保温板搭接结构“漏热”模拟

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1 前言

固体氧化物燃料电池系统的保温设计通常为“热箱（hot-box）“，这种保温有别于常规的保温。常规的保温将各个热设备单独用保温材料包覆，并且保温边界暴露于空气外。而热箱技术则是将所有热设备共同安装于保温箱内，设备与设备之间有很强的热耦合。热箱技术的核心设备便是保温箱，该保温箱要尽可能防止热量散失，甚至可以说保温箱的性能决定了系统的效率。

保温箱在制造时通常会存在保温板之间的搭接，这个搭接结构很有讲究，如下两种搭接结构分别为直缝搭接和错缝搭接。错缝搭接是正确合理的做法，其防止漏热的能力显著强于前者。假如直缝搭接位于保温箱顶部，外壳没有安装的情况下，甚至可以明显感受到热浪汹涌上漂。今天，我们对该问题进行模拟。

2 模型与网格

创建下图所示的二维保温箱结构，外轮廓500mm×500mm，保温厚度50mm，中心有一个50mm×50mm的热源。分别采用直缝和错缝结构，假定缝隙宽度5mm（有点夸张）。

3 求解设置

该问题的本质为有限空间自然对流，需要开启重力项。

保温箱内介质为空气，密度模型我们采用不可压缩理想气体，由于缝隙的存在且尺寸较大，我们假定保温箱内的压力保持不变。倘若要考虑温度对压力的影响，比如缝隙极小甚至不存在（不漏气），则需要用理想气体或者真实气体模型等考虑了压力影响的密度模型。

保温板的导热系数设为0.04W/m℃。

中心热源我们采用等热流密度边界，热流密度为2000W/m²。

热箱外部采用对流边界，对流换热系数10W/m²℃，环境温度26.5℃。

下部缝隙入口采用压力入口，全压为0Pa，温度为环境温度。

上部缝隙出口采用压力出口，静压为0Pa，回流温度为环境温度。

压力速度耦合采用coupled算法，本案例如果采用SIMPLE算法，收敛性可能较差，读者朋友可尝试对比一下。压力项的离散建议采用PRESTO!，对于自然对流问题可以很好地避免近壁速度矢量发生非物理结果，读者朋友也可以尝试对比一下。

能量方程的收敛标准设定为10^-7，因为重点关心热量损失情况，因此热量不平衡要尽可能减小。

本案例暂不考虑辐射换热。

4 计算结果

首先，我们看一下保温箱内部温度情况，温度分布趋势基本一致，但是热源的温度有差异。直缝搭接下，热源的最高温度为1143℃，错缝搭接下，热源的最高温度为1216℃，说明前者的保温效果差于后者。这也可以从保温箱内的平均空气温度看出，平均温度为285℃，而后者为321℃。

接着，我们看一下热量报表，由于前者保温箱内的空气温度整体低于后者，因此通过保温板损失的热量为242W，小于后者的274W。但是从缝隙漏到环境中的热量，前者为163W，后者为128W。从能量计算平衡角度看，实际上两者的总散热量是一样的，只不过传热温差不一样，前者的保温效果差于后者，相当于综合传热系数大于后者，不利于高温设备的运行温度的达到和维持。因此在现场进行保温组装施工时，要尽可能减小缝隙的漏热而采用错缝搭接。