绝热结构范文

绝热结构范文（精选7篇）

绝热结构 第1篇

光功率分配器是光通信系统中的重要器件。为了减小光器件的体积,提高集成度,光功率分配器向平面光波导(PLC)形式发展的趋势越来越明显。目前, PLC形式的光功率分配器主要有Y型分束器和定向耦合器[1,2]。Y型分束器带宽较大,且运用非对称结构可以将光功率按任意比例分配,但在其分支节点处有较大的能量损耗,因此要制作出低损耗、大带宽且任意分光比的Y型分束器十分困难;定向耦合器由两条完全一致的直波导作为耦合区,通过改变直波导的长度来改变分光比,但它对波长和波导结构十分敏感,直波导的长度或宽度的微小变化会极大地影响光功率的分配比例,作为需要一定带宽的光功率分配器使用时,在性能上有明显的局限性。

为了克服上述问题,本文设计了一种耦合波导为渐变结构的绝热耦合器(Adiabatic Coupler)型光功率分配器。之所以称其为“绝热”耦合器,是因为光波在这种波导间交换时,能最大限度以导波模的形式传播,避免激发出辐射模,从而减小了光功率的耗散,就如同在保温过程中为了防止热量耗散而采取的“绝热”措施[3,4]。与传统的定向耦合器相比,绝热耦合器有较大的带宽,同时分光性能对结构变化较不敏感,因此有更大的工艺容差。

1 理论分析

图1所示的由a和b两条波导构成的PLC型绝热耦合器可以分成3部分:Ⅰ为两条宽度分别为Wa和Wb且以一定角度会聚的输入波导;Ⅱ为两条间距为dⅡ的渐变结构的耦合波导;Ⅲ为两条宽度分别为Wb和Wa且以一定角度分开的输出波导。

传统的模式耦合理论只能用来分析结构相同的直波导。对于渐变结构的耦合波导,由于波导结构沿着光传播的方向变化,导致其传播常数也发生变化,此时就要利用局部标准模式(LNM)的概念来分析波导的耦合特性。对于渐变结构的条形波导,我们将其分成多个小段,每小段之间的截面相互平行,每小段波导的结构和光学特性可近似看作没有变化,那么每小段波导中存在的模式就被称作LNM。若波导结构沿传播方向的变化足够缓慢,每段波导内的模式都不会发生变化,则光在整个波导中都将以相同的模式传播,不会激发出其他的模式。当两条波导足够靠近并产生明显的耦合效应时,波导内的系统模将会出现功率交换的情况。那么先分析每一小段波导内LNM的耦合效应,然后沿传播方向积分,就能得到整条波导的功率转换情况。

下面用LNM的耦合方程来分析系统内的功率转换情况。其基本方程如下[5]:

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式中,i和j分别表示基模和一阶模;A为模场的振幅;β为模式的传播常数;cij为模式间归一化耦合系数;∂ρ/∂z为波导几何结构的变化率(在输入输出部分ρ代表波导间距,在耦合区部分ρ代表波导的宽度)。在缓变近似的初始条件下,模式间的功率转换率可以定义为

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如图1所示,在耦合区,由于波导结构是渐变的,可以假设传播常数随光的传输方向线性变化,而波导间的耦合系数κⅡ为常数,可以得到耦合区波导的功率转换率:

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以及耦合区波导的长度:

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再得到输入部分波导的长度:

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式中,undefined是耦合波导局部的耦合系数;βi-βj≈κⅡ为局部耦合波导的传播常数之差;而ΔW=Wa-Wb表示耦合波导输入和输出端口宽度的差值。由于要避免因激发出其他模式而引起功率损耗,输入端口处的异步参数须满足XⅡ0≪1。因为输出波导与输入波导是关于点对称的结构,所以输出波导间耦合情况的分析与输入波导完全一致,得到的结果也相同,即RⅠ=RⅢ,LⅠ=LⅢ。

由于绝热耦合器结构的缓变特性,相邻小段波导内的模式耦合可忽略,每一部分耦合的功率转换率RⅠ、RⅡ和RⅢ可以看作是相互独立的,那么整个耦合系统的功率转换率就是各个部分转换率的线性叠加:

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波导b和波导a输出的光功率之比近似表示为

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将式(5)、(6)、(7)和(8)联立,并根据Tarek A.Ramadan和Robert Scarmozzino 给出的优化方法[3],可以得到绝热耦合器的总长度L如下:

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式中,Lc=π/2κⅡ为传统定向耦合器的耦合长度。在绝热耦合器中,理论上通过改变耦合波导的长度、宽度和间距可以获得任意比例的分光比。

2 器件设计

利用仿真软件设计了一个1.550 μm波长的绝热耦合器型光功率分配器,并以束传播方法(BPM)进行模拟。在设计中,保持输入与输出波导的间距和倾角不变,只通过改变耦合波导的长度来确定绝热耦合器的分光比。

(1) 耦合波导长度与分光比的关系

假设波导a的宽度Wa=7 μm,波导b的宽度Wb=5 μm,输入和输出波导端口处的间距dⅠ=200 μm,耦合波导的间距dⅡ=3 μm。以基模传输,波长为1.550 μm的光从波导a进入,功率为1 W。在模拟过程中,系统内出现了基模、一阶模和二阶模。由于能量绝大部分集中在基模和一阶模内,二阶模内的能量极其微小,可以忽略[6]。

当耦合波导的长度在1 000 ～5 000 μm范围内变化时,波导a和b的输出功率如图2(a)所示。从图中可以看到,波导a的输出功率在0.01～0.6 W之间变化,波导b的输出功率在0.4～0.99 W之间变化,则波导a和b的输出功率比值为1/99～50/50,因此在其他结构参数不变的情况下改变耦合波导的长度能够实现任意比例的功率分配。对比图2(b)可发现:绝热耦合器输出功率曲线变化平坦,尤其是在小分光比区域,相对于传统的定向耦合器有更稳定的分光性能。

(2) 输入波长对分光比的影响

我们对50/50、20/80和5/95这3种分光比的情况进行分析。如图2(a)所示,当耦合波导的长度为2 440 μm时,耦合器的分光比为50/50;当耦合波导的长度为3 230 μm时,耦合器的分光比为20/80;当耦合波导的长度为3 840 μm时,耦合器的分光比为5/95。耦合波导的长度确定后,改变输入光的波长,波长的变化范围为1.525～1.610 μm,观察波导的输出功率随波长的变化情况,如图3所示。

由图3可以看出,各耦合器输出功率随波长变化的曲线较为平坦,考虑实际应用中输出功率所允许的变化范围, 50/50耦合器允许的工作波长为1.525～1.588 μm,20/80耦合器允许的工作波长为1.541～1.563 μm,5/95耦合器允许的工作波长为1.546～1.557 μm。50/50和20/80耦合器的带宽均在几十nm,比定向耦合器几nm的带宽大一个数量级;而5/95耦合器由于分光比较小,对小功率输出的变化要求更严格,因此只有10 nm的带宽。通过优化波导结构可以进一步拓展小分光比耦合器的带宽,相关工作目前正在进行中。

(3) 器件的容差分析

光波导耦合器的分光特性一般由耦合波导的长度、宽度和间距决定。分光特性随耦合长度的变化已在图2(a)中体现,我们只观察宽度和间距对分光特性的影响。理论上波导间距对输出功率有明显的影响,间距越大耦合效应越弱。但在实际的工艺过程中,波导的间距总是随波导宽度的变化而变化,波导宽度的增加会导致波导间距减小,反之会导致波导间距增大。我们假设波导a和b的宽度总的变化在-1～1 μm之间,则波导间距在2～4 μm之间变化,可以观察到输出功率的变化情况,如图4所示。

