泡沫铝-铝箔复合结构用于内燃机车保温性能研究_李奕超.pdf

第 2 卷 第 1 期2 0 2 3 年 2 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.1February 2 0 2 3泡沫铝-铝箔复合结构用于内燃机车保温性能研究李奕超，史永革，赵志勇，刘志华（中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司 科学技术研究所，乌鲁木齐 830011）摘要：为提升铁路内燃机车顶面的保温效果，研究了同时具有高强度和高热阻的泡沫铝-铝箔复合保温结构的隔热性能。利用泡沫铝的低热导率特点，提升复合结构的等效导热热阻，同时利用铝箔的低发射率特性，增加表面的辐射热阻。给出了评估复合结构隔热性能的计算方法。计算表明，在低风速时，覆盖铝箔可显著降低总表面传热系数并提高总热阻。典型工况下，覆盖铝箔可将总表面传热系数降低17.8%，总热阻增加27.4%；泡沫铝基材对总热阻的影响随着风速的提高而增大。关键词：内燃机车泡沫铝；铝箔；保温材料中图分类号：U260.6+7 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.01.009露天驻车的铁路内燃机车在冬季都需采取必要的控温措施，以免机车温度过低导致发动机启动条件恶化1-3。在公开发表的控温措施中，主要是通过各种加热方法来维持机车温度，而通过对机车外壳进行保温来抑制散热损失，特别是抑制辐射散热损失的措施报道极少4-6。考虑到铁路内燃机车运行中的振动和冲击等特点，需要采用兼顾高强度、高阻燃性和低热导率的轻质材料来提高机车外壳结构导热热阻7，而近年来材料行业开发的泡沫铝恰好符合上述条件。典型的泡沫铝是在熔融的纯铝或铝合金中加入氢化钛(TiH2)做发泡剂、加入金属钙(Ca)做增黏剂，经过搅拌、熔体发泡工艺加工，生产出的由气泡和铝隔膜组成的多孔体。它同时具有抗冲击、低密度、低热导率、防火、防腐和无毒性等优点，以及良好的机械加工性能，非常适用于机车保温。在相同厚度的情况下，泡沫铝的热阻是普通碳钢的50倍以上8-9。另外经常被忽视的是，机车外表面的散热由表面与环境空气的对流传热和与周边环境的辐射传热2部分组成，其中在低风速情况下辐射传热量占总散热量的比例在25%50%，足见抑制辐射散热对于机车保温的重要性10。提出了一种以泡沫铝为外层保温基材、以低表面发射率的铝箔为面层的复合保温结构，并评估其应用于机车车顶保温时的隔热性能，旨在为铁路内燃机车等露天驻车设备的保温设计和选材提供参考依据。1 复合结构保温性能的评估方法 为了评估泡沫铝-铝箔复合结构的隔热性能，需要根据传热理论定量分析复合结构的导热热阻、铝箔表面对流传热热阻和表面辐射传热热阻的比例关系，以确定在实际应用条件下采用该复合结构对隔热性能的改善程度。1.1机车传热模型导热热流量、对流传热量、辐射传热量、总传热量、总热阻是衡量保温性能的重要指标，通过建立机车传热模型计算这些量。将露天驻车的机车顶面视为面积A，厚度为的水平布置的平板，平板下表面壁温为Tw，平板上表面是覆盖厚度可以忽略的低辐射发射率的铝箔，铝箔分别与环境空气对流传热并同时与背景天空进行辐射传热。由于铝箔厚度可以忽略，从下表面到铝箔外表面导热热流量cond为cond=eA(Tw-Tf)（1）式中：cond 为导热热流量，W；e为泡沫铝的等效热导率，W/(mK)；为泡沫铝的厚度，m；A为传热面积，m2；Tw、Tf分别为下表面温度、铝箔温度，K。而上表面铝箔与环境空气的对流传热量sc为sc=hscA(Tf-Ta)（2）式中：sc为对流热量，W；hsc为铝箔与环境空气的对流传热系数，W/(m2K)；Ta为环境空气温度，K。文章编号：2097-0846（2023）01004504收稿日期：20220627；修回日期：20220830基金项目：中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司科研计划项目（2021-kj-32）第一作者：李奕超（1985），男，高级工程师。