CN111859248A - 一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法 - Google Patents

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CN111859248A CN202010713231.2A CN202010713231A CN111859248A CN 111859248 A CN111859248 A CN 111859248A CN 202010713231 A CN202010713231 A CN 202010713231A CN 111859248 A CN111859248 A CN 111859248A
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Abstract

本发明公开了一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，包括步骤：一、建立极坐标系；二、确定非满液集水器外侧保温层的基准厚度；三、获取非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场；四、确定分段极角；五、非满液集水器外侧保温层厚度分段拟合；六、确定非满液集水器外侧全范围保温层厚度。本发明针对基准厚度获取非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场，获取极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线，根据曲线呈现的特征对非满液集水器外侧保温层厚度分段拟合，确定非满液集水器外侧任意点保温层厚度，能有效减少非满液集水器外侧传热不均匀性，进而减少热损失，提高保温效果，低成本换取高保温收益。

Description

一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法
技术领域
本发明属于非满液集水器外侧保温层厚度设计技术领域，具体涉及一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法。
背景技术
对于非满液式集水器，不仅结构设计需要得到重视，保温设计亦至关重要。现有的集水器外侧包裹的保温材料厚度是均匀不变的。对于非满液集水器，由于其内部有气相和液相两部分流体，会导致非满液集水器不同部位传热不均匀。为了减少集水器的传热量，常见的方法是增加集水器外侧保温材料的厚度。这种方式，同时增大了各个部位的热阻，减少了各个部位的传热量，这种同时增加保温厚度的方式用来减少非满液集水器传热量并不经济。合理的方式应重点增加传热量大部位处的保温材料厚度，使非满液集水器外侧各部位传热量均匀减小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，根据工业设备及管道绝热工程设计规范确定保温层基准厚度，针对基准厚度获取非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场，获取极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线，根据曲线呈现的特征对非满液集水器外侧保温层厚度分段拟合，确定非满液集水器外侧任意点保温层厚度，能有效减少非满液集水器外侧传热不均匀性，进而减少热损失，提高保温效果，从而以较小的投入获得较大的保温收益，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、建立极坐标系：以集水器的竖向中心横截面为平面，以集水器的竖向中心横截面的中心为极点，以极点竖直向上引出一条射线为极轴，即x轴，选定顺时针方向为正方向，以极点为起点、保温层外侧壁上的点为终点的线段为极径ρ，以极轴和极径之间的夹角为极角θ建立极坐标系；
其中，极角θ的取值范围为0°～180°；
步骤二、确定非满液集水器外侧保温层的基准厚度：向集水器内注入液体，所述液体未充满集水器，集水器内液体上侧为气体；
根据公式
Figure BDA0002597303410000021
计算非满液集水器外侧保温层的基准厚度δ，其中，D0为集水器外径且D0＝2r0，r0为集水器外半径，D1为集水器外侧保温层的基准外径，且
Figure BDA0002597303410000022
PE为能量价格，λ为保温层对应的保温材料在平均温度下的导热系数，t为年运行时间，T0为集水器外表面温度，Ta为环境温度，PT为保温结构单位造价，S为绝热工程投资年摊销率，αs为保温层对应的保温材料外表面向周围环境的放热系数；
步骤三、获取非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场：利用SPACECLAIM软件建立非满液集水器外侧保温层在基准厚度下的物理模型，利用ICEM软件对非满液集水器外侧保温层在基准厚度下的物理模型进行网格划分，生成网格文件导入FLUENT计算软件中，FLUENT计算软件模拟出非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场，获取极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线；
步骤四、确定分段极角：将极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线进行分段，获取极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线分段位置处的分段极角；
