不大于0.3 mg/L。实际上因羊毛吸声绝热制品不会释放出任何包含甲醛在内的有毒有害的有机挥发气体 (VOCs) 。 GB 18580—2001《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》中第5 章强制性条款要求直接用于室内的板材其甲醛释放量≤1.5 mg/L。因为玻璃棉和岩棉在生产过程中使用酚醛树脂作为粘结剂进行制品的定型, 所以目前室内装饰使用的玻璃棉或岩棉填充的装饰软包板材及其轻质隔墙中填充用的吸声、绝热用岩棉和玻璃棉毡大多不符合这个强制性规范的要求。 2.2.3 使用中人体舒适 羊毛吸声绝热制品与人体接触不存在强烈刺激呼吸系统、引起皮肤搔痒和过敏, 甚至造成更严重有害健康的症状, 而且天然纤维韧性好、纤维粗, 耐久性好, 所以人体舒适性好。 2.2.4 羊毛制品可循环使用 使用后的羊毛吸声绝热制品可以重新利用, 通过配料, 将回收的羊毛加工整理后又可与配料混合、梳理成网、定型、压平、纵切、横切、保温棉卷绕包装等过程制成新的产品, 实现制品的循环再利用, 既节约了有限的资源, 降低了能源消耗, 又实现了原材料的循环使用, 全过程体现了绿色环保的宗旨。 3 羊毛吸声绝热制品的应用 3.1 穿孔天花系统 羊毛吸声绝热毡使用中一般贴附在传统穿孔天花板背面用于建筑室内装饰装修, 其实物图片见图2 和图3。 3.2 中央空调风管系统 中央空调风管系统结构见图4。 3.3 轻质隔墙系统 轻质隔墙系统施工示意见图5。 3.4 羊毛吸声装饰板材 羊毛吸声装饰板材通常安装在会议室、电影院、多媒体办公室等对室内声学要求较高的场所。按照不同的风格, 设计师可以设计出不同的尺寸、形状、造型, 还可以通过选择美沃板羊毛吸声装饰板材饰面的颜色、花纹来达到独特的艺术效果。美沃板羊毛吸声装饰板材实物见图6。 羊毛吸声装饰板材具有不释放甲醛及其它有毒有害气体、无放射性;安全防火为B1 级, 烟气达准安全级, 无毒性;吸声性能优良, 降噪系数NRC≥0.80;绝热性能优良, 热阻≥0.80 m2·K/W;装饰性能好, 可自行选择面料颜色、花纹, 且尺寸和造型选择性强。 3.5 羊毛吸声绝热制品和“绿色建筑”的关系 (1) 羊毛吸声绝热制品用于建筑符合GB/T 50378—2006《绿色建筑评价标准》的要求, 有利于建筑物的评级。 羊毛制品中游离甲醛、苯、氨、氡和TVOC等空气污染物浓度符合GB 50325—2010《民用建筑工程室内环境污染控制规范》中的有关规定。 羊毛制品对宾馆和办公室内背景噪声符合GB 50325—2010 中的二级要求;商场类建筑室内噪声水平符合GB 9670—1996《商场 (店) 、书店卫生标准》的相关要求, 羊毛吸声绝热制品具有优异的吸声性能, 25 mm厚度的产品降噪系数NRC高达0.85, 属于一级建筑吸声产品, 在轻质隔墙、天花吊顶和室内墙体上使用羊毛吸声绝热制品, 有利于背景噪声控制。 (2) 使用羊毛吸声绝热制品的建筑可以满足美国绿色建筑评价标准American Leadership of Energy and EnvironmentDesign第2.2 版中的相关条款及要求。 4 结语 对比目前广泛使用的功能和应用情况类似的岩棉和玻璃棉产品, 羊毛吸声绝热制品是“全寿命”期的“绿色建材”, 它防火性能符合相关规范的要求, 吸声、绝热性能优异, 可以广泛作为吸声、绝热材料和装饰材料用于建筑室内及汽车内部的装饰装修。 参考文献 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. 