E-mail：高速铁路新材料第 2 卷上表面铝箔与背景天空的表面辐射传热量sr为sr=hsrA(Tf-Ta)（3）式中：sr为辐射传热量，W；hsr为铝箔与环境的等效辐射传热系数，W/(m2K)。在稳态条件下，总传热量与通过导热热阻的传热量以及上表面铝箔的对流传热量和辐射传热量之和相等，可以得到总传热量和总热阻Rt分别为=Tw-TaeA+1()hsc+hsrA（4）Rt=Tw-Ta=eA+1()hsc+hsrA（5）式中：为通过顶面的总传热量，W；Rt为顶面传热的总热阻，K/W。由式（4）和式（5）可知，降低传热量或提高总热阻的途径包括增加泡沫铝的厚度，降低泡沫铝的等效热导率e，以及降低表面对流传热系数hsc和辐射传热系数hsr。1.2传热模型中相关系数的计算方法1.2.1铝箔表面对流传热系数考虑到露天驻车环境风速的影响，铝箔表面与环境空气之间的对流传热可用平板的部分层流-部分湍流传热经验模型计算hsc=0.037aL|(uaLa)0.8-23 500|(aaa)13（6）式中：a为空气的热导率，W/(mK)；a为空气的运动黏度，m2/s；aa为空气的热扩散系数，m2/s；L铝箔表面传热的特征尺寸，m；ua为空气流过铝箔时的流速，m/s。1.2.2铝箔表面辐射传热系数根据表面辐射传热理论，由于露天表面与背景天空的角系数近似为1，且露天面积忽略，计为0，因此，表面辐射传热量sr与铝箔表面发射率、铝箔表面温度以及背景天空温度的关系式简化为sr=A(T4f-T4)（7）相应地，表面辐射传热系数hsr=T4f-T4Tf-Ta（8）式（7）和式（8）中：为黑体辐射常数，数值为5.67 10-8 W/(m2K4)；为表面发射率，范围在01，无量纲；T为背景天空的等效辐射温度5，K。1.3传热模型中铝箔表面温度的计算方法由式（4）可知，在计算总传热量时，需要计算铝箔表面辐射传热系数hsr，而hsr又与铝箔表面温度Tf有关。根据稳态条件下的能量平衡关系，通过泡沫铝的热流量cond与通过铝箔表面的总热流量sc+sr相等，见式（9）eA(Tw-Tf)=(hsc+hsr)A(Tf-Ta)（9）结合式（8）和式（9），可以导出关于Tf的超越代数方程T4f=T4+e(Tw-Tf)+hsc(Ta-Tf)（10）可以采用以下迭代格式求出Tf的解11T(i+1)f=|T4+e(Tw-T(i)f)+hsc(Ta-T(i)f)|14+(1-)T(i)f（11）T(0)f=(Tw+Ta)/2（12）一般情况下，欠松弛因子在 0.010.05即可保证收敛。2 计算结果与分析 2.1计算条件考虑到所涉及温度范围较窄，为简化分析，忽略温度对热物理性质的影响。以273.15 K作为空气热物理性质的参 考 温度 10，该温度下，空气的热导率a=0.024 4 W/(mK)，空气的运动黏度a=13.3 10-6 m2/s，空气的热扩散系数aa=18.8 10-6 m2/s；以某内燃机车为参考，取其宽度作为对流传热的特征尺寸L=3.304 m；泡沫铝的等效热导率取值范围e=0.30.8 W/(mK)8，厚度取值=15 mm；忽略铝箔自身的厚度，表面发射率取=0.10.2（对比无铝箔时的参考表面发射率取=0.9）；参考风力和风速的对应关系，空气流速取值ua=210 m/s；壁面温度取Tw=273.15 K，环境空气温度取冬季典型值Tw=253.15 K，背景天空等效辐射温度取值T=223.15253.15 K。2.2铝箔表面发射率对传热的影响分析为获得无铝箔覆盖时，不同风速下对流传热系数和辐射传热系数的数值对比关系，取表面温度Tw=273.15 K，表面发射率=0.9，环境空气温度取冬季典型值Tw=253.15 K，背景天空等效辐射温度与环境空气温度相同T=253.15 K（一般情况下，T Ta）。根据式（6）式（8）可以计算出不同风速下的对流传热系数、辐射传热系数以及辐射传热系数在总表面传热系数的占比。