绝热效率（通用7篇）
绝热效率 篇1
引言
《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》 (GB19153-2009) 的一个重要内容就是用喷油螺杆空气压缩机 (下称螺杆空压机) 输入比功率的不同取值, 规定螺杆空压机的能效等级。在节能减排及降低碳排量的大趋势下, 我国国家产业政策再次强调必须执行GB19153-2009, 且从2010年3月1日起, 螺杆空压机必须加施“能效标识”才允许进入市场销售。
能效等级 (输入比功率) 取值的合理性的意义尤显重要, 其值的大小不仅是判定产品合格和节能的准则, 而且可以体现现阶段螺杆机的理论研究成果和制造水平在螺杆空压机行业管理准则中的妥善应用, 引导螺杆机行业健康地发展, 同时还能使进入市场销售的螺杆空压机的能效水平处于一个合理的可控范围, 促进螺杆空压机向节能产品方向发展。
本文将螺杆空压机的水冷机型的能效规定值 (水冷却机型输入比功率) 深入到绝热效率进行分析, 从绝热效率角度提出能效规定值的欠合理内容。
1 能效 (输入比功率) 相关内容的定义和规定
1.1 GB19153-2009的能效 (输入比功率) 规定
在一定的工况条件下和一定的排气压力时, 单位实际容积流量所消耗的功率即为压缩机的比功率。螺杆压缩机主机的轴功率与螺杆机主机的实际容积流量的比值为螺杆机主机比功率。螺杆压缩机机组的输入功率与螺杆机机组的实际容积流量的比值为螺杆机的输入比功率。同一机组在不同的工况条件下 (吸气压力、吸气温度、相对湿度等) 比功率的值是不同的。为使同一功率级别的螺杆机的比功率具有可比性, 标准规定了标准工况和四个排气压力, 即0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa。
标准按输入比功率的不同大小取值, 规定了4个能效等级:1级、2级、T级、3级。3级是能效限定值, T级是目标能效限定值, 2级是节能评价值, 1级是最优的能效级。在下文的表述中, “能效”等同于“输入比功率”。
1.2 功率段代号和电动机效率
为了问题描述和做图方便, 先确定功率段代号和电动机平均效率。
(1) 按GB19153-2009的功率段划分, 设定功率段的代号, 如表1所示。
(2) 电动机效率η2按GB18613-2006规定值, 大于等于160kW按四极 (4P) 电机, 小于160kW按二极 (2P) 电机。为计算方便, 按GB19153-2009的功率分段, 求出各功率段下电机效率的算术平均值, 列入表1。大于等于355kW电机的效率在GB18613-2006中没有规定, 则参照MG 1-2003标准选取。由于GB18613-2006的3级能效值到2010年7月1日以后就无效, 因此表1中列出仅作参考, 后面的分析中并不引用。
2 基本计算公式
压缩机机组在标准状态进气, 进气参数为:进气压力Pa, 进口容积流量Va, 进气温度Ta。压缩机机组级前压力损失为ΔP1, 级后压力损失为ΔP2。压缩机主机进口状态参数为:进气压力P1, 进口容积流量V1, 进气温度T1。
螺杆空压机主机的等熵绝热压缩功率Nad按式 (1) 计算:
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式中:k—空气的绝热指数。
压缩机主机的轴功率Nsh按式 (2) 计算:
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式中:ηad—螺杆空压机主机的绝热效率。
螺杆空压机在标准状态下的主机比功率Nr0:
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忽略压缩机级前进气阻力损失引起的温度变化 (即T1≈Ta) , 同时不计空气动能变化值, 由状态方程得到:
P1V1=PaVa (4)
将式 (1) 、式 (2) 、式 (4) 代入式 (3) , 得到:
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引入等熵绝热压缩比功率Nrad的概念, 即当螺杆空压机的绝热效率等于1时的主机比功率, 因此由式 (3) 得到:
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将式 (6) 代入式 (5) 得到:
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主电动机的输入功率Nin:
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式中:η2—电动机效率;
η3—压缩机机组的传动效率。
按GB19153-2009的定义, 水冷螺杆空压机的输入功率由两部分组成, 一部分是主电机输入功率, 另一部分是控制用功率。控制用功率很小, 可以略去不计, 则水冷输入比功率Nrinw:
