真空绝热板在冷链系统中的应用

1、真空绝热板在冷链系统中的应用厦门高特高新材料有限公司 余献望 胡永年摘要：易腐食品在生产、贮藏、运输、销售,到消费前的每个环节始终处于 规定的低温环境下，即冷链运作的每个环节始终和能耗密切相关，因此，控制能 耗降低冷链运营成本对于促进冷链的发展至关重要。在冷链系统建设过程中，除 了采用高效的制冷机组外，改善箱体壁面的保温能力也能取得良好的节能效果。 而真空绝热板（Vacuum Insulationg Pannel,以下简称VIP板）是一种新型超级 保温材料，其导热系数小于0.004W/mK,约为常用保温材料的1/61/10，如将 VIP板应用到冷链系统中定能大幅度地降低能耗取得良好的经济效益。本文首先 简述了 VIP板的概况，接着介绍VIP板应用研究情况，最后介绍VIP板在冷链系 统中的应用工艺。关键字：真空绝热板，VIP板，导热系数，冷链，节能，应用一、真空绝热板的概述1、发展概况真空绝热板是将隔热性能良好的芯材装入隔气结构中，抽真空后再密封起 来形成的板材。VIP板的研发始于上个世纪五十年代，至今已有近六十余年的历 史，起初用粉状二氧化硅做芯材，七十年代开始使用开孔泡沫塑料。九十年

2、代以 后欧美许多大公司先后开展了 VIP板的研究，取得了丰富的科研成果。现在VIP 板在国内外已经广泛应用于冰箱，冰柜，冷库，冷藏车，冷藏集装箱，医用保温 箱，墙体保温等领域，如在日本70%以上的家用冰箱保温层使用了 VIP板，在欧 美VIP板已广泛应用在冷冻车船的运输保温箱中。2、VIP板结构真空绝热板通常由三部分组成：隔气结构、芯材和吸气剂，其结构如下图所 示。1.隔气结构2.芯层隔热材料3.气体吸附材料隔气结构：通常为袋状结构，以下称为“阻隔袋”，作用是将芯材抽真空 后封装起来形成真空状态，因此要求这种结构具有良好的阻隔气体能力，同时还 要有一定的强度以保护真空腔室不会受到破坏。常用的隔气材料有薄钢板、多层 聚酯基薄膜和含金属层的多层聚酯基薄膜等。芯层隔热材料：以下简称“芯材”，常用多孔隙材料，其首要是起支撑作用， 避免在真空条件下隔气结构塌瘪，其次是阻止热辐射，另外其本身为多孔隙材料， 接触面少，热传导系数低。常用的芯材有粉末状二氧化硅、气溶胶、开孔聚氨酯 泡沫、开孔聚苯乙烯泡沫和超细玻璃纤维等。气体吸附材料：以下简称“吸气剂”，主要作用是吸收VIP板内的残余空气以维 持一定的

3、真空度。阻隔袋抽真空密封后，仍会有极少量气体会渗透到袋内，或者 芯材在使用过程中也会缓慢释放一些气体，所有这些气体均会破坏袋内真空度影 响VIP板的导热系数。因此，必须使用特制的吸气剂，吸收VIP板内的氮气、氧 气、二氧化碳和水蒸气等气体以保持袋内高真空度。VIP板常用的吸气剂都是意 大利赛伊斯吸气剂公司生产的钡锂复合吸气剂。目前我司生产的VIP板，其阻隔袋材料为含金属层的多层聚酯基薄膜，芯材 用超细玻璃纤维，吸气剂为意大利赛伊斯的钡锂复合吸气剂，该产品在绝热能力、 机械强度、使用寿命和使用范围等综合性能表现出色。3、绝热原理VIP 板是采用真空绝热原理制成的，即在较低的空气压力下，材料的导热系 数会变得很小。VIP板导热可以看作一维平板导热，其导热过程如下图。通过 VIP 板的一维导热根据VIP板的结构特点以及热阻公式R = - , VIP板的总热阻可表达芯材与两入侧壁热阻之和，即Q Q Q Q=0 + 1 + 2九 九 九 九0 1 2其中，九为VIP板的总导热系数；九为芯材的表观导热系数；0九,九分别为VIP板两侧壁的导热系数；125为VIP板总厚度；Q 为芯材的厚度；05 ,

4、5分别VIP板为两侧壁的厚度;12由式（1.1）整理，得5555弋+x2012而芯材表观导热系数九又由以下四项的总和组成:0九=九+九+九+九0 g c s r式中，九为空气的导热系数；g九为空气对流换热系数；c九为隔热材料的固相导热系数; s九为芯材内部的辐射换热系数；r由于VIP板内空气稀薄，空气的热传导能力非常微弱，另外芯材通常采用的是多 孔隙材料，空间间壁的距离相对缩短，进一步削弱了空气热传导，因此空气热传 导近似为零，即九=0 ；气体被分隔或者密闭在无数微小的空间之内，抽真空后 g袋内空气分子间的平均自由程大于芯材之间的孔隙，气体分子之间的热交换几乎 不存在，因此对流传热可以忽略不计，即九=0。因此，芯层表观导热系数可以c表示为九=九+九0sr芯材通常为多孔隙材料，芯材之间为点接触或者线接触，因此芯材所引起的 固相热传导也很小，即九很小。此外，粉末状或者纤维状的芯材在间壁中增加s了辐射和散射的作用，故九也很小。因此，芯材表观导热系数九很小。 r0VIP 板壁厚和导热系数是通常是不变的，当芯材厚度一定的情况下，由式(1.2)可知，VIP板的总导热系数九取决于芯材表观导热系数九，

