一种高效气膜隔热结构的制作方法

本发明涉及一种隔热结构，特别涉及一种高效气膜隔热结构。

背景技术：

隔热在核能发电、火力发电、航空航天、建筑等工业领域都有重要应用，隔热在不同的应用场合有不同的实现方法。

核能发电领域，核反应堆使用的全新燃料组件必须在专用场地保存且必须采取隔热措施以达到规定时长间隔内的防火、防高温要求，为此每一个全新的燃料组件必须放置在一个专用的金属壳体里面。

火力发电领域，工业锅炉内壁由于持续的高温火焰直接接触，必须涂覆一定厚度的耐高温隔热涂料和耐高温热反射涂料。

航空航天领域，飞机驾驶舱和座舱通常采用超细玻璃棉和高氧硅棉来隔热；人造地球卫星在空间中处于高温、低温交变的环境中运动，使用具有高热反射性的多层隔热材料，一般由几十层镀铝薄膜、镀铝聚酯薄膜、镀铝聚酰亚胺薄膜组成。

建筑领域，采用复合材料多层墙体，起到隔音、隔震、隔热保温作用。

重要的单元设备或者精密仪器在保存过程中需要达到规定的防火、防高温要求，传统中一般采用专用的金属壳体作为容器加以保护，主要用以防止机械碰撞，但对火烧等造成的高温条件不能形成有效的保护作用，热量迅速通过导热和辐射向内传递到被保护的重要物件上，从而造成破坏。

到目前为止，前述举例中的隔热方法或者隔热材料在重要的单元设备或者精密仪器这种特定的场合难以直接应用，同时在已有的期刊数据库和专利数据库进行广泛调研，也未发现针对该种应用场合的经济高效隔热方法。

因此，特别需要一种高效气膜隔热结构，以解决上述现有存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高效气膜隔热结构，针对现有技术的不足，具有结构简单、可操作性强、经济性高和隔热效果好的特点，对重要的单元设备或者精密仪器在火烧等高温条件下的保护具有重要意义。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种高效气膜隔热结构，其特征在于，包括一良好密封的金属壳体，所述金属壳体内设置有被保护物件，所述被保护物件的四周设置有低热导率高反射率固体材料件，所述低热导率高反射率固体材料件与所述金属壳体的内壁之间设置有聚氨酯泡沫填充材料层，所述低热导率高反射率固体材料件之间设置有间隙。

在本发明的一个实施例中，所述低热导率高反射率固体材料件的厚度为40mm。

在本发明的一个实施例中，所述低热导率高反射率固体材料件之间的间隙为60-120mm。

在本发明的一个实施例中，所述聚氨酯泡沫填充材料层的厚度为80-160mm。

在本发明的一个实施例中，所述聚氨酯泡沫填充材料层的厚度通过流体动力学方法(computationalfluiddynamic,cfd)计算获得。

进一步，所述聚氨酯泡沫填充材料层的厚度通过流体动力学方法(computationalfluiddynamic,cfd)计算获得，包括如下步骤：

第一步，给定设计要求，通常为在给定火焰温度条件下持续火烧时长间隔内被保护的重要物件的最高温度不超过某一限定值；

第二步，建立几何模型；

第三步，采用有限体积法划分数量足够且质量较好的网格；

第四步，在cfd求解器中设置相应的模型、热物性条件和边界条件，能够同时计算导热和辐射传热，其中最关键的是对聚氨酯泡沫的模拟：316℃前聚氨酯泡沫的热物性按其室温固体状态时算，343℃以上分解为气态后的热物性按气体算，在316℃-343℃之间，泡沫材料则可以理解为一吸收热量材料就分解，所以其热容假定为零，其热导率为室温固体值与高温气态的线性插值；

第五步，通过数据处理得到被保护物件的最高温度，判断是否符合限制条件；

第六步，改变聚氨酯泡沫填充材料层的厚度，直到被保护物件的最高温度满足限制条件。

本发明的高效气膜隔热结构，与现有技术相比，在良好密封的金属壳体和被保护物件之间形成高热阻的聚氨酯泡沫气膜，显著地减缓热量向内层传递，同时低热导率高反射率固体材料件使得向内的导热和辐射传热进一步减缓，从而在被保护物件与外部高温之间形成高效的隔热层，大大提高重要物件的安全性，具有很大的应用前景，实现本发明的目的。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为本发明的高效气膜隔热结构的结构示意图；