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将式 (8) 、式 (3) 、式 (7) 代入式 (9) , 并整理后得到:
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3 水冷输入比功率的绝热效率的计算及分析
在规定的4种排气压力 (0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa) 条件下, 按式 (10) , 可以计算出GB19153-2009水冷输入比功率规定值下的绝热效率。
(1) 传动效率η3。小于等于45kW按皮带传动, 传动效率取97.0%;大于等于55kW按齿轮或直联传动, 传动效率取99.0%。
(2) 等熵绝热压缩比功率Nrad。按式 (6) 计算, 其结果如表2所示。
对应着GB19153-2009标准中的能效1级、2级、3级的输入比功率值, 表2中的螺杆空压机级前级后损失取值的“一般取值”项, 表1中的电动机2级能效平均值, 计算出的绝热效率列入表3。对于能效T级, 由于与3级能效差别不大, 就不再列出。
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(1) 从表3中可以看出, 绝热效率形成了两个数字特征组:压力0.7MPa、0.8MPa为一个数字特征组, 压力1.0MPa、1.25MPa为另一个数字特征组。两个特征组间的绝热效率有较大的差异值, 而组内绝热效率差异值较小。
a.排气压力0.7MPa、0.8MPa时, 功率段由小到大, 绝热效率增幅相近, 平均值为18.0%;排气压力1.0MPa、1.25MPa时, 功率段由小到大, 绝热效率增幅相近, 平均值为13.25%。
b.排气压力0.7MPa、0.8MPa时, 在不同的能效级别之间, 绝热效率差异值接近, 平均值为10.5%;排气压力1.0MPa、1.25MPa时, 在不同的能效级别之间, 绝热效率差异值接近, 平均值为9.4%。
(2) 表3中显示的另一个重要内容就是:排气压力0.7MPa、0.8MPa, 能效1级, 在功率段6 (200～315kW) 时, 绝热效率分别为99.5%、99.0%, 绝热效率接近100%;在功率段7 (355～630kW) 时, 绝热效率分别为101.3%、104.4%, 绝热效率超过100%。
需进一步确认是否是电动机的效率和压缩机系统的压力损失取值导致此现象。用表1中的1级能效电机效率、表2中的级前级后压力损失较低取值, 计算出绝热效率, 列入表4。
表4显示, 排气压力0.7MPa、0.8MPa, 能效1级时, 在功率段6 (200～315kW) 和功率段7 (355～630kW) 时, 绝热效率仍是接近或超过100%。
日前还没有正式的文献资料来证明如此高的绝热效率是否能够实现。因为对比和分析相关文献, 现阶段螺杆压缩机的绝热效率范围:单级压缩的绝热效率小于90%, 双级或双段小于95%。
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4 水冷输入比功率的绝热效率的曲线图及分析
4.1 功率级与绝热效率的关系
为了更直观地看出绝热效率的变化趋势, 以压缩机功率段为横坐标, 表3中的绝热效率为纵坐标, 作出排气压力为0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa的1级、2级、3级能效等级的绝热效率曲线图, 用于体现在不同功率级下的绝热效率的变化趋势, 如图1所示。
图1中:ηad1-0.7、ηad1-0.8、ηad1-1.0、ηad1-1.25是排气压力0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa的1级能效绝热效率曲线。
ηad2-0.7、ηad2-0.8、ηad2-1.0、ηad2-1.25是排气压力0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa的2级能效绝热效率曲线。
ηad3-0.7、ηad3-0.8、ηad3-1.0、ηad3-1.25是排气压力0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa的3级能效绝热效率曲线。
从图1中看出, 规定压力条件下的绝热效率曲线有3个特点, 而从文章后面的进一步分析中可以得出, 这些特点恰好是需要进一步改进的不合理之处。
(1) 分析表4时, 指出了存在两个数字特征组, 对应于图1, 对于任一能效级别, 绝热效率曲线形成两簇。对应0.7MPa、0.8MPa的曲线为第一簇;对应1.0MPa、1.25MPa的曲线为第二簇。簇与簇之间的绝热效率差异值很大。簇内曲线的绝热效率差异值较小, 并且簇内曲线相互交叉, 部分功率段也有绝热效率大差异出现的情况。
(2) 对于同一排气压力, 三个能效级别的绝热效率曲线由小功率段 (小排气量) 向大功率段 (大排气量) 方向变化的趋势没有一致性。