关键词：球阀,壳体,液压机,卷板机,分工序加工 1引言 DN300低温气动球阀是某试车台工艺液氧管道关键设备, 阀门重约1200公斤, 采用真空绝热减少介质消耗。球阀壳体既要支撑内阀体, 又起真空腔外壳体作用。球阀壳体上有两个R20凸起圆弧。圆弧起加强筋作用, 又有减少低温收缩的膨胀节作用。怎样在壳体加工圆弧成为关键。壳体材料为0Cr18Ni9, 厚度6毫米。 2加工工艺 2.1 板材下料按公式1计算 L:展开长D:直径 在钣金实际下料时要加工艺段, 在实际下料工件上划出理论尺寸, 在成型后按理论尺寸线去除多余部分。理论和实际下料尺寸如下表 2.2在100吨液压机上压制R20圆弧如图2 (图) 2.2.1弯曲力计算按公式2计算 F:压弯力t:板料厚度 B:板料宽度 δb:强度极限 r:凸模半径 按公式2计算压制R20圆弧需8700N力。设备选用10000N液压机。 2.3在卷板机上滚制壳体, 一般为等径圆筒 壳体形状特殊, 直接卷制容易压伤R20圆弧, 所以采用以下工装 (如图3) , 工装φ20圆管中装填细沙, 防止压扁。圆管和底板焊接。 1) 工件放在工装上一起上卷板机滚制, 为消除回弹力, 滚制时应缓慢加压, 往复多次轧压, 如图4所示。产品成型后, 切除件2, 按理论尺寸去除工艺段, 焊接壳体成型, 抛光内表面, 焊缝氦质谱检漏, 漏率小于0.13×10-8。 件一:工件件二:工装 2) 弯曲力计算按公式2。 F=0.6t2Bδb/t+r F:压弯力t:板料厚度 B:板料宽度 δb:强度极限 r:凸模半径 a.经过计算弯制壳体力为28501N。 b.经过计算弯制工装力为9000N c.设备选用不小于50000N卷板机。 2.4采用立车加工壳体两端到尺寸 φ692 3总结 此工艺加工特型壳体, 不需采购专用设备, 利用通用设备。解决了低温气动球阀真空壳体的加工难题。为类似零件加工提供参考。 参考文献 [1]孙企达, 陈健中.真空测量与仪表.机械工业出版社, 1981. [2]徐烈, 朱卫东, 汤晓英.低温绝热与储运技术.机械工业出版社, 1999. 关键词：水泥固化体,粉煤灰,水泥,绝热温升 由于世界铀资源相对有限,国际上对动力堆产生的乏燃料元件一般进行后处理。在后处理过程中,将会产生一定量的中放废液。对这些废液而言,世界各国大多采用固化方法使放射性废液转变成稳定的固体进行安全的处理处置,其中水泥固化是广泛应用的一种方法[1]。在水泥固化中,大体积浇注水泥固化是近三十年来开发出的新型水泥固化方式,它是将放射性废物处理与处置相结合的处理与处置方式,具有工艺和操作简单、投资省、运行费用低等优点,在美国、中国、印度及俄罗斯等国家得到广泛研究和应用[2]。 我国已建成第一座大体积浇注水泥固化设施,经过多年运行,积累了丰富的技术和经验,已成功处理与处置中放废液几千立方米。对于动力堆乏燃料元件后处理产生的中放废液拟采用大体积浇注水泥固化方法进行处理与处置。所谓大体积浇注水泥固化就是在地质和地理条件允许的情况下,将中放废液和基质材料混合形成灰浆并浇注到近地表带有工程屏障的地下混凝土槽中,进行最终的固化处置[2,3]。 在大体积浇注水泥固化中,固化体温升是影响固化体质量的重要因素之一,也是大体积浇注水泥固化的重要控制指标。固化体温升过高,将会产生很大的温度应力,当温度应力大于固化体的拉应力时,固化体就会产生裂缝,从而影响固化体质量。混凝土绝热温升值主要是由硅酸盐水泥的水化热、水泥用量、水泥的水化程度、水灰比、结构尺寸、环境温度等因素决定。对于特定的混凝土来说,所用胶凝材料的组成和性质已经确定,其绝热温升值主要由硅酸盐水泥的水化程度决定[4]。