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空气的冷热程度实质上是空气内能的大小的表现。空气内能变化既可以是空气与外界的热量交换引起(通过分子热传导、辐射、对流、湍流、潜热转移等方式进行的非绝热变化),也可由外界的压力变化对空气做功,导致空气膨胀或压缩而引起(绝热变化)。
一、空气的绝热变化
空气块在铅直运动中与外界不发生热量交换,也就是无热量输入,也无热量输出,但由于体积的膨胀和收缩而发生的绝热冷却和绝热增温的变化,称为空气的绝热变化。
空气块在做绝热上升和下降过程中,温度变化的辐度因空气块水汽含量不同而异。
1、干绝热直减率
气块绝热升降单位距离(100m)时的温度变化值,称绝热垂直递减率。对于干空气和未饱和的湿空气来说,则称干绝热直减率,以rd表示。≈ 0.98℃/100m
在实际工作中rd=1℃/100m,在干绝热过程中,空气块每上升100m,温度约下降1℃。 rd 与r(气温直减率)的含义是不同的。rd 是干空气在绝热升降过程中气块本身的变温率,它近似于常数;而r是表示周围大气的温度随高度的分布情况。
2、湿绝热直减率:饱和湿空气绝热升降单位距离(100m)时的温度变化值,称为湿绝热直减率,以rm表示。rm不是常数,而是气压和温度的函数,一般要小于rd,其平均值为0.5℃/100。
气团作下沉运动时,若与外界没有热量交换的情况下,由于外界气压比起团内部气压高,会压缩气块使气团体积缩小,同时气团内气体被压缩做功,内能增加,温度上升,这种现象称为绝热增温。
引起空气内能变化的原因可分位两种: 一种是空气与外界没有热量交换,内能变化是由于外界对空气做功或空气对外界做功引起的,称为“绝热变化”;另一种是空气与外界发生热量交换而引起的内能变化,称为“非绝热变化”。
空气的垂直运动:可使上升空气发生绝热降温;下沉空气发生绝热增温。
(1)台风在各个等压面上的温度场是近于圆形的暖中心结构,并具有一定的对称性。台风低层温度的水平分相是自外围向眼区逐渐增高的,但温差很小。这种水平温度场结构随着高度升高逐渐明显,这是眼壁外侧雨区释放凝结潜热和眼区空气下沉绝热增温的结果。
(2)潮湿的气团前进时,遇到高山阻挡,气流被迫缓慢上升,引起绝热降温,发生凝结,这样形成的降雨,称为地形雨。地形雨多降在迎风面的山坡(迎风坡)上,背风坡面则因空气下沉引起绝热增温,反使云量消减,降雨减少。
(3)在一定的大气中温度垂直分布状况下,绝热增温将会对锋生、锋消起一定的影响。
(4)在一定环境条件下,绝热增温现象可导致高温天气。
气凝胶绝热毡:卓越的绝热节能材料
气凝胶是具有奇异绝热隔声性能的材料。它问世已有70多年(1931年发明)。它是用气体取代凝胶中的液体组分后形成的轻质二氧化硅非晶态材料。其形态为多孔三维网络结构,其中固体体积只占3%,其余的97%体积由极微细的纳米级孔隙中的空气构成。空气的移动余地很小,因而抑制了对流和气相传热。这些特性使气凝胶成为世界上密度最低的固体和最有效的绝热材料。
绝热工程
第八节 绝热工程 炼油、化工等装置中介质的运行,都是在一定的温度、压力等参数条件下进行。为了保证正常生产 的最佳温度范围和减少热载体(如蒸汽、热油、热水、烟气等)和冷载体(如液氨、液氮、冷冻盐水、 低温水等)在输送、贮存、和使用过程中热量和冷量的损失,提高热、冷效率,降低能源消耗和产品成 本,设备和管道均应进行绝热。 一. 绝热种类及目的 1. 绝热种类 设备、管道的绝热按用途可分为保温和保冷两种。 2.绝热目的 (1)生产工艺的要求 在石油化工产品的生产中, 温度是进行反应的一个重要条件, 如果不能保持过程中恒定的温度范围, 就会影响到反应的速度或变化, 直接影响产量、质量和物料的正常输送。因此,对某些设备和管道要进 行绝热。 (2)减少热损失、节约燃料 当设备和管道内的介质温度高于周围空气温度时,热量将经过金属壁传到周围空气中去造成热损 失,这个热损失是相当大的。经测算,当管径 Dg≥
大气中作垂直运动的气块的状态变化通常接近于绝热过程。
当空气块上升过程中,因外界气压逐渐降低,气块体积膨胀,对外作功,在绝热条件下,作功所需的能量,只能由其本身能量来负担,消耗内能而气块温度下降,这种因气块绝热上升而使温度下降的现象,称为“绝热冷却”;