(3) 部分功率段出现大功率 (对应大排气量) 反而低绝热效率的情况。
4.2 绝热效率分析
绝热效率能反映螺杆空压机主机能量利用的完善程度, 在标准工况条件下, 其数值依机型不同而有明显差异。那么, 现阶段大批量应用的螺杆空压机主机能否出现图1所示绝热效率的变化趋势, 则需要对螺杆空压机主机进行深入一步的分析。
理论上, 在一定的转子型线、转子直径结构及转速条件下, 对螺杆空压机而言, 总可以找到一个内容积比εv, 实现在规定排气压力下的最高绝热效率ηad, 此时可以理想地认为:
(1) 在同一功率级下, 4种排气压力 (0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa) 的螺杆空压机的绝热效率很接近。
(2) 在排气压力相同时, 随着功率级由小向大方向变化 (转子直径由小向大变化) , 螺杆机的绝热效率呈增加趋势。
(3) 可以认为绝热效率差异值较小条件下的如下结论是成立的:“低压高效、高压低效”;“小流量低效、大流量高效”;“低压大流量最高效、高压小流量最低效”。
按此条件形成的效率曲线不会有图1显示的变化趋势, 因此从最理想角度考虑, 这意味着在各能效级、各压力级、各功率段之间, 标准规定的水冷输入比功率取值存在欠合理的内容。
要实现上述理想条件, 将导致主机规格太多, 现阶段是不可能实现的。或许将来在能源危机进一步加剧、螺杆转子制造水平得到根本性的突破时, 才能够实现这种理想状态。
现阶段的情况是:根据气体动力行业所用压缩空气的压力要求, 确定当前市场上用量最大的压力规格 (例如4种排气压力中的0.8MPa) , 然后以此压力为基准点来设计螺杆机。显然在设计基准的一定范围内, 由于螺杆机主机的压缩比 (外压缩比) 与内压缩比接近相等, 螺杆机具有最高绝热效率。当压力较大地偏离这个范围时 (无论是向大压力方向偏移或是向小压力方向偏移) , 螺杆机的绝热效率都将向小值方向偏移 (即螺杆机性能向差的方向偏移) 。例如:
(1) 内容积比εv=4.2～4.6时, 则绝热内压缩比εp=7.5～8.5, 对应一定功率级的、合理设计的螺杆机主机的绝热效率, 可能在排气压力为0.75～0.85MPa为最高;在排气压力为0.7MPa和1.0MPa时的绝热效率稍低但很接近;在排气压力为1.25MPa时, 绝热效率有稍大的偏移值 (向小值偏移) 。
(2) 内容积比εv=5.2时, 则绝热内压缩比εp=10.0, 对应一定功率级的、合理设计的螺杆机主机的绝热效率, 可能在排气压力为0.9～1.1MPa为最高;在排气压力为0.7MPa和1.25MPa时的绝热效率均变低了。
上述两点与目前各螺杆机厂采用的组装用主机的试验数据相一致。
由此表明, 在螺杆空压机的实际应用中, 也不会出现图1描述的绝热效率曲线的变化趋势。
可以对电机效率、传动效率、级前级后压力损失进行多次取值, 借助于计算机进行计算, 得出多组绝热效率, 并分别绘制成多个绝热效率曲线图, 结果会与图1所示趋势一致。这表明形成图1的绝热效率变化趋势不是螺杆机系统外围条件造成的。
5 结论
出现图1所示的绝热效率变化趋势可能有如下原因:
(1) 忽略了绝热效率对比功率取值的影响。
(2) 忽略了在不同压力下绝热效率的变化趋势和绝热效率与排气压力的内在联系。
绝热效率是螺杆空压机理论研究和实践应用中的一个重要参数, 具有可比性。在确定输入比功率的取值时, 应先分析螺杆空压机的绝热效率, 找出切实可行的绝热效率曲线, 结合螺杆机系统的其他组件的能耗参数, 由此反向计算出螺杆空压机的输入比功率, 更能体现输入比功率的合理性。
通过对螺杆空压机水冷却机型的能效规定值 (水冷输入比功率) 的绝热效率进行分析, 可以得出结论:标准规定的水冷输入比功率 (能效值) 存在的欠合理取值 (含关联取值) , 导致了绝热效率的较大偏差, 以至于出现与理论和实际均不相符的绝热效率的变化趋势。螺杆空压机的能效规定值对行业影响十分重大, 必须得到充分的重视。
参考文献
[1]郁永章, 等, 容积式压缩机技术手册[M].北京:机械工业出版社, 2000.
[2]邢子文.螺杆压缩机理论, 设计及应用[M].北京:机械工业出版社, 2000.
[3]GB 19153-2009, 容积式空气压缩机能效限定值及能效等级[S].
[4]GB 18613-2006, 中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级[S].
空气绝热指数的计算 篇2
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
浅谈墙体保温绝热材料 篇3
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) .
绝热保温材料研究进展 篇4
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.