由图4看出,各曲线较为平坦,波导宽度变化导致的间距变化对光功率的输出变化影响较小。考虑实际应用中输出功率所允许的变化范围,对于50/50和20/80耦合器,波导宽度的工艺精度应控制在±1 μm内;而对于5/95耦合器,波导宽度的工艺精度必须控制在±0.2 μm 内。可以发现小分光比耦合器的工艺精度比50/50和20/80耦合器的精度高很多,但比PLC型定向耦合器±0.1 μm的精度[7]要低。再考虑到绝热耦合器的分光比对耦合波导长度变化不敏感,耦合长度的工艺容差几乎达到±15 μm,可以认为绝热耦合器在工艺上比传统定向耦合器更易于实现。

3 结束语

本文基于光波导LNM耦合理论,利用BPM算法模拟设计了一种1.550 μm波长渐变结构任意分光比的PLC型绝热耦合器,并分析了分光比为50/50、20/80和5/95这3种情况下器件的性能。这种耦合器在耦合长度1 000 ～5 000 μm的范围内实现了任意分光比,相对于PLC型定向耦合器,具有较大的波长带宽和工艺容差,在实际生产中更易于实现。该器件可以在某些模块中代替传统分立的光纤耦合器,提高模块的集成度,有较大的实用价值。

参考文献

[1]Huang Weiping,Litter Brent E.Power exchange in ta-pered optical couplers[J].IEEE Journal of QuantumElectronics,1991,27(7):1933-1935.

[2] Cai Yuanming,Mizumoto Tetsuya,Naito Yoshiyuki. Analysis of the coupling characteristics of a tapered coupled waveguide system [J]. IEEE of Lighitwave Technology,1990,8(1):92-94.

[3]Ramadan Tarek A,Scarmozzino Robert,Osgood Rich-ard M.Adiabatic couplers:design rules and optimiza-tion[J].IEEE Journal of Lightwave Technology,1998,16(2):278-281.

[4] Milton A F, Burns W K. Tapered velocity couplers for integrated optics:design [J]. Applied Optics,1975,14(5):1207-1208.

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[6] Smith Robert B. Analytic solutions for linearly tapered directional couplers [J]. J OPT Soc Am,1976,66(9):883-885.

建筑用真空绝热板结构功能一体化 第2篇

在我国工业、建筑、交通和生活四大节能环保产业中,建筑节能环保被视为热度最高的领域,它是减轻环境污染、改善城市环境质量最直接、最廉价的措施。“十二五”期间,国家对建筑节能环保提出了更高更明确的要求:一是全面推进新建建筑供热计量设施建设,二是提高建筑节能标准施工阶段执行率的要求,三是推广高性能绿色建筑和低能耗建筑,四是推进农村节能住宅建设。2012年12月12日,国务院印发的《服务业发展“十二五”规划》中指出:合理引导房地产领域的外资投向,鼓励外资投资参与保障性安居工程、绿色节能环保建筑的建设,并大力推广(房地产业)建筑节能服务,培育节能技术服务市场。“十二五”以来,住建部主要抓绿色建筑,政府财政投资的项目必须纳入绿色标准的体系内,绿色建筑也已经走向半强制性。财政部、住房和城乡建设部2012年4月下发的《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》,鼓励各地在政府办公建筑、学校、医院、博物馆等政府投资的公益性建筑建设中,率先执行绿色建筑标准。从2014年起,政府投资公益性建筑全部执行绿色建筑标准。

建筑耗能一般包括建筑采暖、降温、电气、照明等所用的能源,其中以采暖和降温能耗量最多。建筑物保暖占据能源消耗的比重相当惊人,我国北方建筑能耗占全部能耗的20%以上,而墙体传热在建筑物总体传热中所占比例又最大。所以,建筑节能的首要任务还是建筑墙体材料的保温隔热,开发和应用高效的保温隔热墙体材料是保证建筑节能的有效措施。真空绝热板(Vacuum Insulation Panel,简称为VIP)是一种绝佳的绝热保温材料,其导热系数达到0.002~0.004 W/(mK)(未考虑热桥边缘效应)。真空绝热板采用抽真空的方法,将残留在绝热空间的气体清除,使因气体对流导致的各种传热途径被消除,从而使绝热效果远优于其它传统的绝热材料。

VIP在建筑保温上的应用还处于起步阶段,生产建筑用VIP保温板芯材的公司目前只有3家:Wacker(德国)、Cabot(美国)和Degussa(德国),国际VIP保温板领域目前只有德国和瑞士逐步建立了应用VIP保温板的建筑市场,迄今已有数十项VIP板应用于地面、屋面、阳台、墙面等保温隔热的工程实例[1]。

尽管具有极低的导热系数,但难以承重以及外表面薄弱的力学性能都成为了真空绝热板使用过程的一个制约因素,目前真空绝热板大多作为内保温层在建筑物的屋顶和地面使用,且需要布置支撑结构对其进行保护。如果能在保证真空绝热板良好绝热保温性能的前提下,使其具备外墙体材料所需的力学性能,达到结构性和功能性二者兼备,则真空绝热板将在建筑保温领域具有更加广阔的应用前景。

1 真空绝热板的制作

1.1 隔气结构

VIP板的隔气结构主要用来隔绝VIP板内部与外部的大气连通,以维持板内的真空环境。隔气结构应有如下特点:具有一定强度和耐磨损性;抗透气、透湿性好,较少释放其它气体;良好的热封性;较低的导热系数;质轻;具有一定经济性[2]。通常被用作VIP板隔气结构材料的有:金属板、多层聚酯基薄膜、含金属层的薄膜[3]。在VIP板的研究早期,金属板就已经开始被选作隔气结构材料使用,金属板具有较高的强度和抵抗气体渗透能力,但是其导热系数大,焊接的边缘容易形成热桥,加速热量传导,热量会顺着金属体的边缘进行渗透,从而导致热量损失比较严重,它与现在广泛使用的非金属层隔膜相比,热量损失增加了49%[4,5]。多层聚酯基薄膜作为真空绝热板的隔气结构,具有良好的隔气阻热效果,但其强度不能满足要求,制成的VIP板容易刮伤,真空腔室容易遭到破坏[2]。

为了使隔气结构既能提供较强的抗气体渗透能力,又能最大程度上减小热量的传递,现在大多采用金属与塑料的复合膜,其中以镀铝薄膜应用最多,它能够有效地抑制气体和水蒸气的渗透速率,使其保持每天在1 g/m2以下[6]。美国杜邦公司防止渗透的武器是使用一种新型多层聚酯基薄膜Mylar200RS-BL300,这种新牌号的薄膜产品氧透过率小于杜邦以前阻透薄膜的1%[7]。薄膜表面的金属层对铝箔的要求相当高(厚度在几微米,孔率也要小),这样的结构材料具有良好的隔气绝热性能和强度,在制造VIP板中应用较为广泛,但仍需注意其边界热效应和热桥效应对整体导热系数的影响[8,9]。

1.2 芯材

VIP板芯部的隔热材料一般为多孔性材料,如粉状二氧化硅、气溶胶和开孔泡沫等,用于VIP内部的气相二氧化硅芯材是典型的多孔性材料,其拥有100~400 m2/g的比表面积,孔隙率一般为90%以上,最大孔隙直径小于300 nm。这种大比表面积、高孔隙率、纳米级的泡孔尺寸使得气相二氧化硅非常容易吸收水分。在相对湿度50%以下,吸附等温线成线性增长,在相对湿度50%以上呈指数级增长[10]。开孔型多孔绝热材料作为芯材被封装于真空环境中导热系数会显著降低,绝热性能随着内部压力的下降会迅速增强,但压力低至一定水平,导热系数基本保持不变,不同芯材的导热系数随内部气体压力的变化趋势如图1所示[11,12]。

芯材的功能主要有结构支撑作用,防止内部真空条件下VIP板收缩、塌瘪,防止热辐射的发生。为进一步提高性能,可添加红外遮光剂如碳化硅(Si C)等降低辐射传热的影响[13,14],减少热传导的发生,又由于其本身为多孔性物质,接触面积小,因而可有效减少因热传导而发生的散热。

