绝热

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一个物体的边界如果没有任何形式的传热方式,则被定义为绝热。在工业生产中设备的良好绝热性可以大大减少能量的损耗,提高生产效益。
根据绝热的理论对材料的热损失性能研究制作的绝热材料有着广泛的应用。
中文名
绝热
外文名
adiabat
定    义
没有任何形式的传热方式
意    义
防止生产过程能量的损失
应    用
材料设备研究
学    科
物理化学

绝热基本信息

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绝热是保温与保冷的统称,为了防止生产过程中设备和管道向周围环境散发或吸收热量而进行的绝热工程,已成为生产和建设过程中不可缺少的一项工程,有着重要的意义。(1)用绝热减少设备、管道及其附件的热(冷)量损失。(2)保证操作人员安全,改善劳动条件,防止烫伤和减少热量散发到操作区。(3)在长距离输送介质时,用绝热来控制热量损失,以满足生产上所需要的温度。(4)冬季,用保温来延缓或防止设备、管道内液体的冻结。(5)当设备、管道内的介质温度低于周围空气露点温度时,采用绝热可防止设备、管道的表面结露。(6)用耐火材料绝热可提高设备的防火等级。(7)对工艺设备或炉窑采取绝热措施,不但可减少热量损失,而且可以提高生产能力。 [1] 

绝热绝热过程

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绝热过程(adiabatic process)是指任一气体与外界无热量交换时的状态变化过程,是在和周围环境之间没有热量交换或者没有质量交换的情况下,一个系统的状态的变化。大气层中的许多重要现象都和绝热变化有关。例如,在大气层的下层通常存在着温度随高度递增而递减,主要就是由于空气绝热混合的结果。导致水蒸汽凝结、云和雨形成的降温作用,主要是由于空气上升时温度下降的结果;晴朗的、干燥的天气通常是与空气下沉引起的增温变干作用有关。上升空气的降温作用和下沉空气的增温作用主要是由于空气的绝热膨胀和绝热压缩的结果。如果一个受到增温作用或降温作用的系统通过辐射和传导与周围发生热量交换,那么就称之为非绝热过程(diabaticprocess)。 [2] 
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。气块上升,外界气压逐渐降低,气块体积膨胀作功消耗内能而降温,叫“绝热冷却”;气块下沉,外界气压逐渐加大,气块体积因外力作功被压缩,使其内能增加而升温,叫“绝热增温”。
在热力学中,热力学系统始终不与外界交换热量 ,即Q =0 的过程。理想气体准静态绝热过程的方程为pVγ=常量,其中p 、V 是理想气体的压强、体积,γ=cP/cV是定压热容与定体热容之比。根据热力学第一定律,在绝热过程中,系统对外所作的功等于内能的减少量。根据热力学第二定律,在可逆的绝热过程中,系统的熵不变。用良好绝热材料隔绝的系统中进行的过程,或由于过程进行得太快,来不及与外界有显著热量交换的过程,都可近似地看作绝热过程。例如内燃机、蒸汽机汽缸中工作物质的膨胀过程 ,压汽机汽缸中的压缩过程,汽轮机喷管中的膨胀过程,以及气象学中空气团的升降过程,还有声波在空气中的传播过程等,都可当作绝热过程处理。
绝热过程是一个绝热体系的变化过程,绝热体系为和外界没有热量和粒子交换,但有其他形式的能量交换的体系,属于封闭体系的一种。绝热过程有绝热压缩和绝热膨胀两种。常见的一个绝热过程的例子是绝热火焰温度,该温度是指在假定火焰燃烧时没有传递热量给外界的情况下所可能达到的温度。现实中,不存在真正意义上符合定义的绝热过程,绝热过程只是一种近似,所以有时也称为绝热近似。 [2] 
绝热过程分为可逆过程(熵增为零)和不可逆过程(熵增不为零)两种。可逆的绝热过程是等熵过程。等熵过程的对立面是等温过程,在等温过程中,最大限度的热量被转移到了外界,使得系统温度恒定如常。由于在热力学中,温度与熵是一组共轭变量,等温过程和等熵过程也可以视为“共轭”的一对过程。
如果一个热力学系统的变化快到足以忽略与外界的热交换的话,这一变化过程就可以视为绝热过程,又称“准静态过程”。准静态过程的熵增可以忽略,所以视作可逆过程,严格说来,在热力学中,准静态过程与可逆过程没有严格区分,在某些文献中被作为同义词使用。
同样的,如果一个热力学系统的变化慢到足以靠与外界的热交换来保持恒温的话,该过程则可以视为等温过程。

