楊偉昌
山東明珠專用汽車制造有限公司 山東東營 257500
液體罐式運輸車是國民經(jīng)濟中不可或缺的一種運輸工具,它具有周轉(zhuǎn)靈活、裝卸方便、易于封存、運輸成本低等特點,可廣泛運輸各種易燃易爆類油品、酸堿類化工品、液態(tài)類食品等介質(zhì),在汽車運輸中發(fā)揮了重要作用,為人們生產(chǎn)和生活提供了有力的保障。其中,有很多運輸介質(zhì)對溫度有要求,這就需要采用隔熱罐體和加熱罐體等特殊結(jié)構(gòu)的罐體保護物料,保證物料不因升溫發(fā)生變質(zhì)、不因降溫發(fā)生結(jié)晶或不易于流動卸料等。
對罐體加裝絕熱材料結(jié)構(gòu)是保溫措施之一。絕熱層的厚度在滿足技術(shù)要求的前提下,還要滿足 “經(jīng)濟厚度” 的要求,厚度太大雖然可以降低熱耗或能耗,但是要增加投資;反之,厚度太小雖然可以降低投資,但是要增加熱耗或能耗[1]。以往的計算方法雖然很成熟,但是往往需要專門的技術(shù)人員通過復(fù)雜的計算才可以掌握和使用。為此,筆者提出基于簡單高等數(shù)學(xué)的計算公式,通過傳熱學(xué)原理公式推導(dǎo),使其符合實際工程的要求,而且可較精確地計算出給定時間內(nèi)罐體內(nèi)部介質(zhì)溫度變化的情況,并加以應(yīng)用到EXCEL表格中,制作成一個輔助計算工具,快捷方便。
保溫式液罐車雖然有隔熱或絕熱材料進行覆蓋保護,但隨著時間的變化,熱量始終還會產(chǎn)生損耗,只是熱量損失的時間延長了。罐體內(nèi)部的介質(zhì)通過罐壁、保溫層、保護層等向周圍散發(fā)熱量或吸收外部熱量等。保溫式罐體截面示意圖如圖1所示。
圖1 保溫式罐體截面示意圖
罐內(nèi)介質(zhì)和外界環(huán)境溫度產(chǎn)生交換大多分為兩種情況。第一種是罐內(nèi)介質(zhì)溫度較外界環(huán)境溫度高,通過保溫層的保護,盡量減少罐內(nèi)介質(zhì)的熱量損失,在一定時間內(nèi)保持較高溫度;第二種是罐內(nèi)介質(zhì)溫度較外界環(huán)境溫度低,通過保溫層的保護,盡量防止罐內(nèi)介質(zhì)吸收外界熱量,在一定時間內(nèi)保持較低溫度。無論罐內(nèi)介質(zhì)升溫還是降溫,熱量的交換方式和傳遞效率幾乎是一樣的,只是熱傳遞的方向不同。罐內(nèi)介質(zhì)通過罐體內(nèi)壁、保溫層和保護層向周圍大氣的傳熱可視為平壁傳熱過程,且從罐壁內(nèi)表面至保護層外表面的導(dǎo)熱視為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。
根據(jù)GB 50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》[2],傳熱系數(shù)為K值,是指在穩(wěn)態(tài)條件下,圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣為單位溫差時,單位時間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量。設(shè)定圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1℃,1 h內(nèi)通過1 m2面積傳遞的熱量,單位是W/(m2·℃)。導(dǎo)熱系數(shù)為λ值,是指在穩(wěn)定傳熱條件下,1 m厚的材料,圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)表面的溫差為1℃,在1 h內(nèi),通過1 m2面積傳遞的熱量,單位為W/(m2·℃)。導(dǎo)熱系數(shù)與材料的組成結(jié)構(gòu)、密度、含水率、溫度等因素有關(guān)。
根據(jù)傳熱學(xué)原理,保溫式液罐車單位面積上的熱損失為:罐體內(nèi)外溫差乘以傳熱系數(shù)。
如果不考慮其他附加熱阻,傳熱系數(shù)K值可以按照如下公式計算[3]。
式中,α1為介質(zhì)與罐內(nèi)壁間的對流放熱系數(shù),W/(㎡· ℃);α2為保護層外壁與大氣間的對流放熱系數(shù),W/(㎡· ℃);αR為護層外壁與大氣間的輻射放熱系數(shù),W/(㎡· ℃);δ為保溫層的厚度,m;λ為保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù),材料特性查表,W/(m· ℃);δb為罐體內(nèi)壁厚度,m;λb為罐體內(nèi)壁導(dǎo)熱系數(shù),W/(m· ℃);δh為保護層的厚度,m;λh為保護層的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m· ℃)。
因δb、δh較 小,外界環(huán)境在給定時間內(nèi)假定恒溫,α1、α2、αR暫不做考慮,計算中可忽略。
故整理得:
