CN107862164A - 一种新型的金属反射型保温层传热计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，包括以下步骤：1)、将几何模型转换成计算所需关键结构的参数矩阵及边界数量；2)、将参数矩阵分别输入热传导判断与修正模块、热对流判断与修正模块和热辐射判断与修正模块，通过热传导判断与修正模块、热对流判断与修正模块和热辐射判断与修正模块获得当前温度分布下，各层金属反射箔的热传导热流量、热对流热流量及热辐射热流量；3)、将热传导热流量、热对流热流量及热辐射热流量输入计算处理与判断模块，通过计算处理与判断模块进行迭代计算直至收敛。本发明充分考虑辐射传导对流耦合性的需求，能够适用于复杂反射箔结构且能够适用于不同结构金属反射型保温层。

Description

一种新型的金属反射型保温层传热计算方法

技术领域

本发明涉及核动力装置用金属反射型保温层隔热性能评价技术领域，具体涉及一种新型的金属反射型保温层传热计算方法。

背景技术

根据用途的不同，核动力装置冷却剂温度也不相同，但一般能达到两百至三百摄氏度，如核电厂反应堆一回路冷却剂平均温度通常在310℃以上。因此，核动力装置中装载冷却剂的设备，如反应堆压力容器、一回路冷却剂管道等，皆属于高温发热设备。容纳核动力装置的环境平均温度一般要求小于60℃，为了有效地减少核动力装置的热损失，减小高温发热设备的壁面温差和热应力，同时限制核动力装置所处的环境温度在其要求的限值范围内，必须在高温发热设备外壁包覆保温层。由于核动力装置具有很强的放射性，一般工业管道和容器采用的非金属保温材料(如微孔硅酸钙、超细玻璃棉等)经受长期辐照后会被放射性活化，在拆装时会产生大量的放射性粉尘和固体废物、污染环境、对人体不利、增大放射性管理的费用，保温性能也会有所下降，从而缩短使用寿命。

金属反射型保温层，主体材料为高反射率、高光洁度的双镜面奥氏体不锈钢薄板和奥氏体不锈钢箔材。与非金属保温层相比，金属保温层耐辐照，化学稳定性好，不会引起放射性尘埃污染，不会腐蚀被保温设备，清洗方便；模块化结构，装拆方便，使核动力装置具有较好的在役检查可达性。

金属反射型保温层的隔热原理是根据空腔辐射特性，利用高反射率、高光洁度的金属壳板和金属反射箔将来自热源的热辐射绝大部分反射回去，从而大大减少辐射换热量。同时，在结构设计上采取必要措施抑制金属保温板块单元结构内部的对流换热，并且通过减少热桥面积、增加热桥长度的方式增加导热热阻，最终达到一个良好的综合隔热效果。

由于金属反射型保温层内部结构复杂，隔热原理涉及到热辐射、热传导、热对流的耦合，金属反射型保温层传热特性的计算十分困难，对其传热性能计算方法的研究较少。

现有的计算方法或简化了模型，或仅能适用于结构简单的保温层，不能满足工程上对复杂结构适应性、三维不对称性、辐射传导对流耦合性的需求，在应用上有较大局限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，该计算方法基于三维几何模型，同时考虑热辐射、热传导、热对流过程，能够简便地调整几何结构参数、材料物性参数，能够适用于复杂反射箔结构且能够适用于不同结构金属反射型保温层。

本发明通过下述技术方案实现：

一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，包括以下步骤：

1)、将几何模型转换成计算所需关键结构的参数矩阵及边界数量；

2)、将参数矩阵分别输入热传导判断与修正模块、热对流判断与修正模块和热辐射判断与修正模块，通过热传导判断与修正模块、热对流判断与修正模块和热辐射判断与修正模块获得当前温度分布下，各层金属反射箔的热传导热流量、热对流热流量及热辐射热流量；

