CN102607495A - 一种保温罐外壁保温材料厚度的确定方法 - Google Patents

一种保温罐外壁保温材料厚度的确定方法 Download PDF

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CN102607495A CN2012100409724A CN201210040972A CN102607495A CN 102607495 A CN102607495 A CN 102607495A CN 2012100409724 A CN2012100409724 A CN 2012100409724A CN 201210040972 A CN201210040972 A CN 201210040972A CN 102607495 A CN102607495 A CN 102607495A
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Abstract

本发明公开了一种保温罐外壁保温材料厚度的确定方法。首先在所模拟的温度场中提取保温罐外壁中一侧边上的热流值作为参考，而后根据常规方法确定待保温罐外所敷设的保温材料的厚度，以该厚度值作为所提取的中间热流值处所敷设的保温材料的厚度，接着根据所确定的厚度值与侧边上中间热流值之间的比例关系以及侧边上其他位置处的热流值确定侧边上其他位置处所敷设的保温材料的厚度；然后将所得到的侧边上所敷设的保温材料的厚度值进行高斯拟合；最后根据所拟合的高斯曲线计算整个保温罐其他位置处所敷设的保温材料的厚度。利用本发明的方法确定保温罐外壁保温材料的厚度能够有效的减少保温罐的热量散失，使保温罐具有良好的保温性能。

Description

一种保温罐外壁保温材料厚度的确定方法
技术领域
本发明属于保温技术领域，具体涉及一种保温罐外壁保温材料厚度的确定方法。
背景技术
随着社会经济的发展，保温罐在物流运输和货物储存当中起着越来越重要的作用。为了保持食品新鲜，防止变质和营养损失、制作冷饮以及保持需低温存放的药品或其它物品的有效性，常用保温罐进行保冷。同时，保温罐在保热方面也发挥着不可替代的作用，如高温热水的储存、高温试剂的运输等。现有的保温罐主要用于运输需要保温的液体介质，如何在不增加高额成本的前提下提高保温罐的保温性能，是保温罐制造行业的一个关键技术难题。
保温罐侧壁外包裹的的保温材料的厚度是均匀不变的，这样就造成了侧壁外包裹的的保温材料外表面的温度分布不均的现象。为了减少保温罐的热量损失，常见的方法是增加侧壁外包裹的保温材料的厚度。这种方式，往往是均匀的增加侧壁外包裹的的保温材料的厚度，无论是在热量散失大的部分还是在热量散失小的部分增加同样厚度的保温材料，这样就达不到科学而有效的保温目的。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种根据罐体外壁热流场的分布特性确定保温罐外壁所敷设保温材料厚度的方法。以减少保温罐的热量散失，达到科学而有效的保温目的。
为实现上述技术任务，本发明采用如下述技术方案予以实现：
一种保温罐外壁保温材料厚度的确定方法，其特征在于，方法按下述步骤实现：
步骤一，利用FLUENT计算软件模拟待保温罐体的温度场；
步骤二，建立一三维坐标系M，该坐标系M的原点o为待保温罐体底面的中心，任取待保温罐体底面的一直径作为x轴，待保温罐体的中轴线作为y轴，z轴位于待保温罐体底面，待保温罐体高为y0、待保温罐体底面半径为x0；
步骤三，在所模拟的温度场中，提取待保温罐体外壁上节点(x0，yi，0)的热流值
Figure BDA0000137508360000011
所提取数据包括节点的热流值其中：yi∈[0，y0]，i为节点编号，i取正整数；
步骤四，按照GB 50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》确定待保温罐体常规敷设保温材料时需敷设的保温材料的厚度值，该厚度值为罐体外壁上纵坐标
Figure BDA0000137508360000021
处所敷设的保温材料的厚度
Figure BDA0000137508360000022
步骤五，根据公式
Figure BDA0000137508360000023
计算罐体外壁上纵坐标y＝yi处所敷设的保温材料的厚度
Figure BDA0000137508360000024
并得到数据组
步骤六，利用数据组
Figure BDA0000137508360000026
且
Figure BDA0000137508360000027
拟合第一高斯曲线：
x 1 = x 1 0 + ( A 1 / ( w 1 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 1 - y 1 c ) / w 1 ) 2 )
式中：x1表示待保温罐体外壁上纵坐标为y1处所敷设的保温材料的厚度，PI表示圆周率，
Figure BDA0000137508360000029
w1和A1均为常数；
利用所拟合的第一高斯曲线计算待保温罐体外壁上纵坐标y1＝yi，