1.3 吸附材料

在VIP板内加入吸气剂可以吸收从表面隔膜的表面和热封边缘处缓慢渗透进入的气体和水蒸气,也可以吸收内部芯材在真空环境中释放出的气体。传统吸气剂有蒸发式和非蒸发式,如Ba、Ni合金和Zr、Ti合金等,但需要高温激活。意大利SAES集团成功开发出商品名为COMBOGETTER的吸气剂,此吸气剂基于钡锂合金,原子比例为1∶4,在应用于VIP时表现了良好的吸附特性[15,16]。上海交通大学研制出的一种新型气体吸附材料,其特征在于将活性炭吸附剂制成粉末与超细玻璃纤维按一定比例均匀混合,调成纸浆后,成型、烘烤制成一定厚度的纸状超细玻璃纤维间隔材料[17]。这种气体吸附材料的添加不仅不会破坏芯材结构,而且使其均匀分布于VIP内部,从而增大了有效吸气面积,减小了吸气阻力。对于大部分吸气剂,在吸收了水汽后,其吸气性能将受到严重影响,因此,在吸气剂与干燥剂的布置上应遵循先干燥,后吸气的原则,以最大程度发挥干燥吸气剂的效能[18,19]。

综合以上分析,真空绝热板的内部结构设计如图2所示。选取镀铝薄膜作为隔气结构,玻璃纤维棉作为芯材,吸附材料选用活性炭纤维,制作完成的真空绝热板如图3所示。

2 建筑用功能一体化结构材料设计

用玻璃纤维增强混凝土(Glass fiber Reinforced Cement,简称GRC)做成盒体形状,如图4所示。

GRC由水泥、砂及其它填料基质中掺入耐碱玻璃纤维制成,这种复合材料综合了玻璃纤维的高抗拉强度和水泥基质的高抗压强度,并具备耐冲击、高韧性、耐火、抗蚀、成本低等优点[20],利用GRC制成的盒体结构能对内部的VIP板起到绝佳的支撑保护作用。将制备好的2块真空绝热板放置于盒体内部的两侧,从而保证整体构件的绝热保温性能。为防止GRC长期在潮湿环境下工作可能导致的强度与韧性降低,并提高其长期耐久性[20],在2层真空绝热板之间放置活性炭纤维和少量无水Si O2颗粒。盒内空隙部分用硬质聚氨酯泡沫板进行填充,从而进一步减少盒体由于空气流动传热可能导致的热损失。盖体与盒体之间用Sikaflex-11FC单组分聚氨酯密封胶进行粘结,构件实体如图5所示。

粘结组合后的构件放置48 h后,参照GB/T 134751992《建筑构件稳态热传递性质的测定-标定和防护热箱法》,通过量热板法进行导热系数测试。实验结果表明,经填充真空绝热板后,厚度为(0.68±0.02)m,表面积为0.09 m2的GRC构件系统热阻由10.324 m2K/W升至67.934 m2K/W。

3 结语

真空绝热板具有导热系数低、保温性好、质量轻等诸多优点,但力学性能差且表面易破损等方面的缺陷是影响其在建筑行业广泛使用的一大瓶颈问题。通过对建筑用真空绝热板重新进行结构设计,并引入表面强度高、耐久性好的GRC板,做成盒体作为支撑保护层,对其内部的真空绝热板起保护作用,使建筑用真空绝热板能够实现结构功能一体化的特点。综合真空绝热板在保温绝热方面的优势,进一步优化整体构件结构设计,使其达到最佳“热学与力学”配置,从而使真空绝热板在结构安全和节能环保两方面均能达到建筑保温材料的使用要求。

摘要：真空绝热板是真空保温材的一种,导热系数极低,隔声效果佳,且不含有任何ODS材料,具有环保和高效节能的特性,但力学性能的不足限制了其在建筑保温方面的应用。现代建筑材料的2个关键特点及要求是安全可靠和节能环保,要同时满足这2个要求必然涉及到节能建筑材料的结构和节能一体化设计。因此,提出了建筑用真空绝热板结构功能一体化设计的思想,以实现合理的结构设计和最大限度地发挥真空绝热板的性能特点。

真空绝热板绝热特性研究 第3篇

真空绝热板(Vacuum Insulation Panel,VIP)是一种超绝热保温材料,在其生产和应用过程中,不使用ODS物质,对环境无公害。

德国巴塞尔高校的能源研究部对VIP材料的环保问题作了专门的研究,这项研究依据Eco-indicator 99(环境指数方法),将VIP保温板与常用的隔热材料EPS进行了比较。其结果是:VIP保温板与EPS具有相近的、良好的环保性能[1]。导热系数能够达到4mW/(mK)以下,其厚度可以降低到传统保温材料的1/3,而热阻值能够提高5～8倍[2,3,4]。

国外对VIP的研究相对比较成熟,应用范围也比较广泛。现在美国密西根州的陶氏化学公司生产的真空绝热板已应用于美国明尼苏达州塞莫瑟虏辛斯公司、亚利桑那州ISC公司以及伊利诺斯州波利缶姆包装公司等公司的冷藏集装箱中。土耳其伊斯坦布尔阿塞利克公司和美国俄亥俄州诺考德公司的电冰箱以及德国下萨克森州的塞森真空绝热公司的冷冻车也都采用了这种芯层材料。应用VIP后节能效果非常显著,据陶氏化学公司称,将VIP用于电冰箱时可节能25%。国内对VIP的研究还处于刚刚起步阶段,现在已有多家公司生产,应用范围比较窄,主要集中于冰箱领域。

由于玻璃纤维具有导热系数低、耐腐蚀、阻燃、防虫等优势,本文以玻璃纤维芯材真空绝热板为研究对象,分析其绝热性能的影响因素,为提高VIP绝热性能提供重要参考。

1 真空绝热板的结构

真空绝热板主要由三部分组成,即芯材(Insulating material)、气体吸附材料(Getter)和隔气结构(Barrier)。

真空绝热板的基本结构如图1所示。

芯材的主要作用是:支撑,维持真空绝热板的固定形状;形成真空空腔,维系板内真空;阻热。隔气结构的主要作用是用来与外部大气环境隔离,形成绝热板内真空条件的腔壁。

气体吸附材料的主要作用是吸收板内的氮气、氧气、氢气、二氧化碳、水蒸气等气体,维持板内高真空。

2 真空绝热板的绝热机理

通过真空绝热板的总面积热流量qtot由辐射热qr、芯材的传导热qcd、板内残留气体的传导热qg及对流热qcv组成。由于研究对象为纤维状芯材,还必须加上一项由于以上4种方式相互耦合作用产生的热流qcoupling,总面积热流qtot可用文献[5]所述公式表示:

qtot=qr+qcd+qg+qcv+qcoupling (1)

根据傅里叶定律可以改写为:

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式中:λtot总面积导热系数;

λr辐射导热系数;

λcd芯材导热系数;

λg气体导热系数;

λcv气体的对流换热系数。

由于qcoupling的求解极其复杂,且对真空绝热板的传热特性影响不大,国内外研究中都不考虑这一项[6]。

VIP内的真空压力一般要求在1Pa以下,在此压力下可以消除多孔芯材内对流传热和绝大部分的气体导热,通过真空绝热板的热流主要是辐射热、固体构件导热以及残余气体导热。

3 真空绝热板绝热性能的影响因素

3.1 隔气结构的影响

隔气结构应具有如下特点:强度大,抗破坏,耐磨损;抗透气、透湿性能好;热封性能好;导热系数小;放气性能低;质轻、经济性好。

该实验使用的隔气结构是含有铝箔的多层复合材料,其结构如图2所示。

由于铝箔上面有许多孔隙,为了减少铝箔孔隙的透气透水性,使用多层铝箔粘合在一起。铝箔的导热系数高达225W/(mK),真空下玻璃纤维芯材的导热系数为0.004W/(mK)以下,相差好几个数量级,这会带来很大的热桥效应,如图3所示。