3)、将热传导热流量、热对流热流量及热辐射热流量输入计算处理与判断模块，通过计算处理与判断模块进行迭代计算直至收敛。

在现有技术中，与核动力装置用金属反射型保温层或类似结构相关的计算方式如下：

a、对金属反射式保温块的物理模型进行简化处理，然后采用有限差分法进行数值计算的方法。例如将一种波纹形状的反射箔简化成菱形形状，将三维传热过程简化为二维传热过程，忽略了空气对流的影响。所采用的有限差分方法几乎只在这几种假设下才有具体实施的可能性，面对工程中多变的反射箔波纹形状，三维结构的不对称性，以及不能忽略的空气对流，这种方法有很大的局限性。

b、对多层圆筒型保温结构进行保温性能的分析和计算；给出了不同保温结构层数、不同工作温度条件下的有效热导率的计算方法和程序。但是给出的理论推导方法，仅在几何结构比较简单，如多层圆筒、平板这样的结构形式下才有解析解，推广到复杂波形多层反射箔结构比较困难。

C、用防护热箱法原理，基于传热学理论和数值分析方法，建立了金属保温层分析模型。通过Matlab软件程序求解数值模型，并对试验结果进行对比分析。但是将金属反射箔简化成了金属薄板，忽略了金属保温层的结构信息，对于工程选型是不适用的。

综上，现有的金属保温层传热计算方法不能满足工程上对复杂结构适应性、三维不对称性、辐射传导对流耦合性的需求，在应用上有较大局限。

本发明所述几何模型具体是指采用CAD、CFD等制图软件绘制的几何模型，CAD、CFD等制图软件自带用于将几何模型转换成参数矩阵功能的几何模型处理模块，几何模型处理模块为现有技术。

几何模型处理模块在本发明中的功能：根据输入的CAD几何样机，处理得到计算所需的关键结构参数矩阵及边界数量。该模块的目的在于将复杂几何结构转化为数学运算中易于处理的参数矩阵，用数量适中的结构参数替代原模型，在计算效率与计算精度之间取得平衡，并且具有如反射箔层数、层间距等参数方便可调的特性。

本发明所述热传导判断与修正模块、热对流判断与修正模块和热辐射判断与修正模块的编程过程为：将相关的参数输入模块内自动生成公式，该编程过程为现有技术，例如C语言、FORTRAN语言、MATLAB语言等，本领域普通技术人员通过上述现有技术均可实现编程。

本发明所述计算处理与判断模块内设置有迭代程序，该迭代程序的编程技术为现有技术，例如C语言、FORTRAN语言、MATLAB语言等，本领域普通技术人员通过上述现有技术均可实现编程。

具体计算的过程为：将各层金属反射箔的热传导热流量、热对流热流量及热辐射热流量输入计算处理与判断模块，并通过计算处理与判断模块进行迭代处理，直到收敛(迭代的结果通过计算处理与判断模块内置的准则)。

本发明通过将几何模块转换成参数矩阵，并且充分考虑到辐射传导对流耦合性的需求，不仅将复杂的三维几何模型转化为可处理的参数矩阵，具有很强的可操作性，在计算效率与计算精度之间取得了平衡，能够适用于复杂反射箔结构且能够适用于不同结构金属反射型保温层，也没有忽略任何一个传热过程，具有高效、快速的优点，能够帮助设计人员理解金属反射型保温层各传热过程的贡献，辅助工程项目对金属反射型保温层进行选型，能够减少金属反射型保温层研发过程中的传热试验次数，能够节约研发周期与成本。

进一步地，还包括步骤：将工况条件通过边界条件输入模块转换成边界条件方程组。

所述边界条件输入模块编程过程为：将相关的参数输入模块内自动生成公式，该编程过程为现有技术，例如C语言、FORTRAN语言、MATLAB语言等，本领域普通技术人员通过上述现有技术均可实现编程。

具体地，边界条件输入模块的功能：根据工况的不同，将定温、定热流密度、绝热、反射、对称、周期等边界条件转换为相应的边界条件方程组，方程组的数量由几何模型处理模块输入。该模块的目的在于将计算过程中的边界条件方程组独立出来达到可针对不同工况进行调整的目的。