浅谈焊接绝热气瓶检验方法 篇5
焊接绝热气瓶的形式分为立式和卧式气瓶多采用真空多层绝热方式, 绝热材料及吸附材料应为阻燃材料并应符合设计的规定, 绝热层包扎应牢固, 焊接绝热气瓶在温度 (-40℃-60℃) 的环境下。承装的介质低温的液态二氧化碳、液氮、液氧、液氩和液化天然气等低温液化气体, 设计温度不低于-196℃、公称压力10-450L, 工作压力0.2Mpa-3.5Mpa。气瓶的检验一般周期一般3年检验一次, 存在以下的情况应该去检验机构检验。a.使用过程中发现气瓶有损失或者安全可靠性怀疑时。b.在气瓶使用的过程中, 表面出现泄漏或者出现“结霜”、“冒汗”的现象, 外层出现可见的霜冻分界面现象。对焊接绝热气瓶绝热材料和内外表面缺陷必要时应对气瓶进行抽真空, 检测真空度。
检验前的准备工作:
资料档案审查:a.审核气瓶出厂资料, 具体包括产品合格证, 质量证明书, 监督检验证书、使用说明书等。b.历年检验报告。c.运行和充装记录。d.运行时维护保养记录。e.是否有返厂维修的情况。f.检查记录气瓶制造标志和检验标志。登记内容包括制造厂名称、出厂编号、制造日期、设计压力、工作压力、介质、公称容积、上次检验日期。值得注意的是在登记过程中如果发现无制造许可证书的厂商制造的气瓶、制造标志不符合规定的气瓶、制造标志不清或者关键项目不全没有依据可查的气瓶, 登记后不予检验按报废处理。首次检验对气瓶称重, 看与铭牌上标注的是否一致。g.清除气瓶表面的污垢、清除表面的杂物。清除是不要损伤瓶体金属。
外观检查:a.观察用5-10倍的放大镜对气瓶外表面进行检查:具体是气瓶外壳外表有无碰撞变形、凹陷、凹坑等机械损伤。应重点检查外壳在低温状态下有无结霜、冒汗等异常现象。外壳变形、凹陷、凹坑、尖锐的机械损伤能影响夹层绝热性能的气瓶应判废或返厂维修。b.防护架、气液分配头、底部支座是否存在松脱变形, 底座与瓶体连接后不能有变形现象。
内部检查:介质是液氩、液氮等低温液化气体的气瓶, 将液位计拆除后, 也可进行内表面检验, 介质是液化天然气的气瓶, 对拆除安全附件也观察不到内表面气瓶, 不要求进行内部检查。
用内窥镜对气瓶进行内内表面进行检测, 如发现内表面、内胆存在裂纹、变形等缺陷应判废或返厂维修。检查接口螺纹有无裂纹、变形或机械性损伤。螺纹不得有裂纹性缺陷、严重磨损或者其他严重损伤气瓶应判废或返厂修理。
安全附件检验:气瓶的安全附件包括安全阀、压力表、爆破片、液位计。安全阀每年校验一次, 爆破片每3年至少更换一次 (制造单位有明确延长使用寿命或缩短使用寿命说明的除外) 。
日静态蒸发率检测:检验方法符合GB/T18443.5《低温绝热压力容器试验方法静态蒸发率测量》的要求。必要时对还要对气瓶进行漏率检验、抽真空处理, 检测真空夹层真空度。漏率测量按GB/T18443.3《低温绝热压力容器试验方法漏率测量》规定。真空度测试按GB/T18443.3《低温绝热压力容器试验方法真空度测量》
出具检验报告:结论为合格或者不合格。结论合格, 同时给出下次检验日期, 各项检验结果不存在影响安全使用的缺陷, 或者经过修理, 或者更换后确认影响安全使用的缺陷情况已经消除, 检验结论为合格。存在影响安全使用的缺陷情况, 检验结论为不合格。检验员结合各项检验结果, 各出综合检验结论, 出具检验报告。
检验合格的气瓶, 应在气瓶的保护罩支撑适当部位上留下清晰的检验标志, 包括检验机构代码, 检验日期和下次检验日期。
报废处理:不允许使用的气瓶, 在气瓶醒目位置打上“报废”字样, 报废气瓶由检验单位负责破坏性的销毁, 通知气瓶产权单位。
随着焊接绝热气瓶制造业的发展, 焊接绝热气瓶得到了越来越广泛的应用, 由于结构和使用的复杂性, 使得其容易发生各种形式的损坏, 易发生严重的事故, 焊接绝热气瓶检验为安全运行杜绝和减少事故的发生提供了保障!
