כיצד להשתמש בחומרים עקשנים עם בידוד תרמי עם מוליכות תרמית נמוכה כדי להפחית את אובדן החום של ציוד תרמי?

הבטנה של הציוד התרמי בנויה מחומרים עקשנים, הממלאים תפקיד מפתח באיבוד חום, וחומרים עקשנים משחקים בה תפקיד מפתח. בטמפרטורות גבוהות, חומרים עקשנים חייבים לא רק לשמור על יציבות, אלא גם לשמור על חום כמה שפחות. לכן, חומרים עקשן חייבים להיות בעלי תכונות בידוד תרמי. בסדר, פחות אחסון חום.
1. איבוד חום של ציוד תרמי
ציוד תרמי הוא בדרך כלל צרכן אנרגיה גדול. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך צריכת האנרגיה גבוהה יותר. היעילות התרמית נמוכה מאוד ברוב המקרים, ושיעור ניצול האנרגיה התרמית הוא פחות מ-30 אחוז. איבוד החום של ציוד תרמי כולל בדרך כלל את הפריטים הבאים:
(1) החום המופץ על ידי כל חלק של פני השטח של גוף הציוד התרמי יכול להגיע ל-10% עד 40% מצריכת האנרגיה היחידה של המוצר;
(2) אובדן אגירת החום של גוף הציוד התרמי פחות חשוב לציוד התרמי הפועל ברציפות, ואיבוד אגירת החום של הציוד התרמי הפועל לסירוגין מגיע ל-5 אחוזים עד 25 אחוזים;
(3) אובדן החום של קירור מים, כגון צינור קירור המים של מסילת הגלגול של תנור החימום המתגלגל מפלדה, אינו עטוף בחומרים עקשנים, ואיבוד החום הוא יותר מ-25 אחוזים;
(4) אובדן החום עקב איטום לקוי של חיבורים, חורים ודלתות כבשנים, למשל, איבוד החום של דלתות כבשני קשת חשמלי הוא יותר מ-35 אחוזים;
(5) איבוד חום מפליטת עשן.
הפסדי החום לעיל קשורים כולם לחומרים עקשן, במיוחד (1)~(4) יש קשר נהדר עם ביצועי הבידוד התרמי של חומרים עקשן. הדרך הבסיסית להפחית את אובדן החום על פני גוף התנור היא לבחור חומרי בידוד תרמי מתאימים כדי להפחית את טמפרטורת פני השטח של גוף התנור. כאשר טמפרטורת התנור קבועה, טמפרטורת פני השטח החיצוניים תלויה בעיקר בעובי דופן התנור ובמוליכות התרמית של חומר דופן התנור. הגדלת עובי דופן התנור תוביל להגדלת אגירת החום של גוף התנור, מה שעלול להגביר את אובדן אגירת החום. לכן, השימוש הרציונלי בחומרי בידוד תרמי הפך לבחירה הטובה ביותר.
בשנים האחרונות, חומרי הבידוד התרמי של ארצי התפתחו במהירות. ישנם לא רק מוצרים מעוצבים מחומרים שונים, צפיפות צבר שונה ומוליכות תרמית שונה, אלא גם חומרים עקשנים אמורפיים תואמים, סיבים עקשן ומוצרים מחומרים שונים, לוח סיליקון סיליקון, לוח ננו בידוד וכו'. למוצרי בידוד תרמי אלו יש מפרטי מראה שונים, אינדיקטורים פיזיים וכימיים, השפעות בידוד תרמי שונות ומחירי שוק שונים. לכן, עיצוב הבטנה צריך להתבצע בהתאם לתנאי השימוש של ציוד תרמי. אסוף נתונים מקוריים, כולל פרמטרי טמפרטורה (טמפרטורת משטח חם של ציוד תרמי, טמפרטורת משטח קר), קבועים פיזיים (מוליכות תרמית של חומרי בידוד תרמי, צפיפות בצובר, טמפרטורת הפעלה מקסימלית), פרמטרים כלכליים (מחירי חומר עקשן, מחירי דלק) , קלוריות ערך, מקדם ניצול וכו'), לאחר מכן חשב את השפעת החיסכון באנרגיה, נתח והשוואה, בחר חומרי בידוד תרמי מתאימים וגבש תוכנית סבירה.