所述计算处理与判断模块根据输入的各热流量分布，由热力学第一定律及边界条件，建立完整的约束方程，计算得到新的温度分布。与热传导、热对流及热辐射判断与修正模块进行迭代，收敛后得到确定工况下金属反射型保温层稳态传热过程各物理量分布。

进一步地，在热传导判断与修正模块内计算热传导热流量的公式为：

其中，Q_ck：通过第k层金属反射箔的热传导热流量

λ_k：空气热导率，

T_k+1/2、T_k-1/2：第k层金属反射箔与第k+1层金属反射箔及第k-1层金属反射箔之间的中心温度，

d_k：第k-1层金属反射箔到第k+1层金属反射箔距离的一半，

A_pk：第k层金属反射箔在热传导热流方向上的投影面积。

进一步地，在热对流判断与修正模块内计算热对流热流量的公式为：

Q_vk-＝∑N_v,k,k-1,i·Q_vk-,i 公式(2)；

其中，Q_vk-：第k层与第k-1层之间的空气通过对流向第k层金属反射箔传输的热流量；

N_v,k,k-1,i：第k层与第k-1层金属反射箔之间分割出的第i种具有相同结构的对流换热腔的数量，下标中k和k-1的顺序不影响该值；

Q_vk-，i：第i种对流换热腔向第k层金属反射箔传输的热对流热流量；

进一步地，在辐射判断与修正模块内计算热辐射热流量的公式为：

Q_rk＝QJ_k--QH_k-+QJ_k+-QH_k+ 公式(3)；

其中，Q_rk：通过第k层金属反射箔的热辐射热流量

QJ_k-：第k层金属反射箔下表面发射的辐射热流量；

QH_k-：第k层金属反射箔下表面接收的辐射热流量；

QJ_k+：第k层金属反射箔上表面发射的辐射热流量；

QH_k+：第k层金属反射箔上表面接收的辐射热流量。

进一步地，参数矩阵如下：

参数矩阵中包括但不限于：

Φ：角系数矩阵

d：层间距

n：层数

τ：偏离度

ω：对流换热腔结构参数矩阵。

进一步地，针对常见的金属反射型保温层结构建立计算模块数据库。

通过建立计算模块数据库，在计算时可以直接调用。建立的计算模块数据库可以实现对库内结构快速的重计算，对部分结构参数的调整，也可快速得到结果。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的计算方法给出了一种通用的，能够适应不同复杂形状金属反射箔的评价金属反射型保温层隔热效果的方式。该方法具有很强的可操作性，在计算效率与计算精度之间取得了平衡，在可接受的程度内，能够方便地调整各结构参数、物性参数、边界条件等。与目前国内外已有的计算方法相比，该方法没有将三维模型简化至二维，也没有忽略任何一个传热过程，具有高效、快速的优点，能够帮助设计人员理解金属反射型保温层各传热过程的贡献，辅助工程项目对金属反射型保温层进行选型，能够减少金属反射型保温层研发过程中的传热试验次数，能够节约研发周期与成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明的模块化计算流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，该计算方法通过几何模型处理模块将复杂的几何结构模型转化为可处理的参数矩阵，通过边界条件输入模块建立边界条件约束方程组，通过计算处理与判断模块控制热传导判断与修正模块、热对流判断与修正模块、热辐射判断与修正模块，按照一定顺序不断进行交互、迭代直至收敛，得到金属反射型保温层在定工况下的稳态传热信息。

具体地，热传导判断与修正模块：公式1中，金属反射箔特征温度T_k的选取需要依据其具体形状，当特征温度不能代表金属反射箔平均温度时，对T_k+1/2和T_k-1/2要进行相应的修正。