摘要：随着焊接绝热气瓶制造业的发展, 焊接绝热气瓶得到了越来越广泛的应用, 由于结构和使用的复杂性, 使得其容易发生各种形式的损坏, 易发生严重的安全事故, 本文简单介绍这类气瓶的检验方法。
结冰风洞绝热系统设计与实现 篇6
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
参考文献
[1]范洁川,于涛.飞机结冰风洞试验模拟研究.实验流体力学,2007;21(1):68-72Fan Jiechuan,Yu Tao.A study of simulation for airplane icing tests in icing wind tunnel.Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2007;21(1):68-72
[2]战培国.结冰风洞研究综述.实验流体力学,2007;21(3):92-96Zhan Peiguo.A review of icing wind tunnel.Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2007;21(3):92-96
[3]廖达雄,黄知龙,陈振华,等.大型低温高雷诺数风洞及其关键技术综述.实验流体力学,2014;28(2):1-6Liao Daxiong,Huang Zhilong,Chen Zhenhua,et al.Review on large-scale cryogenic wind tunnel and key technologies.Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2014;28(2):1-6
[4] Zhang Zhen,Niu Ling.Current status and key technologies of cryogenic wind tunnel.Cryogenics,2015;(2):57-62
[5]许小强,杨汝平,熊春晓.吸声聚氨酯泡沫塑料的研究.宇航材料工艺,2011;(2):17-20Xu Xiaoqiang,Yang Ruping,Xiong Chunxiao.Research of soundabsorbing polyurethane foam.Aerospace Materials﹠Technology,2011;(2):17-20
[6]邹广平,杨继,王瑞瑞,等.聚氨酯夹芯整体层连复合材料的力学性能研究.哈尔滨工业大学学报,2011;43(1):257-261Zou Guangping,Yang Ji,Wang Ruirui,et al.Experimental investigation on mechanical properties of the integrated hollow core sandwich composite filling polyurethane.Journal of Harbin Institute of Technology,2011;43(1):257-261
[7]韩守红,吕振华,刘永进.硬质聚氨酯泡沫力学特性的静水压力加载实验方法研究.实验力学,2010;25(1):55-60Han Shouhong,LüZhenhua,Liu Yongjin.A study of experimental method for mechanical properties of rigid polyurethane foam under hydrostatic compressive loading.Journal of Experimental Mechanics,2010;25(1):55-60
混凝土面层绝热外挂墙板 篇7
关键词：新型墙板,拉结件,箱型结构,绝热,冷桥,外挂
0 概述
随着人们对室内环境居住的舒适性要求日益提高,采暖和空调所占能耗也不断提高。2006年2月,国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,明确提出将“能源的低成本规模化应用”纳入能源领域重点研发项目,而改善建筑墙体保温性能是减少建筑物能源低消耗的有效途径。