一部分热流不穿过真空绝热板芯材部分,而是沿着隔气结构直接传递,大大影响了VIP的整体绝热性能。为了降低热桥效应,在保证隔气结构性能的前提下应尽量降低膜本身的导热系数。

3.2 板内残留水分的影响

玻璃纤维中的水分通常以三种形态存在:(1)一部分为纤维管径中的自由水;(2)一部分为纤维表面及内部的吸附水;(3)极少部分为化学结合水。在相同的真空压力下,VIP的导热系数随含水量的增加而升高。

不同真空压力与含水量下VIP导热系数λ如图4所示。

温度压力相同条件下,气态水的自由分子导热系数约为氮气的1.6倍,氧气的1.7倍。而液态水的导热系数约为氮气的1500倍、玻璃纤维的40倍。因而水分的存在会增大VIP的导热系数。

水分的影响不仅仅在于自身导热系数大,还会导致板内压力升高。因为真空绝热板封装之后,部分吸附力较强的吸附水在高真空条件下会慢慢气化成水蒸气,从而影响绝热效果。因此在真空绝热板生产封装之前必须对芯材进行预热干燥。

3.3 芯材管径及板内真空压力的影响

当板内真空压力小到一定数值时,单位体积内的气体分子数目将变得非常稀少,分子的平均自由行程lmean将大于芯材平均孔径δ,由稀薄气体理论[7]知,此时气体分子之间相互碰撞的概率极低,几乎不再有能量的传递,因此对流热传导项λcv不予考虑。此时式(2)可简化为:

λtot=λr+λcd+λg (3)

气体在多孔介质中的导热系数可用文献[4]所述公式描述,即:

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其中,undefined。由气体分子动力学理论[4]知:undefined。

式中:λg,0标准状况下空气的导热系数;

β描述气体分子撞击芯材时能量传递值大小的一个常数[8],其值介于1.5～2.0,大小取决于气体种类、芯材及温度;

kn克努曾系数;

lmean气体分子自由行程;

δ玻璃纤维芯材平均孔径;

kB玻尔兹曼常数,kB=1.3810-23 J/K;

T气体热力学温度;

dg气体分子直径;

pg气体压力。

真空绝热板内气体的导热系数λg为:

undefined

其中,undefined。

从式(5)可以看出,当气体组分与温度恒定时,气体的导热系数取决于玻璃纤维管径大小及内部压力。

图5所示为温度300K条件下,空气导热系数随玻璃纤维管径及真空压力变化曲线图。

从图5可以直观看出:当玻璃纤维管径一定时,气体的导热系数随压力降低而减小;当压力一定时,气体的导热系数随玻璃纤维管径的减小而减小。

图6所示为玻璃纤维芯材放大40倍云图。由于玻璃纤维芯材直径及分布不是完全均匀的,导热系数的实测值会比理论值偏大。

因此,在玻璃纤维芯材生产中应该提高生产工艺来降低其管径。当芯材管径较小时,在压力相对较高的条件下就可以达到性能要求。板内压力升高可以有效降低板内外压差、减小隔气结构的受力;还能降低气体向内渗透的驱动力、减少外部气体渗透。因此选用小管径的玻璃纤维芯材能降低对真空泵极限压力的要求,且能大大延长真空绝热板的使用寿命。

3.4 填充气体的影响

在低温工程中,很多情况下使用稀有气体置换空气来达到高绝热目的[9]。在0℃的条件下,λHe=13.12mW/(mK),λNe=46.4mW/(mK),λAr=16.39mW/(mK),λKr=8.78mW/(mK)。该研究采用导热系数小的氪来填充置换玻璃纤维内部的空气。

图7所示为温度300K条件下,氪导热系数随玻璃纤维管径与真空压力变化曲线图。

对比图5与图7,可以明显看出,相同条件下,氪导热系数约为空气的1/2。由气体动理论[7]可知,由于多原子分子自身旋转与振动会大大加剧热量的传递,而空气的主要成分氮气与氧气都是多原子分子。因此可以在真空绝热板内用导热系数小的单原子分子置换空气来提高板内压力降低板子内外压差。

3.5 添加金属粉末的影响

大多数的多孔介质不能完全挡住红外辐射电波,为有效地降低真空多孔介质中的辐射传热,一般采用添加一些金属粉末或薄片以散射、反射和吸收红外辐射电波,来减少辐射传热。

不同的金属粉末添加剂,其绝热效果是不同的。同种添加剂随着其数量改变而绝热性能也发生改变,一般成U形曲线变化。当金属粉末含量减少时,辐射热流增大,而金属粉末含量增加时,固体导热增加,同样存在一个最佳含量问题。一般添加金属粉末的质量分数20%～30%为宜[9]。

3.6 干燥吸气剂的影响

干燥吸气剂的作用极其重要,VIP的绝热性好是因其具有很高的真空度。但是在抽真空后密封时,会有少量空气进入板子中;VIP在使用过程中,也会有少量气体透过隔气结构或热封口进入其中;另外,VIP的芯材及隔气结构在使用过程中也会由于老化释放出一些气体。这些气体包括氮气、氧气、二氧化碳和水蒸气等。所以要保持VIP内较高的真空度,必须使用特殊性能的干燥吸气剂吸附这些气体。

由于吸附剂具有高度的选择性,因此,在选择吸气剂的类型时,应根据芯材及隔气结构类型,对真空板内可能出现的气体进行较为准确的分析预测。同时,根据真空板内气体的可能数量及对真空板的预期使用寿命,确定吸气剂及干燥剂的用量。此外,对于大部分吸气剂,在吸收了水汽后,其吸气性能将受到严重影响,因此在吸气剂与干燥剂的布置上应遵循“先干燥,后吸气”的原则,以最大程度发挥干燥吸气剂的效能[10]。

4 结论

真空绝热技术为真空绝热板的可靠耐用性提供了良好的技术保证。虽然真空绝热板的产生与发展已经有了三十多年的历史,但其真正兴起并应用只不过十多年,因此应总结和借鉴国外成熟技术并积极进行自我研究,提高其绝热性能与使用寿命等指标,扩大其在中国国民经济各个领域内的应用范围。

通过以上分析可知,为了得到性能更加优异的真空绝热板,今后研究的重点如下:

(1)提高隔气结构性能,降低膜的导热系数。

(2)减少板内残留水分。

(3)降低玻璃纤维芯材管径及对抽真空设备的要求,适当提高板内压力,减少隔气结构的受力。

(4)填充一定量导热系数低的气体。

(5)填充适量的金属粉末,以降低辐射传热。

(6)在板内放置干燥吸气剂,吸收芯材与隔气结构释放出的气体以及通过隔气结构与热封口渗入的少量空气。

参考文献

[1]于晓,周爱军.VIP真空保温板[J].新型建筑材料,2006,(11):33-35.