热对流判断与修正模块：计算过程中，第k层金属反射箔将同时与第k-1层和第k+1层金属反射箔之间对流换热腔内的空气进行换热，每个对流换热腔遵循如下规律：

Q_vk-,i＝h_vk-,i·(t_w,k,i-t_f,k,k-1,i) 公式(4)，

其中，h_vk-,i：第k层金属反射箔在第i种第k层与第k-1层金属反射箔之间对流换热腔的平均表面传热系数；

t_w,k,i：第i种对流换热腔内第k层金属反射箔的平均温度；

t_f,k,k-1,i：第i种对流换热腔内空气的平均温度；

其中，平均表面传热系数通过将对流换热腔等效为水平或竖直或呈一定角度的矩形对流腔，选取合适的经验公式计算得到。

热辐射判断与修正模块：对于金属反射箔的某一面，其发射的有效辐射为：

其中，J：某金属反射箔表面发射的有效辐射

ε_i：第i面的表面发射率；

σ：黑体辐射常数；

T_i：第i面平均温度；

H_i：第i面投射辐射；

S_i：第i面表面积；

其投射辐射为：

H＝∑H_i 公式(6)

H_i＝∑J_kS_kF_k-i 公式(7)

其中，H：某金属反射箔表面投射辐射；

J_k：除第i面外，第k面发射的有效辐射；

F_k-i：第k面到第i面的漫射角系数；

金属反射箔表面区域的划分需要依据反射箔形状的复杂程度以及计算的效率综合考虑。

计算处理与判断模块：按一定的顺序反复调用热传导、热对流、热辐射判断与处理模块，选择合适的迭代方法，计算直至收敛。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、将几何模型转换成计算所需关键结构的参数矩阵及边界数量；

2)、将参数矩阵分别输入热传导判断与修正模块、热对流判断与修正模块和热辐射判断与修正模块，通过热传导判断与修正模块、热对流判断与修正模块和热辐射判断与修正模块获得当前温度分布下，各层金属反射箔的热传导热流量、热对流热流量及热辐射热流量；

3)、将热传导热流量、热对流热流量及热辐射热流量输入计算处理与判断模块，通过计算处理与判断模块进行迭代计算直至收敛。

2.根据权利要求1所述的一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，其特征在于，还包括步骤：将工况条件通过边界条件输入模块转换成边界条件方程组。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，其特征在于，在热传导判断与修正模块内计算热传导热流量的公式为：

其中，Q_ck：通过第k层金属反射箔的热传导热流量

λ_k：空气热导率，

T_k+1/2、T_k-1/2：第k层金属反射箔与第k+1层金属反射箔及第k-1层金属反射箔之间的中心温度，

d_k：第k-1层金属反射箔到第k+1层金属反射箔距离的一半，

A_pk：第k层金属反射箔在热传导热流方向上的投影面积。

4.根据权利要求1或2所述的一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，其特征在于，在热对流判断与修正模块内计算热对流热流量的公式为：

其中，第k层与第k-1层之间的空气通过对流向第k层金属反射箔传输的热流量；

N_v,k,k-1,i：第k层与第k-1层金属反射箔之间分割出的第i种具有相同结构的对流换热腔的数量，下标中k和k-1的顺序不影响该值；

第i种对流换热腔向第k层金属反射箔传输的热对流热流量。

5.根据权利要求1或2所述的一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，其特征在于，在辐射判断与修正模块内计算热辐射热流量的公式为：

其中，Q_rk：通过第k层金属反射箔的热辐射热流量

第k层金属反射箔下表面发射的辐射热流量；

第k层金属反射箔下表面接收的辐射热流量；

第k层金属反射箔上表面发射的辐射热流量；

第k层金属反射箔上表面接收的辐射热流量。

6.根据权利要求1或2所述的一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，其特征在于，所述参数矩阵如下：

参数矩阵中包括但不限于：

Φ：角系数矩阵

d：层间距

n：层数

τ：偏离度

ω：对流换热腔结构参数矩阵。

7.根据权利要求1或2所述的一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，其特征在于，针对常见的金属反射型保温层结构建立计算模块数据库。