美国混凝土学会认为,大体积混凝土必须解决水化热及由此引起的体积变形问题,以便最大限度地减少其对开裂的影响[5]。 在水泥中掺入混合材料(如粉煤灰、矿渣等)可以明显降低固化体温升,在混凝土行业及中、低放废液大体积浇注水泥固化中得到了广泛的研究和应用。本文采用水泥与粉煤灰混合物作基质材料,在给定的配方范围内进行固化体绝热温升实验室试验,并根据试验所得数据进行了分析,为动力堆乏燃料元件后处理中放废液大体积浇注水泥固化提供技术指导。 1 实验部分 1.1 测量原理 所谓混凝土的绝热温升是指混凝土体系在不与外界发生热交换的条件下,由于混凝土体系中胶凝材料的水化而产生的热量所导致的整个混凝土体系温度升高的现象。本试验采用的主要设备为混凝土绝热温升测试仪,其工作原理就是对给定的混凝土试样提供绝热条件并测定其水化过程中的温度变化历程。本实验参照《水工混凝土试验规程》[6],在绝热条件下,测定混凝土胶凝材料(包括水泥、掺和料等)在水化过程中的温度变化及最高温升值。 1.2 绝热温升测定仪 实验所用混凝土绝热温升仪为清华大学建材研究所研制,温度控制精度误差小于±0.1 ℃,温度最小分辨率0.02 ℃,自动数据采集系统每隔5 min采集一次数据。 该设备主要由三部分组成:混凝土试样绝热温升状态保持装置、温度信号调理和输出功率放大装置、测试仪控制软件,见图1。绝热温升状态保持装置示意图见图2。 1.3 固化材料 固化材料主要包括水泥、粉煤灰、高效减水剂和缓凝剂。 水泥,甘肃祁连山水泥股份有限公司/嘉峪关宏达建材有限公司生产的32.5级普通硅酸盐水泥。 粉煤灰,兰州西固热电厂/嘉峪关宏达建材有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰。 糖,广东揭阳糖厂生产,蔗糖含量不小于99%。 FDN,天津飞龙外加剂厂生产。 1.4 试验配合比 试验采用配合比如表1所示。试验所用的基质材料分A、B两种类型, A组:粉煤灰由兰州西固热电厂生产,水泥由甘肃祁连山水泥股份有限公司生产;B组:粉煤灰与水泥均由甘肃嘉峪关宏达公司生产。 1.5 试验流程 根据动力堆乏燃料后处理工厂中放废液化学组成配制成模拟溶液。按表1称取固体原料,倒入60 L强制式混凝土搅拌机中,开动搅拌机,缓慢加入模拟溶液,继续搅拌2 min出料,将搅拌好的胶凝材料浆体装入绝热温升测定仪的盛样桶内,装好传感器,盖上盖子,开始测量。计算机自动记录各传感器的读数,连续测量至中心温度基本不再增加为止(12 h内温升小于0.02 ℃)。 2 实验结果与分析 2.1 同一类别的基质材料的固化体绝热温升 实验第A组的配合比属于同一类型,其绝热温升试验结果见图3。实验第B组的配合比属于同一类型,其绝热温升试验结果见图4。 由图3、图4可知,固化体的绝热温升可大致的分为初始、升温和恒温三个阶段。实验材料从加模拟溶液时起到开始显著升温前,可以认为是初始阶段。在初始阶段,受胶凝材料水化速率的影响,水化过程比较缓慢,因此升温较为平缓。初始阶段结束后,实验材料进入了升温阶段。在此阶段,胶凝材料开始迅速水化,温度迅速提高。升温阶段结束后,胶凝材料水化逐渐衰退,实验进入恒温阶段,温度逐渐恒定。 第A组与第B组实验结果相比,前三组的结果表现为总反应时间和各阶段反应时间较短,恒温时温升较低。随着水灰比的增加,第A组与第B组的温升分别依次减小,产生这种原因主要是,随着水灰比的增大,所使用的基质材料逐渐减少,因而基质材料的水化热逐渐降低。同时,从图中还可以看出,固化体温升与是否掺加减水剂和缓凝剂对于胶凝材料放热特性没有明显影响。 