真空绝热板使用寿命数值分析及预测

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( VIPs) 的长期稳定性已经成为诸多研究单位、生产企业和使用者最为关心的问题之一。文章建立了相应的使用寿命预测数学模型,并对不同多孔介质芯材的VIPs 使用寿命进行了数值分析及预测。采用实验结果与预测数学模型进行了对比分析,两者吻合较好。提出了延长使用寿命的措施,设计了可降阶反气体渗透的方法用以延长VIPs 的使用寿命。文章所建立的数学模型及分析方法对VIPs 的生产和推广应用具有指导意义。

  真空绝热板( VIPs) 是由多孔介质芯层隔热材料、高阻气性的隔气结构及气体吸附材料复合而成的一种保温材料,其导热系数低达0. 004 W/( m·K) 以下,为常规保温材料的1 /7,甚至1 /10。VIPs的高效绝热性能日益为社会认可和接受,在建筑、航空航天、交通运输、家用电器等领域得以广泛应用。在二次产品开发时,用户总是希望在产品的整个使用寿命期内VIPs 可以保持高效的保温性能,而影响其使用时间的因素众多。如何保证其长期稳定性已成为众多学者、生产企业和使用单位最为关注的问题之一。对其使用寿命的研究,对VIPs 的生产推广、二次产品的研发等具有重要指导意义。

  国内外对VIPs 的研究多存在于其热工性能及导热系数的预测领域,而对VIPs 使用寿命的相关技术概念存在混淆和误解,如不了解绝热与保温的概念,不明确VIPs 中心区域导热系数和有效导热系数之间的区别,对于VIPs 失效的界定及判断标准模糊等。事实上,VIPs 的导热系数并不是恒定不变的,随着其在保温场合使用的时间推移,绝热性能会随之衰减,导热系数也会随之上升。因VIPs 导热系数的变化受诸多因素的影响,目前对其的研究主要是存在于试验研究阶段,理论研究也已深入微尺度空间。但受客观因素影响,这些试验数据及结论很难再现,并推动理论知识的发展。

  工程热物理及传热学将导热系数为0. 20W/( m·K) 作为保温材料及非保温材料的分界线,但对绝热材料与普通保温材料并没有给出明确分界。美国ASTM C 1484-01 标准规定,绝热材料指的是在平均温度为24℃( 75 F) 的测试环境中,中心区域导热系数不高于0. 011495 W/( m·K) 的保温材料。

  本文取0. 0115 W/( m·K) 作为绝热材料导热系数的上限。事实上,VIPs 使用寿命又可分为实际使用寿命和标准工况使用寿命。实际使用寿命指的是在其使用环境中VIPs 导热系数满足绝热材料临界值的使用年限。实际使用寿命在很大程度上取决于VIPs 设计与材质、使用环境及所允许的最小热阻值。标况下的使用寿命指在温度为24℃、相对湿度为50%的条件下VIPs 保持超绝热性能的年限。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为VIPs 的实际使用寿命是大于还是小于标准条件下的使用寿命取决于使用环境与要求的最小热阻值。本文采用数值分析和实验研究的方法对真空绝热板的标况下的使用寿命进行了预测,并提出了延长真空绝热板的使用寿命的措施。

VIPs 使用寿命的评估

  VIPs 因长期使用,气体、水蒸汽会通过隔气结构及封口渗入到板内、以及隔气结构和芯材释放气体到板内,都会造成板内气压的上升,从而影响其使用寿命。隔气结构是形成真空环境的屏障,是VIPs的重要组成部分。隔气结构导热系数、厚度等因素都会对VIPs 的边缘热桥效应的高低有一定影响,从而影响VIPs 的有效导热系数。隔气结构的透气性能与透湿性能直接影响VIPs 内的真空度稳定性,从而影响其绝热性能的长期稳定性。

使用寿命理论模型

  在理论计算时,为简化模型,假设板内气压与水分对导热系数的影响是相互独立的,故而可采用相互叠加的方式对其进行评估。

真空绝热板使用寿命数值分析及预测

  式中: λ ( τ) 为使用τ ( 年) 时间后的导热系数,W/( m·K) ; λe为初始导热系数,W/( m·K) ; λgas( τ) 为由大气渗透造成的导热系数增加值,W/( m·K) ; λvap( τ) 为由水蒸汽渗造成的导热系数增加值,W/( m·K) 。

  影响VIPs 内部真空的气体事实上由两部分组成,一部分来自外界的渗透,一部分来自隔气结构或芯材的气体释放。外界通过隔气结构渗入到VIPs 板内的气体快慢可以用气体渗透率( Gas Transmission Rate,GTR) 来表示,其值一般由组成隔气结构的材料和封口情况来决定,为温度与相对湿度的函数。隔气结构表面气体渗透率可由厂家直接提供,但提供的数据多为氧气渗透率( Oxygen Transmission Rate,OTR) 。氧气渗透速率是指在大气环境条件下单位面积隔气结构每天渗透的氧气量, cm3 /( m2·d·Pa) 。氧气在空气中占的比例仅为21%,空气中的氮气分压力为氧气4 倍左右,但氧气在许多膜中的渗透速率较高,一般为氮气渗透率的5 倍以上。

