真空绝热板热桥效应传热模型分析与优化

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海海事大学 作者:张婷婷

  对真空绝热板(VIP)热桥效应进行了数值分析,引入了边缘线性传热率的概念作为衡量热桥效应大小的基准量,基于稳态传热边界条件建立热流传递模型,对各影响因素进行分析和计算。研究结果表明,主要影响因素有芯材的导热系数及厚度,隔气结构的导热系数及厚度,VIP间填充介质的导热系数及厚度,VIP的规格。其中,边缘线性传热率随着芯材的导热系数及厚度的增加、隔气结构导热系数及厚度的减小、填充介质的导热系数及厚度的较小、VIP规格的增大呈现减小的趋势。文章结合影响因素,提出减小真空绝热板隔气薄膜的厚度与导热系数,减小芯材与填充介质的导热系数,适当增大VIP的规格,提高安装工艺等优化措施减小热桥效应。

  真空绝热板(Vacuum Insulation Panel,以下简称VIP)作为一种新型高效的保温材料,至今已有50余年的发展历史。实验测得性能优异的VIPs的导热系数可低至5mW/(m·K),是传统保温材料的1/6到1/10。隔气结构是VIPs的重要组成部分,其作用是维持板内的真空度。隔气结构一般由铝箔或者含有铝箔的多层聚酯基薄膜组成。但是,铝箔的导热系数极高,约为真空绝热板芯材的2×104~105 倍。热量从热端向冷端传递的过程中,无法避免有一部分热量经过边缘区域通过隔气结构直接由热端流向冷端,形成热桥效应。

  国内外也开始对热桥效应进行研究分析,国外Glicksman L R采用数学分析方法对VIPs热桥效应进行了理论分析,Hubert Schwab等、MartinTenpierik等对热桥效应建立了边缘线性传输率的计算模型,计算模型与数值模拟的误差也维持在5%以内。国内温永刚等建立了热桥效应扩展模型,分析了影响热桥效应的因素,杨春光等采用有限元分析方法,并提出热桥效应的优化措施,阚安康等建立热流传递数学模型也提出了减小热桥效应的相应措施。本文在前人研究的基础上建立边缘线性传输率的模型并加以分析,提出更加全面的热桥效应优化措施,找到优化创新点,对VIPs的推广应用具有重大的指导意义。

1、VIP有效传热系数

  对于安装应用在围护结构中的VIPs,由于施工安装产生的边缘线性传热率和角接触传热率,可以采用ψlength和ψpoint来表示,如果在已知ψ 值、当面积为A 时VIP的周长l及角的个数n,VIPs整体的传热系数Ue可用方程(1)来描述

真空绝热板热桥效应传热模型分析与优化

  有效传热系数Ue代表有热桥效应的情形,中心区域的传热系数Uu表述无热桥效应的情形,故ψlength是表征隔气结构热桥效应的重要参数,可以采用平板热保护装置或数值分析软件的实验步骤精确求解,但会耗费大量的时间和实验成本,故本文采用的是简化的数值分析的方式对边缘线性传热率进行阐述和求解。

4、减小热桥效应的措施

  经过建模分析可以看出,在VIPs生产工艺过程中可参考以下优化措施减小VIPs的热桥效应,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为主要体现在选材、加工工艺、安装技术、使用场合等方面。

  (1)尽量选择厚度薄、导热系数小、隔气性能优异的隔气结构。

  (2)选择导热系数小、开孔率大的多孔介质作为芯材。

  (3)选择导热系数小的填充材料,并适当增大VIPs板的规格大小与厚度。

  (4)优化安装工艺技术,提高VIPs的抗机械损伤能力。

  (5)尽量减少VIPs热封边的厚度,并可采用无金属层的热封边界。

  2004年,Kalebrink I[19]设计了Serpentine封边技术以减少热桥效应所形成的热流损失,该方法主要是在VIP的边界上打槽,延长热流的传输途径,降低边界热桥效应。我们可参考此技术并进行改进,采用其他边界有金属层,开槽的热封边界无金属层的隔气结构优化布局,在延长热流的传输途径的同时进一步降低边界热桥效应(如图7所示)。

真空绝热板热桥效应传热模型分析与优化

图7 改进的Serpentine封边设计

5、结论

  (1)通过数学建模并计算分析,结合实际生产应用,分析得出影响VIPs边缘热桥效应的主要因素包括芯材的厚度及导热系数,隔气结构的厚度及导热系数,VIPs的规格及安装时板间的气体间隙等。

  (2)可通过择优选择原材料及提高生产工艺水平的措施,提升VIPs的绝热性能;在Serpentine封边技术基础上采用无金属层的热封层较小热桥效应。

  (3)安装施工时尽量采用较大规格的VIPs,并尽量减小缝气体间隙。

  (4)此模型研究的是常温条件下,无法真实反映VIPs在不同温度应用时的传热情况,需要进一步进行研究。另外,芯材的微观结构,如孔隙率、纤维夹角等因素对热桥效应的影响需要进一步进行研究。

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