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[8]王欲知,陈旭.真空技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[9]徐烈,等.低温真空技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

低温保冷绝热材料生产工艺 第4篇

针对现有低温保冷绝热材料生产技术、生产设备及生产工艺的不足, 我们提供一种工艺设计简单科学、实用性强、节能环保、成本低、工艺效果好、产品质量高的低温保冷绝热材料生产工艺。该工艺包括以下步骤:

1、选取矿砂:将精选的珍珠岩矿石经破碎、筛分工艺后, 得到适合生产低温保冷绝热材料的矿砂;

2、矿砂预热:启动预热炉, 点燃预热炉燃烧器, 待预热炉炉内温度达到预热投料温度时, 将矿砂投入到预热炉中进行预热。

3、矿砂膨胀:启动膨胀炉, 点燃膨胀炉燃烧器, 待膨胀炉炉内温度达到膨胀温度时, 将预热后的矿砂投入到膨胀炉中进行膨胀, 得到珠光砂;

4、珠光砂憎水处理:将珠光砂送入旋风下料分离器中进行分离, 并将憎水剂喷涂到珠光砂表面, 利用珠光砂出料的余热对珠光砂进行憎水处理, 得到低温保冷绝热材料。

针对现有技术, 该工艺具有以下优点:

1、在生产出料过程中, 利用膨胀后珠光砂的余热将高效憎水剂喷涂在珠光砂颗粒表面使其固化, 形成防护膜, 既能得到较好的憎水效果, 又能增加颗粒的强度, 也能节省能源, 并能提高材料的长期保冷效果;

2、生产过程采用微机全自动数字化控制, 彻底改变了现有设备靠手动操作、凭经验控制的状况, 保证了生产过程各项指标和参数在精确操作下达到最佳状态, 保证了产品质量的稳定性;

3、在生产中, 采用清洁能源天然气为燃料进行焙烧, 并用微机自动化控制和监测整个生产过程, 有效避免了用煤粉等作为燃烧焙烧保冷材料易出现过多杂质的问题, 提高了产品的质量, 解决了生产中气体排放对环境造成污染的问题;

4、在全套生产设备的设计及生产过程中安装了配套完善的除尘系统, 有效解决了环保问题;

5、该生产工艺采用微机全自动化数字控制的生产系统, 可根据工艺需要随时调整生产参数, 使生产工艺处于最佳状态;该工艺生产全过程清洁、环保、节能, 尤其是独特的憎水处理技术, 巧妙结合了生产过程中产生的高温, 增加了低温保冷绝热材料的憎水性和坚硬强度。

联系人:周伟

地址:河南省信阳市上天梯恒源矿业有限公司

低温绝热气瓶定期检验与返修 第5篇

低温绝热气瓶分工业气体、液化天然气和汽车用液化天然气气瓶, 它作为移动式压力容器广泛地应用在生物、医药、化工、机械、冶金和科研等众多领域。作为运输、储存低温液化气体的专用设备, 将逐步替换第一代永久气体气瓶。如:一只低温绝热气瓶可替代30多只高压 (16MPa) 气瓶使用, 这种低温绝热气瓶可用其盛装气体或液体, 依据工艺要求, 可在低压、高压或超高压下使用, 随着低温绝热气瓶数量的迅速增加, 按照《气瓶安全监察规程》和《特种设备安全监察条例》, 低温绝热气瓶必须每3年检验一次, 由于低温绝热气瓶超过规定的3年检验周期后, 未得到有效的检验, 部分地区已发生低温绝热气瓶爆炸事故, 因此, 目前使用的超期低温绝热气瓶存在着较大安全隐患。

二、低温绝热气瓶检验流程 (图1)

(1) 由于都是使用3年以上的低温绝热气瓶, 以前没有定期检验的部门从事这项工作, 所以一般资料很少, 甚至没有, 只有铭牌上注明的原始数据, 低温绝热气瓶上的安全附件, 大部分已损坏和校验超期, 如全部更换安全附件, 要超过检验费用, 因为低温绝热气瓶上的安全附件基本上全部是进口件, 所以要双方共同确认受检低温气瓶的情况。

(2) 低温绝热气瓶盛装的介质是易燃、易爆或助燃的, 必须要置换干净, 测爆合格, 对气瓶温度仍在-10℃以下的, 必须加热至常温状态下才能转入下一道工序检验。

(3) 低温绝热气瓶夹层真空度, 是绝热的主要手段, 也是保障节能, 安全可靠的主要指标, 一般低温绝热气瓶出厂2年左右就会出现绝热性能急剧下降, 从而导致由于低温液化气体损耗大幅增加, 防爆片破裂, 安全阀开启。有的个体户, 用木针塞住安全阀和防爆片的入口, 还有的个体户, 采用直接焊死夹层真空度抽测接口, 这些都是导致低温绝热气瓶爆炸的主要因素。90%以上的低温绝热气瓶, 是由于绝热真空度不能达到规定要求, 而进行抽真空返修的。

经过两年多的探索、试验, 在正常使用情况下, 要使低温绝热气瓶真空度保持3年, 目前掌握了一点门道:抽真空前, 在夹层内, 放入两小包晶粒状的吸附剂, 使之在抽真空后投用时, 在低温的激发下, 吸附剂能吸附在夹层内的残余气体, 保障真空度长久。抽真空加热内胆时, 温度必须控制在320℃左右, 并采用惰性气体多次地充赶, 把气体从气瓶夹层的晶间赶出来抽走, 直至真空度合格, 再封口。

(4) 对检验流程中的称重, 拆卸安全附件修理校验, 低温气瓶的内外表面检查, 安全附件组装, 低温气瓶的气密性试验, 出具报告这些流程内容, 都要严格按照低温绝热气瓶定期检验工艺的要求去做。

三、静态蒸发率检测

低温绝热气瓶蒸发率是衡量低温绝热气瓶节能和安全的重要指标, 对于静态蒸发率检测不合格的低温绝热气瓶必须维修, 直至再检测合格, 否则报废。按GB/T 5458《液氮生物容器》标准检测平均静态蒸发率, 应逐只进行检测, 并符合表1规定。静态蒸发率αn计算公式见式1。

式中G1是被测气瓶重量, 被测瓶静置48h后, 记录G2的重量, 以及日期、时间、温度。式中V是有效容积升, T是环境温度。n取1, 2, 3, 至5天后测试计算平均日蒸发率 (式2) , 看计算数据是否符合表1的要求。

在低温绝热气瓶的检测中总结出, 夹层真空度在符合规定的情况下, 静态蒸发率检测, 一般都是合格的。

四、加强监管

低温绝热气瓶的定期检验, 国家还没有针对低温绝热气瓶的检验评定标准和安全技术规范。低温绝热气瓶定期检验工艺还要不断完善, 检验工艺要不断总结, 形成更加严格、科学合理的检验方案。目前, 要加强与各地区的技术监督局特种设备安全监察处的沟通与合作, 把好低温绝热气瓶的安全关。还要加强各地区气体充装站或公司的联系与沟通, 及时了解检验后低温绝热气瓶的运行情况, 要进行及时有效的回访, 使得低温绝热气瓶在检验后, 能安全可靠地投入使用。

摘要：超过规定检验周期 (3年) 的低温绝热气瓶, 未得到有效检验, 部分地区已发生气瓶爆炸事故。取得国家质量监督检验检疫总局颁发的PD5资质的企业, 才能对外进行低温绝热气瓶的定期检验。

田湾核电站绝热工程应用分析 第6篇

田湾核电站一期绝热工程是由俄罗斯圣彼得堡原子能研究设计院 (简称SPAEP) 、俄罗斯OKB水压机设计院 (简称OKB) 等进行设计的;中核工业第二研究设计院、国家电力公司东北电力设计院参与了部分设计工作。其范围包括每台机组的核岛部分和常规岛部分中所有厂房需要绝热的系统管道与设备。核岛部分设计要求绝热的有43个工艺系统, 其反应堆厂房内的一回路主管道与主设备的保温盒由俄罗斯承包商负责设计与制造;常规岛部分设计绝热的工艺系统共有38个, 其中, 汽轮机本机的保温结构是由俄罗斯列宁格勒金属制造股份有限公司 (简称LMZ) 进行设计的。因此, 每台机组共有八十余个工艺系统的管道与设备进行了绝热结构的设计与安装。

绝热结构设计可分为保温结构和保冷结构设计两部分。每台机组设计要求绝热的大部分工艺系统管道与设备采用的保温结构, 它是由保温层和保护层为主要结构, 与其支承、固定的辅助材料形成统一的表面保护实体, 保温层是由具有较小导热系数、容重等绝热特性的材料组成;保护层是利用保护材料的强度、韧性和致密性等特点, 保护保温层免受外力和水汽的侵袭, 达到延长保温层的使用年限的目的, 并且作为表面工程的一个组成部分, 使整体保温结构不仅具有绝热的功效, 其外表面还具有整洁、美观大方的装饰作用。

