絕熱

絕熱是保温與保冷的統稱，為了防止生產過程中設備和管道向周圍環境散發或吸收熱量而進行的絕熱工程，已成為生產和建設過程中不可缺少的一項工程，有着重要的意義。（1）用絕熱減少設備、管道及其附件的熱（冷）量損失。（2）保證操作人員安全，改善勞動條件，防止燙傷和減少熱量散發到操作區。（3）在長距離輸送介質時，用絕熱來控制熱量損失，以滿足生產上所需要的温度。（4）冬季，用保温來延緩或防止設備、管道內液體的凍結。（5）當設備、管道內的介質温度低於周圍空氣露點温度時，採用絕熱可防止設備、管道的表面結露。（6）用耐火材料絕熱可提高設備的防火等級。（7）對工藝設備或爐窯採取絕熱措施，不但可減少熱量損失，而且可以提高生產能力。 ^[1] 

絕熱過程（adiabatic process）是指任一氣體與外界無熱量交換時的狀態變化過程，是在和周圍環境之間沒有熱量交換或者沒有質量交換的情況下，一個系統的狀態的變化。大氣層中的許多重要現象都和絕熱變化有關。例如，在大氣層的下層通常存在着温度隨高度遞增而遞減，主要就是由於空氣絕熱混合的結果。導致水蒸汽凝結、雲和雨形成的降温作用，主要是由於空氣上升時温度下降的結果；晴朗的、乾燥的天氣通常是與空氣下沉引起的增温變幹作用有關。上升空氣的降温作用和下沉空氣的增温作用主要是由於空氣的絕熱膨脹和絕熱壓縮的結果。如果一個受到增温作用或降温作用的系統通過輻射和傳導與周圍發生熱量交換，那麼就稱之為非絕熱過程（diabaticprocess）。 ^[2] 

大氣中作垂直運動的氣塊的狀態變化通常接近於絕熱過程。氣塊上升，外界氣壓逐漸降低，氣塊體積膨脹作功消耗內能而降温，叫“絕熱冷卻”；氣塊下沉，外界氣壓逐漸加大，氣塊體積因外力作功被壓縮，使其內能增加而升温，叫“絕熱增温”。

在熱力學中，熱力學系統始終不與外界交換熱量 ，即Q =0 的過程。理想氣體準靜態絕熱過程的方程為pV^γ=常量，其中p 、V 是理想氣體的壓強、體積，γ=cP/cV是定壓熱容與定體熱容之比。根據熱力學第一定律，在絕熱過程中，系統對外所作的功等於內能的減少量。根據熱力學第二定律，在可逆的絕熱過程中，系統的熵不變。用良好絕熱材料隔絕的系統中進行的過程，或由於過程進行得太快，來不及與外界有顯著熱量交換的過程，都可近似地看作絕熱過程。例如內燃機、蒸汽機汽缸中工作物質的膨脹過程 ，壓汽機汽缸中的壓縮過程，汽輪機噴管中的膨脹過程，以及氣象學中空氣團的升降過程，還有聲波在空氣中的傳播過程等，都可當作絕熱過程處理。

絕熱過程是一個絕熱體系的變化過程，絕熱體系為和外界沒有熱量和粒子交換，但有其他形式的能量交換的體系，屬於封閉體系的一種。絕熱過程有絕熱壓縮和絕熱膨脹兩種。常見的一個絕熱過程的例子是絕熱火焰温度，該温度是指在假定火焰燃燒時沒有傳遞熱量給外界的情況下所可能達到的温度。現實中，不存在真正意義上符合定義的絕熱過程，絕熱過程只是一種近似，所以有時也稱為絕熱近似。 ^[2] 

絕熱過程分為可逆過程（熵增為零）和不可逆過程（熵增不為零）兩種。可逆的絕熱過程是等熵過程。等熵過程的對立面是等温過程，在等温過程中，最大限度的熱量被轉移到了外界，使得系統温度恆定如常。由於在熱力學中，温度與熵是一組共軛變量，等温過程和等熵過程也可以視為“共軛”的一對過程。

如果一個熱力學系統的變化快到足以忽略與外界的熱交換的話，這一變化過程就可以視為絕熱過程，又稱“準靜態過程”。準靜態過程的熵增可以忽略，所以視作可逆過程，嚴格説來，在熱力學中，準靜態過程與可逆過程沒有嚴格區分，在某些文獻中被作為同義詞使用。

