1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.选题依据和背景

随着世界经济的发展，能源的短缺问题日显突出。进入21世纪来，我国的能源产业面临着严峻的挑战，能源短缺问题己经成为了我国国民经济发展中重要的制约因素，如何直接有效地提高能源利用率己经成为了一个不可忽视的问题。节能和环保是实现国家经济可持续发展的关键^[1]。节能被称为世界第五能源，提离保温技术水平是节约能源、提高经济效益的有效途径。管道作为五大运输方式之一，其在输送液体、气体物质等方面具有独到优势^[2]。管道运输在世界上被公认传输能力最为安全经济的方法，在供热管道输送热媒过程中，减少供热管线热损失是提高供热系统效率的关键因素之一。随着供热面积的不断增大，另外对于供热系统中的管道、设备等必须进行保温，所以研究供热系统中管道以及设备等的保温将具有重要意义^[3]。

2.国外对管道保温结构的研究现状

2.1填充式与诱灌式保温结构

热力管道保温技术的发展是随着管道保温材料的发展而发展的。20世纪30年代，前苏联最开始采用泥煤作为保温绝热材料，40年代则采用综灌混凝土作为直埋管线的保温材料。这也就是早期使用的填充式与诱灌式保温结构^[4]。在填充式保温结构中采用泥煤作为保温材料存在导热系数大、易燃以及随着管线长时间的运行其保湿性能逐渐下降等缺陷。而对于浇灌泡沫混凝土保温结构存在吸水率大等缺点，在管线长时间运行过程中易受环境中水分的侵蚀，导致保温管线热损失增大，同时易对工作钢管腐蚀，严重降低了管线的使用寿命。所以随着保温技术的发展这两种保温结构己很少在保温工程中应用。

2.2 真空保温结构

随着热力管道输送的热媒温度的提升和压力的增大，热力管道中采用真空保温技术是提高管道保温性能、保障热媒热力参数的新技术。1893年，英国学者杜瓦在低温容器的保温结构设计中采用真空保温技术使储存液态空气成为可能。随后，真空技术也逐渐引起人们的重视。二十世纪五十年代，真空保温技术开始在空间技术、低温液体的储存和运输等领域应用。1950年，Herrick L. Johnson将真空保温板应用于低温流体的保温中，并进行了试验。随后1969年Tautz A和Malina G将真空保温结构应用于热力管线保温中的可行性进行了研究^[16]。20世纪70年代德国等西方国家开始尝试在热力管线保温工程中采用真空保温技术，并对真空保温技术应用于热力管线保温工程所涉及的有关真空抽取、配套设施、保温性能及保温结构等问题进行研究探讨。很大程度上促进了真空保温技术在热力管线中的应用。1992年德国的ＦＷ－运行输送技术股份公司对不同结构参数以及不同真空度下的真空保温管产品进行了传热损失实验^[5]。这些对真空保温管传热性能的研究，使真空保温技术成功应用于热力管线保温工程中，并取得了良好的保温效果。

3.国内对管道保温结构的研究现状

20世纪50年代我国科研人员就开始应用填充矿渣棉以及预制泡沫混凝土瓦块来进行热力管线保温。但是，在实际工程应用中存在防水性差、使用寿命短、腐蚀严重等问题，严重影响了保温技术的推广应用^[6]。在20世纪80年代以后，通过引进国外先进的隔热保温技术和设备，供热管道保温技术得到了快速发展。这期间石油工业部管道勘察设计院对供热管网直埋的可行性进行了研究并且在工程实际中成功应用；天津大学研制出的”聚氯塑”预制保温管的成功应用有效提高了热力管线的保温性能。大连科华研制出多屏复合保温＋离心玻璃棉＋高反射材料的复合保温结构等^[7]。我国对于真空保温结构的研究起步较晚。2000年天津桑莱特节能材料有限公司从德国的ＦＷ－运行输送技术股份有限公司＂钢套外滑动－抽真空＂保温结构技术，并进行了传热性能的工程试验^[12]。2001年北京豪特耐集中供热设备有限公司与德国汉诺威工程咨询事务所签订保温技术协议，引进了钢外护管真空保温管的产品，并对钢外护管真空保温结构的传热特性进行了研究与实验^[8]。

4.国内外管道保温材料简述

随着工业的发展,为了节约能源,对各种热力管道及设备的保温材料及结构提出了更高的要求。目前,根据用途不同,采用的保温材料有聚氨酯泡沫塑料、玻璃棉、矿渣棉、珍珠岩制品等。在保温材料的生产、施工及防水措施等方面,我国普遍较国外落后^[9]。