Figure BDA00001375083600000210
处所敷设的保温材料的厚度；
接着利用数据组且
Figure BDA00001375083600000212
拟合第二高斯曲线：
x 2 = x 2 0 + ( A 2 / ( w 2 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 2 - y 2 c ) / w 2 ) 2 )
式中：x2表示待保温罐体外壁上纵坐标为y2处所敷设的保温材料的厚度，PI表示圆周率，
Figure BDA00001375083600000214
w2和A2均为常数；
利用所拟合的第二高斯曲线计算待保温罐体外壁上纵坐标y2＝yi，
Figure BDA00001375083600000215
处所敷设的保温材料的厚度。
利用本发明的方法确定保温罐外壁保温材料的厚度能够有效的减少保温罐的热量散失，使保温罐具有良好的保温性能，同时节省保温材料，降低保温罐的造价。
附图说明
图1为实施例1中采取本发明的方法和常规方法时，保温罐体外壁上位于z＝0平面中的直线x＝x0处的热流分布对比示意图；
图2为实施例1中采取本发明的方法敷设保温材料后的保温罐结构示意图；
图3为实施例2中采取本发明的方法和常规方法时，保温罐体外壁上位于z＝0平面中的直线x＝x0处的热流分布对比示意图；
图4为实施例3中采取本发明的方法和常规方法时，保温罐体外壁上位于z＝0平面中的直线x＝x0处的热流分布对比示意图。
以下结合实施例与附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
为保证科学而准确地确定待保温罐外保温材料的厚度，申请人选择不同型号的30个保温罐进行如下研究：
(1)利用FLUENT计算软件模拟各保温罐的温度场；
(2)在每个保温罐的温度场中，随机提取该保温罐外壁上多条侧边的热流值数据。
综合比较发现每条侧边的热流分布存在相似特点：沿罐体高度方向，越靠近高度方向的中心线热流越小，越靠近罐体顶面或者地面处热流越大，并且每条侧边上的热流分布基本相同。
基于该发现申请人选取保温罐外壁上任意一条侧边的热流分布特点作为确定外保温材料厚度的根据。
本发明的保温罐外壁保温材料厚度的确定方法按下述步骤实现：
步骤一，利用FLUENT计算软件模拟待保温罐体的温度场；具体根据保温罐的直径以及高度，在gambit软件中建立保温罐模型并且对所建立的模型进行网格划分，生成网格文件，然后将网格文件导入FLUENT流体计算软件中，开启能量方程、定义保温罐及保温罐内外物质的材料属性并且设置边界条件，结合SIMPLE算法，模拟保温罐的温度场。
步骤二，建立一三维坐标系M，该坐标系M的原点o为待保温罐体底面的中心，任取待保温罐体底面的一直径作为x轴，待保温罐体的中轴线作为y轴，z轴位于待保温罐体底面，待保温罐体高为y0、待保温罐体底面半径为x0；
步骤三，在所模拟的温度场中，提取待保温罐体外壁上节点(x0，yi，0)的热流值
Figure BDA0000137508360000041
所提取数据包括节点
Figure BDA0000137508360000042
的热流值
Figure BDA0000137508360000043
其中：yi∈[0，y0]，i为节点编号，i取正整数；
步骤四，按照《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB 50264-97确定待保温罐体常规敷设保温材料时需敷设的保温材料的厚度值，考虑到靠近罐底或者罐顶处的热流相较于
Figure BDA0000137508360000044
处大，而靠近
Figure BDA0000137508360000045
处的热流相较于处小，故常规敷设保温材料时，
Figure BDA0000137508360000047
处的保温效果反映了整个罐体的平均保温效果，为使保温罐各处的保温效果达到均一并且与常规敷设保温材料时的平均保温效果近似，将按常规方法计算出的厚度值作为罐体外壁上纵坐标处所敷设的保温材料的厚度
步骤五，根据公式计算罐体外壁上纵坐标y＝yi处所敷设的保温材料的厚度
Figure BDA00001375083600000411
并得到数据组
Figure BDA00001375083600000412
步骤六，利用数据组
Figure BDA00001375083600000413
且
Figure BDA00001375083600000414
拟合第一高斯曲线：
x 1 = x 1 0 + ( A 1 / ( w 1 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 1 - y 1 c ) / w 1 ) 2 )
式中：x1表示待保温罐体外壁上纵坐标为y1处所敷设的保温材料的厚度，PI表示圆周率，
Figure BDA00001375083600000416
w1和A1均为常数；
利用所拟合的第一高斯曲线计算待保温罐体外壁上纵坐标y1＝yi，
Figure BDA00001375083600000417
处所敷设的保温材料的厚度；
