工业生态绝热材料传热过程及绝热结构的数值模拟

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在石油和化工等工业中存在大量的高温热力管道,在热力管工作时与外界环境的换热会导致大量的能量损耗。本文针对目前工业热力管道保温隔热性能差、保温固废物处理困难等问题。对利用废弃保温材料岩棉、硅酸铝纤维棉、硅酸钙作为原料,通过无尘化处理,分散、催化反应制成的工业生态绝热涂料(硅基生态绝热涂料)的传热特性进行研究,分析其微孔网状结构、多孔结构的形成以及遮光剂对涂料性能的影响。模拟了涂料在不同管道温度,不同厚度时的保温效果并与其他保温材料的保温性能进行对比。通过数值模拟研究了四种复合保温结构的保温性能,并通过试验进行验证。同时考查了实际应用在蒸汽管道上气凝胶+硅基生态绝热涂料保温结构的保温性能并进行节能评价。得到的研究结论如下:废旧保温材料粉碎后的纤维可以使涂层构成网络结构,增加热量传递的路径,还可以增加涂层的抗拉强度与柔韧抗裂性。硅酸钙在被粉碎成粉体后,颗粒的层状结构并没有被破坏,仍然可以为涂层提供层状的、网状的结构。团聚的短纤维状,采用具有表面活性的离子型物质作为分散剂,与粉体混合后再添加长纤维和发泡剂作为补充可以形成涂层的多孔网状结构。在涂料中添加Ti O2作为遮光剂可有效地屏蔽红外波,降低热辐射,从而提升涂层的隔热能力。由模拟和计算结果得,气凝胶保温性能最好,其次是硅基生态绝热涂料、硅酸钙板、硅酸铝纤维。保温材料的外表温度随着厚度增加而降低,但厚度增加到一定程度时再增加厚度提升保温性能效果不大,反而会增加保温成本。对四种复合保温结构进行模拟和试验研究发现气凝胶+硅基生态绝热涂料保温性能最好。对实际应用在中石化胜利油田新疆克拉玛依新春采油厂蒸汽管线的两种保温结构进行模拟和试验测试,新型保温结构(10mm气凝胶+110mm硅基生态绝热涂料)外表面温度模拟结果为29.4℃,实际测试结果为26.9摄氏度。原有保温结构(130mm硅酸钙板+0.75mm镀锌铁板)外表温度实际测试结果为51.5℃。每千米管道新型保温结构与原有保温结构对比每年节约标准煤ΔE=93.92(tce)。
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