注：t_p为管道内外表面的温度。

4.1硅酸铝纤维及制品

硅酸铝纤维是近几年来发展很快和应用很广的一种新型保温材料、鉴于硅酸铝纤维是以耐火材料为原料,人们通常称为耐火纤维,是一种具有绝热、耐火双功能的人造无机纤维材料^[13]。

4.2 岩棉、矿渣棉及其制品

矿渣棉是以工业矿渣如高炉矿渣、磷矿渣、粉煤灰等为主原料,经过重熔、纤维化而制成的一种无机质纤维。岩棉是以天然岩石如玄武岩、灰绿岩、安山岩等为基本原料,经融化、纤维化而制成的一种无机质纤维。

4.3 玻璃棉制品

玻璃棉广泛应用于国防、石油化工、建筑、冶金、冷藏、交通运输等工业部门,是各种管道、贮罐、锅炉、热交换器、风机和车船等工业设备，交通运输和各种建筑物的优良保温、绝热、隔冷、吸声材料^[13]。

4.4 耐火纤维制品

耐火纤维是由固态纤维和空气组成的混合结构,孔隙率达90%以上,大量空气充满于气孔中,并破坏了固态分子的连续网络结构,从而获得优良的保温性能,耐火纤维的导热系数接近于空气的导热系数。并且,气孔直径越小,沿热流方向由纤维分割成密闭状态的气孔数量越多,则纤维的保温性能越好。

4.5硅酸钙绝热制品

硅酸钙绝热制品作为一种硬质保温材料,虽然具有”性能优良、价格适中、外形美观、施工方便”等优点,但近几年来,硅酸钙绝热制品在实际使用中出现了一些问题,如破损率较高、使用后易碎、回收率低,有些产品经高温受热后,高温性能降低、产生裂缝、收缩变形等,使保温层表面温度过高,散热损失超标。

4.6 石棉绝热制品

在石棉制品中,性能较好,且使用广泛的是泡沫石棉。泡沫石棉是一种新型无机矿物纤维毡状绝热材料,它采用无尘毒污染的湿法工艺,用表面化学方法将石棉纤维制备成胶体糊状浆料、再经充气发泡,定型干燥后处理等工艺制成^[13]。在国内市场上主要应用在保温、保冷及吸声等工程中。

4.7泡沫玻璃制品

泡沫玻璃是70年代试制成功的新型保温材料。它是一种以平板玻璃为主要原料,通过粉碎、渗碳、烧结发泡和退火冷却加工处理后制得的具有均匀的独立密闭气隙结构的新型无机隔热材料。它的主要特点是具有密度低、导热系数小、不透湿、不吸水、不燃烧、不霉变、不受鼠啮、机械强度高却又易于加工,能耐除氟化氢以外所有化学侵蚀,本身无毒,化学性能稳定,以及能在超低温的广阔温度范围内使用等优异特性。

4.8聚氨酯(polyurethane)泡沫塑料

聚氨酯泡沫塑料分为软质、半硬质和硬质聚氨酯泡沫塑料等几种,而用于保温保冷材料的主要是硬质聚氨酯泡沫塑料^[2]。这种泡沫塑料具有质量轻、强度较高、导热系数低、防腐蚀等主要优点。聚氨酯硬质泡沫塑料能在绝热领域中得到广泛应用是由于其导热系数低,节能效果显著。

4.9复合硅酸盐绝热涂料

复合硅酸盐绝热涂料呈粘稠状浆体,它综合了涂料和绝热材料的双重特点,将其涂抹在要求绝热的设备和管道表面,干燥后形成有一定强度和弹性的多微孔绝热涂层。这种涂料形成的绝热层的整体性好,导热系数较低,绝热效果好^[6]。

4.10真空保温板(VIP)

VIP的核心材料组成，通常由多孔硅结构制成，被抽真空并封装在高度扩散的密封外壳中，外壳通常由层压板、交替的聚合物层和铝层组成。包膜中的金属在面板边缘形成热桥，从而产生优化问题。更多的铝在外壳的边缘产生更大的热损失，但减少气体扩散到面板，从而延长寿命^[15]。导热系数较低。

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题主要是借助ansys软件中的fluent模块来建立模型，选择合适的实验参数包括温度，速度，压力，材料等参数来进行数值模拟分析。最后实现基于真空绝热保温的热力管网的数值模拟分析。

设计实验(1)：采用湿法工艺制备不同直径配比的微纳米纤维玻璃棉，采用sem观察芯材表面形貌。

设计实验(2)：芯材 膜材 吸气剂真空封装制备vip板。