接着利用数据组
Figure BDA00001375083600000418
且拟合第二高斯曲线：
x 2 = x 2 0 + ( A 2 / ( w 2 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 2 - y 2 c ) / w 2 ) 2 )
式中：x2表示待保温罐体外壁上纵坐标为y2处所敷设的保温材料的厚度，PI表示圆周率，
Figure BDA0000137508360000052
w2和A2均为常数；
利用所拟合的第二高斯曲线计算待保温罐体外壁上纵坐标y2＝y，
Figure BDA0000137508360000053
处所敷设的保温材料的厚度。
申请人分别对上述所采集的30个保温罐进行上述步骤一至步骤五处理，得到各罐体的数据组
Figure BDA0000137508360000054
之后对各罐体的数据组进行拟合，在OriginPro7.5软件中使用常用模型(CCE方程、ECS方程、GaussMod方程、GCAS方程、Beta方程、Boltzmann方程、ExpAssoc方程、ExDecay方程、ExpGrow方程、GaussAmp方程)分别对数据组
Figure BDA0000137508360000056
且
Figure BDA0000137508360000057
和数据组
Figure BDA0000137508360000058
且
Figure BDA0000137508360000059
进行拟合，最终发现高斯模型下，所拟合的曲线与原数据曲线拟合效果最好，故方法中选用高斯曲线对计算出的厚度值进行拟合。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
遵从上述技术方案，本实施例中的保温罐储存空间为一个φ1160mm×1236mm的圆柱体，内储存75℃的液体，保温材料的材质为离心玻璃棉。
方法中根据GB 50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》确定保温罐常规敷设保温材料时保温材料的厚度值，具体过程如下：
(1)由GB 50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》第四章可知圆筒型保温层厚度应按下式计算：
δ = 1 2 ( D 1 - D 0 ) - - - ( 1 )
式中D0——设备外径(m)，在本实施例中为保温罐的外径1160mm；
D1——保温层外径(m)
圆筒型保温层经济厚度计算中，应使保温层外径D1满足下列恒等式要求：
D 1 ln D 1 D 0 = 3.795 × 10 - 3 P E · λ · t · | T 0 - T a | P T · S - 2 λ a s - - - ( 2 )
式中PE——能量价格(元/106kJ)，在本实施例中，根据《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB 50264-97第19页的公式(4.7.1)计算得30.1元/106kJ。
PT——保温结构单位造价(元/m3)，在本实施例中，根据《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB 50264-97第21页的公式(4.7.3-2)计算得373.936元/m3；
λ——保温材料在平均温度下的导热系数[W/(m·℃)]，在本实施例中为0.034W/(m·℃)；
as——保温材料外表面向周围环境的放热系数[W/(m·℃)]，根据《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB 50264-97第24页章节4.8.4.1中的规定，在无风速值的情况下取为11.63W/(m·℃)；
t——年运行时间(h)，本实施例中取为744h；
T0——设备外表面温度(℃)，本实施例中取为70℃；
Ta——环境温度(℃)，本实施例中取为20℃；
S——绝热工程投资年摊销率(％)，在本实施例中为15％；
(2)将各参数带入公式(2)算出：
D 1 ln D 1 D 0 = 3.795 × 10 - 3 P E · λ · t · | T 0 - T a | P T · S - 2 λ a s
= 3.795 × 10 - 3 30.1 × 0.034 × 744 × | 70 - 20 | 373.936 × 15 % - 2 × 0.034 11.63 - - - ( 3 )
= 0.093
(3)计算保温材料的厚度：
在本实施例中，D0为1160mm，根据式(3)的计算结果可计算出D1＝1250mm
再将D0和D1的值带入式(1)，计算得出保温材料的厚度
Figure BDA0000137508360000065
故常规敷设保温材料时其厚度值为45mm，该值作为罐体外壁上纵坐标
Figure BDA0000137508360000066
处所敷设的保温材料的厚度
Figure BDA0000137508360000067
其中拟合的第一高斯曲线为：
