真空絕熱板熱工性能的研究

2010-01-01 律寶瑩天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

　　介紹真空絕熱板的構(gòu)造及加工工藝, 對(duì)其高效絕熱熱工性能進(jìn)行理論分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試, 運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法分析其熱工性能隨自身參數(shù)及制造工藝的變化規(guī)律, 提出產(chǎn)品生產(chǎn)、施工及使用中應(yīng)注意的問(wèn)題和改進(jìn)的意見(jiàn)。

　　真空絕熱板( 英文名Vacuum Insulation Panel)是近年來(lái)順應(yīng)建材行業(yè)日益迫切的節(jié)能要求, 利用現(xiàn)代材料制造工藝研發(fā)的新一代高級(jí)保溫材料。經(jīng)測(cè)試, 在正確的加工及使用條件下, 其表觀導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到10^-3W/m·℃ 數(shù)量級(jí), 比常規(guī)保溫材料( 如聚苯乙烯硬質(zhì)塑料, 導(dǎo)熱系數(shù)0.031 W/m·℃) 低一個(gè)數(shù)量級(jí), 其優(yōu)異的絕熱性能在冷凍、冷藏、低溫家電、建材及尖端科技領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　本文通過(guò)對(duì)這種新型絕熱材料熱工性能的研究展示了該材料的性能參數(shù), 并分析了其性能受自身及外界因素影響的規(guī)律, 探討了要充分發(fā)揮其優(yōu)異絕熱性能, 在生產(chǎn)、施工中應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題, 并提出了可行的建議。

1、真空絕熱板構(gòu)造及絕熱原理分析

　　實(shí)測(cè)樣品為388 mm×388 mm×10.5 mm 板狀外形材料, 表觀密度172.7 kg/m³, 工程尺寸及密度會(huì)因生產(chǎn)廠家及工程要求而不同, 其結(jié)構(gòu)如圖1。

真空絕熱板結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 真空絕熱板結(jié)構(gòu)示意圖

　　芯材為超細(xì)無(wú)機(jī)纖維( 具體材質(zhì)根據(jù)廠家而異, 可采用超細(xì)玻璃棉或超細(xì)石棉等材料) ,并在其中添加高效氣體吸附劑以保證板內(nèi)長(zhǎng)期高真空度水平, 外側(cè)為起密封、保護(hù)及支持作用的復(fù)合鋁膜(膜厚0.18 mm); 實(shí)際生產(chǎn)中添加氣體吸附劑后的芯材經(jīng)預(yù)壓縮并外敷復(fù)合鋁膜后經(jīng)抽真空至10¹ Pa 數(shù)量級(jí)( 實(shí)測(cè)樣品真空度為4~5 Pa) 密封而成。

　　從傳熱角度分析, 該材料具有較理想的絕熱物理特征。依據(jù)傳熱學(xué)理論, 物質(zhì)與周?chē)橘|(zhì)間單位面積的傳熱量由傳導(dǎo), 對(duì)流, 輻射三部分構(gòu)成, 其關(guān)系可簡(jiǎn)要表示為公式(1) :

Q=Q _傳導(dǎo)+ Q _對(duì)流+ Q _輻射(1)

　　式中: Q 、Q _傳導(dǎo)、Q _對(duì)流、Q _輻射分別為單位面積總傳熱量及傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳熱量; λ、δ、Δt、a、Δt' 、εe、T、T 環(huán)境分別為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度、導(dǎo)熱溫差、對(duì)流放熱系數(shù)、對(duì)流換熱溫差、等效發(fā)射率、物質(zhì)與環(huán)境的絕對(duì)溫度; ∝( λ, 1/δ, Δt) ,∝( a, Δt') ,∝( εe , T⁴- T _{環(huán)境}⁴) 。

　　總傳熱量為傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳熱量之和, 而傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳熱量又分別正相關(guān)于各自括號(hào)內(nèi)所示影響因素。

　　由公式(1) 可知為, 為獲得優(yōu)良的絕熱性能, 在一定的工作溫度和使用要求下, 應(yīng)設(shè)法降低材料的導(dǎo)熱系數(shù), 對(duì)流換熱系數(shù)和等效發(fā)射率。而真空絕熱板正是依據(jù)這一思路設(shè)計(jì)的: 超細(xì)芯材自身的導(dǎo)熱系數(shù)就很低, 再經(jīng)高度真空并添加氣體吸附劑后其大量孔隙內(nèi)基本無(wú)殘留空氣的對(duì)流效應(yīng)影響, 傳熱僅通過(guò)超細(xì)纖維間的輻射和點(diǎn)接觸傳導(dǎo)進(jìn)行, 這使其表觀導(dǎo)熱系數(shù)較同一材質(zhì)空氣中數(shù)據(jù)(如超細(xì)玻璃棉, 常壓下λ= 0.037 W /m.℃)低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上, 此外, 外敷的復(fù)合鋁膜因具有εe ≤0.1 的低等效發(fā)射率可進(jìn)一步減少輻射熱損失。

2、實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究

2.1、測(cè)試內(nèi)容及目的

　　根據(jù)GB10294 《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》測(cè)試樣品在不同工作溫度下并對(duì)比非真空條件下的表觀導(dǎo)熱系數(shù), 得到導(dǎo)熱系數(shù)- 溫度關(guān)系數(shù)據(jù), 測(cè)試試件表面溫度分布數(shù)據(jù), 取得影響該材料絕熱性能諸因素的直觀資料并進(jìn)行綜合分析, 取得結(jié)論。