2. דוגמאות להפחתת אובדן פיזור חום של ציוד תרמי
(1) בידוד תרמי של המצקת
נכון לעכשיו, צריכת האנרגיה הממוצעת של תעשיית הפלדה של ארצי גבוהה ב-50% מזו של יפן, וב-30% יותר עבור ארגונים גדולים. מצקת היא ציוד תרמי חשוב בתעשיית הפלדה. על מנת לשמור על חום המצקת, דרך חישוב פיזור החום של המצקת והמחקר על חומרי הבידוד התרמי, נמצא כי יש לבנות את הבטנה הפנימית של המצקת מחומרים ארבע שכבתיים, כלומר המשטח הפנימי של מעטפת הפלדה צריך להיות מצופה בצבע חוסך אנרגיה, והמשטח הפנימי צריך להיות לוח ננו בידוד בגודל 10 מ"מ, ולאחר מכן פנימה ניתן ליציקה של ננו-מיקרון בחוזק גבוה, ולאחר מכן פנימה היא שכבת העבודה. שכבת העבודה של קו הסיגים מאמצת לבני מגנזיה-פחמן עם מוליכות תרמית נמוכה, ושכבת העבודה של הבריכה המותכת מאמצת לבנים לא שרופים באיכות קורונדום-ספינל. שיטה זו מיושמת על מצקת הזיקוק של 120ט, כך שהטמפרטורה של מעטפת המצקת בקו הסיגים היא כ-225 מעלות, טמפרטורת מעטפת המצקת בבריכה המותכת היא כ-200 מעלות, וקליפת החיפוי היא כ-170 מעלות. . מבנה חיסכון באנרגיה זה השיג תוצאות טובות: ① יציקות ננו-מיקרון בעלות חוזק גבוה ושכבת עבודה מוליכות תרמית נמוכה יכולים להגן ביעילות על הננו-לוח, לשמור אותו בטמפרטורת עבודה בטוחה במשך זמן רב ולשפר משמעותית את חיי השירות של שכבת הבידוד התרמי והשכבה הקבועה; ② זה יכול להפחית לחלוטין את טמפרטורת החיפוי ביותר מ-100 מעלות, לשפר את חיי השירות של החיפוי, להפחית את הגז המשמש לאפיית הלחמנייה, להאט משמעותית את הטמפרטורה של הפלדה המותכת, להפחית את טמפרטורת ההקשה, לשפר את המתכת. תשואה, שיפור פריון העבודה, והשגת חיסכון באנרגיה, הגנה על הסביבה והמטרה של הפחתת עלויות.
(2) לבנים מרוכבות מוליכות תרמית נמוכה עבור כבשן סיבובי מלט העובר אזור גלים
כבשן סיבובי מלט הוא ציוד תרמי שצורך אנרגיה גבוהה, במיוחד באזורי המעבר הקדמיים והאחוריים. הבטנה העקשנית אינה מוגנת על ידי עור כבשן ומגע ישירות עם חומר הצמנט. הטמפרטורה של גוף הכבשן גבוהה, מה שמגביר את איבוד החום ואת צריכת הדלק ומפחית את גוף הכבשן. ואת חיי השירות של הרולר התומך, תוך ביצוע קל לנזק לחומר עקשן. על מנת להפחית את פיזור החום ומפגעי הבטיחות, מאמצים מבנה תלת שכבתי של שכבת עבודה, שכבת בידוד תרמי ושכבת בידוד תרמי. אם שלושה סוגים של לבנים עקשן עם מוליכות תרמית שונה משמשים לבנייה, התאונה של נפילת לבנים מהבטנה הפנימית נוטה להתרחש לעתים קרובות כאשר הכבשן הסיבובי פועל. לכן, הלבנה המרוכבת הרב-שכבתית עם מוליכות תרמית נמוכה נחקרת, כלומר הלבנה מאמצת מבנה תלת-שכבתי: שכבת עבודה (עובי לבני סיליקון מולליט 0.140 מ'), בידוד תרמי שכבה (עובי לבני מולליט קלות 0.035 מ'), ממשק ההדבקה של שתי השכבות הללו מאמץ את שיטת השילוב של משטח סינוסואידי, והשכבה השלישית היא שכבת הבידוד התרמי (לוח סיבים קרמיים המכיל ZrO2, עובי 0.025 מ') . ריכוז המתח של הלבנה המרוכבת הרב-שכבתית קטן יותר, והמוליכות התרמית המקיפה של הלבנה המרוכבת הרב-שכבתית מופחתת מ-2.74 ל-1.50W/(m·K) של לבני הסיליקה מוליבדן המקוריות, מה שמפחית את הטמפרטורה של מעטפת הכבשן ב-50 ~ 70 מעלות.