x 1 = x 1 0 + ( A 1 / ( w 1 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 1 - y 1 c ) / w 1 ) 2 )
中 x 1 0 = 767.345.08 ± 3877.14393 , y 1 c = 524.08164 ± 9.11528 , w1＝4681.97766±12713.17996，A1＝-4251440.86209±34294771.4415；所确定的保温材料的厚度沿罐的高度变化范围为：61mm到43mm；
拟合的第二高斯曲线为：
x 2 = x 2 0 + ( A 2 / ( w 2 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 2 - y 2 c ) / w 2 ) 2 ) 中 x 2 0 = 42.92182 ± 0.08484 , y 2 c = 1466.2346 ± 25.8651 , w2＝532.3603±20.5927，A2＝177374.23849±1778.28236，所确定的保温材料的厚度沿罐的高度变化范围为：43mm到61mm；
申请人对本实施例中的保温罐外敷设采用本发明的方法确定外保温材料厚度后的保温罐外表面热流分布特点进行了分析，所采集的保温罐体外壁上位于z＝0平面中的直线x＝x0处的热流值如图1所示，其热流值在101W/m2至108W/m2的范围内变化。
为了进一步验证本申请的先进性，申请人根据GB 50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》确定保温罐常规敷设保温材料时保温材料的厚度值，并对敷设该厚度值的保温材料后的保温罐的外表面热流特性进行了分析，所采集的保温罐体外壁上位于z＝0平面中的直线x＝x0处的热流值如图1所示，其热流值在94W/m2至134W/m2的范围内变化。
对图1中的两条曲线进行比较后可知采用本发明的保温罐外表面热流分布明显比常规敷设保温材料的保温罐的外表面热流分布均匀。
图2为本实施例中采取本发明的方法敷设保温材料后的保温罐结构示意图；其中1表示顶盖，2表示储存空间，3表示罐口，4表示保温材料，5表示侧壁，6表示罐底。
实施例2：
遵从上述技术方案，本实施例中的保温罐储存空间为一个的圆柱体，内储存200℃的气体，保温材料的材质为聚苯乙烯泡沫塑料。
根据GB 50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》确定保温罐常规敷设保温材料时保温材料的厚度值为66mm；
拟合的第一高斯曲线为：
x 1 = x 1 0 + ( A 1 / ( w 1 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 1 - y 1 c ) / w 1 ) 2 )
中 x 1 0 = 787.34508 ± 3877.13951 , y 1 c = 1692.78368 ± 29.44233 , w1＝15122.78784±41063.52443，A1＝-13732153.98452±110771985.4183；所确定的保温材料的厚度沿罐的高度变化范围为：80mm到62mm；
拟合的第二高斯曲线为：
x 2 = x 2 0 + ( A 2 / ( w 2 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 2 - y 2 c ) / w 2 ) 2 )
中
x 2 0 = 62.92182 ± 0.08484 y 2 c = 4735.9384 ± 83.54426 ,
w2＝1719.52376±66.51443，A2＝56118.79031±5743.85202，所确定的保温材料的厚度沿罐的高度变化范围为：62mm到80mm；
申请人对本实施例中的保温罐外敷设采用本发明的方法确定外保温材料厚度后的保温罐外表面热流分布特点进行了分析，所采集的保温罐体外壁上位于z＝0平面中的直线x＝x0处的热流值如图3所示，其热流值在294W/m2至310W/m2的范围内变化。
为了进一步验证本申请的先进性，申请人根据《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB50264-97确定实施例中的保温罐需敷设的保温材料的厚度值，并对敷设该厚度值的保温材料后的保温罐的外表面热流特性进行了分析，所采集的保温罐体外壁上位于z＝0平面中的直线x＝x0处的热流值如图3所示，其热流值在273W/m2至350W/m2的范围内变化。
将图3中的两条曲线进行比较后可知采用本发明的保温罐外表面热流分布明显比常规敷设保温材料的保温罐的外表面热流分布均匀。
实施例3：
遵从上述技术方案，本实施例中的保温罐储存空间为一个φ500mm×1000mm的圆柱体，内储存70℃的液体，保温材料的材质为岩棉。
根据GB 50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》确定保温罐常规敷设保温材料时保温材料的厚度值为29mm；
