真空绝热板(VIP)绝热性能及其影响参数分析(2)

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

  结合式(3)可知,对于Φ=200 nm 的微孔结构材料来说,p1/2≈105 Pa。如果气体压力降低到1 000 Pa 以下时,气体传导导热系数可忽略不计。对于Φ=20 μm 的较粗微孔材料而言,在其压力达到105 Pa 时导热系数达到最大,因而要减小气体导热系数,真空度要求至少要达到10 Pa。对于纤维平均直径Φ=5 μm 的玻璃纤维而言,p1/2≈4 600 Pa,因而可用式(4)表达如下

  当pG=10 Pa 时,计算可得:λG=5.6×10-5 W/(m·K),可见在VIP 板内存在一定真空度的条件下,气体导热对VIP 有效导热系数的贡献极其微小,可以忽略不计。

3.2、固体导热

  固体中传导热量的载体是电子、声子、磁激发以及在某些情况下的电磁辐射,因而固体导热系数是由各种导热载体的贡献叠加而成。对于属于分散形介质的多孔材料而言,固体导热的载体主要是声子,因而其固体导热系数可用动力学理论公式表示如下

  式中cv 为声子对单位体积比热的贡献;ν 为声子的速度;Λ 为声子的平均自由程度。一般情况下,VIP 材料中的固体导热系数λS 主要取决于材料表观密度和构成固体骨架颗粒间的接触程度,由其材料本身特性所决定。微孔材料在此方面具有绝对优势,因为其本身结构由不规则的碎片组成,由此决定其热流交换量在纳米量级水平。相比之下,珍珠岩和硅藻土等粉末材料由于孔径较粗,因而材料本身的固体导热系数也相对较大。一般而言,固体导热系数与材料密度ρ 有式(6)关系

  式中α为固体导热系数指数,对于泡沫材料,α≈1,对于气凝胶或气相二氧化硅,α≈1.5~2.0。固体导热系数同样和施加于材料外部的压力大小有关,然而定量的描述非常困难,因为大多数材料表现出所谓的“滞后效应”,具体数值需通过实验进行测定。更为准确的表达式如式(7)所示

  式中λS,S 为芯材固体本身的导热系数;ρ 为材料的密度;ν 为声子的速度;ρS 为固体骨架的密度;νS 为声子在固体材料中的速度,可由声子在固体骨架的振动(频率)进行估算,其值大小取决于构成骨架材料基本粒子间的接触程度。对于干燥的硅质芯材(ρ≈150 kg/m3)而言,可由式(7)计算得到:λS=0.003 W/m·K。

3.3、自然对流换热

  大量的实验研究和理论分析表明:对于平面夹层、环形夹层或者同心球形夹层,由于温差引起的夹层内流体的自然对流只要满足如下条件,空隙中对流换热不会产生实际贡献,条件表达式如式(8)所示

  式中Gr 为格拉晓夫准则数,由芯材特征尺寸计算可得;Pr 为普朗特准则数,一般对于空气而言,Pr=0.7。由于VIP 芯材多由微米甚至纳米级材料构成,同时板内存在一定的真空度,并且完全满足式(8)所示的条件,因而在VIP 板内进行热流分析时,对于对流换热的影响不予考虑。实际上,夹层中填料也将消弱、以至抑制自然对流的形成。对于由孔径小于1 mm 的微粒构成的绝热材料而言,在大气压环境下的对流换热可忽略不计。

3.4、辐射换热

  在给定温度下,为了减小辐射换热,众多吸收和反射粒子被添加至绝热材料中,例如Si 是近红外的弱吸收材料,因而必须添加相应的遮光剂如碳化硅(SiC)等。辐射等效导热系数的定量描述如式(9)所示

  式中n 为折射指数,对于低密度硅材料可近似表达为n≈1;σ 为Stefan-Boltzmann 常数;Tr 为绝热材料内部平均温度,可用式(10)进行计算

  式中T1、T2 为VIP 板表面温度;E(Tr)为绝热材料的消光系数,与热光子的平均自由程lph 互为倒数,同时与材料密度ρ 和质比消光率e(Tr)有关,用式(11)表示如下

  对于遮光处理后的硅质芯材来说,热光子的平均自由程lph≈100 μm,质比消光率e(Tr)则可通过实验测量和计算分析得到。

  根据式(9),可对T=300 K 时遮光处理后的硅质芯材(ρ≈150 kg/m3)辐射等效导热系数进行计算,得到的结果为λR≈0.001 W/m·K。

  综合计算结果,对于干燥抽空并通过添加遮光剂以后的硅质芯材VIP 板而言,有效导热系数仅为0.004W/m·K,其中固体导热系数为0.003 W/m·K,辐射等效导热系数为0.001 W/m·K。可知固体导热系数所占的比例为75%,辐射导热系数所占的比例为25%,而气体导热系数和对流等效导热系数的影响则可忽略不计。但是当VIP 板表面温差较大时,VIP 芯材辐射导热系数所占的比例将大幅度提高。

4、VIP绝热性能影响参数

  通过VIP 绝热机理分析并对其各项导热系数进行计算,可知影响VIP 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多项参数。

4.1、温度

  温度主要是对辐射换热的影响较大。由于辐射等效导热系数与材料内部平均温度的三次方成正比,温差加大的情况下,辐射导热因子的作用会有显著的增大,因而温度对VIP 绝热性能造成的影响较大。另外,长时间温度过高还会引起VIP 阻气层性能衰减,加速VIP 老化,缩短使用寿命。

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