所述分段极角包括第一分段极角θqi和第二分段极角θye，第一分段极角θqi和第二分段极角θye将极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线依次分为三段，即气体温度变化曲线段、气液过渡温度变化曲线段和液体温度变化曲线段；
步骤五、非满液集水器外侧保温层厚度分段拟合：对气体温度变化曲线段、气液过渡温度变化曲线段和液体温度变化曲线段分别进行曲线拟合，获取极角范围内的非满液集水器外侧保温层厚度，其中，气体温度变化曲线段和液体温度变化曲线段均为常数函数；
步骤六、确定非满液集水器外侧全范围保温层厚度：液体在集水器内以极轴为对称轴对称盛放在集水器内，因此非满液集水器外侧保温层以极轴为对称轴对称设置在集水器外，根据极角范围内的非满液集水器外侧保温层厚度确定非满液集水器外侧全范围保温层厚度。
上述的一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，其特征在于：步骤四中，分段极角两侧的温度变化曲线段的曲线斜率变化值超过0.1。
上述的一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，其特征在于：步骤五中，根据公式
Figure BDA0002597303410000031
计算气体温度变化曲线段对应的非满液集水器外侧保温层厚度
Figure BDA0002597303410000032
其中，tθ0为0°极角时保温层基准厚度下外侧温度值，
Figure BDA0002597303410000033
为气体温度变化曲线段上任一极角处保温层外侧温度值；
根据公式
Figure BDA0002597303410000034
计算液体温度变化曲线段对应的非满液集水器外侧保温层厚度
Figure BDA0002597303410000035
其中，
Figure BDA0002597303410000036
为液体温度变化曲线段上任一极角处保温层外侧温度值；
在气液过渡温度变化曲线段上数据采样，获取不同极角θqi-ye和对应极角的集水器保温层外侧温度值
Figure BDA0002597303410000037
根据公式
Figure BDA0002597303410000038
求出集水器保温层外侧温度值
Figure BDA0002597303410000039
对应的保温层厚度
Figure BDA00025973034100000310
设定多项式最高幂阈值范围，利用多项式拟合法构建以极角θqi-ye为自变量，以保温层厚度
Figure BDA00025973034100000311
为因变量的多项式曲线
Figure BDA00025973034100000312
a0～an均为拟合系数，n为最高幂；
即极角范围内的非满液集水器外侧保温层厚度
Figure BDA0002597303410000041
其中，C1和C2均为常数，且
Figure BDA0002597303410000042
上述的一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，其特征在于：步骤五中，多项式最高幂阈值范围为2～5。
综上所述，本发明的有益效果是：根据工业设备及管道绝热工程设计规范确定保温层基准厚度，针对基准厚度获取非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场，获取极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线，根据曲线呈现的特征对非满液集水器外侧保温层厚度分段拟合，确定非满液集水器外侧任意点保温层厚度，能有效减少非满液集水器外侧传热不均匀性，进而减少热损失，提高保温效果，从而以较小的投入获得较大的保温收益，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明极坐标系在集水器中的位置关系示意图。
图2为本发明极角范围内的保温层外侧温度变化曲线图。
图3为本发明方法的流程框图。
附图标记说明:
1—气体； 2—液体； 3—集水器；
4—保温层。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，包括以下步骤：
步骤一、建立极坐标系：以集水器3的竖向中心横截面为平面，以集水器的竖向中心横截面的中心为极点，以极点竖直向上引出一条射线为极轴，即x轴，选定顺时针方向为正方向，以极点为起点、保温层外侧壁上的点为终点的线段为极径ρ，以极轴和极径之间的夹角为极角θ建立极坐标系；
其中，极角θ的取值范围为0°～180°；
需要说明的是，集水器3的竖向横截面为圆形，由于液体2在集水器3内以极轴为对称轴对称盛放在集水器3内，因此非满液集水器外侧保温层以极轴为对称轴对称设置在集水器3外，获取一半的非满液集水器外侧保温层厚度即可相应的确定非满液集水器外侧全范围保温层厚度，减少建模的复杂度。
步骤二、确定非满液集水器外侧保温层的基准厚度：向集水器3内注入液体2，所述液体2未充满集水器3，集水器3内液体2上侧为气体1；
根据公式
Figure BDA0002597303410000051
计算非满液集水器外侧保温层4的基准厚度δ，其中，D0为集水器3外径且D0＝2r0，r0为集水器3外半径，D1为集水器外侧保温层4的基准外径，且
Figure BDA0002597303410000052
PE为能量价格，λ为保温层4对应的保温材料在平均温度下的导热系数，t为年运行时间，T0为集水器3外表面温度，Ta为环境温度，PT为保温结构单位造价，S为绝热工程投资年摊销率，αs为保温层4对应的保温材料外表面向周围环境的放热系数；