同樣的，如果一個熱力學系統的變化慢到足以靠與外界的熱交換來保持恆温的話，該過程則可以視為等温過程。

絕熱壓縮與絕熱膨脹通常由氣體壓強的變化引起。

絕熱壓縮發生在氣壓上升時，這時氣體温度也會上升。例如，給自行車打氣時，可以感覺到氣筒温度上升，這正是因為氣體壓強上升的足夠快到可視為絕熱過程的緣故，熱量沒有逃逸，因而温度上升。

柴油機在壓縮衝程時正是靠絕熱壓縮原理來給燃燒室內的混合氣體點火的。

絕熱膨脹發生在氣壓下降時，這時氣體温度也會下降。例如，給輪胎放氣時，可以明顯感覺到放出的氣體比較涼，這正是因為氣體壓強下降的足夠快到可視為絕熱過程的緣故，氣體內能轉化為機械能，温度下降。

這些温度的變化量可以用理想氣體狀態方程精確計算。

絕熱過程是系統在和外界無熱量交換的條件下進行的過程。實現絕熱過程有兩種情況：

①用絕熱材料製成絕熱壁，把系統與外界隔開，就可以近似地實現這一過程。

②使過程快速進行，系統來不及與外界進行顯著的熱量交換。例如：內燃機中熱氣體的突然膨脹，

柴油機或壓氣機中空氣的壓縮、聲波中氣體的壓縮（稠密）和膨脹（稀疏）等都可近似視為絕熱過程。

作為典型例子，下面介紹理想氣體準靜態絕熱過程和理想氣體自由膨脹過程（非準靜態過程）。

絕熱材料（thermal insulating material）

在建築圍護或者熱工設備、阻抗熱流傳遞中，習慣上把用於控制室內熱量外流的材料或者材料複合體叫做保温材料（保冷材料）；把防止室外熱量進入室內的材料或者材料複合體叫做隔熱材料。保温、隔熱材料統稱為絕熱材料。

1、絕熱材料的性能要求

導熱性指材料傳遞熱量的能力。材料的導熱能力用導熱係數表示。導熱係數的物理意義為：在穩定傳熱條件下，當材料層單位厚度內的温差為1℃時，在1h內通過1m²表面積的熱量。材料導熱係數越大，導熱性能越好。工程上將導熱係數λ<0.23W/m·K的材料稱為絕熱材料。影響材料導熱係數的因素有：

材料組成：材料的導熱係數由大到小為，金屬材料>無機非金屬材料>有機材料。

微觀結構：相同組成的材料，結晶結構的導熱係數最大，微晶結構次之，玻璃體結構最小，如水淬礦渣就是一種較好的絕熱材料。

孔隙率：孔隙率越大，材料導熱係數越小。

孔隙特徵：在孔隙相同時，孔徑越大，孔隙間連通越多，導熱係數越大。

含水率：由於水的導熱係數λ=0.58W/m·K，遠大於空氣，故材料含水率增加後其導熱係數將明顯增加，若受凍（冰λ=2.33W/m·K，）則導熱能力更大。

絕熱材料除應具有較小的導熱係數外，還應具有適宜的或一定的強度、抗凍性、耐水性、防火性、耐熱性和耐低温性、耐腐蝕性，有時還需具有較小的吸濕性或吸水性等。

室內外之間的熱交換除了通過材料的傳導傳熱方式外，輻射傳熱也是一種重要的傳熱方式，鋁箔等金屬薄膜，由於具有很強的反射能力，具有隔絕輻射傳熱的作用，因而也是理想的絕熱材料。 ^[3] 

2、絕熱材料的種類及使用要點

絕熱材料對熱流有較強阻抗作用的材料。主要用於房屋建築的牆體、屋面或工業管道、窯爐等的保温和隔熱。

按照它們的化學組成可以分為無機絕熱材料和有機絕熱材料。常用無機絕熱材料有多孔輕質類無機絕熱材料、纖維狀無機絕熱材料和泡沫狀無機絕熱材料；常用有機絕熱材料有泡沫塑料和硬質泡沫橡膠。

按絕熱原理分為：

①多孔材料。靠熱導率小的氣體充滿孔隙中絕熱。一般以空氣為熱阻介質，主要是纖維狀聚集組織和多孔結構材料。氣凝膠氈的絕熱性能最佳，其次泡沫塑料的絕熱性較好，再者為礦物纖維（如石棉）、膨脹珍珠岩和多孔混凝土、泡沫玻璃等。

②反射材料。如鋁箔能靠熱反射減少輻射傳熱，幾層鋁箔或與紙組成夾有薄空氣層的複合結構，還可以增大熱阻值。絕熱材料常以鬆散材、卷材、板材和預製塊等形式用於建築物屋面、外牆和地面等的保温及隔熱。可直接砌築（如加氣混凝土）或放在屋頂及圍護結構中作芯材，也可鋪墊成地面保温層。

