纳米微孔隔热材料应用的经济效益计算

纳米隔热板应用的经济效益计算

1、钢包散热的理论公式推导

纳米隔热板的应用使210吨钢包表面温度从310℃降到220℃。把钢包看作一个表面恒温的向外散热的热源，这里只单独考察此热源在不同表面温度下散失热量的差异。也就是把钢包和钢包内承装的钢水作为一个整体对象来考察，由于盛满钢水的钢包所具有的热量远大于其表面散热量，钢包内部温度远高于环境温度，钢包外表面无强制冷却介质，因此可将钢包作为一个表面恒温的圆柱体：、其散热大小与里面所盛钢水的温度无关，只与钢包表面温度和环境条件等因素有关。

根据传热学理论，钢包散热损失主要由钢包外壁的自然对流散热和辐射散热两种形式组成。厂房空问表面积远大于钢包表面积，厂房容积远大于钢包体积，由以上分析可以认为钢包的散热过程可以简化为：一个表面恒温的竖直圆柱体在无限大空间内进行辐射传热和自然对流换热。依据上述简化进行建模，来建立传热过程计算。

钢包传热损失的热功Φ=Φ1+Φ2，其中Φ1一钢包辐射传热，Φ2-钢包对流传热。按照物体辐射热流量的计算公式（玻尔兹曼公式）

Φ1=ξAσ(t1^4-t2^4)(单位：W)，其中：

tl-钢包表面温度，单位：K

t2一环境温度，单位：K

ξ-黑度，可认为是1

σ一玻尔兹曼常量，值为5.67xlO^-8W/(m2.K^4)

A-钢包表面积，m^2

Φ2可看作竖圆柱的对流传热，适用于以下对流传热公式

Φ2=Ah△t（单位：W），其中：h-表面传热系数．A-传热表面面积，△t-圆柱表面温度和外界温度的温差

h=Nuλ/I，其中：Nu一努赛尔特数，λ一导热系数，I-定性尺寸，这里采用圆柱高度

Nu=C(GrPr)^n，其中：Gr-格拉晓夫数，Pr-普朗特数，C，n-常数

Gr=ga△tI^3/V^2其中：g-重力加速度，a-体积膨胀系数，v-运动粘度

2、计算结果及分析

因为钢包表面的散热与其立体构形无关，只与表面积有关，因此可以把钢包看作一个圆柱体，已知钢包平均直径：3761mm，高度1=4.46m，算得钢包的表面积A=52.65m^2,

从上面分析可知，令钢包在贴绝热板前后的外壁温度分别t1为310℃和220℃，把这些已知条件分别代入以上的传热学公式，可算出对比包和实验包散热损失热功Φ对比和Φ试验，

Φ对比=2.47x106W，Φ试验=l.55xl0^6W

Φ对比-Φ试验=△Φ=0.92xl0^6W

又散热量Q=ΦT，T-钢包运行时间，查钢水在1600℃-1700℃下的比热Cp为0.837kl/kg℃，假设包钢水的总质量为，那么在钢包外壁温度310℃和220℃下的散热差△Φ能使整包钢水升高的温度△t=Q/mcp=ΦT/mcp，这T是m和的函数，在钢水质量一定的情况下，只与周转时间T有关。

假定钢水的平均质量为210t．得出△t=0.00523T,

3、统计分析，钢包的平均周转时间大约为100分钟，即可以得出钢水的温度损失为；△t=0.00523*6000=31.38℃

应用难点

由于微孔隔热材料的主要原料是不定形二氧化硅，其耐热稳定不如耐火砖或一些高标号陶瓷纤维，NIF-1050型和NIF-1100型纳米微孔隔热毡长期使用温度为1000℃和1050℃，当很出该使用温度时材料的收缩率会增大，带来安全隐患。

所以在设计耐火层和隔热层厚度时需要根据各层材料的导热系数计算出温度分布，确保纳米微孔隔热板的温度不很过规定的长期使用温度。总结

随着应用技术的不断成熟，纳米隔热板在国内外钢铁厂逐渐被应用，该材料在节能减排方面的实效得到进一步认可。纳米隔热板在初期成本会有一定增加，从在钢铁冶金制造过程中，能源消耗的节约远大于投资成本，同时可对钢铁生产过程中热量损失进行精确控制，可确保能量的较好利用效率和节能，并对环境的污染较小化。