图2为本发明的高效气膜隔热结构网格划分的示意图；

图3为本发明的高效气膜隔热结构火烧结束时刻的温度分布示意图；

图4为本发明的高效气膜隔热结构被保护的重要物件的温度变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

根据图1至图4所示，本发明提供的高效气膜隔热结构，包括一良好密封的金属壳体1，金属壳体1内设置有被保护物件4，被保护物件4的四周设置有低热导率高反射率固体材料件3，低热导率高反射率固体材料件3与金属壳体1的内壁之间设置有聚氨酯泡沫填充材料层2，低热导率高反射率固体材料件3之间设置有间隙5。

金属壳体1具有良好的密封性，气体不会逃逸出来而破坏气膜，同时火焰等高温热源不能直接进入内部。金属壳体1使用的材质最常见的是不锈钢材质，也可以根据不同的需求使用耐高温合金、铝合金、铸铁等金属材料。根据一般保存要求，金属壳体1的外形通常为长方体或者圆柱体。

在本实施例中，低热导率高反射率固体材料件3具有低热导率高反射率的特性，高温条件下金属壳体1内部热量传递的两种主要方式是导热和辐射，低热导率可以降低导热传热，高反射率可以降低辐射传热。低热导率高反射率固体材料件3可以是陶瓷材料或者石墨材料等。

低热导率高反射率固体材料件3的厚度为40mm，所述低热导率高反射率固体材料件3之间的间隙5为60-120mm。

被保护物件4可以是任何形状，其外部逐层包覆的低热导率高反射率固体材料件3和聚氨酯泡沫填充材料层2，可以方便的适应其形状，可以视实际情况留有部分必要的空隙，从而可以装入外形较为规整的金属壳体1，空隙应当尽量小。

聚氨酯泡沫填充材料层2采用最广泛的无任何特殊加工要求的泡沫材料。在常温下，化学性能稳定、机械性能良好、具有较强的形状适应性，作为良好的缓冲材料；在高温下，具有吸热分解气化的特性，在密闭空间内可以形成气膜；当金属壳体1与被保护物件4之间的形状差异较大时，通过聚氨酯泡沫填充材料层2的填充作用来适应形状的变化。

在本实施例中，聚氨酯泡沫填充材料层2的厚度为80-160mm。

聚氨酯泡沫填充材料层2的厚度通过流体动力学方法(computationalfluiddynamic,cfd)计算获得，包括如下步骤：

第一步，给定设计要求，通常为在给定火焰温度条件下持续火烧时长间隔内被保护的重要物件的最高温度不超过某一限定值，如果有则具体限定值应当遵守相关的法律法规、国家标准、行业标准等，例如《放射性安全运输规程(gb11806-2004)》明确规定在800℃的火焰温度下对金属壳体1持续火烧30分钟，全新反应堆燃料组件的最高温度不允许超过582℃(855k)；

第二步，采用三维cad软件建立几何模型，参照图1为轴向等截面物体，仅需给出横截面即可；

第三步，采用有限体积法划分数量足够且质量较好的网格，参照图2为高质量网格；

第四步，在cfd求解器中设置相应的模型、热物性条件和边界条件，能够同时计算导热和辐射传热，其中最关键的是对聚氨酯泡沫的模拟：316℃前聚氨酯泡沫的热物性按其室温固体状态时算，343℃以上分解为气态后的热物性按气体算，在316℃-343℃之间，泡沫材料则可以理解为一吸收热量材料就分解，所以其热容假定为零，其热导率为室温固体值与高温气态的线性插值；

第五步，通过数据处理得到被保护物件的最高温度，判断是否符合限制条件，参照图3为火烧30分钟结束时刻最高温度分布的示意图，参照图4为整个火烧过程中被保护的重要物件的温度变化示意图，可以判定高温都被阻隔在聚氨酯泡沫气膜层，被保护的重要物件都处于接近室内常温状态，十分安全；

第六步，改变聚氨酯泡沫填充材料层的厚度，直到被保护物件的最高温度满足限制条件，可以判定本实施案例中的聚氨酯泡沫层的厚度是足够的，在实际操作中要同时考虑安全性和经济性，通过cfd计算确定一个合理的厚度值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。