纖維或粒狀絕熱材料既能填充於牆內，也能噴塗於牆面，兼有絕熱、吸聲、裝飾和耐火等效果。

絕熱材料一方面滿足了建築空間或熱工設備的熱環境，另一方面也節約了能源。因此，有些國家將絕熱材料看作是繼煤炭、石油、天然氣、核能之後的“第五大能源”。

3、絕熱材料技術性能指標

絕熱材料的技術性能指標應符合絕熱材料的現行國家標準的規定。

（1）絕熱用岩棉、礦渣棉及其製品

絕熱用岩棉、礦渣棉及其製品，是以岩石、工業廢渣和石灰石等為主要原料，經高温熔融，用離心力、高温載能氣體噴吹而成的棉及其製品。產品按結構形式分為棉、板、帶、氈、縫氈、貼面氈和管殼。

（2）絕熱用玻璃棉及其製品

絕熱用玻璃棉及其製品有玻璃棉、玻璃棉板、玻璃棉帶、玻璃棉毯、玻璃棉氈和玻璃棉管殼。產品按採用玻璃棉的纖維平均直徑分為三種。

新型玻璃棉製品有氣凝膠氈，該產品為二氧化硅氣凝膠與玻璃纖維複合，導熱係數0.018W/（K·m），絕對疏水，是市場上導熱係數最低的納米無機絕熱材料。

（3）超細玻璃棉及其製品

超細玻璃棉及其製品，是以熔融後的玻璃用火焰噴吹或離心噴吹等方法制成纖維平均直徑在3～3.9玻璃纖維氈。使用温度為400℃以下，作保温和吸聲用，產品技術性能指標如下。

①纖維平均直徑4μm以下。

②含濕率不大於1%

③粘結劑含量不大於1%，對易燃、易爆工程粘結劑含量。

④渣球含量直徑大於0.5mm，含量不應超過0.5%。

（4）泡沫石棉

泡沫石棉是以保温石棉為主要原料，經化學開棉、發泡、成型、乾燥等工藝製成的泡沫狀製品。其使用温度在500℃以內。

（5）普通硅酸鋁耐火纖維氈

普通硅酸鋁耐火纖維氈，適用於工作温度不大於1000℃的中性或氧化性氣氛的工業爐內襯及高温管道保温。牌號

（6）硅酸鈣絕熱製品

硅酸鈣絕熱製品有平板、弧形板、管殼、最高使用温度為923k（650℃）。

（7）膨脹蛭石製品

膨脹蛭石製品，常用的膨脹蛭石製品是以膨脹蛭石為料，以水泥為粘結劑製成的水泥膨脹蛭石製品。使用温度範圍為-40～800℃。製品有板、磚、管殼等。

（8）膨脹珍珠岩絕熱製品

膨脹珍珠岩絕熱製品是以膨脹珍珠岩為主要成分，摻加不同種類粘接劑而製成的板、管殼等絕熱製品。

其使用温度範圍為-50～900℃。

（9）硅藻土隔熱製品

硅藻土隔熱製品有普型、異型和特性，主要用作隔熱層。。

（10）建築物隔熱用硬質聚氨酯泡沫塑料建築物隔熱用硬質聚氨酯泡沫塑料，是以多元醇/多異氰酸酯為主要原料生產的平板或異性板狀RC/PUR，也可用於箔、金屬膜或片、塗料、紙或其他材料層壓或貼面的RC/PUR。但不適用於管道和容器的隔熱保温及吸收衝擊聲的消音材料。

類型1產品適用於承受輕負載，如建築物屋頂、地板下隔層及類似的用途；類型2適用於承受重負載，如襯填材料，冷凍室地板等。

（11）工業設備、管道絕熱用硬質聚氨酯泡沫塑料

工業設備、管道絕熱用硬質聚氨酯泡沫塑料製品有板、管殼，適用於-104～5℃的設備、管道保冷，最高安全使用温度為100℃。

（12）隔熱用聚苯乙烯泡沫塑料

隔熱用聚苯乙烯泡沫塑料是以含低沸點液體發泡劑的可發性聚苯乙烯珠粒經加熱預發泡後，在模具中加熱成型而製得的具有閉孔結構的聚苯乙烯泡沫塑料，也可用大塊料切割而成其他形狀製品。

隔熱用聚苯乙烯泡沫塑料按用途分為三類：1.類是應用時不承受負荷，如作為屋頂、牆壁及其他隔熱；2.類是承受有限負荷，如地板隔熱等；3.類是承受較大負荷，如停車平台隔熱等。

