增强传热与热绝缘技术应用

一、用热绝缘层的目的

各种场合应用热绝缘层的目的不同，大致可归纳如下：

1.节约燃料

从经济观点来看，包扎热绝缘材料所消耗的资金，要比不包扎而多消耗燃料的资金少得多。

2.满足工程技术条件的要求

例如，制冷工程中冷库外表面包以热绝缘层，可以避免浪费制冷量。

3.改善劳动条件

例如，锅炉和蒸汽管道的外表面通常均包扎热绝缘层以降低机炉舱温度。劳动保护的要求规定，热设备的热绝缘层外表面温度不得超过50℃。

二、对热绝缘材料的要求

凡导热性低的材料都可用作热绝缘层。不过，通常将导热系数λ值小于0.14W/（m·K）的材料称为隔热材料或包热材料。这些材料种类很多，有些是天然的，如石棉、云母和软木等；但很多热绝缘材料是加工后的产品，如石棉绳、玻璃绒和矿渣棉等。目前常用的高温隔热材料有石棉、硅石和硅藻土制品。在常温和低温条件下，使用效果较好的有软木、玻璃纤维、超细玻璃棉和珍珠岩。对低温条件下防潮要求较高的工程，可使用泡沫树脂和泡沫塑料等。近年来一种如图1828所示的铝箔绝缘已经获得了广泛的应用。它是用空气来绝缘而又着重用铝箔遮热板减小对流换热系数和降低辐射换热。图中（a）所示为具有8～10mm空气夹层的平铝箔；（b）所示为节省木隔板后的波形铝箔。为了减少辐射换热，铝箔的表面应当光滑发亮；为了减小相对密度，铝箔厚度多介于0.008～0.01mm之间。这种铝箔隔热层的导热系数λ值为0.032～0.041W/（m·K）。此外，它还具有防火、无气味和坚固耐用等优点。根据不同用途，可选用不同性能的材料。通常热绝缘材料具有下述性能：

图18-28 铝箔隔热层结构

1-钢板；2-木隔板；3-平铝箔；4-空气夹层；5-波形铝箔；6-空气穴

1.导热性

以导热系数λ值的大小来表示。热绝缘材料的特点之一是孔隙多，当温度升高时，孔隙中的空气对流和辐射换热就要加强，从而使导热系数增大。

2.机械性能

如抗压和抗拉强度等。

3.不吸水性和耐高热的能力

热绝缘材料吸水后不应改变原有形状。可能的话，最好采用不吸湿的材料。热绝缘材料吸收水分后，由于水分迁移方向与传热方向相同，因而导热系数会迅速上升，所以一般在保温材料的外侧设置防水层。(www.xing528.com)

理想的船用热绝缘材料，除需具有导热系数小、易成形、耐振、不变形、不吸水、不受潮等性能外，还应满足相对密度小、不自燃、耐火、无怪味、不被鼠咬虫蛀以及价格低廉和易于购得等要求。

应该指出，上面只叙述了材料本身的热绝缘性。当把材料加装在物体上时，由于掺和物和加装方法不同，材料的热绝缘性能就会发生变动。在这种情况下，正确估计热绝缘性能的好坏，并不是根据材料本身的导热系数，而是根据整个结构的导热系数，因为这在实践中具有更重大的意义。整个结构的导热系数可用近似方法来计算，但其精确数值只能由实验来测定。

三、临界热绝缘直径与热绝缘层经济厚度

从平壁传热系数公式中可看出，在平壁上加厚热绝缘层，就能削弱平壁传热。但是，在圆管上加厚热绝缘层，不是在任何情况下都会削弱传热。为了合理选用热绝缘材料，必须进一步分析热绝缘层外径dx和传热热阻R总的关系。圆管覆盖热绝缘材料时每米管长的总热阻为