2.2 不同类别的基质材料的固化体绝热温升 两种不同基质材料在不同水灰比下的绝热温升试验结果见图5。 A-粉煤灰由兰州西固热电厂生产,水泥由甘肃祁连山水泥股份 有限公司生产;B-粉煤灰与水泥均由甘肃嘉峪关宏达公司生产; 0.50、0.55、0.60-水灰比 从图5可以看出,在同一种类基质材料条件下,随着水灰比的增加,固化体温升降低。工程应用时,确保灰浆及固化体质量满足要求的前提下,应尽量增大工艺运行过程中的水灰比。在不同种类基质材料,相同水灰比条件下,A组材料在初始阶段温升较B组快,持续时间较短;在升温阶段要比B组缓慢,持续时间要比B组稍长。从试验结果来看,A组总体温升要比B组约低15 ℃。因此,为了尽量降低固化体的温升,采用A类基质材料是比较合适的选择。 3 拟合与整理 由图3、图4得出实验材料的绝热温升可大致的分为三个阶段,即初始阶段、升温阶段和恒温阶段。采用三条直线对中心温度曲线进行分段线性拟合,利用拟合直线方程,可以计算出直线的交点,从而确定三个阶段的起始时间。同时还可以寻找数据集中数据增长的大致方向,并对水泥固化体最终中心温度做出预测。 利用Origin软件[7]对固化体绝热温升进行分段线性拟合,对自变量X和因变量Y的线性回归方程式为Y=A+BX,截距A和斜率B由最小二乘法求得。 第A(Ⅰ)组实验绝热温升曲线分段线性拟合的结果见图6。 利用上述原理,对其余的五组温升实验结果分别进行拟合,拟合结果见表2。 通过表2的分段线性拟合公式,计算出相应不同阶段对应的时间区间,结果见表3。 *注:实际测得温升。 从表3可以看出,对B组基质材料而言,固化体最高温升为50.5 ℃,考虑极端环境温度(以40 ℃为例),工艺运行过程中,仪表检测的温度将超过90 ℃;固化体最低温升43.4 ℃,工艺运行过程中,仪表检测的温度接近85 ℃,这对固化体质量是不利的。对A组基质材料而言,固化体最高温升为32.8 ℃,考虑极端环境温度(以40 ℃为例),工艺运行过程中,仪表检测的温度未超过75 ℃。因此,从表3的数据可以进一步说明,采用A类基质材料对确保固化体温升的保险系数要比B类基质材料大得多,产生这种原因主要是由于基质材料中化学组成的含量不同引起的。 4 结 论 通过对动力堆乏燃料后处理中放废液水泥固化的固化体绝热温升试验研究,可以得出如下结论: (1)水灰比对固化体温升有较大的影响。在同一种类的基质材料的情况下,随着水灰比增大,固化体温升逐步降低。在工艺运行过程中,在灰浆及固化体性能满足技术要求的前提下,可以采用较高的水灰比。 (2)通过对不同种类的基质材料绝热温升研究,兰州西固热电厂生产的粉煤灰和甘肃祁连山水泥股份有限公司生产的水泥的混合基质材料的固化体,其绝热温升较甘肃嘉峪关宏达公司生产的基质材料低,这对处置动力堆乏燃料后处理中放废液大体积浇注水泥固化有利。 参考文献 [1]罗上庚.放射性废物概论[M].北京:原子能出版社,2003:117-122. [2]闵茂中.放射性废物处置原理[M].北京:原子能出版社,1998:41-68. [3]顾忠茂.核废物处理技术[M].北京:原子能出版社,2009:276-281. [4]王甲春,阎培渝.混凝土绝热温升的影响因素[J].混凝土与水泥制品,2005(3):1-4. [5]王甲春.混凝土绝热温升的实验测试与分析[J].建筑材料学报,2005,8(4):446-451. [6]SL/352-2006.水工混凝土试验规程[S].北京:中国标准出版社,2006.探讨天然气液化工厂绝热设计 篇3
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