如图1所示，当风速在210 m/s变化时，对流传热系数在 3.126.1 W/(m2K)变化，辐射传热系数在总表面传热系数的占比在54.8%12.5%变化，在低风速时，辐射传热的占比在50%左右。覆盖铝箔后，取表面发射率=0.2（典型值上限），辐射传热系数在总表面传热系数的占比在21.3%3.1%变化，在高风速时，46第 1 期李奕超等：泡沫铝-铝箔复合结构用于内燃机车保温性能研究辐射传热的占比仅在7.5%左右。典型地，在风速5 m/s时，总表面传热系数从无铝箔覆盖时的16.3 W/(m2K)下降到 13.4 W/(m2K)，下降幅度为 17.8%。若背景天空等效辐射温度降低到T=243.15 K，则总表面传热系数从有铝箔覆盖时的 17.9 W/(m2K)下降到13.7 W/(m2K)，下降幅度为23.4%。由此可见，利用铝箔的低发射率特性，可以显著降低总表面传热系数和散热量。2.3复合结构的总热阻总热阻是表征保温结构优劣的主要热学指标，可根据式（5）计算，计算过程中涉及的铝箔表面温度需采用式（11）迭代计算。图2给出了不同风速下，在5 mm厚度的泡沫铝板上，铝箔的存在对总热阻的影响规律。总体上，铝箔会使得总热阻增大，但其影响会随风速增大而降低。在风速5 m/s时，总热阻从无铝箔覆盖时的0.062 K/W增加到0.079 K/W，增加幅度为27.4%。如前所述，泡沫铝板本身的热阻是相同厚度普通碳钢板的50倍以上，完全可以替代钢板作为保温面层基材。适当增加泡沫铝的厚度也会使得总热阻进一步增加。图3给出了不同风速下3种厚度的泡沫铝在覆盖铝箔时总热阻的对比。在低风速时，泡沫铝对总热阻的影响幅度不大。但在高风速时，由于辐射热阻占比减小，泡沫铝的热阻对总热阻的影响增大。在10 m/s风速下，当泡沫铝厚度从5 mm增加到10 mm时，总热阻从0.043 K/W增加到0.049 K/W，增加幅度为14.0%。3 结论（1）针对改善铁路内燃机车保温性能的需求，提出了一种可用于机车顶部保温的泡沫铝-铝箔复合结构，以泡沫铝为基材替代普通钢板，提高基材的热阻，用泡沫铝低发射率的特点，提高表面辐射热阻。（2）给出了评估该复合结构隔热性能的计算方法。（3）铝箔的低发射率特性可以显著降低总表面传热系数，典型工况下，覆盖铝箔可以将总表面传热系数降低17.8%，总热阻增加27.4%；在低风速的情况下，总热阻的增量尤其显著。（4）在低风速的情况下，泡沫铝厚度对总热阻的影响较小，但在高风速的情况下，泡沫铝厚度的影响凸显出来，在10 m/s风速下，当泡沫铝厚度从5 mm增加到10 mm时，总热阻增加幅度为14.0%。（5）泡沫铝-铝箔复合结构在低风速时可有效提高传热热阻；而在高风速时，泡沫铝低热导率的优势在0.3000.2500.2000.1500.1000.0500.000024681012覆盖末覆盖风速/(ms-1)总热阻/(KW-1)图2铝箔对总热阻的影响（泡沫铝厚=5 mm）00024681012对流传热系数辐射传热系数辐射占比51015202530102030405060风速/(ms-1)传热系数/W(m2K)-1辐射占比/%00024681012对流传热系数辐射传热系数辐射占比51015202530102030405060风速/(ms-1)传热系数/W(m2K)-1辐射占比/%(a)无铝箔覆盖(b)有铝箔覆盖图1不同风速下的对流传热系数和辐射传热系数0.3000.2500.2000.1500.1000.0500.000024681012风速/(ms-1)总热阻/(KW-1)5 mm10 mm15 mm图3 泡沫铝厚度对总热阻的影响（发射率=0.2）47高速铁路新材料第 2 卷于辐射传热占比较低时，增加泡沫铝厚度能有效提高总热阻。由于泡沫铝-铝箔复合结构轻质、高抗压强度（39.052.0 MPa）和高热阻的特点，具有完全或部分替代机车外保温结构的潜力12。参考文献：1 吴志新，王成名.关于内燃机车停放保温技术的探讨 J.内燃机车，2007（2）：30-34.2 项东波，沈得智.智能机车防寒加热装置的