真空玻璃隔熱性能的理論與實(shí)驗(yàn)研究

張志軍 張世偉 王 卓 徐成海

東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院

　　摘要：真空玻璃作為二十一世紀(jì)新型透光保溫材料，因其具有保溫隔熱，防噪音，防結(jié)霜露等方面的優(yōu)勢，使其在綠色節(jié)能領(lǐng)域有廣泛的發(fā)展空間。但由于真空玻璃制造技術(shù)的難度較高，目前國內(nèi)外對(duì)其開展的理論研究和生產(chǎn)技術(shù)還處于起步階段。

　　本文主要針對(duì)真空玻璃的隔熱、隔聲性能進(jìn)行相關(guān)研究，其結(jié)論對(duì)于真空玻璃在我國的研究和推廣，有一定理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在真空玻璃隔熱性能研究中，本文主要通過理論分析，仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測量三種途徑，進(jìn)行了相應(yīng)的研究。同時(shí)依據(jù)靜態(tài)熱箱法實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)搭建了真空玻璃綜合熱傳導(dǎo)系數(shù)實(shí)驗(yàn)測試臺(tái)，利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)測得氣體在不同壓強(qiáng)下的傳熱系數(shù)曲線。并且依據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件探索制作了真空玻璃實(shí)驗(yàn)樣品，預(yù)測軟支撐支柱將取代現(xiàn)有硬支撐支柱。在制作真空玻璃實(shí)驗(yàn)樣品中，發(fā)明一種新的真空玻璃支柱結(jié)構(gòu)，采用該支柱結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有生產(chǎn)工藝中支柱擺放的問題。

　　本文對(duì)真空玻璃的傳熱機(jī)制進(jìn)行深入分析后，根據(jù)玻璃固體導(dǎo)熱與輻射傳熱耦合的模型理論，建立真空玻璃傳熱的傳導(dǎo)輻射數(shù)學(xué)模型;利用吸收—發(fā)射介質(zhì)的傳熱過程，得出了真空玻璃的玻璃層的非線性微分積分傳熱控制方程。為研究真空玻璃隔熱性能提供了新的理論方法。在利用ANSYS WORKBENCH 13.0 進(jìn)行真空玻璃模型傳熱仿真模擬時(shí)，通過對(duì)比不同的劃分網(wǎng)格方法所計(jì)算的結(jié)果后，得到針對(duì)真空玻璃這種幾何結(jié)構(gòu)的傳熱模型的網(wǎng)格劃分方法，即支柱區(qū)域網(wǎng)格劃分不必過密，但必須保證支柱在上下玻璃板投影區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化均勻且足夠密，這樣才能保證計(jì)算的精確度的結(jié)論。

　　利用所搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測得了真空玻璃狹縫內(nèi)氣體在不同壓強(qiáng)下，真空玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)。繪制了氣體隨壓強(qiáng)變化的導(dǎo)熱曲線，該曲線呈現(xiàn)扁“S”型。曲線拐點(diǎn)處壓強(qiáng)為氣體狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的壓強(qiáng)，該壓強(qiáng)可以由克努增系數(shù)估算得到。當(dāng)真空玻璃內(nèi)狹縫氣體壓強(qiáng)下降到0.1 Pa 時(shí)，氣體進(jìn)入自由分子狀態(tài)以后，其狹縫內(nèi)壓強(qiáng)的降低對(duì)傳熱系數(shù)的減少并不明顯，這也從實(shí)驗(yàn)和理論上解釋了真空玻璃狹縫內(nèi)氣體壓強(qiáng)為什么只要保持在0.1 Pa 以下即可達(dá)到理想的絕熱效果。