常用的外墙保温技术有外墙内保温、外墙外保温和外墙夹芯保温3类,其存在以下缺点:外墙内保温系统容易在梁、板、柱产生冷桥,绝热层效率仅30%~40%[1],在我国寒冷地区难以推广;以“薄抹灰系统”为代表的外墙外保温系统耐候性差,其面层容易开裂,使用寿命短;而外墙夹芯保温用于高层建筑时,构造复杂并且其拉结钢筋本身也是冷桥,绝热层效率为50%~75%[1],且墙体较厚,影响有效使用面积。
为了避免上述外墙保温措施的缺点,很多人在致力于研究外墙自保温。例如采用保温性能好的砌块砌筑外墙,或采用加气混凝土墙板做外墙,这在南方地区对节能要求不高的建筑是可行的。但对于北方地区的节能建筑来说,上述自保温体系都很难推广,其原因是:(1)保温砌块难以解决梁柱等部位冷桥问题;(2)可用于外挂的加气混凝土墙板虽然可以解决冷桥问题,但其混凝土强度与其保温性能相互牵制、难以两全,在北方地区使用需要将板做得相当厚。而且其内部必须埋设大量钢筋和预埋件,使其绝热性能大打折扣。此外,由于加气混凝土对钢材几乎谈不上保护作用,钢筋和预埋件需进行热镀锌处理或效果相当的防锈处理。随着节能标准对墙体保温性能要求的不断提高,将墙体的构成分为受力层和保温层是发展方向,也是解决墙体保温问题的一条主要技术路线,至少在我国北方地区是如此[2]。
有人致力于研究可以外挂的钢筋混凝土夹芯墙板或整体夹芯墙构件,其2个面层之间的拉结材料多数是与面层相同的钢筋混凝土,也有一些是型钢,显然它们无法回避冷桥的问题,而且构造过于复杂。
也有人在混凝土空心墙板的自保温性能上作研究,试图通过改进孔型以及在孔内填充保温材料来提高其保温性能,但收效甚微。混凝土空心墙板热工性能无法大幅度提高的主要原因是它存在着若干条混凝土肋,例如7孔的空心条板存在8条肋,这些肋实际上就是冷桥。由于冷桥的存在,即使在上述孔中填满高性能保温材料,也无法使保温性能有明显的提高。
深圳市建科院自建的建科大楼采用了外挂混凝土空心墙板加内保温的围护结构形式,将主体结构的梁、板、柱均包覆在外墙内侧,解决了普通内保温系统的冷桥问题。具体做法是:采用日本产的ASLOC板(一种挤压成型的植物纤维增强混凝土空心墙板),按类似幕墙的安装方法外挂在主体结构上,在ASLOC板的内侧喷涂聚氨酯泡沫(起隔热作用)并覆盖纸面石膏板(起防火和装饰作用)。这种外挂墙板内保温的做法,较好地解决了冷桥、耐候性和防火问题,技术上适用于我国各种气候地域,其缺点是造价高。
有些难题在国外似乎不成问题。例如我国北方地区不轻易采用的外墙内保温,而在日本却被广泛采用,是因为日本普遍采用架空地板,所以楼板的上表面也可以做保温,可基本上消除冷桥。我国的建筑做架空地板的极少,所以用廉价的方式处理楼板处的冷桥就成为一个难题。
总之,市场对保温墙材有很大的需求,但目前尚无比较理想的高效绝热的外墙用墙体材料面世。而本课题的目的在于研制一种高效绝热、安全可靠、安装简便、价格低廉、耐久性好的适合外挂安装的新型墙板,以满足绿色建筑和节能建筑的需要。
1 基本设计思想
由于现有技术无法解决上述3类常用外墙保温系统的缺点,其它外墙体系也都不能令人满意,所以,经过长期研究,我们提出了一种全新的适合外挂的混凝土夹芯墙板(以下简称新型墙板)。这种墙板不存在冷桥、不易产生裂缝、结构简单,适合外挂安装且价格低廉。新型墙板的基本设计思想是:
(1)新型墙板为用于建筑外墙而设计,因此墙板的板面采用了具有一定厚度的水泥混凝土材料制作,以保证其强度和耐久性,避免外墙外保温系统薄抹灰层易开裂的缺点。
(2)新型墙板的两层混凝土面板之间的拉结件采用木材胶合板或微发泡PVC板制作,也可选用木芯环氧玻璃钢等其它材料。胶合板导热系数仅为混凝土的1/10,而抗拉强度约为普通结构用混凝土的10倍。微发泡PVC板的导热系数仅为混凝土的1/30,而且可以通过设置交错排列的圆孔来增大热阻,并通过不降低热阻的局部加固措施来提高抗拉强度。采用这些低导热系数、高抗拉强度的材料制作拉结件可以彻底消除墙板内部的冷桥,是本方案的创新点。
(3)新型墙板从物理性能看为夹芯结构,类似复合材料,芯材可选用EPS、XPS、PU、胶粉聚苯颗粒、膨胀珍珠岩板块等多种绝热材料。芯材种类和厚度的多样化使得新型墙板的保温性能适用于我国任何地区。例如:芯材为XPS的120 mm厚规格的新型墙板的传热系数约为0.35 W/(m2·K),而相同规格的新型墙板如采用膨胀珍珠岩板块作为芯材,其传热系数约为0.70 W/(m2·K)。而膨胀珍珠岩板的售价也约为XPS板的1/2。从力学性能看却为箱型结构(大型桥梁常用的一种结构),墙板的力学性能只与混凝土面板和拉结件的材质及连接方式有关,而与芯材的强度以及芯材与混凝土面层的粘结质量无关,也就是说,即使芯材严重老化也不会影响新型墙板的力学性能,故安全性容易得到保证,使用寿命也与芯材无关。
