真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)與板內(nèi)真空度關(guān)系研究

2011-08-26 邸小波 西安交通大學(xué)金屬強(qiáng)度國家重點實驗室

  以理論模型計算和實驗樣品測試相對比的方法,研究了兩種不同芯材真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)與板內(nèi)真空度之間的關(guān)系,利用逆真空法對真空絕熱板板內(nèi)壓力進(jìn)行了測試。探討了真空絕熱板制作工藝參數(shù),保持板內(nèi)真空度及延長使用壽命的方法。

  真空絕熱板(Vacuum Insulation Panel 簡稱VIP) 是近年來發(fā)展起來的一種新型高效絕熱材料。它是由填充芯材(Core Material)、氣體阻隔膜(Gas Barrier)和吸氣劑(Getter)組成的。通過提高板內(nèi)真空度來降低空氣引起的熱傳遞,使其導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到0.002~0.004 W/km,為傳統(tǒng)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的1/10,厚度僅為傳統(tǒng)保溫材料的1/7~1/10,從而達(dá)到保溫節(jié)能、節(jié)省空間的目的。已廣泛應(yīng)于冰箱、醫(yī)用保溫箱、冷藏集裝箱等對保溫要求較高的領(lǐng)域以及新型節(jié)能建筑的外墻保溫。

  本文分別利用氣相二氧化硅和玻璃纖維作為芯材,在相同工藝條件下,制作出不同真空度的VIP 樣品。通過對導(dǎo)熱系數(shù)和板內(nèi)壓力的測試,結(jié)合芯材的孔結(jié)構(gòu),研究了導(dǎo)熱系數(shù)隨板內(nèi)壓力的變化關(guān)系,并從絕熱機(jī)理進(jìn)行了理論分析。

1、實驗

1.1、試驗樣品制作

  本實驗以氣相二氧化硅和玻璃纖維為芯材原材料分別制作了7 塊VIP。氣相二氧化硅中加入適量的有機(jī)纖維,通過機(jī)械攪拌,混合均勻壓制成型。玻璃纖維通過造紙工藝制得纖維氈,纖維氈疊加到一起制得玻璃纖維芯材。兩種芯材的性能參數(shù)如表1。

芯材主要性能參數(shù)

表1 芯材主要性能參數(shù)

  VIP 樣品制備過程:(1) 將芯材在200℃烘干2 h,快速取出芯材,用無紡布包裹氣相二氧化硅芯材,以避免二氧化硅粉塵污染真空室真空泵設(shè)備,同時也對芯材起到保護(hù)作用;(2)將兩種芯材分別裝入鋁塑復(fù)合的高阻隔薄膜袋中;(3)將14 塊樣板在真空室壓力依次為5×10- 3 Pa、5×10- 2 Pa、0.5 Pa、5 Pa、50 Pa、500 Pa、5000 Pa 時進(jìn)行封口,制得不同壓力下的VIP 樣板。

1.2、試驗樣品檢測設(shè)備及原理

  導(dǎo)熱系數(shù)采用熱流計法,利用日本EKO 公司hc- 074- 304 型導(dǎo)熱儀測試,測試條件:冷板溫度5℃,熱板溫度35℃;測試環(huán)境:溫度25℃,相對濕度RH<40%。板內(nèi)壓力檢測采用自行設(shè)計的檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)采用逆真空法[3],根據(jù)力平衡原理,當(dāng)真空室的壓力低于VIP 板內(nèi)壓力時,阻隔膜膨脹變形,通過激光測距儀測量變形量來檢測板內(nèi)壓力,原理圖如圖1。

逆真空法測試板內(nèi)壓力檢測系統(tǒng)

圖1 逆真空法測試板內(nèi)壓力檢測系統(tǒng)

  玻璃纖維芯材和氣相二氧化硅芯材VIP 板導(dǎo)熱系數(shù)隨板內(nèi)壓力變化趨勢基本上是一致的。不同的是玻璃纖維芯材在壓力大于5 Pa 時,導(dǎo)熱系數(shù)開始上升,而氣相二氧化硅芯材導(dǎo)熱系數(shù)在500 Pa 以上時才開始上升。這主要是由于孔結(jié)構(gòu)尺寸造成的,對于玻璃纖維芯材,壓力在5 Pa時空氣分子自由程約為1.3 mm, 遠(yuǎn)大于孔徑20 μm,而對于氣相二氧化硅芯材,由于壓力在500 Pa 時空氣分子自由程約為13 μm 遠(yuǎn)大于孔徑50 nm,此時氣體的傳熱均已完全被阻止。因此在制作VIP 時,對玻璃纖維芯材,在板內(nèi)壓力低于1 Pa 時就可封口,氣相二氧化硅芯材,在板內(nèi)壓力低于100 Pa 時就可封口,因為過分的降低板內(nèi)壓力影響制作效率,而對導(dǎo)熱系數(shù)貢獻(xiàn)不大。

  真空保護(hù)層在相同漏率的情況下,玻璃纖維VIP 使用壽命要遠(yuǎn)低于氣相二氧化硅芯材VIP,玻璃纖維芯材VIP 在不到500 Pa 板內(nèi)壓力時已經(jīng)失效,而氣相二氧化硅芯材到5000 Pa 時才失效。因此,一般在玻璃纖維芯材VIP 中加入吸氣劑或干燥劑。而且這種VIP 主要用于使用壽命在十年以內(nèi)的領(lǐng)域,例如,冰箱、保溫箱等,而氣相二氧化硅可以用于建筑外墻保溫,因為它的使用壽命可以達(dá)到30 年以上。

  另外,理論模型導(dǎo)熱系數(shù)的計算值與測試值產(chǎn)生偏差的原因(尤其在板內(nèi)壓力較高時),首先,本模型本身就是一個簡化模型,只對各傳熱因素采取了簡單的代數(shù)和;其次,計算模型中沒有考慮VIP 中水蒸氣對導(dǎo)熱系數(shù)的影響,水蒸氣在VIP 中從熱板到冷板可能會產(chǎn)生相變,形成熱管,這樣就會對導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生很大的影響。本模型能夠定性反映出導(dǎo)熱系數(shù)與板內(nèi)壓力的關(guān)系,但是要確定出這種函數(shù)關(guān)系,還需要對計算模型進(jìn)行完善。

4、結(jié)論

 。1)VIP 板內(nèi)真空度較低時,真空度對導(dǎo)熱系數(shù)影響不大,隨著真空度的提高,導(dǎo)熱系數(shù)急速下降,當(dāng)真空度大于某一值后,導(dǎo)熱系數(shù)趨于恒定,產(chǎn)生“S”型曲線。

  (2) 玻璃纖維芯材VIP 的初始導(dǎo)熱系數(shù)低于氣相二氧化硅芯材VIP 的初始導(dǎo)熱系數(shù)。

  (3) 氣相二氧化硅芯材VIP 在制作過程中,真空室真空度可以比玻璃纖維芯材低兩個數(shù)量級。

 。4) 玻璃纖維芯材VIP 比較適合對絕熱性能要求較高,使用壽命10 年左右的領(lǐng)域,而氣相二氧化硅可以用于使用壽命長達(dá)30 年以上的領(lǐng)域。