D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.07.038 第30卷第7期 北京科技大学学报 Vol.30 No.7 2008年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2008 描述微纳米多孔复合绝热材料的单元体传热模型 魏高升)张欣欣)于 帆) 1)华北电力大学能源与动力工程学院，电站设备状态监测与控制教有部重点实验室，北京102206 2)北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要根据硬硅钙石一气凝胶复合绝热材料的微观结构特点，建立了描述材料内气固耦合导热的三维单元体传热模型。通 过模型计算对硬硅钙石型硅酸钙、气凝胶及硬硅钙石一气凝胶复合绝热材料的导热系数进行了对比研究·结果表明：硬硅钙石 型硅酸钙密度是影响复合绝热材料有效导热系数的关键因素，而气凝胶密度的影响不大；在高温下，复合绝热材料的导热系 数要明显低于硬硅钙石型硅酸钙及二氧化硅气凝胶的导热系数。 关键词有效导热系数：纳米孔绝热材料：硬硅钙石型：硅酸钙；气凝胶：多孔介质 分类号TB332:TK121 Unit cell model for micro,nano-porous composite insulation material WEI Gaosheng),ZHA NG Xinxin2),YU Fan2) 1)School of Energy and Power Engineering.Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Condition Monitoring and Control of Power Plant Equipment,North China Electric Power University.Beijing 102206.China 2)School of Mechanical Engineering University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI Based on the microstructure features of xonotliteaerogel composite insulation material.a three dimensional unit cell model was developed for the coupled heat transfer of gas and solid in the material.The effective thermal conductivities of xonotlite- type calcium silicate,aerogel and xonotlite-aerogel composite insulation material were compared by model calculation.The results show that the density of xonotlite-type calcium silicate has great influence on the effective thermal conductivity of xonotlite-aerogel composite insulation material,but the density of aerogel has little influence.The effective thermal conductivity of xonotlite-aerogel composite insulation material is apparently lower than those of xonotlitetype calcium silicate and aerogel at an elevated temperature. KEY WORDS effective thermal conductivity:nano"porous insulator:xonotlite-type:calcium silicate:aerogel:porous media 气凝胶是具有独特的开放性纳米级多孔结构的 有优良绝热性能的复合型绝热材料，硬硅钙石一气 非晶体材料，具有密度低（最小可达3kgm一3）、导 凝胶复合绝热材料就是其中的一种，将气凝胶与超 热系数小、比表面积高(200~1000m2g)、折射率 轻硬硅钙石型硅酸钙进行复合可望得到既具有优良 低等特征，室温常压下粉末气凝胶的总导热系数小 绝热性能又具有一定强度的纳米孔超级绝热材 于0.02Wm1,K1,块状气凝胶的总导热系数要 料3].研究该类材料中的传热机理，对于硬硅钙 小于0.014Wm1.K-1,远低于无对流空气的导热 石一气凝胶复合绝热材料的开发和设计具有重要的 系数，是典型的纳米孔超级绝热材料，应用前景广 指导意义，笔者在前期工作中分别对硬硅钙石型硅 阔)；但多数气凝胶强度较低、脆性大，其链状纳 酸钙及气凝胶的导热系数进行了研究]，在此基 米孔结构极易破坏，限制了它作为绝热材料的推广 础上，本文基于一个三维单元体传热模型，通过模型 和应用，近年来，国内外许多学者开始致力于气凝 计算对硬硅钙石型硅酸钙、气凝胶及硬硅钙石一气 胶与其他材料复合来制造既具有一定力学强度又具 凝胶复合绝热材料的导热系数进行了对比研究， 收稿日期：2007-06-26修回日期：2007-09-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50276003):华北电力大学博士学位教师科研基金资助(N。-200622013) 作者简介：魏高升(1975一)，男.