真空绝热板导热系数快速测量方法的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)厦门大学机电工程系 作者:黄俊

  以传统的大平板热保护法测量绝热材料为理论基础,提出基于埋入式热流计法快速测量真空绝热板导热系数的方案。通过有限元分析软件ANSYS 仿真分析,证明了该测量原理的可行性。通过硬件电路设计和相关测量方法,实现了真空绝热板导热系数的快速测量。实验结果表明,该检测方案具有操作简便、检测速度快、测量精度高、成本低廉等优点,可广泛应用于工业测量领域。

  随着全球经济的迅速发展,能源危机问题日趋严峻,要从根本上解决能源危机已迫不及待。真空绝热板(Vacuum Insulation Panel,VIP) 是目前世界上最先进的高效保温材料,其导热系数一般在4 mW/( m·K) 左右,相当于普通绝热材料的十倍甚至更高,而其厚度仅为普通绝热材料的1 /7,因此具有环保和高效节能的特性。VIP 采用真空隔热原理,由芯部的隔热材料和封闭的隔气薄膜组成,填充芯材与真空保护表层严密复合,可有效避免空气对流引起的热传递,导热系数大幅度降低,从而达到绝佳的保温效果。导热系数是表征VIP 导热性能的重要物理量。VIP 导热系数的精确测量,有利于将VIP应用于绝热保温场合,并为系统选择保温材料提供依据。为了能生产出低导热系数的VIP,必须精确测量VIP 的导热系数。另外,VIP 使用长久之后,气体会渗透到板内,使板内真空度破坏,引起它的导热系数大大提高,保温性能迅速下降。因此,为了检测VIP 的老化程度,也必须精确测量VIP 的导热系数。

  目前国内主要采用大平板热保护法及其原理研制VIP 导热系数测量装置。该装置是基于一维稳态导热下,采用热流量的方式计算出VIP 的导热系数。该装置虽然测量精度高,但稳定时间长,而且该装置受仪器尺寸的局限性,无法测量大尺寸的VIP 导热系数。中国研制的这类测试装置主要有天津英贝儿测控设备有限责任公司研制的双平板导热系数测定仪和沈阳鑫合经纬机械电子设备有限公司研制的导热系数测定仪等。

  目前国外VIP 导热系数测量方法主要有两种:常规检测和快速检测。常规检测即采用国际上通用的热流计法测量导热系数,如日本EKO 公司基于热流计研制的HC-074 系列导热系数测定仪,测量精度高,但一次的检测时间约为30 ~60 min。此种检测速度很难于满足大规模生产VIP 的要求。若购买多台仪器检测,虽然速度得到了提高,但大大增加了成本。为解决VIP 板质量检测困难的问题,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为快速检测方法显然具有很大的优势和市场。如EKO 公司推出的HC-120 VIP 快速检测仪,使检测时间缩短至6min 以内,真正实现了VIP 板的快速检测。相对于常规检测来讲,快速检测方法大大提高了速度,但检测成本较高。

  由于国内对VIP 导热系数测量技术的研究比较晚,发展还不够成熟。因此,本文以传统的大平板热保护法测量绝热材料为理论基础,致力于研究出一种新型的基于埋入式热流计法快速测量VIP 导热系数的方法。测量范围为1 ~15 mW/( m·K) ,测量误差< 5%,测量时间大约为60 s。根据美国ASTMC1484-01 标准的规定,VIP 的导热系数大于11.5mW/( m·K) 被认为失效。

1、VIP 导热系数测量原理

  VIP 芯部的隔热材料多采用玻璃纤维,在传热的过程中,气体起了很大的导热作用。如果将VIP 内部的气体压强下降到一定的程度,VIP 导热系数将会维持为一个较低的常数。如图1 所示为VIP 导热系数与内部气体压强的关系曲线。

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图1 VIP 导热系数与内部气体压强的关系曲线

  从图1 可以看出,当内部气体压强下降到10kPa 时,VIP 导热系数维持为常数; 当内部气体压强在1 ~ 103 Pa 之间时,VIP 导热系数随内部气体压强呈线性变化; 当内部气体压强低于1 Pa 时,VIP 导热系数逐渐减小且趋于常数。因此,在生产VIP 时,VIP 内部气体压强通常在1 Pa 以下。在传热学中,Stefan-Boltzmann 定律描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律,即

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  式中,E( T) 为黑体的辐射热流密度; σ≡5.67 × 10 -8 W/( m2·K4 ) ,称为黑体辐射常数; T 为黑体表面的热力学温度。由Stefan-Boltzmann 定律可知,黑体的辐射热流密度随温度下降而迅速减小。基于埋入式热流计法快速测量VIP 导热系数主要机理如下:

  (1) 热量传递有导热、对流和热辐射三种基本方式。导热、对流这两种热量传递方式只在有物质存在的条件下才能实现,而在真空环境中,物体以辐射方式传递热量最为有效。

  (2) 设一个电阻被内置于表面积为A 的VIP 内部中心位置,VIP 处于温度为Tsurr的环境中。当电阻被加热到温度Ts时,电阻与周围环境之间的净辐射传热量为

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  式中,ε 为电阻的表面发射率,取值范围为0 ~1,是描述电阻与黑体在发射热辐射能力上的差别的物理量; σ 为黑体辐射常数; A 为VIP 的表面积; Ts、Tsurr分别表示电阻温度和环境的温度。

  (3) 取同样大小的电阻和热敏电阻分别埋在VIP 内部中心位置。在相同温度、湿度的环境下,由于VIP 内部气体压强不同,导致导热系数不同。因此当电阻被加热到温度Ts停止加热时,电阻在VIP内部的热辐射强度也不同。将热敏电阻接入RC 振荡电路中,振荡电路输出信号频率的大小反映了VIP内部电阻热辐射速度的变化。

  (4) 通过外部测量模块精确检测内部RC 振荡电路的输出信号频率的大小,再将数据通过232 通信传送到PC 机上,最后经过相关的测量方法计算出VIP 的导热系数。

5、测量结果与误差分析

  另选择10 块VIP 板进行测试,该10 块VIP 板同样已经过日本EKO 公司的HC-074-300 导热系数测定仪测定其导热系数,然后根据上述测量方法得到如表2 所示的测量数据。

表2 实验测量数据

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  从表2 中不难发现,实际的导热系数测量值存在一定的误差。导致测量值存在误差的因素: 在实验中通过一元回归分析将VIP 导热系数和其内部测量组件的频率变化特征值近似线性关系,这种线性关系必定导致测量结果存在误差,可选择多元回归分析提高测量精度; 另外,VIP 内部测量组件中电子元器件的参数误差同样会导致系统存在一定的误差,尤其是热敏电阻的精度极大地影响了本实验的测量精度。

6、结论

  本文通过仿真分析和大量的实验验证了基于埋入式热流计法快速测量VIP 导热系数方案的可行性。该检测方法与传统的测量方法相比,不但降低了成本,而且提高了检测速度。因此,这种测量方法具有较高的应用价值,同时有利于推动国内导热系数快速测量的发展。

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