绝热绝热压缩

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绝热压缩与绝热膨胀通常由气体压强的变化引起。
绝热压缩发生在气压上升时,这时气体温度也会上升。例如,给自行车打气时,可以感觉到气筒温度上升,这正是因为气体压强上升的足够快到可视为绝热过程的缘故,热量没有逃逸,因而温度上升。
柴油机在压缩冲程时正是靠绝热压缩原理来给燃烧室内的混合气体点火的。
绝热膨胀发生在气压下降时,这时气体温度也会下降。例如,给轮胎放气时,可以明显感觉到放出的气体比较凉,这正是因为气体压强下降的足够快到可视为绝热过程的缘故,气体内能转化为机械能,温度下降。
这些温度的变化量可以用理想气体状态方程精确计算。
绝热过程是系统在和外界无热量交换的条件下进行的过程。实现绝热过程有两种情况:
①用绝热材料制成绝热壁,把系统与外界隔开,就可以近似地实现这一过程。
②使过程快速进行,系统来不及与外界进行显著的热量交换。例如:内燃机中热气体的突然膨胀,
柴油机或压气机中空气的压缩、声波中气体的压缩(稠密)和膨胀(稀疏)等都可近似视为绝热过程。
作为典型例子,下面介绍理想气体准静态绝热过程和理想气体自由膨胀过程(非准静态过程)。