(3) ממיר ייצור הפלדה 260 ט של Anshan Iron and Steel מאמץ לוח ננו בידוד בעובי 20 מ"מ במקום לוח בידוד סיבים פוליבריסטליים בעובי 40 מ"מ כדי לייעל את מבנה ריפוד התנור,
יחס קיבולת התנור גדל, ותפוקת הפלדה מוגברת כדי להוריד את הטמפרטורה של מעטפת התנור ביותר מ-11 מעלות. אין תופעת פירוק במהלך כל תהליך פעולת הממיר, ואין נפילה של לבני בטנה. במקביל, זה גם מקצר את זמן ההיתוך ומפחית את צריכת הברזל המותך. .
(4) חומר דחיפה של סיליקון קרביד עם מוליכות תרמית גבוהה עבור גז פחם גרוס מקורר במים
דופן המים של מגז הפחם המפורק מרופדת בחומר דוחה סיליקון קרביד בעל מוליכות תרמית גבוהה. בטמפרטורה גבוהה, הסיגים תלויים על בטנה של חומר הטיפת סיליקון קרביד. בשל המוליכות התרמית הגבוהה של סיליקון קרביד, הסיגים נוגעים בחלק הפנימי. הציפוי מתעבה במהירות, וככל שהטמפרטורה יורדת, המוליכות התרמית יורדת (ראה טבלה 1). בתוך התנור ומחוצה לו יש סיגים חמים, סיגים מוצקים, חסין סיליקון קרביד, קיר מים, שכבת הגנה על גז אינרטי, חומר עקשן אמורפי גבוה מאלומינה ושכבת הגנה חיצונית. זה מפחית את איבוד החום בתנור.
3. עניינים הדורשים תשומת לב בבחירת חומרי בידוד תרמי
בתעשיית הטמפרטורות הגבוהות, קיימות דוגמאות רבות לשימוש בחומרי בידוד תרמי כדי לחסוך באנרגיה ולהגן על הסביבה. לחומר הבידוד התרמי יש נקבוביות גבוהה (מעל 40 אחוז ~85 אחוז), צפיפות צבר נמוכה (פחות מ-1.5g/cm3), ומוליכות תרמית נמוכה (פחות מ-1.0W/(m·K)). עם זאת, בעת בחירת חומרי בידוד תרמי אלה, שימו לב לנושאים הבאים:
(1) מוליכות תרמית של חומר בידוד תרמי (λ)
מוליכות תרמית נקראת גם מוליכות תרמית, וה-1/λ ההדדית שלה היא התנגדות תרמית. ככל שהמוליכות התרמית קטנה יותר, כך אפקט הבידוד התרמי טוב יותר. ידוע כי לאוויר יש את המוליכות התרמית הנמוכה ביותר.
המוליכות התרמית של חומרים מוצקים היא הרבה יותר גדולה מזו של גזים, ולכן הנקבוביות של חומרים מוצקים יכולות להפחית משמעותית את המוליכות התרמית של חומרים, ולכן חומר הבידוד חייב להיות בעל נקבוביות גבוהה. ככל שהנקבוביות גבוהה יותר, כך ערך λ קטן יותר.
