隔气结构膜对真空绝热板热工性能及使用寿命的影响

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

  真空绝热板具有良好的绝热性能,为节能目的,尤其是建筑领域,提供行之有效的热屏障,但其使用寿命成为诸多研究人员、制造商和用户最为关心的关键问题。隔气结构是维持真空绝热板内真空度的重要组成元件,其性能对真空绝热板的热工性能和使用寿命影响甚大。采用试验的方法只能在有限的时间内对其使用寿命研究,理论预测其使用寿命尤为重要。文章研究了气体和水蒸汽通过隔气结构膜渗透到板内对其等效导热系数的影响,采用数值分析的方法建立了相应数学模型,选取了三种典型隔气结构膜,测试了其相关性能参数指标,对其制得的真空绝热板,理论分析了导热系数变化规律,并对其使用寿命进行了评估。

  环保和节能成为当前世界经济发展的主题,研制一种高效节能的环保材料已经成为缓解能源危机的迫切之需,真空绝热板(Vacuum Insulation Panel,VIP)应时而生,目前已在冰箱、冷藏集装箱、建筑等领域得以广泛应用。VIP是基于真空绝热机理而制成的一种真空保温材料,主要由被抽真空的芯层多孔介质隔热材料、用以将芯材与外界隔离的隔气结构和气体吸附材料三部分组成,通过最大限度地提高芯材真空度来实现绝热的。但如何保证VIP在整个系统使用周期内的热稳定性和长期有效性,已成为诸多研究者和使用着最为关心的课题。

  事实上,VIP的导热系数并不是恒定不变的,随着其在保温场合使用时间的推移,外界气体通过隔气结构渗透到板内,使其绝热性能随之衰减,导热系数进而随之上升。隔气结构是VIP的重要组成部分,其主要是用来形成一定的封闭空间,阻碍外界空气、水蒸汽的渗透,维持芯材内部真空度以维持VIP的绝热性能,故而其阻气性能是影响VIP内部真空度和使用寿命的最为重要的因素。早期的VIP多采用极薄的不锈钢作为隔气结构,但因其易引起较大边缘热桥效应而逐渐被复合薄膜所取代。现广为应用的隔气结构多为金属基薄膜(Metal film)和聚酯基薄膜(Metalized Film),温永刚,邸小波等采用理论分析和实验相结合的方法,研究了膜内真空度对导热系数的影响,进而对VIP的使用寿命进行了预测。Mathias Bouquerel,Roland Capsa等等对隔气结构的气体渗透试验方法进行了研究,HubertSchwab,Erlend Wegger,H.Simmler等则采用试验的方法研究了氧、水蒸汽对不同膜的渗透情况及其对导热系数的影响,Roman Kuniˇc等设置了加速老化的试验装置,并基于试验分析的基础上对VIP的使用寿命进行了预测,国内外学者选择不同的膜和芯材对VIP的热工性能进行了研究,并给出一些设计上的意见和建议。

  尽管隔气结构膜的发展及性能的提高促进了VIP的优化,但关于VIP的失效上述文献并没有给出明确的界定。ASTM C 1484-01规定,VIP的使用寿命是指在平均温度为24℃、相对湿度为50%的测试环境中,中心区域导热系数不高于0.011495W/(m·K)的维持时间。本文取0.0115W/(m·K)作为VIP导热系数的上限。当VIP的导热系数超过这一数值时,即可以认为其老化失效。本文选取了采用数值分析的方法,通过隔气结构性能参数,建立了VIP导热系数衰减模型,并选择了几种典型隔气结构作为分析对象,对VIP的使用寿命进行了理论预测。

  4、结论

  隔气结构膜为VIP重要组成元件之一,其性能对VIP的绝热性能及稳定性影响之甚,文章从隔气结构膜的氧气渗透率、水蒸汽渗透率等性能指标出发,建立了VIP 使用寿命的预测数学模型,选用AF、MF1、MF2三种隔气结构,对其进行了性能测试,制作了以三种隔气结构膜为围护结构、以超细玻璃纤维为芯材的VIP,并对其使用寿命进行了理论预测。

  (1)铝箔有良好的阻气性能,为隔气结构膜中不可或缺的重要组成部分,VIP隔气结构膜中应至少含有一层7μm的铝箔;

  (2)隔气结构膜为维持VIP内真空度的屏障,同时亦会引起热桥效应,其金属层的厚度应结合边界热桥效应、使用环境、VIP载体系统的工艺及使用寿命等因素综合选择;

  (3)从本文所建立的理论模型还可以看出,VIP的使用寿命不仅仅和隔气结构膜有关,还与芯材物性、板内真空度、有无气体吸附材料、使用环境等有关。可以改变本理论模型中对应的温度、压力、相对湿度等物性参数,对VIP的实际使用寿命进行理论预测,如加之实验方法对本文一些系数进行修正,其结果将会更为精确。

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