热动力试验台如何提升节能效果

郭素峰

摘要：总装厂热动力试验台是验证工厂产品实际性能的重要试验台之一，该试验台热量来源为大功率耗电加热设备，本文将探讨如何利用先进的保温技术，来降低热传导、热对流和热辐射这三种无用功能量损耗的强度，从而达到节约工厂运行成本、提升试验台能效比、缩短试验过程中的加热时间、提高试验台工作效率的目的。

关键词：热传导、热辐射、热对流、热损失、能效比

引言：随着工厂的不断发展，效益虽然在不断提升，但产能不足已经对工厂发展的步伐形成制约，部分高耗能设备能效比底的弊端在不断显现，如何不断挖掘现有设备的产能、实现对现有设备再升级，是工厂大力推行精益生产的重要目的之一。

一、热动力试验台工作情况

总装厂热动力试验室有两个热动力试验台，该试验台通过对压缩空气进行流量和温度的控制，从而模拟试验产品的实际工作状态，来验证产品的实际性能是否达到设计标准，为产品研发和生产提供重要数据支撑。

二、对不同散热形式的分析及减少该部分热损的方法

热量损失按照热能传递方式的不同可分为热传导损失、热辐射损失和热对流损失三种形式，通过对这三种热量散失形式的分析，我们对其不同特性进行有针对性地制定“止损”措施，来减少试验台实验过程中的热量散失，实现提升试验台能效比的目的。

1、热传导散热分析及“止损”措施

物体温度是该物体内部诸如分子、原子及自由电子等微观粒子热运动的宏观表现，微观粒子运动越剧烈，宏观表现为温度越高。

一维稳态导热傅里叶定律计算公式如下：

                      2-1

其中：Q为导热热量，单位为W；

      λ为导热系数，同一种材料的导热系数为固定值；

      A为发生热量传递的截面积，单位为㎡；

      t为温度，单位为K；

      x为热量传递的维度方向，单位为m；

我们假设管道内压缩空气通过同一管道截面的温度均匀相等，并且该过程为稳态过程，则热动力试验台热传导模型可以简单视为温度沿管道内壁向管道外壁进行单层平壁导热,我们利用单层平壁导热模型【1】，当温度沿x轴方向成线性分布时，由公式1-1通过积分计算可以将傅里叶定律表达成

                    2-2

其中：为平壁厚度

由公式2-2可以看出，当单位面积沿一维x方向单位距离形成的温度梯度相同时，通过该单位面积传导的热量Q与该种材料的导热系数λ成正比，也就是说在工况相同的情况下，热量传递的多少与该种材料导热系数的大小成正比，导热系数越大，传递的热量越多，反之，传递的热量越少。

热动力试验台的管壁和电炉的炉体均为不锈钢金属材料，其导热系数在20~35W/(m·K)之间,热量损失会非常大。在试验台建设时，为了减少试验台的热量损失，试验台的部分管道做了保温处理，保温材料为玻璃丝绵，在常温条件下其导热系数大致为0.1 W/(m·K)。由于试验台工作时温度很高（往往需要将管道内的压缩空气加热到500℃左右），以及日常试验台的维修维护工作，致使试验台经过一段时间使用后，原设计的保温层受到破坏，隔热效果骤减。

为了降低试验台在工作时热量因热传导导致的损耗，我们利用新型的纳米复合硅酸铝针刺毯做为主要材料保温材料对试验台重新设计了一套保温设施，对原保温材料进行更换。该种新型保温材料具有厚度小，保温性能高等特点，在环境温度为25℃的情况下，单层该种材料（≈0.2mm）的导热系数为≦0.02W/(M.K)，保温性能是现用材料的5倍（现有材料同工况下导热系数为≈0.1W/(M.K)）。为了验证材料的真实性能，在进行某型号产品试验时，我们在裸管外面进行两种不同保温材料的测试。

2、热辐射散热分析及“止损”措施

辐射是电磁波传递能量的现象，由于热的原因产生的电磁波辐射称为热辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动改变时激发出来的，所以只要物体的温度高于“绝对零度”，物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射,并且辐射强度会随着物体温度的升高而更加剧烈。

当热动力试验台工作时，电炉作为热源，会将电能转化成试验台内部压缩空气的热能，使压缩空气温度升高。

电磁波辐射传热这种热量传递的形式不需要介质也能进行，为了有效减少这部分热量的损失，我们在新做的保温层内设计了隔热铝箔反光板，这样，该铝箔反光板虽然不能阻断热辐射散热的发生，却可以有效反射试验台发射的电磁波，从而起到降低试验台辐射散失热量的目的。

3、热对流散热分析及“止损”措施

影响对流传热的因素有很多，主要归纳为流体流动的原因、流体有无相变、流体流动的状态、换热表面的几何因数以及流体的物理性质五个方面，结合本次研究对象热动力试验台散热工作机理，热对流散热主要有两个对流过程组成：①管道内空气的管槽内无相变强制层流对流散热形式，②管道外空气的无相变强制横掠单管式对流形式（实验室内排风扇为管外空气流动的动力源）。

我们姑且设定管道内的内壁温度恒定为，其整个热传递的过程视为稳态传热。我们着重对管道外的对流散热过程进行研究，因为该过程是试验台热量散失到周围空气中，对整个实验过程来说该部分热量为无效热量，如何降低该过程中产生的热量损失，有助于提高试验台能效比，能够实现我们到达提效降耗的目的。

对流传热的计算公式为：

             2-3

其中：Q为导热热量，单位为W；

      h为表面对流传热系数，单位为W/（㎡·K）

      A为发生热量传递的截面积，单位为㎡；

      为固体表面温度，单位为K；

      为流体温度，单位为K。

根据相似分析法和量纲分析原理，我们可以得出h和普朗特数正相关，当不改变流体状态、流体与被掠单管相对位置和单管形状的情况下，h为定值，那么若想减少Q的发生量，可以通过降低的数值来实现。

三、改造后实际效果

通过对试验台进行保温改造后，现保温层结构由3个部分构成，主要隔热部分为纳米纳米复合硅酸铝针刺毯，用于增加热传导行程、减少因导热产生的热量损失；在该材料的层间设置有铝箔反光板，并且要求其反光面朝向管道，用于增加电磁波的反射量，从而减少试验台因热辐射导致的热量损失；最外层为卡扣式不锈钢防护板，该防护板可以起到保护保温层结构完整、保证保温层与高温管道紧密结合的作用，

在完成本次试验台保温改造，并得到良好试验实际效果的情况下，马庄试验中心也积极与我们进行沟通，我们对其进行经验分享，并协助马庄试验中心将气源分系统试验台等同类型的试验台进行类似的改造。

参考文献：

【1】《传热学》 主编 杨世铭  陶文栓       高等教育出版社

【2】《热值交换原理与设备》 主编 连之伟   中国建筑工业出版社

作者简介：郭素峰，男，1986年2月出生，34岁，本科，新航集团116厂安全保障分厂工作，副主任技术师，从2010年至今，一直从事暖通、污水处理等相关技术工作。

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