  事实上,渗入到VIPs 内的干空气不仅仅是氧气,氮气等,其他气体也会因内外压差而渗入到VIPs 内。研究发现,氮气渗透率为氧气渗透率的1 /5,在理论计算时气体渗透率可以采用式( 2) 计算。

真空绝热板使用寿命数值分析及预测

  式中,RGTR为气体渗透率,cm3 /( d·Pa) ; ROTR为氧气渗透率,cm3 /( m2·d·Pa) ; AVIP为隔气结构表面积,m2 ; RCir为透过周长为CVIP( m) 的封口气体渗透率,cm3 /( m·d·Pa) 。

延长使用寿命的方法

  VIPs 板内真空度的高低是衡量真空绝热性能和使用寿命长短的重要指标,为保证既定VIPs 的导热特性和使用寿命,可以从减少气体渗入和降低芯材及隔气结构放气等环节入手。

原材料的选择及加工工艺的优化

  在VIPs 隔气结构的选择时,尽量选择即能有较强抗气体渗透能力,又能最大程度上减小热量传递的高阻隔薄膜。目前多采用金属与塑料复合膜,能够有效地抑制空气和水蒸汽的渗透速率。在保证其优良隔气性能的前提下,采用聚酯基无金属薄膜对金属隔气结构的替代,意味着尽量降低或消除VIPs边缘热桥效应的同时,又能保证在整个使用周期内VIPs 都具有良好的绝热性能。

  多孔介质芯材孔径或直径较小的多孔介质芯材较之较大者具有更长的使用寿命。在芯材的生产制造时,尽量降低芯材孔径或直径,提高其均匀性。另外,选取泡沫多孔介质作为芯材时,尽量选用开孔率较高者。

  在VIPs 封装之间对其多孔介质芯材预处理是极其重要的。采用间歇式加热抽真空的芯材预处理方法较之传统单纯加热的方法,能更为有效的驱除残留或吸附在多孔介质芯材孔隙中的水分及气体,尤其对固封在封闭空间中的水分及气体具有良好的驱除效果。

  吸气剂及干燥剂是用来吸收VIPs 内的气体和水蒸汽,以维持板内真空度,从而维持VIPs 的绝热性能,保证VIPs 的使用寿命。由于吸气剂和干燥剂的吸气具有选择性,因此,在选择气体吸附材料的种类和数量时,应根据芯材及表面薄膜类型及其气体释放、渗透和水蒸汽渗透情况,对真空板内可能出现的气体种类及数量进行较为准确的分析预测。在吸气剂的添加位置及方法上,目前多采用在芯材上开洞将吸气剂放在里面的方法,但因板内气体要到达吸气剂会受很大阻力,吸气效果一般。将气体吸附材料研成粉末,做成极薄的纸状物质,平铺与芯材之中,这样可增大有效吸收面积。

可降阶反气体渗透的VIPs

  多孔介质VIPs 主要是依靠极大的提高其内部真空度来实现绝热的,真空度的维持主要是靠隔气结构来完成的。VIPs 的内部真空度极高,一般都在1 ~ 10 Pa 左右,甚至更低。在板内外压力悬殊的情况下,不可避免的会有气体透过隔气结构表面渗透到板内,从而提高了板内压力而影响了VIPs 的整体导热效果。作者设计了一种通过气体降阶的方式来阻碍气体通过隔气结构向板内渗透的方法,可以有效延长VIPs 的使用寿命。

  常规封装方式为两片隔气结构热封而成,如图2 所示。引起板内压力上升的主要原因是气体通过隔气结构渗透入板内,而决定气体渗透量及渗透能力的关键因素是板内外压差。图3 所示为作者设计的具有压力降阶阻气的VIPs 隔气结构示意图。

真空绝热板使用寿命数值分析及预测

图2 常规隔气结构袋  图3 可降阶隔气结构袋

  芯材被独立的袋状腔室隔开,并在最外层的芯材内放置少量吸气剂或不放置。气体因内外较芯材被独立的袋状腔室隔开,并在最外层的芯材内放置少量吸气剂或不放置。气体因内外较大压差会微量的渗透到最外一阶VIPs,而最外一阶与内层之间因压差较小,气体渗透量甚微,中心一阶的芯材在较低的真空状态下保持良好的绝热性能。采用分阶降压,可以有效减少气体向芯层的渗透,外层一阶的VIPs 还起到对内层的保护作用,即便在外层隔气结构被刺破的情况下,依然可以维持内层VIPs 的板内真空度,从而保证VIPs 整体的绝热性能。如果分阶的等级较多,还可以省去气体吸附材料,减少制作成本,提高其经济性。

结论

  (1) 建立了相应的导热系数随时间变化的数学模型,对VIPs 的使用寿命进行预测,并通过实验对比分析验证本模型的吻合性。

  (2) 分析了误差原因,并提出了模型的优化措施。今后通过试验方法对本模型中的一些未知参数及未知量进行修正和完善,其计算结果将会不断的接近真实值。

  (3) 针对真空绝热板的使用寿命的影响因素,提出了真空绝热板的延长使用寿命的方法。

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