真空绝热板热工性能的研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)天津商业大学机械工程学院 作者:律宝莹

  介绍真空绝热板的构造及加工工艺, 对其高效绝热热工性能进行理论分析及实验数据测试, 运用数理统计及计算机数值模拟的方法分析其热工性能随自身参数及制造工艺的变化规律, 提出产品生产、施工及使用中应注意的问题和改进的意见。

  真空绝热板( 英文名Vacuum Insulation Panel)是近年来顺应建材行业日益迫切的节能要求, 利用现代材料制造工艺研发的新一代高级保温材料。经测试, 在正确的加工及使用条件下, 其表观导热系数达到10-3W/m·℃ 数量级, 比常规保温材料( 如聚苯乙烯硬质塑料, 导热系数0.031 W/m·℃) 低一个数量级, 其优异的绝热性能在冷冻、冷藏、低温家电、建材及尖端科技领域都有着广泛的应用前景。

  本文通过对这种新型绝热材料热工性能的研究展示了该材料的性能参数, 并分析了其性能受自身及外界因素影响的规律, 探讨了要充分发挥其优异绝热性能, 在生产、施工中应重点考虑的问题, 并提出了可行的建议。

1、真空绝热板构造及绝热原理分析

  实测样品为388 mm×388 mm×10.5 mm 板状外形材料, 表观密度172.7 kg/m3, 工程尺寸及密度会因生产厂家及工程要求而不同, 其结构如图1。

真空绝热板结构示意图

图1 真空绝热板结构示意图

  芯材为超细无机纤维( 具体材质根据厂家而异, 可采用超细玻璃棉或超细石棉等材料) ,并在其中添加高效气体吸附剂以保证板内长期高真空度水平, 外侧为起密封、保护及支持作用的复合铝膜(膜厚0.18 mm); 实际生产中添加气体吸附剂后的芯材经预压缩并外敷复合铝膜后经抽真空至101 Pa 数量级( 实测样品真空度为4~5 Pa) 密封而成。

  从传热角度分析, 该材料具有较理想的绝热物理特征。依据传热学理论, 物质与周围介质间单位面积的传热量由传导, 对流, 辐射三部分构成, 其关系可简要表示为公式(1) :

Q=Q 传导+ Q 对流+ Q 辐射(1)

  式中: Q 、Q 传导、Q 对流、Q 辐射分别为单位面积总传热量及传导、对流、辐射传热量; λ、δ、Δt、a、Δt' 、εe、T、T 环境分别为物质的导热系数、厚度、导热温差、对流放热系数、对流换热温差、等效发射率、物质与环境的绝对温度; ∝( λ, 1/δ, Δt) ,∝( a, Δt') ,∝( εe , T 4- T 环境4) 。

  总传热量为传导、对流、辐射传热量之和, 而传导、对流、辐射传热量又分别正相关于各自括号内所示影响因素。

  由公式(1) 可知为, 为获得优良的绝热性能, 在一定的工作温度和使用要求下, 应设法降低材料的导热系数, 对流换热系数和等效发射率。而真空绝热板正是依据这一思路设计的: 超细芯材自身的导热系数就很低, 再经高度真空并添加气体吸附剂后其大量孔隙内基本无残留空气的对流效应影响, 传热仅通过超细纤维间的辐射和点接触传导进行, 这使其表观导热系数较同一材质空气中数据(如超细玻璃棉, 常压下λ= 0.037 W /m.℃)低一个数量级以上, 此外, 外敷的复合铝膜因具有εe ≤0.1 的低等效发射率可进一步减少辐射热损失。

2、实验测试研究

2.1、测试内容及目的

  根据GB10294 《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》测试样品在不同工作温度下并对比非真空条件下的表观导热系数, 得到导热系数- 温度关系数据, 测试试件表面温度分布数据, 取得影响该材料绝热性能诸因素的直观资料并进行综合分析, 取得结论。

2.2、测试结果及分析

  真空绝热板表观导热系数随板内平均温度变化规律( 对比非真空组) 实验数据整理如图2 所示:

真空绝热板表观导热系数测试数据

图2 真空绝热板表观导热系数测试数据

  经线性回归后的λ- t 关系式为:

λ= 0.0001t+ 0.0013

  注: 统计结果符合小子样误差分布规律, λ值95% 置信区间误差限为0.0008 W/m·℃ , 且该回归公式仅建立在板内平均温度25℃~45℃范围测试结果之上。

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