摘要：随着科学技术的不断进步以及工业化进程的加速，保温材料也从传统的低导热系数纤维材料发展到了纳米级别。纳米复合材料因其极低的导热系数受到人们的重视，而纳米材料与传统保温材料的综合利用成为了目前新兴的保温方式，此种方式即提高了保温材料的性能也相对控制了产品本身的成本。
本文就目前投入使用的复合纳米保温材料的传热特性进行研究，并通过实验掌握经验式的复合搭配方式的绝热性能以及保温表现，将传统的经验式保温绝热方法理论化科学化合理化，并通过分析完善该方法。
关键词：纳米复合保温材料；多层圆筒壁导热；热阻；热导率
1 前言
传统绝热保温材料在高温下保持较好的强度，但热导率在高温下很高，而一般绝热保温材料具有较好的绝热保温性能，但缺乏高温下的强度。因此同时具有优异绝热保温性能以及高温强度两种优点的耐火绝热保温材料成为未来主要的研究方向。本文研究的绝热保温材料主要用于电厂的蒸汽管道以及汽轮机主体，造型多为圆管包裹，温度在600℃一下，旨在通过研究发掌握经验性的复合搭配方式的保温绝热性能以及检验该搭配方式是否合理。
2 纳米复合保温材料
目前的复合材料主要种类有硅酸镁、硅镁铝、稀土复合保温材料等。硅酸铝耐火纤维作为高温绝热材料和耐火材料已有很长的历史，近年来在航空航天领域获得广泛应用，尤其在要求质量轻和占用空间有限的绝热部位，这一材料得到了最有效的利用，达到了理想的热防护效果，因此愈来愈受到重视。
新型纳米级保温材料气凝胶，是一种以气体为分散介质的凝胶材料，由于其超轻的质量和半透明的色彩，也有“固态烟”的称号。气凝胶具有低热导率、低折射率以及较低的弹性模量和优良的吸附性能。用过水解缩合和超临界干燥两个步骤（溶胶-凝胶法）制备而成。
复合纳米保温材料是一种广义与狭义的复合材料组合，狭义上每种材料都是多成分通过化学反应合成的复合材料，以此提升材料的绝热性；广义上是不同的复合材料通过物理叠加达到最经济的最保温的绝热组合。保温绝热材料共分为三层（图中每列从小到大即由前到后，为从内到外的各层保温棉）每层包括圆管柱面圆形包裹部分以及侧面阻止轴向热流传递的端盖。每层保温层内含材料也不同，由内到外气凝胶，硅酸铝纤维针织毡以及外一层硅酸铝纤维针织毡。
3 保温材料热导率
材料在不同温度下的热导率不同，保温棉从内之外的温度也是逐渐降低，首先需要采集到不同材料在不同温度下的热导率。
纳米气凝胶在100~600℃范围内，导热率变化范围在0.015~0.079 W/（MxK）随温度上升而上升，在试验中还发现，纳米气凝胶虽然在高温区域的导热系数很低，但当超过允许使用温度时（试验用气凝胶最高温度要求不高于650℃），气凝胶在各个温度下的热导率就会升高，绝热性能变差。超过650℃后，气凝胶导热系数在各个温度下增加0.020 W/（MxK）。
在100℃~600℃温度范围内，硅酸铝纤维针织毡的导热系数在0.030~0.111 W/（MxK）之间，高于气凝胶，同时硅酸铝纤维针织毡有高密度与低密度之分，其导热率在低温表现有差异高密度纤维导热率会略低于低密度但在400℃以下的表现基本相同；当材料超过某一温度临界点时，硅酸铝纤维会形变融化，失去原本的纤维态变为玻璃态。不同用途的硅酸铝纤维针织毡最高工作温度也不同，高温状态发生玻璃态的为实际投入大量使用的硅酸铝纤维针织毡。本论文只讨论用于低于650℃，例如电厂汽机缸体以及蒸汽管道等设备的保温绝热。
气凝胶和硅酸铝纤维针织毡的热导率都是随着温度的升高而升高，曲线并不是随温度变化呈现线性变化，随着温度上升热导率的变化率也随着增大。虽然硅酸铝纤维针织毡的密度不相同，但是两种密度下的导热系数十分相近。分析其原因，低密度材料的绝热方式主要通过低密度多孔隙的材料特质，利用孔隙中低导热系数的空气降低材料整体导热系数；高密度的材料则是主要以材料本身的低导热特性控制热导率。两种方式得到的导热系数非常接近。
图1可以得出，从低温到高温气凝胶相对于硅酸铝纤维针织毡都表现出了非常好的绝热性能。在低温区，两种材料的导热系数相差相对较小，在高温区，导热系数相差较大，硅酸铝纤维针织毡和气凝胶在升温过程温度变化表现都很平滑，在高温区域温度变化相对较大。
图1硅酸铝纤维和气凝胶热导率随温度变化图
4 实验测量
实验内部热源温度设定为600℃，该温度值基本满足现今运行的大中型行机组的蒸汽温度（超临界机组，主蒸汽温度在550~570℃之间）。最里层绝热保温材料内部由一层4cm的硅酸铝纤维针织毡（低密度），1cm的纳米气凝胶，5cm的硅酸铝纤维（低密度）以及1cm的硅酸铝纤维（高密度）复合而成，外部由导热率较低耐高温的陶瓷纤维布包裹，总厚度为11cm；第二层为10cm的硅酸铝纤维（低密度）和1cm高密度硅酸铝纤维；第三层为5cm低密度硅酸铝以及1cm高密度硅酸铝纤维组成，即11cm-11cm-6cm（里层1cm气凝胶）保温方式。包裹方式是圆柱形包裹材料的拼接。
保温材料外表面为陶瓷纤维布，所以红外发射率设定为0.92，环境温度在25℃左右。整块保温材料的温度基本能够保持在50℃以下，绝热性能良好，主要高温部分集中在保温材料与保温材料之间的缝隙、材料顶端以及局部的用来固定保温材料的不锈钢钉周围部分，顶部温度稍高于底部温度，表面温度大部分集中在35~40℃之间，通过软件统计平均温度在38℃。根据国标GBT 8174-2008要求，凡设备、管道及其附件的保温结构外表面温度高于323K（50℃）[指环境温度为298K（25℃）时的表面温度]时视为不合格，而此种保温材料符合国家标准。
5 数据分析
实验以圆筒壁稳态传热为研究模型，热传导公式为：
通过在各层布置的热电偶温度的采集结果计算得出，在内部热源温度为600℃的工况下第一层热阻为0.550 m²K/W，第二层为0.613 m²K/W，第三层为0.532 m²K/W，热阻可等同为串联电阻，计算的总电阻为1.7 m²K/W，平均导热系数为0.082W/mK，热通量为329W。
6 总结
通过对单一复合材料的传热性能分析以及对多层复合材料在600℃下的绝热性能的测试可以发现，经验式的复合材料的搭配方案在绝热表现上满足生产实际中的需要和表面最高温度的要求，同时也是较为经济的组合。但目前采用的可拆卸的保温绝热材料会产生缝隙，缝隙区域会有超温情况的出现，这是采用该包裹方式的一个短板，下一步可以针对保温材料的工艺和搭接方式上进行优化和提升。
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论文作者:高翔,李文红,林翔,孙静
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2019/1/7
标签：保温材料论文; 凝胶论文; 温度论文; 纤维论文; 硅酸铝论文; 材料论文; 系数论文; 《基层建设》2018年第33期论文;