当管子尺寸一定时，R总，l中前两项数值一定[见图18-29（a）中的（1）＋（2）项R曲线]，而后两项则与热绝缘层外径dx有关。当热绝缘层加厚，即ds增大时，热阻R总，t中的随之增大[见图18-29（a）中的（3）项R曲线]，而却随dx增大而减少[见图18-29（a）中的（4）项R曲线]。那么，后两项共同作用的结果，有待于分析函数R总＝f（dx）后才可知道，按图中R总，l＝f（dx）曲线可见，R总，l有一极小值，将上式R总，l对dx取导数，并令其等于零，则

即当dx＝2λ2/α2时，热阻值为最小。单位管长传热量ql为最大值。此时的dx称为“临界热绝缘直径”，用dcr表示。

图18-29 临界热绝缘直径

如果管子外径d2小于dcr，如图18-29（b）所示，热绝缘层外径dx在d2至d3范围内，其热阻反而比不包热绝缘层时小。在这种情况下，dx＜dcr时，散热量随dx增加而增大；当dx＝dcr时，散热量为最大；dx要大于d3才开始起保温作用。例如，因为电线的外径d2小于其dcr所以，外包热绝缘层作为电绝缘的同时，并能增加电线的散热作用，而使电线的温度比不包绝缘时为低。如果管子外径d2＞dcr，那么，当dx增加时，散热量减少[见图18-29（b）中的临界点以右的曲线]，则热绝缘层起保温作用。

由式（18-25）可知，临界热绝缘直径取决于绝缘材料的导热系数λ2及绝缘层外表面向周围大气的总换热系数α2。如选用石棉，查附表得λ2＝0.151W/（m·K）；如选用玻璃棉，λ2＝0.0398W/（m·K）。若取α2＝12W/（m2·K），则对石棉dcr＝0.025m；对玻璃棉dcr＝0.0066 m。由此可见对于外径为20mm的热管道来说，若包石棉的厚度不够大，反会比裸管的热损失更大。若包玻璃棉由于dcr已小于20mm，不会遇到临界热绝缘层的问题，只要包上玻璃棉就可以减少热损失。

热绝缘层包扎得越厚，所用的材料多，人工费用多，使初投资增大。但是增加绝缘层厚度δ，可减少热损失以节省燃料费用。根据全年运行时数m H/年、qlW/m和每百万千瓦小时的能量费用[取6元/（109W·h）]，不难计算出每米管道全年损失费用ql·m·6（10﹣9）元/（m年），见图18-30中曲线1。若初投资为s元/m，连同维修费在内要求每年摊还的份额为p％，折合每年热绝缘投资为p·s元/（m·年），如图18-30中曲线2所示。两项费用之和为综合考虑热损失及隔热层费用的总支出。曲线3为曲线1与曲线2之和。曲线3随绝缘曾厚度δ的变化有一极小值。这一年费用最小的δ就是热绝缘层经济厚度。工程上可以同时选择几种适用的热绝缘材料，分别计算出采用经济厚度时的年工作费用，最后选择其中年费用最低者。

例18-2 蒸汽管道的外径d1＝159mm，蒸汽的温度tfl＝300℃，室内空气温度tf2＝25℃，采用的热绝缘材料为石棉纤维，其λ＝0.105W/（m·K），管外壁对外界的总换热系数α2＝12W/（m2·K）。要求热绝缘层外表面温度不得高于50℃上限值。求绝缘层厚度δ值。

图18-30 求经济厚度的曲线

图18-31 例18-2用图

解 如图18-31所示，水蒸气对壁面的换热热阻以及金属管壁的导热热阻远较绝缘层的导热热阻为小，可以近似地认为t W1＝tfl。对于稳定传热过程，通过石棉层的导热量ql应等于石棉层外表面向外界的换热量ql，即

用试算法设定d2值代入式（a）、（b）得出的ql值相近即可求解。设d2＝290mm，代入式（a）得

代入式（b）得

可以认为由式（a）、（b）两式求得的ql接近，偏差只有0.4％。所以，绝缘层的厚度