需要说明的是，按照GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》确定集水器常规需敷设保温材料的基准厚度，本实例中的集水器以尺寸筒体直径325mm，封头高度106mm，筒体长度为1910mm，内部水温12℃，以竖直向上方向为极轴，液面与筒体接触处极角为50°，保温材料的材质为橡塑海绵为例，能量价格PE在保温计算中应取热价PH的值，在保冷计算中应取冷价PC的值，在本实施例中，根据GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》计算公式5.7.2，计算得能量价格PE为28.1元/106kJ，保温结构单位造价PT为312.8元/m2，保温层4对应的保温材料在平均温度下的导热系数λ为0.033W/(m·℃)，以无风为例，保温层4对应的保温材料外表面向周围环境的放热系数αs为表面材料的辐射换热系数αr与对流换热系数αc之和，即为11.6W/(m·℃)，集水器3外表面温度T0为12℃，环境温度Ta为30℃，绝热工程投资年摊销率S为15％，综上数据得非满液集水器外侧保温层4的基准厚度δ为50mm。
步骤三、获取非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场：利用SPACECLAIM软件建立非满液集水器外侧保温层在基准厚度下的物理模型，利用ICEM软件对非满液集水器外侧保温层在基准厚度下的物理模型进行网格划分，生成网格文件导入FLUENT计算软件中，FLUENT计算软件模拟出非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场，获取极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线；
需要说明的是，本实施例中液面与筒体接触处极角为50°，获取极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线如图2所示，保温层基准厚度下外侧温度变化在50°极角附近变化明显，沿集水器极角增大方向，温度由一个常数升高至另一个常数。
步骤四、确定分段极角：将极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线进行分段，获取极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线分段位置处的分段极角；
本实施例中，步骤四中，分段极角两侧的温度变化曲线段的曲线斜率变化值超过0.1。
需要说明的是，极角未到50°时，产生第一分段极角θqi，极角超过50°时，产生第二分段极角θye，本实施例中，第一分段极角θqi为43.5°，第二分段极角θye为59.5°。
所述分段极角包括第一分段极角θqi和第二分段极角θye，第一分段极角θqi和第二分段极角θye将极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线依次分为三段，即气体温度变化曲线段、气液过渡温度变化曲线段和液体温度变化曲线段；
步骤五、非满液集水器外侧保温层厚度分段拟合：对气体温度变化曲线段、气液过渡温度变化曲线段和液体温度变化曲线段分别进行曲线拟合，获取极角范围内的非满液集水器外侧保温层厚度，其中，气体温度变化曲线段和液体温度变化曲线段均为常数函数；
本实施例中，步骤五中，根据公式
Figure BDA0002597303410000071
计算气体温度变化曲线段对应的非满液集水器外侧保温层厚度
Figure BDA0002597303410000072
其中，tθ0为0°极角时保温层基准厚度下外侧温度值，
Figure BDA0002597303410000073
为气体温度变化曲线段上任一极角处保温层外侧温度值；
根据公式
Figure BDA0002597303410000074
计算液体温度变化曲线段对应的非满液集水器外侧保温层厚度
Figure BDA0002597303410000075
其中，
Figure BDA0002597303410000076
为液体温度变化曲线段上任一极角处保温层外侧温度值；
在气液过渡温度变化曲线段上数据采样，获取不同极角θqi-ye和对应极角的集水器保温层外侧温度值
Figure BDA0002597303410000077
根据公式
Figure BDA0002597303410000078
求出集水器保温层外侧温度值
Figure BDA0002597303410000079
对应的保温层厚度
Figure BDA00025973034100000710
设定多项式最高幂阈值范围，利用多项式拟合法构建以极角θqi-ye为自变量，以保温层厚度
Figure BDA00025973034100000711
为因变量的多项式曲线
Figure BDA00025973034100000712
a0～an均为拟合系数，n为最高幂；
即极角范围内的非满液集水器外侧保温层厚度
Figure BDA00025973034100000713
其中，C1和C2均为常数，且
Figure BDA00025973034100000714
本实施例中，步骤五中，多项式最高幂阈值范围为2～5。
需要说明的是，本实施例中，多项式最高幂阈值优选为3，建立极角范围内的非满液集水器外侧保温层厚度
Figure BDA0002597303410000081
如图2中所示的本申请保温层外侧温度变化曲线所示，液体温度变化曲线段与气体温度变化曲线段之间的温差减小，两条温度曲线对比后可知，集水器保温层外侧温度分布明显比现有敷设保温层的集水器更均匀，能有效减少非满液集水器外侧传热不均匀性，进而减少热损失，提高保温效果，从而以较小的投入获得较大的保温收益。
步骤六、确定非满液集水器外侧全范围保温层厚度：液体2在集水器3内以极轴为对称轴对称盛放在集水器3内，因此非满液集水器外侧保温层以极轴为对称轴对称设置在集水器3外，根据极角范围内的非满液集水器外侧保温层厚度确定非满液集水器外侧全范围保温层厚度。