保冷结构是由保冷层、密封防潮层、保护层组成的绝热结构形式。其作用是为了减少和控制冷量损失与防止外表面凝露。密封防潮层是一层搭接适度, 厚薄均匀, 完整严密, 无气孔、无鼓泡、无开裂等缺陷的, 具有阻燃、防水、防蒸汽渗透及抗老化性能材料构成的严密实物层;它是决定保冷层绝热效果是否良好的重要一层。保冷结构的其它结构层与保温结构的基本相同, 但随着新型材料的应用, 保冷结构也从传统的结构形式, 向简易化转变。

2 绝热结构设计的基本原则

就设计绝热结构的基本原则而言, 中、俄两国的规范标准大同小异。俄罗斯SPAEP根据《核动力装置的设置和设备及管道的安全运行规程》 (ПНАЭГ-7-008-89) 和《热电站与核电站管道和设备保温设计标准》 (HP34-70-118-87) 中的有关要求为基准。从温度角度对设计保温结构进行了主要规定:新建、扩建和改建的核电站设备与管道的介质温度从45℃~500℃, 热电站从45℃~650℃都必须进行保温设计。在操作间或接近性受限制房间内, 保温结构外表面温度不得超过45℃;在接近性受限制的房间内和室外, 介质温度高于60℃的必须设计保温层, 并且保温层外表面不得超过60℃。这与中国的保温结构设计基本原则相比较只是保温设计要求的起点温度不同而矣, 其它的技术要求 (如防烫伤温度、外表热流密度标准、环境参考基准温度等) 都相一致。设计保冷结构的基本原则, 二者是相同的。

3 绝热材料的分析

一期两台机组选用的绝热材料按产地可分为两大类, 一部分为俄供保温材料, 包括俄供可拆卸保温盒、俄供褥状超细玻璃丝棉缝毡、俄供褥状玄武岩棉缝毡, 主要应用于反应堆厂房、蒸汽间、汽轮机本机;另一部分为国内保温材料, 包括褥状超细玻璃丝棉缝毡、超轻硅酸铝甩丝棉毯与发泡橡塑管壳 (或板材) , 主要用于除俄供保温材料应用以外的其他核岛和常规岛厂房内需要绝热的工艺系统管道与设备。

在机组控制区内, 俄方在保温层选材时, 考虑到材料在具有不同放射性运行条件下的长期使用, 防止污染扩散, 保温层的重复拆装快捷, 避免人员受照时间过长等使用特性。根据此特性原则的要求, 对控制区内的保温层材料采用一种外裹玻璃布的褥状超细保温棉缝合毡产品, 即在每块保温棉毯的四周各个侧面用具有一定致密性和强度的玻璃丝布严密包裹起来, 再用规定的玻璃纤维缝纫线缝合。保温棉毯材料外裹玻璃丝布的设置是绝热结构中保证保温层完整性、保温性、独立保护性和防止放射性污染扩散的关键性一道屏障。

3.1 俄供保温材料应用中的问题分析

在机组控制区厂房内工艺系统管道与设备的保温维修过程中, 我们发现诸多俄供保温材料自身问题而引起的施工技术难点。

原俄供褥状保温棉毡厚度不足, 安装压缩比较大。在实际现场施工过程中, 因俄供材料的实物厚度与其随箱资料标定的厚度有很大差距, 如合格证上标明为70mm厚的材料, 现场实际测量厚度只有30mm~40mm。为了保证原设计的保温安装厚度要求, 不得不反复的确认保温材料的规格而选用。

俄供棉毯 (KT-11) 中渣球含量偏高, 棉丝粗细不均, 易断裂。从丝棉外观上比较, 俄供棉毯的渣球含量明显比国内同类的材料含量多;棉纤维丝粗细不均, 短粗硬脆, 极易造成保温棉松散下坠, 直接影响保温效果和后续维修工作。

外裹玻璃纤维布的线密度较稀, 经安装后易漏棉脱丝掉渣。纤维棉经捆扎压缩后产生的脱丝断渣, 拆卸保温层后易形成粉尘, 污染环境;人员进入厂房也会受到相应的伤害。这种材料应用于机组的高放射性反应堆厂房内, 运行后的在役检查和维修时, 给拆装保温层的维修人员带来了极大不便。

3.2 国内保温材料的技术特性

在机组运行后的维修过程中, 考虑到俄供保温材料的采购周期过长、成本过高的等因素, 在2007年我们实施了国产保温棉替代工作。对于替代工作, 俄方提出了高度的质疑, 因俄供保温材料虽然存在着诸多不足, 可俄方同类材料在俄国内核电站已有运行几十年的使用经验, 而中方的部分材料在核电站的应用仍需经受运行后实际工况条件的验证。

考虑到国内保温棉制品均没有在核设施应用40年而确保材料稳定的经验, 我们委托设计院采用保守的设计原则, 在各项技术指标均接近或率高于俄供材料的基础上选择国产保温棉制品。经过多方调研、对比、分析, 最终选定以欧文斯的玻璃棉, 配合中材集团的高强度玻璃丝布, 替代俄供控制区保温层材料。经3年的实际应用, 此种保温材料制品不仅具备了俄供保温层材料的各项优点, 同时达到了我们预期替代的目的, 完全满足维修工作的需求。

4 绝热结构的应用分析

按照俄罗斯《热电站与核电站管道和设备保温设计标准》 (HP34-70-118-87) 中的绝热结构总体要求及其特殊规定。在非操作间内, 设备与管道外壁上的绝热层允许采用永久性保温结构。而在主循环管道与设备上其全部长度范围内和其它在役检查时需要进行检测的地方, 绝热层都要求做成快速可拆卸式的保温结构。

由于绝热结构是由不同的绝热材料和施工方法组合在一起的设计结构。现根据绝热层与保护层的不同材料与组合形式, 分析一期两台机组中设计应用的几种绝热结构类型。

4.1 俄供双壁保温盒式结构

田湾核电站两台机组反应堆厂房中的一回路主要设备与主管道的保温结构设计和国内其他核电站反应堆内主设备的保温结构基本相同, 俄方OKB在设计时综合考虑了反应堆核能热效率、核安全、工业安全、在役检查与维修等多方面的因素, 选用了国际上较为先进的保温结构形式--双壁可拆装式保温盒结构。

田湾核电站两台机组一回路四台蒸汽发生器、四台主循环泵、四环路主管道、一台稳压器及其主要连接管道、四台安注箱及其主要连接管道, 每台机组共有3523平方米的面积采用此类保温结构形式。

4.1.1 保温盒结构特点分析

快速可拆装保温盒是由多块具有保温层、不锈钢刺钉、内设密封不锈钢保护层、不锈钢外保护层、标牌、搭扣和把手等组成可重复拆装的保温结构形式。其保温结构设计特点如下:

●保温效果好、外形美观

采用不同厚度不锈钢保护层制作的密封结构保温盒, 最大限度地降低了金属保护层引起的自身热损失, 用鱼鳞状组合安装成型, 增强了设备整体保温盒的保温效果, 提高了设备的热效率。也使其整体外形圆滑美观大方。

●维修检查拆卸方便, 可多次重复使用

因保温盒的组合结构是经特殊工艺与材料制作的具有相对独立的多块拼装形成的绝热结构。可快速密封搭接组合, 方便装配, 易于拆卸, 并且可多次重复拆装使用, 设计寿命长达40年。机组运行维修期间, 在役检查和维修拆装都很方便。