讲师，博士，E-mail:gaoshengw(@126.com描述微纳米多孔复合绝热材料的单元体传热模型 魏高升1） 张欣欣2） 于 帆2） 1） 华北电力大学能源与动力工程学院‚电站设备状态监测与控制教育部重点实验室‚北京102206 2） 北京科技大学机械工程学院‚北京100083 摘 要 根据硬硅钙石－气凝胶复合绝热材料的微观结构特点‚建立了描述材料内气固耦合导热的三维单元体传热模型．通 过模型计算对硬硅钙石型硅酸钙、气凝胶及硬硅钙石－气凝胶复合绝热材料的导热系数进行了对比研究．结果表明：硬硅钙石 型硅酸钙密度是影响复合绝热材料有效导热系数的关键因素‚而气凝胶密度的影响不大；在高温下‚复合绝热材料的导热系 数要明显低于硬硅钙石型硅酸钙及二氧化硅气凝胶的导热系数． 关键词 有效导热系数；纳米孔绝热材料；硬硅钙石型；硅酸钙；气凝胶；多孔介质 分类号 TB332；T K121 Unit cell model for micro‚nano-porous composite insulation material W EI Gaosheng 1）‚ZHA NG Xinxin 2）‚Y U Fan 2） 1） School of Energy and Power Engineering‚Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Condition Monitoring and Control of Power Plant Equipment‚North China Electric Power University‚Beijing102206‚China 2） School of Mechanical Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT Based on the microstructure features of xonotlite-aerogel composite insulation material‚a three dimensional unit cell model was developed for the coupled heat transfer of gas and solid in the material．T he effective thermal conductivities of xonotlite￾type calcium silicate‚aerogel and xonotlite-aerogel composite insulation material were compared by model calculation．T he results show that the density of xonotlite-type calcium silicate has great influence on the effective thermal conductivity of xonotlite-aerogel composite insulation material‚but the density of aerogel has little influence．T he effective thermal conductivity of xonotlite-aerogel composite insulation material is apparently lower than those of xonotlite-type calcium silicate and aerogel at an elevated temperature． KEY WORDS effective thermal conductivity；nano-porous insulator；xonotlite-type；calcium silicate；aerogel；porous media 收稿日期：2007-06-26 修回日期：2007-09-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50276003）；华北电力大学博士学位教师科研基金资助（No．200622013） 作者简介：魏高升（1975－）‚男‚讲师‚博士‚E-mail：gaoshengw＠126．com 气凝胶是具有独特的开放性纳米级多孔结构的 非晶体材料‚具有密度低（最小可达3kg·m －3）、导 热系数小、比表面积高（200～1000m 2·g －1）、折射率 低等特征．室温常压下粉末气凝胶的总导热系数小 于0∙02W·m －1·K －1‚块状气凝胶的总导热系数要 小于0∙014W·m －1·K －1‚远低于无对流空气的导热 系数‚是典型的纳米孔超级绝热材料‚应用前景广 阔［1－2］；但多数气凝胶强度较低、脆性大‚其链状纳 米孔结构极易破坏‚限制了它作为绝热材料的推广 和应用．近年来‚国内外许多学者开始致力于气凝 胶与其他材料复合来制造既具有一定力学强度又具 有优良绝热性能的复合型绝热材料‚硬硅钙石－气 凝胶复合绝热材料就是其中的一种．将气凝胶与超 轻硬硅钙石型硅酸钙进行复合可望得到既具有优良 绝热性能又具有一定强度的纳米孔超级绝热材 料［3－5］．研究该类材料中的传热机理‚对于硬硅钙 石－气凝胶复合绝热材料的开发和设计具有重要的 指导意义．笔者在前期工作中分别对硬硅钙石型硅 酸钙及气凝胶的导热系数进行了研究［6－8］‚在此基 础上‚本文基于一个三维单元体传热模型‚通过模型 计算对硬硅钙石型硅酸钙、气凝胶及硬硅钙石－气 凝胶复合绝热材料的导热系数进行了对比研究． 第30卷 第7期 2008年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．7 Jul．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．07．038