肋板結構外保溫設計方法

郭曉軍

摘要：為合理設計肋板外保溫結構2層保溫材料的厚度，采用穩態熱平衡理論計算初步確定厚度方案，采用Abaqus軟件對外保溫結構進行仿真分析，結果認為規則部位內保溫層與外保溫層之間的界面溫度滿足工程要求，驗證理論計算的合理性。保溫層圓角過渡部位內保溫層與外保溫層之間界面溫度不滿足設計要求，采用Abaqus優化模塊對局部尺寸進行優化計算，確定該部位2層保溫材料的厚度分布，得到滿足設計要求的外保溫層厚度組合。根據優化方案制作試件并進行試驗測試，結果滿足工程應用要求。

關鍵詞：

肋板; 外保溫; 溫度; 厚度; 圓角半徑; 優化

中圖分類號：TK124; TP391.92

文獻標志碼：B

Design method of external thermal insulation of

ribbed plate structure

GUO Xiaojun

（Zhuzhou Times New Material Technology Co.， Ltd.， Zhuzhou 412007， Hunan， China）

Abstract：

To reasonably design the thickness of two layers of the thermal insulation material for theexternal thermal insulation of the ribbed plate structure， the thickness scheme is preliminarily determined by the steady-state heat balance calculation. The external insulation structure is simulated by Abaqus， and the results show that the temperature of the interface between the inner and outer insulation layer in regular parts meets the engineering requirements， which can verify the rationality of the calculation theory. The temperature of the interface between the inner and outer insulation layer at the corner transition part of the insulation layer does not meet the design requirements. The local size is optimized by Abaqus optimization module， and then the thickness of the two layers of the thermal insulation material at the corner is determined. The thickness combination of the external thermal insulation layeris obtained， which meets the design requirements. According to the optimized scheme， the specimens are made and tested， and the results meet the requirements of engineering applications.

Key words：

ribbed plate; external thermal insulation; temperature; thickness; corner radius; optimization

0 引 言

不同類型熱設備的使用場景不同、內部介質溫度不同、設備運行環境要求不同，其外保溫基體材質結構和施工方法也不同，因此選擇合理的絕熱材料、絕熱結構和施工工藝是首要任務。

絕熱材料按內部介質溫度不同可分為保溫材料和保冷材料。保溫材料主要有巖棉板、橡塑板、硅酸鋁纖維棉、玻璃纖維棉等，保冷材料主要有聚氨酯材料、泡沫玻璃、橡塑等。絕熱材料按材質不同可分為有機絕熱材料和無機絕熱材料。[1]絕熱結構形式

主要有堆積型絕熱、真空夾層絕熱等。絕熱施工工藝主要有鋪貼和噴涂等方式，其中噴涂工藝在建筑外墻保溫領域最為常見。[2-4]

1 外保溫方案選擇

在保溫結構設計中，經常遇到某些高溫機械設備的機殼具有加強肋板，且其內部溫度較高，需要考慮保溫材料的耐溫性能和對環境的影響，同時兼顧成本，因此一般設計為多層外保溫結構[5]。某機殼金屬肋板結構示意見圖1。該肋板結構高度為0.160 m、厚度為0.006 m，高溫設備內部溫度為120 ℃。室內環境設計溫度為30 ℃，要求保溫結構熱通量不大于30 W/m2，保溫材料應與不銹鋼金屬殼體緊密貼合，避免出現黏結力不足甚至脫落的情況。

肋板外保溫結構的設計方案見圖2。外保溫結構分為2層：內層采用無毒無味的無機纖維材料，其保溫、黏結性能良好，且無縫隙[6-7];外層采用外墻保溫結構中廣泛使用的無毒無味聚氨酯材料[8]。為施工便捷，2種絕熱材料均采用現場噴涂工藝。

聚氨酯材料長期使用溫度不能高于80 ℃，否則容易老化開裂[9]，因此聚氨酯與無機纖維界面的設計溫度不高于80 ℃。該肋板保溫區域分可為2個部分，平面鋼板規則部位外保溫和T型肋板拐角非規則部位外保溫。

2 保溫層厚度理論計算

2.1 熱傳導和熱對流控制方程

根據能量守恒定律，單位時間內一個微元的熱量流入與流出之和等于單元內部產生的熱量與外部輸入的熱量之和[10]，即

qxx+qyy-Q+ρcTt=0

（1）

式中：qx和qy分別為x和y方向的熱流密度;Q為單元內部產生的熱量;ρ為材料的密度;c為材料的比熱容;T為溫度。

二維熱量平衡方程為

xkTx+

ykTy+Q-ρcTt=0

（2）

式中：k為材料的熱導率。

三維熱量平衡方程為

xkTx+ykTy+

zkTz+

Q-ρcTt=0

（3）

熱平衡方程用向量可表示為

Δ（kΔT）+Q=ρcTt

（4）

對于對流換熱邊界，熱平衡方程需要考慮物體表面的流體速度（u，v，w），其向量形式為

ρcTt+uTx+vTy+wTz=

Δ（kΔT）+Q

（5）

2.2 理論厚度計算

設備運行時間大于24 h，因此采用穩態傳熱理論設計肋板規則部位各保溫層的厚度，各材料熱導率見表1。

不考慮相鄰保溫材料之間的接觸熱阻，理論計算模型見圖3。其中：L1為不銹鋼層厚度，取L1=0.006 m;