●安装便捷、周期短、综合经济效益好

保温盒方便简易的快速搭接组装, 缩短了维修时间, 节约了设备大修时间, 相对延长了设备正常运转发电周期, 提高了设备的运转效率, 增加了每一次大修循环周期内的机组发电量, 直接提高了机组的经济效益。另外, 传统保温结构使用的保温材料, 每次拆除时, 有部分原保温材料不能再利用, 造成材料浪费;而快速搭接保温盒拆装时, 只是每块连接部位的组合与分离, 保温材料可以重复利用, 提高了材料的利用率, 节约了材料, 减少了放射性废物垃圾的产生, 节省了每次维修的成本, 相应地提高了机组的经济效益。

●改善了维修环境和设备卫生

在每次大修时, 反应堆厂房内的传统保温层材料受安装压缩或人为因素破坏后, 产生的带有一定放射性的粉尘, 在拆装过程中会对设备与空间环境造成不同程度的污染。致使维修人员因辐射剂量和维修时间的限制, 影响大修期。而采用快速可拆卸保温盒, 使整体保温材料处于一定的密闭空间内, 避免了放射性粉尘对设备和空间环境的污染。

4.1.2 保温盒结构实际应用中的不足

尽管双壁保温盒结构有上述较多的优越性, 但由于原始设计对后续维修工作考虑的不足, 造成在历次大修中对维修及在役检查工作中, 对保温盒的反复拆装带来很大的不便。其主要因素如下:

●保温盒单块体积太大

主设备俄供双壁可拆卸式保温盒在原始设计和制作过程中未满足国内单块小于25公斤/块的要求, 单块体积过大并较为笨重, 给后续维修拆装工作造成很大的不便。不仅要投入相当多的人力, 而且保温盒本体在拆装运输过程中极易变形、损坏, 致使热量从拼接缝处泄露, 直接影响了机组的安全运行。

●保温盒制作结构单一

主设备俄供双壁可拆卸式保温盒在原制作阶段, 全部采用传统的顺水搭接模式, 致使设备保温盒整体结构环环相扣, 取一块必动全身, 未考虑后续在役检查工作的需求。即便是只检测一条焊缝, 也必须将设备本体保温盒拆除70%以上, 增大了维修工作量。

●对不可达死角的控制较为薄弱

双壁可拆卸式保温盒采用金属拼接的链接模式, 对设备不可达死角处的处理较为薄弱。原设计未考虑添加附属配件设施, 对不规则死角区域进行防堵, 造成热量扩散。

4.2 抹面层绝热结构

根据俄方设计文件PROJECT№ЭЛ55《Thermaqustic insulation of steam turbine》K-1000-60/3000中的规定, 每台机组常规岛汽轮机本体及其管道和附件均采用胶泥抹面保护层结构进行保温。

4.2.1 抹面层保温结构技术指标介绍

为了满足汽轮机本体运行时的升温与降温速度、热量利用效率、振动等运行工艺的要求, 汽轮机本体的保温结构, 俄方LMZ设计采用了传统的保温结构方式:保温层+抹面层+玻璃丝布油漆。保温层材料有俄供褥状玄武岩棉缝毡;抹面材料及其它辅助材料。国内抹面材料的技术特性如下:抹面层干密度容重不大于280kg/m3, 在25℃时导热系数为0.0691W/mk, 在70℃时为0.080W/mk;PH值为7~11, 体积收缩率7.1%, 最高使用温度为600℃。封闭油漆为WE61-400耐高温防腐涂料, 最高使用温度为400℃, 可适用于冷热交替运行工况。

4.2.2 抹面保护层的作用分析

密封绝热作用。与其它保温结构相比较, 抹面施工时, 涂抹的灰浆能把棉毯的缝隙与孔洞填充, 紧贴着主保温层的材料, 形成一层较为致密的保护层, 增强了保温结构的密封绝热效果。

改善绝热层的表面条件。由于俄设计的汽轮机 (K-1000-60/3000) 的高、低压缸及其阀门的整体部件比较庞大, 其外表面存在着不同程度的凸凹不平, 影响着保温结构的外观。利用抹面灰浆的可塑性材料, 通过抹面的找平与找圆工艺把保温结构与基体紧密结合在一起, 使阀门与设备的保温结构表面圆滑平整, 光洁匀称, 外观保持一致性。

提高绝热结构的防水性。因抹面层的干密度比保温棉毯的密度大得多, 结构比较致密, 多采用灰浆 (粘结剂) 胶结材料, 与其外裹油漆玻璃丝布共同形成复合保护层, 大大提高了保温结构的防水、防潮能力。

提高绝热层的表面强度。由于抹面层中含有纤维增强材料和不锈钢丝网作骨架, 其表面强度较高, 能够抵抗一般情况下的外力撞击和荷重能力。

施工适应性较强。抹面保护层的施工, 不受设备与管道所在位置和表面形状的限制, 对主保温层的表面条件要求较低。具有广泛的施工适应性。

抹面层结构存在的不足。施工时手工操作, 材料损耗较大, 劳动强度大, 工作效率低, 厚度不均且较难控制, 施工质量受时间、人为因素制约较大。而且设备在热态与冷态转变情况下, 以及较大振动等长期运行工况下, 抹面层不可避免地会出现裂缝, 致使失去保护作用, 影响保温结构的整体绝热功效。

4.3 捆扎式结构

捆扎式绝热结构是目前绝热工程中使用最普遍的一种绝热结构, 也是田湾核电站机组中应用最多、最广的一种绝热结构形式。由于设计选用保温材料的因素, 每台机组八十余个工艺系统的管道与设备, 都采用了这种绝热结构方式。其绝热层主要依靠不锈钢带或其它金属材料 (如不锈钢丝、镀锌铁丝) 捆扎固定的工艺结构。

5 技术改造分析

依据俄方原始设计在役检查大纲要求, 每台机组核岛部分, 需要在役检查的有36个系统。据初步统计, 可拆卸式保温盒共有7649组, 辅助设备有65台。按照俄罗斯SPAEP的保温设计文件, 要求在役检查的工艺系统管道与设备焊缝处的保温结构没有设计成单壁、双壁保温盒式的快速可拆卸结构形式, 只是对在役检查工艺系统管道焊缝处进行了传统的可拆卸式保温结构设计, 这些系统中的管道及65台役检辅助设备仍为传统固定式保温结构形式。为此, 我们结合国内其他核电站的实践经验, 组织设计院编制了可拆卸保温盒制作和安装技术要求、保温结构典型图、保温材料技术要求、可拆卸保温盒热失量分析等一套较为完整的、可操作的设计技术文件。并从T101大修开始, 分批次进行改造。

参照国内其他核电站的可拆卸保温盒的设计、制作、安装情况, 结合田湾核电站的实际工艺要求, 在施工现场制作与安装可拆卸保温盒具有以下特点。

在役检查系统多, 保温盒品种多样化。每台机组核岛部分共有36个保温在役检查系统, 工艺系统的管道附件如阀门、弯头、三通、大小头等要求役检和维修的数量是国内其他核电站的几倍。根据不同工艺系统管道中的介质温度不同, 要求保温盒的厚度大小也不相同, 这样使得保温盒的形状大小出现了多样化。

现场系统管道布局复杂, 实测、制图工作量大。由于核岛内各个厂房的管道布局多种多样, 有些管道布局非常紧凑, 可实测操作空间比较狭窄, 受障碍物的限制, 实际测量的准确性与速度都要受到影响。在每个可拆卸保温盒进行安装组对时, 根据现场实际条件有部分保温盒一个还要拆分为若干瓣, 这更增大了实测制图和预制的复杂性。

双壁保温盒结构制作技术含量较高, 预制工艺复杂。每个保温盒的制作, 首先要进行预制图的绘制工作 (包括现场实地测量尺寸、绘制草图、复核修改尺寸大小、绘制预制加工图) ;然后制作安装保温盒 (包括按加工图预制、内外壁成型、现场试装与修改、合格后整体成型、现场整体试装与修改、贮存与安装) , 因此需要一批熟悉机械制图的, 具有现场实测经验与快速绘制能力的专业技术人员进行前期准备工作。

