真空绝热板热桥效应数值分析及优化

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海海事大学商船学院 作者:阚安康

  真空绝热板隔气结构引起边缘热流损失,尤其是当其中含有金属层时,所造成的热桥效应会使真空绝热板整体导热系数提高,严重影响其绝热性能。文章建立边界热流传递数学模型,并基于边界条件下分析与计算,结果表明,影响真空绝热板热桥效应的主要因素包括板材厚度、芯层导热系数、隔气结构导热系数及厚度等,并揭示其影响规律。基于分析的基础上提出了减小热桥效应的优化措施,对真空绝热板的生产及推广应用具有参考价值。

  真空绝热板(Vacuum Insulation Panel, VIP)是一种高效绝热材料,目前广泛应用与冷冻冷藏,交通运输,医药保温,航空航天及建筑等领域,它是基于真空隔热机理,由芯层纳米级微孔介质材料和低气体渗透率的隔气结构真空防护膜组成的热屏障。微孔介质中的真空可以有效地降低VIP 的导热系数,20 mm 厚的VIP 其导热系数可低达0.004 W/ (m·K), 其热阻值相当于120mm~185 mm 厚的PU 发泡材料的热阻值。为了

  尽可能长久的维持VIP 板内的真空度,要求其隔气结构具有较高的渗气率(一般用VIP 的冷藏设备使用寿命不低于25 年,建筑用VIP 不低于50年),在23℃,相对湿度为50%的工况下,其渗氧率不高于0.0005 cm- 3/(m2·day),在38℃,相对湿度为100%的测试工况下,其水蒸气渗透率不高于0.01 g/(m2·day) 。

  为了达到这一要求,隔气结构一般由金属或者含有金属层的多层聚酯基薄膜组成。隔气结构将新层材料全面的包裹后抽真空封装,则易于在四周边缘处产生热桥效应,即形成热桥。VIP 的热桥效应是无法避免的。因隔气结构与外界环境形成的热流通道使部分热量通过隔气结构直接由热端传向冷端,造成热量流失,导致VIP 整体导热系数增加,使其绝热性能下降。对于含有金属层或金属基隔气结构,其整体导热系数与中心导热系数相比,会增长64%,甚至380%,这会大大影响VIP 的整体绝热效果。

  目前国内外VIP 生产厂家及研究机构对VIP 导热系数的研究多是针对VIP 中心区域导热系数的,而极少有人将VIP 作为一个整体来研究其导热系数。因为热桥效应的影响,VIP 整体导热系数将远大于其中心区域的导热系数。Glicksman,L.R.于1991 年首先从数学意义上研究了VIP 热桥效应的问题,而后大部分学者的研究主要集中在芯层材料、隔气结构及真空度等因素对中心导热系数的影响及中心导热系数的测试方法上,其目的主要是研究VIP 组件对其隔热性能的影响。近期,Thomas I Thorsell, 和M. Tenpierik 等人研究了用于建筑系统的VIP 的热桥效应及减少VIP 热流损失的方法,对于VIP 热桥效应的认识及其重要性才得到广泛的关注。

  本文对VIP 的热桥效应及影响因素建立了数值模型并加以分析,提出相应的降低热桥影响的措施,对VIP 的生产及应用具有指导意义。

1、VIP 的热桥形成机理

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2、热桥数学模型及分析

3、分析及计算结果

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3.1、VIP 厚度对热桥效应的影响

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3.2、VIP 芯材导热系数对热桥效应的影响

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3.3、隔气结构厚度对热桥效应的影响

3.4、隔气结构导热系数对热桥效应的影响

  http://www.chvacuum.com/application/else/042935.html

4、减小热桥效应的措施

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5、结论

  通过数学建模及计算分析表明,影响VIP 边缘热桥效应的主要因素包括芯材的厚度、导热系数及隔气结构的厚度及导热系数等。生产工艺、安装技术及使用环境对VIP 的边缘热流损失也存在一定的影响。在实际生产及应用的过程中,可以从原料及工艺角度入手,有针对性的减少这些参数的影响。目前产品制造工艺存在很大的改进空间,可以采用Serpentine 封边技术或者采用非侧面封边工艺等技术,减少边缘热流损失。施工安装时也尽量避免对缝空间过大,并加以隔热处理,进而改善产品性能,更好的发挥VIP 绝热优势。VIP 封装的工艺性研究将会是VIP 性能的研究的一个重点。

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