拟合的第一高斯曲线为
x 1 = x 1 0 + ( A 1 / ( w 1 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 1 - y 1 c ) / w 1 ) 2 )
式中 x 1 0 = 755.30749 ± 3875.99396 , y 1 c = 428.65472 ± 6.68979 , w1＝3839.7234±10346.69848，A1＝-3510899.55148±28113036.89171，所确定的保温材料的厚度沿罐的高度变化范围为：44mm到26mm；
拟合的第二高斯曲线为
x 2 = x 2 0 + ( A 2 / ( w 2 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 2 - y 2 c ) / w 2 ) 2 )
式中， x 2 0 = 26.00358 ± 0.10536 , y 2 c = 1176.19466 ± 21.15184 , w2＝420.86845±17.61891，A2＝13337.86337±1417.74716，所确定的保温材料的厚度沿罐的高度变化范围为：26mm到44mm。
申请人对本实施例中的保温罐外敷设采用本发明的方法确定外保温材料厚度后的保温罐外表面热流分布特点进行了分析，所采集的保温罐体外壁上位于z＝0平面中的直线x＝x0处的热流值如图4所示，其热流值在60W/m2至101W/m2的范围内变化。
为了进一步验证本申请的先进性，申请人根据《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB50264-97确定实施例中的保温罐需敷设的保温材料的厚度值，并对敷设该厚度值的保温材料后的保温罐的外表面热流特性进行了分析，所采集的保温罐体外壁上位于z＝0平面中的直线x＝x0处的热流值如图4所示，其热流值在67W/m2至75W/m2的范围内变化。
将图4中的两条曲线进行对比后可知采用本发明的保温罐外表面热流分布明显比常规敷设保温材料的保温罐的外表面热流分布均匀。

Claims (1)

1.一种保温罐外壁保温材料厚度的确定方法，其特征在于，方法按下述步骤实现：
步骤一，利用FLUENT计算软件模拟待保温罐体的温度场；
步骤二，建立一三维坐标系M，该坐标系M的原点o为待保温罐体底面的中心，任取待保温罐体底面的一直径作为x轴，待保温罐体的中轴线作为y轴，z轴位于待保温罐体底面，待保温罐体高为y0、待保温罐体底面半径为x0；
步骤三，在所模拟的温度场中，提取待保温罐体外壁上节点(x0，yi，0)的热流值
Figure FDA0000137508350000011
所提取数据包括节点
Figure FDA0000137508350000012
的热流值
Figure FDA0000137508350000013
其中：yi∈[0，y0]，i为节点编号，i取正整数；
步骤四，按照GB 50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》确定待保温罐体常规敷设保温材料时需敷设的保温材料的厚度值，该厚度值为罐体外壁上纵坐标
Figure FDA0000137508350000014
处所敷设的保温材料的厚度
Figure FDA0000137508350000015
步骤五，根据公式
Figure FDA0000137508350000016
计算罐体外壁上纵坐标y＝yi处所敷设的保温材料的厚度
Figure FDA0000137508350000017
并得到数据组
步骤六，利用数据组且拟合第一高斯曲线：
x 1 = x 1 0 + ( A 1 / ( w 1 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 1 - y 1 c ) / w 1 ) 2 )
式中：x1表示待保温罐体外壁上纵坐标为y1处所敷设的保温材料的厚度，PI表示圆周率，
Figure FDA00001375083500000112
w1和A1均为常数；
利用所拟合的第一高斯曲线计算待保温罐体外壁上纵坐标y1＝yi，
Figure FDA00001375083500000113
处所敷设的保温材料的厚度；
接着利用数据组
Figure FDA0000137508350000021
且
Figure FDA0000137508350000022
拟合第二高斯曲线：
x 2 = x 2 0 + ( A 2 / ( w 2 × sqrt ( PI / 2 ) ) ) × exp ( - 2 × ( ( y 2 - y 2 c ) / w 2 ) 2 )
式中：x2表示待保温罐体外壁上纵坐标为y2处所敷设的保温材料的厚度，PI表示圆周率，w2和A2均为常数；
利用所拟合的第二高斯曲线计算待保温罐体外壁上纵坐标y2＝yi，
Figure FDA0000137508350000025
处所敷设的保温材料的厚度。
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