制作保温盒所需设备、工机具。根据初步统计的《可拆卸保温盒制作需要设备、工机具清单》的数据, 需要折弯机、卷扳机、剪扳机、锯齿机、冲剪机、电焊机等16种设备100余台。并相应要求配置一般性工具26种。

6 结论

结合俄中两国的保温材料在机组中的使用情况, 分析其设计结构与使用特点。充分考虑机组运行后各项工作的方便开展, 进一步优化电厂保温工作的结构, 从而提升保温工作的管理, 为以后国内建设国产化核电站提供一些使用经验素材。

参考文献

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第五能源:绝热与节能相辅相承 第7篇

“第五能源”实现节能环保

在面临着逐渐枯竭的一次性能源和将要更大付出的去开发再生能源之际, “第五能源”的提出包括着既节能又环保的双重含义。

其实绝热材料与绝热工程是早已运用在节能范畴之中并与人类生存与发展息息相关。从最早的窑洞到住宅的隔热保温, 先是用增加建筑墙体的厚度等方法, 到如今采用越来越多品种的绝热材料以达到“冬暖夏凉”的“窑洞效应”。而工业的发展则更是与绝热密切相关。在这个漫长的演变与发展过程中, 能源的枯竭现实, 环境保护的要求, 使建筑与工业领域中对绝热材料与绝热工程的需求越来越突出。这个突出点将推动着绝热材料与绝热工程正视自身的变革, 在变革中提升自身的价值与作用, 这也正是“第五能源”提出的科学依据。

从科学定义来说, 节能应该是在满足人们需求的前提下, 尽量减少对能源的消耗量。绝热是为了节能。绝热是一个系统工程, 它不仅包括着绝热材料的开发, 而且包括着与绝热材料有着同样重要性的工程质量的规范化。它的系统要求应该抓住四大要素:节能与环保兼备、用量省寿命长、质高价廉实用、功能齐全以共同构成合理的绝热结构, 形成以节能为目标, 科学发展为基础, 质量为中心, 实现经济与社会的双效应。

绝热实际上是一个以围材、衬材与隔材的形式, 运用其对热流具有显著阻抗性, 最大限度的减少能量损失, 以提高能量利用率为目的的功能性材料与工程。

绝热与节能是一种相辅相承的辨证关系。绝热质量的好坏直接关系到节能的效果。从现有的绝热所取得效果看, 有一个简要归纳的数据说明, 到2020年我国的能耗将达10.89亿吨标煤, 相当于10个三峡电站满负荷运力, 但如果采取节能措施, 到2020年建筑能耗可减少3.35亿吨标煤, 空调减少8000亿KWh, 相当于减少投资6000亿元, 而且同时大大减少了CO2的排放, 推动环境友好型社会的建设。

绝热材料现状堪忧

笔者认为绝热现状堪忧的重要原因有三:一是因忧患意识差, 所以认识跟不上, 大到国家, 小到企业、个人都处在说得多, 做得少的阶段。二是缺乏科学发展观, 导致绝热领域里良莠不分, 甚至是非不分。三是缺乏群众路线、群众基础。上 (指国家、政策) 下 (指全民意识、科研和产业链) 脱节。在这个范畴内形成了一个空白区。

绝热材料按其应用范围分建筑业用与工业用两大领域。建筑上的隔热保温材料又分为有机质材料与无机质材料两大类。有机质材料是以石油副产品聚苯类为代表的板型品种, 已被广泛使用多年。工艺成熟、质轻、隔热保温效果好, 且易于施工。但也显示出其致命的缺陷, 即使用寿命短、有燃烧性。能释放有害气体并随其衰变过程逐渐失去隔热保温功能, 并很难降解, 现已被先进国家列入淘汰之中。而在这一应用过程中 (先进国家先用, 后引进国内, 现在先进国家已将其列入淘汰中, 而国内却在大量应用中) , 我们处于这种可悲的局面 (火灾引起的伤亡, 对生态环境的破坏并未引起国人的醒悟) , 而无机质材料则以无机纤维棉类及新兴的膨胀玻化微珠复合材料为代表, 正以其寿命长 (可与建筑物同寿命) 、不燃 (防火A级) 、环保 (全过程中无“三废”) 等优势崛起, 但因其工艺尚有缺陷, (如无板形品种及施工质量的规范化等) 而处于弱势。

1986年联合国世界环境和发展大会提出人类社会持续发展的概念。即:发展不仅是满足当代人的需要, 还应照顾和不损害后代人的需要。而我国对绿色建材的要求则是:“尽量用工业废料、废渣、废液, 采取低能耗、无污染的工艺和技术, 制作过程不用有害、有毒物质, 并能再生利用, 能自然降解, 对环境无害, 尽量做到是多功能产品。”这些都是对建筑用隔热保温材料生产与使用的基本要求。而有机质材料 (也有部分单一制成的无机质材料, 如岩棉、矿棉、玻璃棉制品使人体在接触中产生过敏, 造成奇痒等副作用) 与上述要求不相符的, 必须引起足够重视。

正在崛起的新型无机质保温隔热墙体材料是在符合联合国及我国对建筑用隔热保温材料的要求中发展起来的, 是真正需要支持的国货, 而且它同时证实了国际能源结构能效专家保罗魏德所说:“在解决未来能源需求方面, 即使是简单的节能措施, 其效果也超过各种替代能源方案。”这种新材料正是以它从选材、制作到应用全方位的优势取得了国内外专家的赞同。

试想, 仅这一措施的实施, 就能达到“窑洞效应”, 克服“热岛效应”, 减少CO2的排放, 而且优先减少了建筑本体能耗, 在技术政策导向上, 减少了建筑本体能源消耗 (被动式技术) 并放在了比提高发电效率, 供热效率、制冷效率 (即主动式技术) 等更优先的位置上, 真可谓是低投入高收益的良好结局。节能的功能远远超过了能源本身, 而造就出安全型、健康型、节能环保型的生态环境社会。

工业上的绝热材料基本上都是由无机质材料组成 (保冷则有相当多的采用着有机材料如聚氨酯泡沫等) , 主要用于火电系统、供热管网、石油化工、冶金等介质温度在-40℃+800℃间的管网和设备的绝热上, 不仅绝热而且有着直接保护人身 (防止烫伤) 和周围工作和生存环境的作用, 是绝对离不开的隔材、围材和衬材, 虽十分重要但却十分落后, 基本上还在沿用着传统的绝热材料, 产品生产工艺落后, 产品又多为松散无序单一材质的结构, 技术含量低、绝热效果差。使用有机材料 (如树脂) 作为粘合剂的产品, 在高温下会很快灰化、解体。 (这也是为什么每4年左右需要更换的主要原因) 。

其用传统方式生产的几种常用绝热材料的主要弱点包括:硅酸钙制品, 高温下收缩大, 在锅炉运行中其板与水冷壁脱开, 形成空气通道, 导致热损失加大, 启动过程中由于热胀冷缩而裂缝;岩 (矿) 棉用有机粘结剂成形, 在300℃350℃时分解, 导致结构松散, 解体脱落;玻璃棉:热稳定性差 (与岩棉比) 和岩 (矿) 棉一样对人体刺痒, 吸水变形, 并失去绝热功能;泡沫石棉则遇水浸后变硬变脆, 在使用过程中很快被压缩变薄变形。而用聚胺脂泡沫所作绝热 (介质温度在100℃以下) 与防腐剂结合对管道有腐蚀。

国家对工业绝热材料及其工程质量已有着较为系统和完整的规范和要求。各项考核指标已十分明确, 但由于长期管理制度松散, 对管理者缺乏严格的考核, 并与其责权利挂钩, 使绝热材料与绝热工程质量严重滞后, 不能达到节能要求, 导致热损失严重, 有的热能利用率低到30%左右。