根據(jù)傳熱學(xué)原理:
式中,q為1 m2單位面積上傳遞的熱量,W/㎡;TW為罐體外部環(huán)境溫度(假定恒溫),°C;TN為罐體內(nèi)部介質(zhì)初始溫度,°C; ΔT為 罐內(nèi)內(nèi)外環(huán)境溫差,即TW-TN,°C。
根據(jù)傳熱學(xué)定義,罐體內(nèi)外在給定時間內(nèi)總導(dǎo)熱量Q1:
式中,A為罐體表面積,㎡;h為給定時間范圍。
根據(jù)熱量的計算公式:
式中,Q2為罐體內(nèi)介質(zhì)吸收或釋放的總熱量,J;C為罐體內(nèi)介質(zhì)的比熱容,介質(zhì)特性查表,J/(kg·°C);m為罐體內(nèi)介質(zhì)總質(zhì)量,kg; Δt為 罐體內(nèi)介質(zhì)溫度變化,°C。
根據(jù)能量守恒定律,罐體內(nèi)介質(zhì)吸收或釋放的總熱量等于在給定時間范圍內(nèi)通過保溫層材料傳遞的總熱量。即:
把式(2)~(5)代入式(6),經(jīng)單位統(tǒng)一換算,推導(dǎo)可得:
當(dāng)Δt為正數(shù)時,說明罐體介質(zhì)吸收了外界熱量,導(dǎo)致罐內(nèi)介質(zhì)溫度升高;當(dāng)Δt為負數(shù)時,說明罐體介質(zhì)向外界釋放了熱量,導(dǎo)致罐內(nèi)介質(zhì)溫度降低。以運輸牛奶液罐車為例,按照采用10 cm聚氨酯隔熱材料進行罐體保溫,取導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.022 W/(m·°C),牛奶比熱容C=2.5×103J/(kg·°C),罐體充裝30 t,該罐體表面積大約為80 ㎡。在奶牛場充裝時,牛奶初始溫度約為4°C,以路徑地區(qū)常溫34°C,路途運輸10 h,經(jīng)計算,在此時間范圍內(nèi)牛奶會升溫3.65 °C,預(yù)計到達目的地后,牛奶的溫度約為7.65 °C。經(jīng)驗證,車輛到達牛奶加工廠時,實際取樣檢測溫度為7.2 °C,略小于計算溫度,工廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)是不允許超過8 °C,滿足了牛奶運輸要求。分析誤差主要原因是計算公式忽略了罐體內(nèi)壁和保護層也具有一定的熱阻效率,計算出的導(dǎo)熱量始終比實際導(dǎo)熱量略小,可證明該計算公式較為準(zhǔn)確實用,可以在實際工作中作為參考計算。同理,如果某段時間范圍內(nèi)對運輸介質(zhì)溫度變化有具體要求,可以對該公式進行反推計算,例如,求導(dǎo)熱系數(shù),可參考選用經(jīng)濟性好的隔熱材料;求隔熱材料的厚度,在保證溫度要求前提下,如何設(shè)計選用合適的隔熱層厚度或設(shè)計多大容積的罐體等。
為更進一步方便設(shè)計或運輸人員的實際
操作,筆者把該公式進行優(yōu)化編輯, 嵌入到較為常用的EXCEL軟件中,制作成一個輔助計算工具(示例:表1),可在表中輸入各個已知量,通過表格內(nèi)嵌公式,自動生成結(jié)果數(shù)據(jù),也可根據(jù)溫度要求,反推驗證其他相關(guān)參數(shù)。此外,還列舉了部分常見隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)表(表2)和常見介質(zhì)比重-比熱表(表3)。
表2 常見隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)表[4]
表3 常見介質(zhì)比重-比熱表
表1 EXCEL表格計算應(yīng)用實例
本文通過對保溫式液罐車的結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)模型的分析,根據(jù)有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和傳熱學(xué)原理,利用能量守恒定律,經(jīng)過一系列公式推導(dǎo),科學(xué)客觀地進行了計算,經(jīng)與實際運行車輛進行結(jié)果對比驗證,可以得出以下結(jié)論:
a.通過對保溫式液罐車運輸介質(zhì)溫度吸收或釋放熱量的傳熱數(shù)學(xué)模型建立,可以有效地計算出給定時間范圍內(nèi)運輸介質(zhì)溫度的變化,并符合實際情況;
b.通過對該數(shù)學(xué)模型的舉一反三推導(dǎo),不僅可以計算介質(zhì)溫度,還可以設(shè)定其他未知量進行求解計算,為保溫層的選用和厚度設(shè)計提供參考;
c.通過對公式的梳理推導(dǎo),結(jié)合EXCEL表格的內(nèi)嵌公式功能,可把兩者結(jié)合制作成一個輔助計算工具,為今后有關(guān)保溫式液罐車的優(yōu)化設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持,并提高了設(shè)計工作效率。