隔熱用聚苯乙烯泡沫塑料分為普通型PT（白色，無阻燃性要求）和阻燃型ZR（混有顏色的顆粒，有阻燃性要求）。 ^[3] 

4、絕熱材料的選擇依據

絕熱既要減少散熱損失，節能降耗增效，又要保證生產工藝過程安、穩、長、滿、優運行。一般選擇絕熱材料應滿足以下要求。

（1）平均温度≤623K（350℃）時，導熱係數不大於0.12w/（mk）[0.103kcal/（m.h.℃）]，有隨温度變化的導熱係數方程式。當有數種絕熱材料可選擇時，用絕熱材料的導熱係數，乘以單位體積材料價格（元/m³），乘積小，單位熱阻的價格低，是經濟的絕熱材料。

（2）絕熱材料密度不大於300kg/m³。纖維類絕熱材料的渣球含量，礦渣棉小於10%；岩棉小於6%；玻璃棉小於0.4%，對纖維類絕熱材料應選擇最佳密度。

（3）硬質絕熱材料的抗壓強度不小於392kpa。一般絕熱材料製品，應能承受自重，當地最大風荷載，冰雪荷載，表面受到碰撞或輕微敲打，不產生殘餘變形。

（4）絕熱材料的允許使用温度應高於正常操作時的生產介質最高温度，保證在安全使用温度範圍。

（5）絕熱材料的膨脹性、防潮性、耐燃型，均要符合使用要求。

（6）絕熱材料具有化學穩定性，對金屬無腐蝕作用。

（7）保冷材料在理化性能滿足生產工藝過程要求的前提下，優先選用導熱係數小，密度小，吸水和吸濕率低的材料製品。

（8）按選用保冷材料特徵，採用相適應的粘結劑、密封劑配套使用。

（9）絕熱的防潮層材料，選用防水、防潮力強，吸水率不大於1%。使用温度範圍大，耐火度、軟化温度不低於65℃，穩定性和密封性好，在常温下使用方便。

（10）絕熱的保護層材料，選用防水、防潮、化學穩定性和不燃性好，應有不開裂、不易老化、強度高的特徵。 ^[3] 

在航天飛機上共裝有24000塊絕熱瓦，這種絕熱瓦的作用是抵禦再入大氣層時的高温。因為航天飛機再入大氣層時，由於與大氣的摩擦而產生1650℃的高温。如果絕熱瓦脱落，會導致絕熱瓦保護層下部的航天飛機鋁構架的變形，使更多的絕熱瓦脱落。如果絕熱瓦脱落到一定數量，就會使航天飛機再入大氣層時被巨大的壓力和高温撕裂成碎片。

2003年，“哥倫比亞”號發射升空時出現了小片的絕熱瓦的脱落，宇航局當時通過監控錄像已經發現這一異常情況。接下來，技術人員曾經花了幾天的時間對這一事件進行分析，但他們最後得出的結論是“不礙事”。而且航空航天局的官員還告訴記者不用擔心，他們保證“絕對沒有問題”。2003年2月2日，“哥倫比亞”號返回地球，就在着陸前16分鐘“哥倫比亞”號解體墜毀。

事故發生以後，宇航局承認自己判斷錯了，起飛時絕熱瓦的脱落可能是事故發生的主要原因。根據數據分析結果，“哥倫比亞”號在解體前，機身左側的温度在5分鐘內升高了大約60℃。左翼下面着陸架附近的温度也異常升高。由於航天飛機左側的阻力增大，機上的自動導航系統一直在努力調整航天飛機的姿態，但無濟於事。

這次“發現”號發射又出現絕熱瓦脱落的情況，不能不勾起人們的痛苦回憶。

本書以絕熱材料為主題。由三大部分組成，第一部分系統地介紹了絕熱的基本原理，絕熱材料的基本性能與性能分析、絕熱結構形成及現行絕熱材料的概況，並以新型複合高效節能絕熱材料的形成展示高新技術在絕熱領域中的生成與應用；第二部分介紹工業設備及管道的絕熱設計原則及要求，包括絕熱層、防潮層及保護層的結構，施工示範與施工質量中冷態驗收、熱態考核新採用的測試方法和常用測試儀器的簡介；第三部分以建築領域裏隔熱保温（保冷）與節能的辯證關係，闡述有機質材料與無機質材料的結合，温與保冷中的材料結構、應用設計原理、效果計算依據和方法等。

本書適用於從事絕熱材料生產廠、絕熱工程技術人員及專業設計人員閲讀。也可供節能專管人員、大專院校相關專業師生參考。 ^[4]