[发明专利]一种新型的金属反射型保温层传热计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及核动力装置用金属反射型保温层隔热性能评价技术领域，具体涉及一种新型的金属反射型保温层传热计算方法。

背景技术

根据用途的不同，核动力装置冷却剂温度也不相同，但一般能达到两百至三百摄氏度，如核电厂反应堆一回路冷却剂平均温度通常在310℃以上。因此，核动力装置中装载冷却剂的设备，如反应堆压力容器、一回路冷却剂管道等，皆属于高温发热设备。容纳核动力装置的环境平均温度一般要求小于60℃，为了有效地减少核动力装置的热损失，减小高温发热设备的壁面温差和热应力，同时限制核动力装置所处的环境温度在其要求的限值范围内，必须在高温发热设备外壁包覆保温层。由于核动力装置具有很强的放射性，一般工业管道和容器采用的非金属保温材料(如微孔硅酸钙、超细玻璃棉等)经受长期辐照后会被放射性活化，在拆装时会产生大量的放射性粉尘和固体废物、污染环境、对人体不利、增大放射性管理的费用，保温性能也会有所下降，从而缩短使用寿命。

金属反射型保温层，主体材料为高反射率、高光洁度的双镜面奥氏体不锈钢薄板和奥氏体不锈钢箔材。与非金属保温层相比，金属保温层耐辐照，化学稳定性好，不会引起放射性尘埃污染，不会腐蚀被保温设备，清洗方便；模块化结构，装拆方便，使核动力装置具有较好的在役检查可达性。

金属反射型保温层的隔热原理是根据空腔辐射特性，利用高反射率、高光洁度的金属壳板和金属反射箔将来自热源的热辐射绝大部分反射回去，从而大大减少辐射换热量。同时，在结构设计上采取必要措施抑制金属保温板块单元结构内部的对流换热，并且通过减少热桥面积、增加热桥长度的方式增加导热热阻，最终达到一个良好的综合隔热效果。

由于金属反射型保温层内部结构复杂，隔热原理涉及到热辐射、热传导、热对流的耦合，金属反射型保温层传热特性的计算十分困难，对其传热性能计算方法的研究较少。

现有的计算方法或简化了模型，或仅能适用于结构简单的保温层，不能满足工程上对复杂结构适应性、三维不对称性、辐射传导对流耦合性的需求，在应用上有较大局限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，该计算方法基于三维几何模型，同时考虑热辐射、热传导、热对流过程，能够简便地调整几何结构参数、材料物性参数，能够适用于复杂反射箔结构且能够适用于不同结构金属反射型保温层。

本发明通过下述技术方案实现：

一种新型的金属反射型保温层传热计算方法，包括以下步骤：

1)、将几何模型转换成计算所需关键结构的参数矩阵及边界数量；

2)、将参数矩阵分别输入热传导判断与修正模块、热对流判断与修正模块和热辐射判断与修正模块，通过热传导判断与修正模块、热对流判断与修正模块和热辐射判断与修正模块获得当前温度分布下，各层金属反射箔的热传导热流量、热对流热流量及热辐射热流量；

3)、将热传导热流量、热对流热流量及热辐射热流量输入计算处理与判断模块，通过计算处理与判断模块进行迭代计算直至收敛。

在现有技术中，与核动力装置用金属反射型保温层或类似结构相关的计算方式如下：

a、对金属反射式保温块的物理模型进行简化处理，然后采用有限差分法进行数值计算的方法。例如将一种波纹形状的反射箔简化成菱形形状，将三维传热过程简化为二维传热过程，忽略了空气对流的影响。所采用的有限差分方法几乎只在这几种假设下才有具体实施的可能性，面对工程中多变的反射箔波纹形状，三维结构的不对称性，以及不能忽略的空气对流，这种方法有很大的局限性。

b、对多层圆筒型保温结构进行保温性能的分析和计算；给出了不同保温结构层数、不同工作温度条件下的有效热导率的计算方法和程序。但是给出的理论推导方法，仅在几何结构比较简单，如多层圆筒、平板这样的结构形式下才有解析解，推广到复杂波形多层反射箔结构比较困难。

C、用防护热箱法原理，基于传热学理论和数值分析方法，建立了金属保温层分析模型。通过Matlab软件程序求解数值模型，并对试验结果进行对比分析。但是将金属反射箔简化成了金属薄板，忽略了金属保温层的结构信息，对于工程选型是不适用的。

综上，现有的金属保温层传热计算方法不能满足工程上对复杂结构适应性、三维不对称性、辐射传导对流耦合性的需求，在应用上有较大局限。

本发明所述几何模型具体是指采用CAD、CFD等制图软件绘制的几何模型，CAD、CFD等制图软件自带用于将几何模型转换成参数矩阵功能的几何模型处理模块，几何模型处理模块为现有技术。