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同时预测保温结构的表面温度及热损

浏览:13 发布日期:2020-04-20

前两篇(管道及柱形设备保温结构的热损估算球形设备保温结构的热损估算)里,咱针对已稳定运行的保温结构,通过测得的表面温度,来估算热损,可以判断已完成的施工是否符合热损要求;今天我们要来预测,在确定的环境条件下,保温结构的表面温度及热损。


1. 方法

1.1两个传热过程

①对于保温材料层,有“热损=温差/热阻”[1](再熟悉不过的式子):



但这里Q 1是指从每平米保温层内侧流至外侧的热量(W/m2),下标1是为了和后面即将提到的,保温结构表面散失到环境中的热量相区分;


Ti是保温层内侧的温度℃);
Te是保温层外侧的温度℃);
R是每平米保温层的热阻m.K/W)。
对于保温结构外护层与环境之间的热损(W/m2)可以表示为“对流热+辐射热”:


这里Ta是环境温度,是外护层材料的黑度(不是他有多黑,而是材料辐射热的能力),不同材料的黑度取值可参考国家标准[2],这个表达式使用了Langmuir 方程和Stefan-Boltzmann方程分别计算对流热和辐射热[3],仅适用于无风环境,且外表面与环境温差不超过30℃,复杂环境中应用的表达式会更加复杂。

1.2预测表面温度和热损

那么我们怎么去求解表面温度Te呢?先假想你自己就是肩负保温任务的工友,安装完保温后,抚摸着自己的劳动成果并难掩笑颜:不烫,nice;但随着时间的推移,手掌温度升高,你笑颜不再,一边吹手一边含泪准备下一层保温材料。也就是:起初,流入表层的热量多于表层向外散发的热量(Q1>Q2),表面逐渐升温,在之后Q1≈Q2时,表面温度会稳定下来。那么令Q1=Q2就是求解表面温度的方法,这个有趣的预测过程会在案例中细细展现!


2.案例

无风,0℃的室内,一个用于加热和储存90℃热水的立方形水箱(水箱容器表面也近似90℃),选用CAS-A0纳米铝镁质保温毡(广告再次植入,此毡天生丽质,青春明快,柔软贴身,高温绝热),安装0.02m厚的保温层,外附镀锌薄钢板(黑度=0.25),预测一下表面温度会稳在多少。

计算步骤:

 平壁保温层热阻的表达式及计算结果:



d是保温层厚度,CAS-A0纳米铝镁质保温毡的导热系数取平均温度45℃下导热系数λ=0.033W/m.K。

    ② 通过将表面温度Te的猜测值带入到两个传热表达式中,观察Q1和Q2的差距,再不断调整Te的猜测值,使Q1与Q2趋于同样大小。如表一:第一次猜测Te为15℃,得出Q1>Q2,这表明15℃偏低,表面还会继续升温;第二次猜测值20℃,仍然有Q1>Q2,但差距已明显缩小,所以第三次、第四次猜测时Te都只相继提高0.5℃;在第四次出现了Q1<Q2的情况,说明表面温度最终应该稳定在20.5℃至21℃之间;不要求更高精度时,可以说表面温度会稳定在21℃,热损为114.3 W/m2(21℃下Q1和Q2的平均值)!


我们通过 猜测 -> 试算 -> 猜测 过程,能确定保温结构的表面温度及热损。实际上通过软件程序联方程可以达到更高精度的求解,但咱们使用这样一个“愚钝”方法,却能展现“传热逐渐趋于稳定”这个有趣的过程!

参考

[1] Fundamentals of Heat and Mass Transfer

[2] GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》表5.8.9

[3] Thermal & Acoustic Insulation 1.151.18