需要说明的是，确定一半集水器外侧保温层厚度后，根据对称性得到另一半集水器外侧保温层厚度，简化非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场，缩减保温层基准厚度下外侧温度变化曲线，数据量需求少，非满液集水器外侧保温层厚度分段拟合计算量少，简单易行，便于推广使用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、建立极坐标系：以集水器(3)的竖向中心横截面为平面，以集水器的竖向中心横截面的中心为极点，以极点竖直向上引出一条射线为极轴，即x轴，选定顺时针方向为正方向，以极点为起点、保温层外侧壁上的点为终点的线段为极径ρ，以极轴和极径之间的夹角为极角θ建立极坐标系；
其中，极角θ的取值范围为0°～180°；
步骤二、确定非满液集水器外侧保温层的基准厚度：向集水器(3)内注入液体(2)，所述液体(2)未充满集水器(3)，集水器(3)内液体(2)上侧为气体(1)；
根据公式
Figure FDA0002597303400000011
计算非满液集水器外侧保温层(4)的基准厚度δ，其中，D0为集水器(3)外径且D0＝2r0，r0为集水器(3)外半径，D1为集水器外侧保温层(4)的基准外径，且
Figure FDA0002597303400000012
PE为能量价格，λ为保温层(4)对应的保温材料在平均温度下的导热系数，t为年运行时间，T0为集水器(3)外表面温度，Ta为环境温度，PT为保温结构单位造价，S为绝热工程投资年摊销率，αs为保温层(4)对应的保温材料外表面向周围环境的放热系数；
步骤三、获取非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场：利用SPACECLAIM软件建立非满液集水器外侧保温层在基准厚度下的物理模型，利用ICEM软件对非满液集水器外侧保温层在基准厚度下的物理模型进行网格划分，生成网格文件导入FLUENT计算软件中，FLUENT计算软件模拟出非满液集水器外侧保温层在基准厚度下中心横截面的温度场，获取极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线；
步骤四、确定分段极角：将极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线进行分段，获取极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线分段位置处的分段极角；
所述分段极角包括第一分段极角θqi和第二分段极角θye，第一分段极角θqi和第二分段极角θye将极角范围内的保温层基准厚度下外侧温度变化曲线依次分为三段，即气体温度变化曲线段、气液过渡温度变化曲线段和液体温度变化曲线段；
步骤五、非满液集水器外侧保温层厚度分段拟合：对气体温度变化曲线段、气液过渡温度变化曲线段和液体温度变化曲线段分别进行曲线拟合，获取极角范围内的非满液集水器外侧保温层厚度，其中，气体温度变化曲线段和液体温度变化曲线段均为常数函数；
步骤六、确定非满液集水器外侧全范围保温层厚度：液体(2)在集水器(3)内以极轴为对称轴对称盛放在集水器(3)内，因此非满液集水器外侧保温层以极轴为对称轴对称设置在集水器(3)外，根据极角范围内的非满液集水器外侧保温层厚度确定非满液集水器外侧全范围保温层厚度。
2.按照权利要求1所述的一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，其特征在于：步骤四中，分段极角两侧的温度变化曲线段的曲线斜率变化值超过0.1。
3.按照权利要求1所述的一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，其特征在于：步骤五中，根据公式
Figure FDA0002597303400000021
计算气体温度变化曲线段对应的非满液集水器外侧保温层厚度
Figure FDA0002597303400000022
其中，tθ0为0°极角时保温层基准厚度下外侧温度值，
Figure FDA0002597303400000023
为气体温度变化曲线段上任一极角处保温层外侧温度值；
根据公式
Figure FDA0002597303400000031
计算液体温度变化曲线段对应的非满液集水器外侧保温层厚度
Figure FDA0002597303400000032
其中，
Figure FDA0002597303400000033
为液体温度变化曲线段上任一极角处保温层外侧温度值；
在气液过渡温度变化曲线段上数据采样，获取不同极角θqi-ye和对应极角的集水器保温层外侧温度值
Figure FDA0002597303400000034
根据公式
Figure FDA0002597303400000035
求出集水器保温层外侧温度值
Figure FDA0002597303400000036
对应的保温层厚度
Figure FDA0002597303400000037
设定多项式最高幂阈值范围，利用多项式拟合法构建以极角θqi-ye为自变量，以保温层厚度
Figure FDA0002597303400000038
为因变量的多项式曲线
Figure FDA0002597303400000039
a0～an均为拟合系数，n为最高幂；
即极角范围内的非满液集水器外侧保温层厚度
Figure FDA00025973034000000310
其中，C1和C2均为常数，且
Figure FDA00025973034000000311
4.按照权利要求3所述的一种非满液集水器外侧保温层厚度的确定方法，其特征在于：步骤五中，多项式最高幂阈值范围为2～5。
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