(4)新型墙板的安装方式必须为外挂安装,这样可将主体结构的梁、柱等均包覆在绝热层之内,彻底消除整个建筑的冷桥。墙板外挂后,在板与结构梁板之间填充轻混凝土或普通混凝土,将金属挂件保护起来,不仅可保持楼板的完整性,还可起到防锈和防火的作用。外挂安装方式是消除冷桥的关键技术。
2 新型墙板样品的制作
研究过程中需要制作一些新型墙板样品用于检测和搭建样板房。为了便于比较,所有试件的截面尺寸均为600 mm×100 mm,混凝土面层的厚度均为20 mm(见图1)。
用于力学性能测试和幕墙三性测试的试件做法如下:
(1)制作必要的模具,以能够成型图1所示墙板为目的。
(2)制作金属预埋件,其细部构造见图2。
(3)将厚度为12 mm的木材胶合板(第1批试件)和微发泡PVC板(第2批试件)裁成80 mm宽的板条作为拉结件(安装预埋件)和加强拉结件(不安装预埋件)。
(4)采用螺钉将金属预埋件固定在拉结件上靠近两端的部位。预埋件与拉结件板条接触面及螺钉孔处应涂刷环氧树脂。
(5)采用碳纤维浸渍胶(一种环氧树脂类胶粘剂)封闭拉结件胶合板表面孔隙,并在胶粘剂未固化前在其长边的板棱处播撒干爽的砂粒,以增加混凝土对拉结件的握裹力。
(6)将拉结件通过螺栓和金属预埋件固定在模具的底板上,拼装好整个模具(模具未画出)。
(7)浇筑细石混凝土内面板约20mm厚于模具底板之上,摊平、震实后,放置绝热芯材和第3条拉结件板条(即加强拉结件)于混凝土内面板上,通过敲击或震动使绝热芯材下表面与混凝土粘合并使增强拉结件板条的下边缘嵌入混凝土中约10 mm。
(8)浇筑细石混凝土外面板约20 mm厚于绝热芯材和拉结件板条1、7之上,摊平、振实、抹光。
(9)上述内面板和外面板中均设置了钢丝网片,钢丝网片的网孔尺寸为19 mm×19 mm,钢丝直径为1.0 mm。
由于新型墙板的力学性能主要与组成箱型结构的混凝土面层和拉结件有关,故在制作用于力学性能试验的样品时采用了不同的混凝土配合比,并选择了不同的材料制作拉结件。之后制作的用于耐火极限试验的试件与图1所示试件相比,增加了保温砂浆防火层。并且在制作后来改进的耐火极限试件时还设置了防火企口。
3 测试结果及分析
3.1 力学性能测试
力学性能试验结果见表1。
第1批试验所用胶合板为质量一般的产品,质量较好的产品抗拉强度可超过40 MPa。第2批试验所用拉结件为同一块微发泡PVC板,裁成板条后又开了3排孔以提高热阻。该批微发泡PVC板的导热系数实测值为0.59 W/(m·K),约为EPS板的1.5倍,开孔后的条板热阻估计会大于同等厚度的EPS板。其中3号试件采用了碳纤维对拉结件受拉应力的边进行加固,4号试件未采取任何加固措施。
由表1可以看出:
(1)新型墙板的抗弯承载力完全可以满足我国任何地区建筑抗风压的要求。如需较长的墙板,可以通过增加墙板的厚度、提高面板的混凝土强度、对拉结件的边缘进行加固等措施来解决其抗弯承载力问题。
(2)单个预埋件的抗拔力可达到12 kN,每块板有8个预埋件,总承载力可达96 kN,高于板自重60多倍,高出可能的风压值10倍以上。说明此种预埋件处理方式安全可靠。
(3)此次试验并未采用质量较好的胶合板,由于预埋件被固定在胶合板制作的拉结件上,所以,在相同设计条件下,预埋件抗拔力还有一定的潜力。
(4)混凝土强度降低约1/2时,墙板的抗弯破坏荷载有所下降,但并未成倍下降。
(5)4号试件与1号试件相比,拉结件所选材料的抗拉强度仅为后者的1/2,而抗弯承载力却没有明显减少。说明拉结件本身的抗拉强度对墙板抗弯承载力的影响不大。
(6)3号试件采用了碳纤维对拉结件受拉应力的边缘进行了加固,其抗弯承载力比4号试件增大了近1倍。说明对拉结件受拉应力的边缘进行局部加固是提高墙板抗弯承载力的有效途径。
综合(5)和(6),考虑到强度高的材料往往保温性能差,故在选择拉结件材料时,应尽可能选择质地轻软的速生林木材(强度较低,但导热系数也低),在将其加工成条板后,对其边缘部分进行加固。
3.2 耐火极限试验
耐火极限试验所用样品规格为2800 mm×600 mm×100mm,第1次试验我们制备了2种用于耐火极限试验的试件,与力学性能试件相比,一种在结构上完全相同,另一种增加了保温砂浆防火隔热层,但是主要绝热芯材均采用了廉价的非阻燃型EPS泡沫塑料,并于2009年3月完成了耐火极限试验。试验结果:2种新型墙板均失败,失败的原因是:火苗窜进了墙板内部,引起部分芯材融化或燃烧。解决的方法是:在板边增设防火企口,绝热芯材与上述第2种试件完全相同,重新研制了墙板样品。2009年8月再次试验,获得成功,耐火极限达到2 h。