בנוסף, לגודל הנקבוביות יש גם השפעה מסוימת על ערך λ. בטמפרטורה נמוכה, המוליכות התרמית של חומר הבידוד התרמי יורדת עם הגדלת גודל הנקבוביות, והמוליכות התרמית מעל 800 מעלות, במיוחד מעל 1000 מעלות, עולה במהירות עם הגדלת גודל הנקבוביות. לכן, הטמפרטורה הגבוהה לוקחת את חומר הבידוד התרמי עם גודל נקבוביות קטן, והטמפרטורה הנמוכה לוקחת את חומר הבידוד התרמי עם גודל נקבוביות גדול. כאשר הנקבוביות זהה, המוליכות התרמית של המיקרו-מבנה בפאזה הרציפה של גז קטנה מזו של הפאזה הרציפה של הפאזה המוצקה, והנקבוביות בחומר הסיבים רציפות כמו הפאזה המוצקה, כך שהמוליכות התרמית של הסיבים והמוצרים העמידים הוא קטן. בשלב המוצק של חומרי בידוד תרמי, ההתנגדות התרמית של החומר משתנה מאוד עקב ההבדל בהרכב המינרלים הכימיים. ככלל, ככל שמבנה הגביש מורכב יותר, המוליכות התרמית נמוכה יותר, והמוליכות התרמית של הזכוכית בשלב המוצק נמוכה מזו של השלב הגבישי. ככל שהטמפרטורה עולה, המוליכות התרמית של שלב הזכוכית עולה; הטמפרטורה של השלב הגבישי עולה, בעוד המוליכות התרמית יורדת. הממלכה המאוחדת פיתחה חומר בידוד תרמי מרוכב דק במיוחד SiO2 עם צפיפות נפח של כ-0.24g/cm3, והמוליכות התרמית שלו נמוכה מזו של כל חומרי הבידוד התרמי, אפילו נמוכה מזו של אוויר דומם.
(2) עמידות בחום של חומר בידוד חום
כמה חומרי בידוד תרמי משמשים בטמפרטורה נמוכה יותר. לדוגמה, לוחות בידוד ננו משמשים במצקת פלדה של 100 ט של אנגאנג סטיל. חריגה מטמפרטורת השימוש תעוות בלחץ, וכתוצאה מכך עיוות של הבטנה, אשר לא רק מדרדר את ביצועי הבידוד התרמי, אלא גם מביא לסכנות בטיחותיות. לכן, הוצע כי חומר הבידוד התרמי תלוי בעיקר בעיוות ההתכווצות בטמפרטורה מסוימת, ולא בדרגת העקשן. מבחינה בינלאומית, הטמפרטורה שבה התכווצות השריפה החוזרת היא לא יותר מ-2 אחוזים משמשת בדרך כלל כטווח הטמפרטורות לשימוש בחומרי בידוד תרמי, וזה גם אחד ההבדלים בין חומרי בידוד תרמי לחומרים עקשנים טהורים.
(3) חוזק של חומר בידוד תרמי
בשל הנקבוביות הגבוהה והחוזק היחסי הנמוך, כגון לוח הננו-בידוד הנ"ל, אפקט הבידוד התרמי טוב, הנקבוביות גבוהה והחוזק נמוך. על מנת להבטיח את צרכי ההובלה והבנייה, חומר הבידוד חייב להיות בעל חוזק מסוים. במיוחד עבור כמה מוצרי בידוד תרמי שנמצאים במגע ישיר עם הלהבה, חשוב מאוד לשפר את החוזק. ככל שצפיפות התפזורת עולה, החוזק גדל. כאשר צפיפות התפזורת זהה, החיבור לפאזה מוצקה חזק יותר מהחיבור לפאזי הגז, הקשור לגודל הנקבוביות. הקטנת גודל הנקבוביות היא אמצעי טכני יעיל לשיפור החוזק של חומרי בידוד תרמי.
(4) חומר בידוד אטמוספירה ותרמי
ציוד תרמי רב מרופד בחומרי בידוד תרמי, וגם אטמוספרות הגנה שונות משמשות בדרך כלל, כגון CO, CO2, H2, N2 וכו'. Al2O3-מסדרת SiO2 במימן, SiO2 מוחזרת לסיליקון מתכת ו אדי מים, Al2O3 הוא יציב מאוד, ולכן במימן, יש לבחור חומרי בידוד אלומינה. סיבי אלומיניום סיליקט מכילים 3 אחוז עד 4 אחוזים של Cr2O3, אשר מופחת בקלות באווירה מפחיתה מימן, ולכן אין להשתמש בסיבי אלומיניום סיליקט המכילים תחמוצת כרום באווירה מפחיתה.
(5) שיטת בידוד
על הציוד התרמי בפעולה לסירוגין, ניתן להניח את שכבת הבידוד התרמי (פורניר סיבים עקשן) ישירות על המשטח החם של רירית התנור, מה שיכול להשיג את אפקט החיסכון הטוב ביותר באנרגיה. עדיף על אפקט הבידוד התרמי של הקיר הפנימי (משטח חם).