绝热绝热材料

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绝热材料(thermal insulating material)
在建筑围护或者热工设备、阻抗热流传递中,习惯上把用于控制室内热量外流的材料或者材料复合体叫做保温材料(保冷材料);把防止室外热量进入室内的材料或者材料复合体叫做隔热材料。保温、隔热材料统称为绝热材料。
1、绝热材料的性能要求
导热性指材料传递热量的能力。材料的导热能力用导热系数表示。导热系数的物理意义为:在稳定传热条件下,当材料层单位厚度内的温差为1℃时,在1h内通过1m2表面积的热量。材料导热系数越大,导热性能越好。工程上将导热系数λ<0.23W/m·K的材料称为绝热材料。影响材料导热系数的因素有:
材料组成:材料的导热系数由大到小为,金属材料>无机非金属材料>有机材料。
微观结构:相同组成的材料,结晶结构的导热系数最大,微晶结构次之,玻璃体结构最小,如水淬矿渣就是一种较好的绝热材料。
孔隙率:孔隙率越大,材料导热系数越小。
孔隙特征:在孔隙相同时,孔径越大,孔隙间连通越多,导热系数越大。
含水率:由于水的导热系数λ=0.58W/m·K,远大于空气,故材料含水率增加后其导热系数将明显增加,若受冻(冰λ=2.33W/m·K,)则导热能力更大。
绝热材料除应具有较小的导热系数外,还应具有适宜的或一定的强度、抗冻性、耐水性、防火性、耐热性和耐低温性、耐腐蚀性,有时还需具有较小的吸湿性或吸水性等。
室内外之间的热交换除了通过材料的传导传热方式外,辐射传热也是一种重要的传热方式,铝箔等金属薄膜,由于具有很强的反射能力,具有隔绝辐射传热的作用,因而也是理想的绝热材料。 [3] 
2、绝热材料的种类及使用要点
绝热材料对热流有较强阻抗作用的材料。主要用于房屋建筑的墙体、屋面或工业管道、窑炉等的保温和隔热。
按照它们的化学组成可以分为无机绝热材料和有机绝热材料。常用无机绝热材料有多孔轻质类无机绝热材料、纤维状无机绝热材料和泡沫状无机绝热材料;常用有机绝热材料有泡沫塑料和硬质泡沫橡胶
按绝热原理分为:
①多孔材料。靠热导率小的气体充满孔隙中绝热。一般以空气为热阻介质,主要是纤维状聚集组织和多孔结构材料。气凝胶毡的绝热性能最佳,其次泡沫塑料的绝热性较好,再者为矿物纤维(如石棉)、膨胀珍珠岩和多孔混凝土、泡沫玻璃等。
②反射材料。如铝箔能靠热反射减少辐射传热,几层铝箔或与纸组成夹有薄空气层的复合结构,还可以增大热阻值。绝热材料常以松散材、卷材、板材和预制块等形式用于建筑物屋面、外墙和地面等的保温及隔热。可直接砌筑(如加气混凝土)或放在屋顶及围护结构中作芯材,也可铺垫成地面保温层。
纤维或粒状绝热材料既能填充于墙内,也能喷涂于墙面,兼有绝热、吸声、装饰和耐火等效果。
绝热材料一方面满足了建筑空间或热工设备的热环境,另一方面也节约了能源。因此,有些国家将绝热材料看作是继煤炭、石油、天然气、核能之后的“第五大能源”。
3、绝热材料技术性能指标
绝热材料的技术性能指标应符合绝热材料的现行国家标准的规定。
(1)绝热用岩棉矿渣棉及其制品
绝热用岩棉、矿渣棉及其制品,是以岩石、工业废渣和石灰石等为主要原料,经高温熔融,用离心力、高温载能气体喷吹而成的棉及其制品。产品按结构形式分为棉、板、带、毡、缝毡、贴面毡和管壳。
绝热用玻璃棉及其制品有玻璃棉、玻璃棉板、玻璃棉带、玻璃棉毯、玻璃棉毡和玻璃棉管壳。产品按采用玻璃棉的纤维平均直径分为三种。
新型玻璃棉制品有气凝胶毡,该产品为二氧化硅气凝胶与玻璃纤维复合,导热系数0.018W/(K·m),绝对疏水,是目前市场上导热系数最低的纳米无机绝热材料。
(3)超细玻璃棉及其制品
超细玻璃棉及其制品,是以熔融后的玻璃用火焰喷吹或离心喷吹等方法制成纤维平均直径在3~3.9玻璃纤维毡。使用温度为400℃以下,作保温和吸声用,产品技术性能指标如下。
①纤维平均直径4μm以下。
②含湿率不大于1%
③粘结剂含量不大于1%,对易燃、易爆工程粘结剂含量。
④渣球含量直径大于0.5mm,含量不应超过0.5%。
(4)泡沫石棉
泡沫石棉是以保温石棉为主要原料,经化学开棉、发泡、成型、干燥等工艺制成的泡沫状制品。其使用温度在500℃以内。
(5)普通硅酸铝耐火纤维
普通硅酸铝耐火纤维毡,适用于工作温度不大于1000℃的中性或氧化性气氛的工业炉内衬及高温管道保温。牌号
(6)硅酸钙绝热制品
硅酸钙绝热制品有平板、弧形板、管壳、最高使用温度为923k(650℃)。
(7)膨胀蛭石制品
膨胀蛭石制品,常用的膨胀蛭石制品是以膨胀蛭石为料,以水泥为粘结剂制成的水泥膨胀蛭石制品。使用温度范围为-40~800℃。制品有板、砖、管壳等。
(8)膨胀珍珠岩绝热制品
膨胀珍珠岩绝热制品是以膨胀珍珠岩为主要成分,掺加不同种类粘接剂而制成的板、管壳等绝热制品。
其使用温度范围为-50~900℃。
(9)硅藻土隔热制品
硅藻土隔热制品有普型、异型和特性,主要用作隔热层。。
(10)建筑物隔热用硬质聚氨酯泡沫塑料建筑物隔热用硬质聚氨酯泡沫塑料,是以多元醇/多异氰酸酯为主要原料生产的平板或异性板状RC/PUR,也可用于箔、金属膜或片、涂料、纸或其他材料层压或贴面的RC/PUR。但不适用于管道和容器的隔热保温及吸收冲击声的消音材料。
类型1产品适用于承受轻负载,如建筑物屋顶、地板下隔层及类似的用途;类型2适用于承受重负载,如衬填材料,冷冻室地板等。
(11)工业设备、管道绝热用硬质聚氨酯泡沫塑料
工业设备、管道绝热用硬质聚氨酯泡沫塑料制品有板、管壳,适用于-104~5℃的设备、管道保冷,最高安全使用温度为100℃。
(12)隔热用聚苯乙烯泡沫塑料
隔热用聚苯乙烯泡沫塑料是以含低沸点液体发泡剂的可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后,在模具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料,也可用大块料切割而成其他形状制品。
隔热用聚苯乙烯泡沫塑料按用途分为三类:1.类是应用时不承受负荷,如作为屋顶、墙壁及其他隔热;2.类是承受有限负荷,如地板隔热等;3.类是承受较大负荷,如停车平台隔热等。
隔热用聚苯乙烯泡沫塑料分为普通型PT(白色,无阻燃性要求)和阻燃型ZR(混有颜色的颗粒,有阻燃性要求)。 [3] 
4、绝热材料的选择依据
绝热既要减少散热损失,节能降耗增效,又要保证生产工艺过程安、稳、长、满、优运行。一般选择绝热材料应满足以下要求。
(1)平均温度≤623K(350℃)时,导热系数不大于0.12w/(mk)[0.103kcal/(m.h.℃)],有随温度变化的导热系数方程式。当有数种绝热材料可选择时,用绝热材料的导热系数,乘以单位体积材料价格(元/m3),乘积小,单位热阻的价格低,是经济的绝热材料。
(2)绝热材料密度不大于300kg/m3。纤维类绝热材料的渣球含量,矿渣棉小于10%;岩棉小于6%;玻璃棉小于0.4%,对纤维类绝热材料应选择最佳密度。
(3)硬质绝热材料的抗压强度不小于392kpa。一般绝热材料制品,应能承受自重,当地最大风荷载,冰雪荷载,表面受到碰撞或轻微敲打,不产生残余变形。
(4)绝热材料的允许使用温度应高于正常操作时的生产介质最高温度,保证在安全使用温度范围。
(5)绝热材料的膨胀性、防潮性、耐燃型,均要符合使用要求。
(6)绝热材料具有化学稳定性,对金属无腐蚀作用。
(7)保冷材料在理化性能满足生产工艺过程要求的前提下,优先选用导热系数小,密度小,吸水和吸湿率低的材料制品。
(8)按选用保冷材料特征,采用相适应的粘结剂、密封剂配套使用。
(9)绝热的防潮层材料,选用防水、防潮力强,吸水率不大于1%。使用温度范围大,耐火度、软化温度不低于65℃,稳定性和密封性好,在常温下使用方便。
(10)绝热的保护层材料,选用防水、防潮、化学稳定性和不燃性好,应有不开裂、不易老化、强度高的特征。 [3] 