试验结果说明:即使采用了廉价的非阻燃型EPS泡沫塑料为主要绝热芯材,新型墙板的耐火极限仍可达到高层建筑非承重外墙最高耐火等级要求(耐火极限1 h)的2倍[3]。这实际上解决了将高效保温的有机材料应用于建筑节能时的防火难题。如果采用膨胀珍珠岩或泡沫混凝土作为新型墙板的主要绝热芯材,其耐火极限应更高。
3.3 新型墙板幕墙水密性、抗风压性和抗平面内
变形性试验
新型墙板幕墙试验所用样品的规格为2800 mm×600mm×100 mm。为了将来批量生产时降低生产难度,尝试采用低标号混凝土(C15)制作墙板的混凝土面板,其它选材与结构同力学性能试件。并于2009年12月13日完成了“绝热混凝土外挂墙板幕墙试验”。水密性加至1000 Pa,抗风压加至2500 Pa,平面内变形加至5级,测试结果均合格。图3为安装好的新型墙板幕墙试件。
测试结果表明,采用低标号混凝土和普通胶合板为主要受力材料的新型墙板,采用没有主龙骨的外挂安装方式形成的混凝土外挂墙板幕墙,其主要性能指标均不低于普通玻璃幕墙。其中代表抗震性能的抗平面内变形性已达到幕墙评级的最高级别[4]。显然,如果设计时适当提高混凝土强度等级,适当对拉结件的边缘部分进行加固,可满足各类建筑对非承重外墙的性能要求。
4 样板房搭建
为了证实外挂式安装方法能够在实际工程中使用。在完成力学性能试验后,耐火试验前,我们进行了样板房搭建。该样板房为钢结构,有2层现浇面叠合楼板,每层约9 m2。墙板在楼板完成后外挂安装,再用普通混凝土封闭墙板与梁及楼板之间的缝隙,这种封闭不仅可保证建筑楼板的完整性,对于防火和防止金属挂件锈蚀也至关重要。墙板大部分采用如图1所示截面的标准板,小部分采用了特制的带转角的墙板。样板房设计时考虑了南方地区流行的凸窗和女儿墙。其内部构造见图4,外观见图5。用于实际工程时,拼缝处宜填嵌高弹性建筑密封胶,以确保不会漏水,且可达到外墙使用ASLOC板的效果。
5 优点及预期目标
通过对新型墙板进行的前期研究,可预见有以下优点:
(1)成本低:成本可控制在140元/m2以下,与ASLOC板加内保温相比,成本下降60%以上,绿色建筑使用本新型墙板不会因此增加成本。采用新型墙板后,建筑外墙均可符合建筑节能标准对外墙的要求,总造价低于现有各类符合标准要求的外墙造价。
(2)节能:新型墙板本身无冷桥,可以实现较低传热系数,且外挂的安装方式可以消除整个建筑立面的冷桥。
(3)节材:板面平整,可以免抹灰,且自重轻,可减少梁、柱、地基基础的用料。
(4)节地:其外挂的安装方式以及其自身较薄的厚度可增大建筑使用面积,起到节地的作用。
(5)适用范围广:其多样化的板芯选择,可降低成本,使之适用于各类建筑,包括低成本建筑和超低能耗建筑,并适合于我国所有气候区域。
目前完成了手工制作新型墙板样品的主要技术指标测试和安装工艺初步研究,形成产业化的关键是需要投入大量人力财力完成产品的机械化或自动化生产。形成产业化的过程中,需要材料、机械、工控、建筑设计等多专业的人才协同攻关。
6 结语
研制了一种全新的混凝土面层绝热外挂墙板。新型墙板采用木材胶合板或微发泡PVC板作为拉结件,由于拉结件的导热系数比混凝土小10倍以上,而抗拉强度却高10倍以上,故可以解决板内冷桥问题,从而获得高效节能的外墙板。其混凝土材质的墙面板具有良好的强度、耐久性和可装饰性。混凝土面板与拉结件共同形成了箱型结构,使得新型墙板的力学性能与其内部的芯材无关,从而使其安全性和使用寿命大大提高。其外挂的安装方式,可将主体结构的梁、柱等包裹在外墙保温层以内,可彻底消除整栋建筑的冷桥。在梁与新型墙板之间填充普通混凝土或轻陶粒混凝土,不仅可保持楼板的完整性,还可以将墙板的金属连接件保护起来,起到防锈和防火的作用。
通过实验验证了新型墙板具有良好的物理力学性能、水密性能、防火性能和抗震性能,而且了解到进一步提高产品性能应该从何处着手。
通过样板房的搭建,初步证实了新型墙板在实际工程中的可操作性。
参考文献
[1]靳玉芳.房屋建筑学[M].北京:中国建材工业出版社2,0041:45-151.
[2]中国城市科学研究会.绿色建筑[M].北京:中国建筑工业出版社,2008:67-74.
[3]GB 50045—95,高层民用建筑设计防火规范[S].