真空绝热板(VIP)绝热性能及其影响参数分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所,真空低温技术与物理国家级重点实验室 作者:温永刚

  真空绝热板(VIP)具有10 倍于传统绝热材料的优异绝热性能。对VIP 有效导热系数进行了分析,表明影响VIP 绝热性能主要是固体导热和辐射传热,而气体导热和对流换热可忽略不计。影响VIP 整体绝热性能的因素主要有温度、气体压力、含湿率、芯材密度及芯材颗粒度等参数。

1、引言

  真空绝热板(VIP)是近年来快速发展起来的一种新型绝热材料,它是利用真空绝热原理并采取各种措施以尽量消除或弱化板内的热量传递,使其漏热降低到最小,因而具有10 倍于传统绝热材料的优异绝热性能。相比于传统的聚氨酯泡沫或玻璃纤维等绝热材料,真空绝热板在其生产和应用过程中,不使用消耗臭氧层物质(Ozone Depleting Substances),而且导热系数可以达到3~4 mW/m·K,其热阻相当于普通绝热材料的10 倍甚至更高,而其厚度仅为普通绝热材料的1/7,具有环保和节能的双重优点。图1 为VIP 与普通绝热材料热阻比较柱状图,从图中可以看出VIP 具有很大的绝热优势。图2 为相同热阻的VIP 与传统绝热材料的比较,其厚度相差10 倍以上,因而对于绝热空间要求较为严格的应用领域(如冰箱和冷冻行业),VIP 得到了广泛的发展和应用。

  VIP 不仅是一种新型绝热材料,而且又是具有复杂性和敏感性的一个真空绝热系统。图3 所示为1×105Pa、20 ℃下不同芯材导热系数随气体压力变化情况。由图3 可以看出,不同芯材随板内气体压上升表现出的导热系数变化差异较大,对于气体压力变化的“敏感度”也不尽相同。相比之下,气相二氧化硅(fumedsilica)则表现出较大的“迟钝性”,因而更适宜于作为VIP 芯材使用。当然,除了芯材材料对气体压力的敏感程度外,还要充分考虑芯材材料的制作工艺、价格等因素,这样才能有效降低VIP 的成本,使其得到大面积推广和应用。

  VIP与普通绝热材料热阻比较 相同热阻的VIP 和传统绝热材料的比较 下不同芯材导热系数随气体压力的变化

图1 VIP与普通绝热材料热阻比较  图2 相同热阻的VIP 和传统绝热材料的比较  图3 1×105 Pa、20℃下不同芯材导热系数随气体压力的变化

2、VIP绝热原理

  一般情况下,静止空气所能达到的最低导热系数为0.026 W/m·K。为了开发更为有效的绝热材料,人们采取了很多方法。有的是替换材料中的充填气体,有的是在材料中增加辐射吸收剂或散射剂,有些甚至是将材料内的充填气体直接抽空,即所谓真空绝热。采取这些措施的目的都是为了降低传热,当气体分子的平均自由程大于芯材的孔径时即可防止气体热传导的发生。为了满足这种条件,一方面要采取减少分子数目以降低碰撞频率的方法来增大气体分子的平均自由程,另一方面则需要尽量减小芯材的孔径。前者可以借助于抽空的方法,后者则需要采用孔径极其微小的多孔介质材料,因此开发出了微米/纳米量级的绝热材料,如超细玻璃纤维、气相二氧化硅及硅气凝胶等。2 种方法结合的结果使得绝热效果的发挥达到了极致,VIP 的出现正是结合了2 种技术的优势所在,因而在绝热效果上表现超常的优异性能。图4、图5 分别为2 种常用VIP芯材的扫描电镜(SEM)照片。从图中可以看出,气相二氧化硅相比超细玻璃纤维具有更小的微孔尺度,达到纳米量级,其绝热性能具有更大的优势和潜力。

气相二氧化硅SEM照片

图4 气相二氧化硅SEM照片  图5 超细玻璃纤维SEM照片

  从结构上讲,VIP 主要由芯材和阻气层组成,同时可根据芯材种类及应用环境确定是否需要添加吸气剂。对于绝热材料而言,有效导热系数是用来衡量其绝热性能优劣的重要参数,它是反映物质传导热能力的重要性质参数。芯材一般选用多孔介质材料,如超细玻璃纤维、沉积硅、聚氨酯(PU)泡沫、聚苯乙烯(PS)泡沫等,其内部传热机理非常复杂,不仅涉及到固体与气体的热传导,还涉及到相互间的对流换热及芯材多孔结构中辐射换热。

3、VIP有效导热系数构成及分析

  由于多种传热方式的存在,必须保证VIP 板内气体导热系数λG、固体导热系数λS 和辐射等效导热系数λR 最小,同时还需考虑对流等效导热系数λC。因此VIP 板的有效导热系数λeff(忽略边缘效应及阻气层的影响)可用式(1)表示

  式中λeff 为VIP 板有效导热系数;λG 为气体导热系数;λS 为固体导热系数;λG 为对流等效导热系数;λR 为辐射等效导热系数。下面对式(1)各项分别进行分析。

3.1、气体导热

  气体导热系数的变化随压力增加而呈“S”形变化,其大小主要取决于气体分子间的碰撞频度。多孔材料的气体导热系数一般可用Kaganer 模型表达如

  式中λG0 为T=300 K 时的自由静态空气的气体导热系数,即λG0=0.026 W/m·K;对于空气而言,β=1.6;Kn 为克努曾数,其定义式为Kn=l/Φ(其中l 为气体分子在该压力下的平均自由程,Φ 为多孔绝热材料的平均孔径); p1/2 为当气体导热系数变为p1/2/2 时所对应的气体压力值。根据式(2),可得空气的p1/2 计算表达式如下

  真空绝热板(VIP)绝热性能及其影响参数分析(1)为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/application/else/021997.html

  与 真空应用 真空绝热板 VIP 相关的文章请阅读:

  真空应用http://www.chvacuum.com/application/else/