绝热其它相关

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绝热绝热瓦

航天飞机绝热瓦
在航天飞机上共装有24000块绝热瓦,这种绝热瓦的作用是抵御再入大气层时的高温。因为航天飞机再入大气层时,由于与大气的摩擦而产生1650℃的高温。如果绝热瓦脱落,会导致绝热瓦保护层下部的航天飞机铝构架的变形,使更多的绝热瓦脱落。如果绝热瓦脱落到一定数量,就会使航天飞机再入大气层时被巨大的压力和高温撕裂成碎片。
2003年,“哥伦比亚”号发射升空时出现了小片的绝热瓦的脱落,宇航局当时通过监控录像已经发现这一异常情况。接下来,技术人员曾经花了几天的时间对这一事件进行分析,但他们最后得出的结论是“不碍事”。而且航空航天局的官员还告诉记者不用担心,他们保证“绝对没有问题”。2003年2月2日,“哥伦比亚”号返回地球,就在着陆前16分钟“哥伦比亚”号解体坠毁。
事故发生以后,宇航局承认自己判断错了,起飞时绝热瓦的脱落可能是事故发生的主要原因。根据数据分析结果,“哥伦比亚”号在解体前,机身左侧的温度在5分钟内升高了大约60℃。左翼下面着陆架附近的温度也异常升高。由于航天飞机左侧的阻力增大,机上的自动导航系统一直在努力调整航天飞机的姿态,但无济于事。
这次“发现”号发射又出现绝热瓦脱落的情况,不能不勾起人们的痛苦回忆。

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《绝热材料与绝热工程》图书
本书以绝热材料为主题。由三大部分组成,第一部分系统地介绍了绝热的基本原理,绝热材料的基本性能与性能分析、绝热结构形成及现行绝热材料的概况,并以新型复合高效节能绝热材料的形成展示高新技术在绝热领域中的生成与应用;第二部分介绍工业设备及管道的绝热设计原则及要求,包括绝热层、防潮层及保护层的结构,施工示范与施工质量中冷态验收、热态考核新采用的测试方法和常用测试仪器的简介;第三部分以建筑领域里隔热保温(保冷)与节能的辩证关系,阐述有机质材料与无机质材料的结合,温与保冷中的材料结构、应用设计原理、效果计算依据和方法等。
本书适用于从事绝热材料生产厂、绝热工程技术人员及专业设计人员阅读。也可供节能专管人员、大专院校相关专业师生参考。 [4] 
参考资料
  • 1.    李国庭.化工设计概论.北京:化学工业出版社,2014:78
  • 2.    李国斌,崔红主编.流体力学与热工基础. 北京:北京理工大学出版社, 2016.09:81~83
  • 3.    伍勇华.土木工程材料.武汉:武汉理工大学出版社,2016.02 :209~211
  • 4.    谢文丁 编 .绝热材料与绝热工程.北京: 国防工业出版社 ,2016.4:全书
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