L2和L3分別為無機纖維層和聚氨酯層厚度;Tx為聚氨酯與無機纖維的界面溫度;Tsi為高溫設備內部溫度;Tso為保溫結構外表面溫度;T∞為環境溫度。聚氨酯與無機纖維的界面溫度Tx是重點設計對象。

式（6）為穩態時的熱量平衡方程，用于計算保溫層外表面溫度;聚氨酯與無機纖維的界面溫度按照式（7）進行計算。

Tsi-TsoL1k1+L2k2+L3k3=

h（Tso-T∞）

（6）

h（Tso-T∞）L3=（Tx-T∞）k3

（7）

式中：h為空氣對流換熱系數。

總厚度不變時，分析聚氨酯層厚度對Tx的影響，結果見圖4。由此可知：隨著聚氨酯層厚度的增加，Tx逐漸升高。聚氨酯熱導率低于無機纖維熱導率，由傳熱學理論可知，隨著聚氨酯厚度增加，局部熱通量會減小，導致溫度升高。因此，對于由2層不同保溫材料構成的保溫結構，在總厚度不變的情況下，適當減小外層絕熱材料厚度可以改變2層材料間的界面溫度分布，從而降低界面溫度。

分析聚氨酯層外表面空氣對流換熱系數對Tx的影響，結果見圖5。隨著空氣對流換熱系數的增大，Tx逐漸升高。由傳熱學理論可知，整體熱通量也增大。保溫層外表面與周圍空氣對流換熱系數一般取8 W/（m2·K）。[11-12]

根據設計要求，無機纖維與聚氨酯界面溫度Tx不得高于80 ℃，保溫結構熱通量應不大于30 W/m2，L2和L3不同值組合時重點關注參數的理論計算結果見表2。

擬選擇L2=50 mm和L3=50 mm的組合方案作為優選方案進行詳細有限元分析。

3 有限元分析

3.1 模型參數和邊界條件

采用Abaqus軟件對理論優選方案建模，并進行傳熱仿真計算。[13-14]圓角過渡部位內層無機纖維圓角半徑Ri和外層聚氨酯圓角半徑Ro初始值均假定為50 mm，保溫結構材料尺寸參數示意見圖6。

采用Abaqus中的傳熱單元DC2D4對模型進行網格劃分，單元總數為10 410個。金屬內壁設為120 ℃恒溫邊界，聚氨酯外表面施加對流換熱邊界，對流換熱系數為8 W/（m2·K），環境溫度設為30 ℃。不考慮保溫材料界面之間、金屬與保溫材料界面之間的接觸熱阻，保溫結構有限元模型見圖7。

3.2 溫度場計算結果

圓角半徑取初始值時保溫結構的溫度分布見圖8。規則部位（區域A）界面溫度Tx為77.1 ℃，外表面溫度Tso為32.9 ℃，仿真結果與理論計算結果最大誤差為1.8%，滿足工程要求。圓角部位（區域B）局部界面溫度Tx大于80 ℃，不滿足設計要求。

4 優化計算

4.1 Abaqus優化計算

Abaqus優化流程示意見圖9。

采用Abaqus的Optimization模塊，對圖8區域B圓角部位的半徑Ri和Ro進行參數優化，約束條件為

50 mm≤Ri≤170 mm，3 mm≤Ro≤130 mm，不同圓角半徑取值對Tx的影響見圖10和表3。

優化圓角半徑的計算結果表明：增大內部圓角半徑Ri同時減小外部圓角半徑Ro，可使得圓角部位界面溫度降低到80 ℃以下，從而滿足設計要求。這與圖4聚氨酯層厚度對界面溫度的影響規律一致。最終得到5種滿足要求的方案，見表3中帶有下劃線的5個數值。

圓角半徑Ri和Ro的變化對圓角部位聚氨酯層外表面的溫度影響較小，計算結果見表4。

選取Ri=150 mm、Ro=50 mm的組合方案進行仿真分析，保溫結構的溫度分布見圖11。

界面溫度Tx均在80 ℃以下，平均熱通量為23.5 W/m2，滿足設計要求。

4.2 測試結果與仿真分析對比

根據Ri=150 mm、Ro=50 mm組合方案制作外保溫試件并進行試驗測試，分別得到區域A外表面、圓角過渡界面中點和圓角過渡外表面的溫度，見表5。仿真值與實測值的誤差均小于5%，各部位溫度均滿足工程應用要求。

5 結 論

對肋板結構規則部位外保溫層厚度進行理論計算和仿真分析，對T型肋板外保溫層非規則圓角過渡部位內、外層圓角半徑進行優化分析。計算結果表明：對于由2層不同保溫材料構成的保溫結構，在總厚度不變的情況下，減小外層絕熱材料厚度可以降低2層保溫材料間的界面溫度;隨著保溫層外表面空氣對流換熱系數的增大，界面溫度逐漸升高，整體熱通量增大。

優化2層保溫材料的圓角半徑，改變肋板保溫層局部厚度分布，得到界面溫度滿足要求的保溫材料厚度組合，制作外保溫試件并進行試驗測試，結果滿足工程應用要求。

對于復雜外形的多層外保溫結構，可以通過理論計算確定規則部位各層的厚度分布，然后采用有限元分析對非規則部位進行局部尺寸優化，得到復雜部位的隔熱設計。

對于有限元傳熱仿真計算，實際2層保溫材料之間存在接觸熱阻[15]，因此不考慮材料之間的接觸熱阻時，有限元法計算得到的溫度場分布較為保守，工程應用時也應注意。

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（編輯 武曉英）