当空气块下降过程中,因外界气压增大,外界对气块作功,在绝热条件下,作功的功,只能用于增加气块的内能,因而气块温度升高,这种因气块下沉而使温度上升的现象,称为“绝热增温”。2100433B
这是一种沿用古老的高温保温方法的绝热形式,选用导热系数小的绝热材料装提案在需要绝热的部位,有时在绝热材料的空隙中充氮气或干空气,堆积绝热有泡沫型、粉末型及纤维型,这些材料的导热系数随温度的降低和容量的减少近似呈线性关系较少,其绝热效果取决于绝热层的厚度。
高真空绝热是将要求绝热空间抽成10~10Pa,从而排除气体的对流传热和绝大部分的气体热导率。实际上,高真空绝热是由一个热壁与冷壁构成的纯粹的真空空间。在这类绝热中,影响绝热性能的主要因素有两点:一是夹层的真空度,二是辐射传热的大小,常用发射率低的材料,并使辐射表面高度光亮、清洁,用液氮或冷蒸汽冷却热屏等。
这种绝热结构式在绝热空间冲天孔性绝热材料(粉末或纤维),在将绝热空间抽到一定的真空度。影响绝热效果的因素有真空度、粉末的粒度、容重、添加剂的种类和数量、界面温度等。以真空粉末及纤维绝热的绝热性能比高真空绝热好得多。真空粉末的表观热导率大约是普通堆积绝热的热导率的几十分之一,由于绝热效率较高,在低温技术中得到了广泛应用。
高真空多层绝热是在真空夹层中装有很多防辐射屏(反射率很高的金属膜),以此来降低辐射传热的一种绝热形式,绝热空间抽空到低于10Pa的负压,是效率最高的一种绝热形式,有"超级绝热"之称。影响多层绝热性能的主要因素有:采用的材料、多层中的真空度、多层的层密度和松紧度、多层的总层数或总厚度及多层绝热物承受的机械负荷、边界温度等等。
实际低温液体贮槽的绝热结构往往不是采取某种单一的绝热形式,而是根据要求贮存的液化气体的物理特性及使用要求,进行多种绝热形式的组合,低温容器绝热性能的优劣,除受制造工艺限制外,很大程度上取决于绝热结构的设计合理与否,对于贮存极低温度的容器,即使是应用超级多层绝热也不能满足要求,例如计算表明,把一个液氮日蒸发率为1%的50L多层绝热容器来贮存液氦,预计液氦的日蒸发率达50%左右。
在低温容器方面,国内外采用的绝热结构主要有多层-冷却屏绝热形式和多屏绝热形式。
在高真空绝热空间中装置金属辐射屏将会使导入绝热空间冷壁的热流大幅度降低,在低温容器或低温恒温器中,这些金属辐射屏都是焊装于容器的颈管上的,因此从容器中排出的蒸汽的冷却效应可降低包围着液化气体容器分辐射屏的温度,这种辐射屏叫做蒸汽冷却屏,如图3.3.2a。
在多层绝热中装置3~5个铜(铝)质传导屏的结构被称为多层-冷却屏绝热容器,图3.3.2b是四屏绝热容器的结构示意图。
图3.3.2b示出的四屏绝热容器中,其内容器和第一个屏之间为高真空绝热,采用无间隔物的镀铝涤纶薄膜做多层绝热的500L的三屏液氦贮槽,计算得到容器的液氦日蒸发率仅为0.7%。
多屏绝热是一种将多层绝热辐射屏与蒸汽冷却传导屏合二为一的超绝热结构,在这种结构中采用层数少,层密度较小的多层绝热屏来遏制热壁的室温辐射,同时这些多层辐射屏有逐一与容器的颈管进行热联结,借助于辐射屏平行方向的导热,将屏中热流导向颈管,被从颈管中逸出的冷蒸汽带走,例如,1976年我国浙江大学研制的50L多屏绝热容器的日蒸发率仅为1.8%,100L液氦容器的日蒸发率<1%。
多屏绝热结构具有效率高,制作容易、重量轻及预冷快等优点,在液氦容器中得到了广泛的应用。
综合比较国内外各种低温绝热的类型与结构,借鉴存在的各种低温容器的绝热形式,低温测试系统我们采用多屏绝热结构,选用具有高反射性能、防辐射作用好的0.006mm厚的铝箔作传导屏,为了防止两层铝箔间的直接热接触,用绝热性能好尼龙网作隔物,一共安装14快蒸汽冷却屏。
为了提高传导屏的热效率,往往通过翅片把传导屏和颈管联结起来,翅片的设计原则是尽可能减少传导屏与颈管的热阻,翅片与传导屏的相连部分的接触面应尽可能大,为了便于抽空,翅片上应开一些孔,翅片与颈管的连接一般有两种方法,一种方法是钎焊,另外一种方法是热套,我们选用第一种方法,采用钎焊,用银来焊接。翅片与传导屏的连接我们采用接触连接,用带子、抱箍等将传导屏与翅片贴紧