5、即九越小，九 00就越小。4、影响九的因素导热系数九是表征材料导热性能优劣的参数，单位为W/mK。不同材料的 导热系数数值不同，即使同一种材料，导热系数也受很多因素影响。下面简单阐 述真空度、温度和芯材含湿率对九的影响，这样有利于我们寻找减小导热系数， 提高 VIP 板绝热性能的途径。(1) 真空度VIP 板之所以有如此优异的绝热性能，很大程度上得益于袋内的真空度。因 为 VIP 板芯材多为粉末状或者纤维状，气体热传导起了很大的作用。芯材表观导 热系数与残余气体压力关系如下图。从上图了解到，当残余气体压力从大气压下降到 10Kpa 时，表观导热系数保持为 常数，即该压力范围内导热系数与绝热层中气体压力无关。当压力进一步降低， 即压力为110 3Pa 之间时，导热系数几乎随着残余气体压力呈线性变化，随着压 力的下降导热系数也明显下降。当压力低于 1Pa 时，由于气体分子导热和固体导 热小，导热系数完全取决于辐射传热和固体导热，这是导热系数趋于常数。所以， VIP板制作过程中，选择VIP板的板内真空度一般取1Pa以下即可，进一步抽真 空对于降低导热系数没有实际意义。（2）温度 温度对绝热材

6、料导热系数有直接影响，温度升高，材料的导热系数一般会上升。由式（1.5）可知九*T2，因此随着温度的增加辐射导热因子的作用会有大 大地加强，九会显著增大。九可表示为：九二 4GdecT 2式中，G为气孔的几何因子，d为气孔平均直径（m）, 为气孔的热发射率，b为 斯蒂芬波尔兹曼常数，T为温度。因此，VIP板板用在低温环境下会比在高温环 境下取得更好的绝热效果。（ 3 ） 芯材含湿率 芯材为多孔结构很容易吸收水分，老化时也会分解而释放部分水分和气体。空气的导热系数为0.029W/mK,而水的导热系数为0.58W/mK,是空气的20 倍，同水蒸汽又使得VIP板的真空度变坏，因此芯材中的水分对VIP板的导热系 数影响极大。研究表明：当含湿率大于510%，绝热材料吸湿后水分占据了多孔 介质的气孔空间，引起其导热系数九急剧升高，导热系数为0.03W/mK的绝热 材料吸收1%的水分后导热系数增加25%，以后并按倍数增加。如果绝热材料有开 孔连通气孔，水分会在毛细管作用下渗透到其它部位，危害更大。因此，VIP板 制作过程中必须将芯材充分烘干。除了上述真空度、温度、材料含湿率外，芯材的容重、比热容和粒

7、度，填充 的气体类型以及隔气结构的隔气能力对VIP板板的导热系数均有影响，在此不一 一详述。5、VIP板可靠性和寿命如要保证产品出厂合格率，就必须对产品进行抽样检测。目前通常采用以下 两种方法进行检测,一是采用热流计直接检测 VIP 板的导热系数，这种方法操作 简单测量准确，但每片 VIP 板检测时间约需 10 分钟，检测效率低不宜批量生产 使用；二是利用导热系数与真空度的关系，通过利用微型真空规测量 VIP 板板内 真空度来间接判定其可靠性，这种方法方便快捷，适宜批量生产在线检测，但是 目前这种检测手段还不太完善，且增加压力传感器会相应增加产品成本，因此目 前使用还不是很普遍。VIP 板板使用过程中，由于外部气体透过隔气结构缓慢渗透到 VIP 板内部和 芯材使用过程中缓慢释放气体,均会破坏板内真空度，导致 VIP 板的导热系数逐 渐上升导致产品失效。这就涉及产品的使用寿命问题。目前 VIP 板产品没有国家 标准，根据我司企业标准定义VIP板使用寿命如下，在环境温度24 C和相对湿 度50%的标准条件下，随着时间推移VIP板的导热系数逐渐上升到0.010W/mK （超级保温材料导热系数

8、的上限），此时我们认为VIP板的寿命终结，所经历的 这段时间就是VIP板的使用寿命。现在VIP板使用寿命一般为1015年。VIP板使用寿命跟板内真空度直接相关，因此要延长产品的使用寿命，必须 改善板内真空度。通常我们从以下两个方面改善真空度：结构上，提高阻隔袋 材料的阻隔性能，增加吸气剂；工艺上，保持生产环境整洁干燥，充分烘干芯 材，适当延长排气时间。二、真空绝热板应用研究1、保温效果为了确切评估真空绝热板隔热效果，我们专门制作一套模具来成型方箱，比 较真空绝热板与常用保温材料硬质聚氨酯泡沫塑料的保温性能。两个箱子尺寸完全相同，其中外形尺寸40cm*40cm*44cm，保温层壁厚4cm， 箱体盖子壁厚7cm,其中一个为纯PU发泡，另外一个内壁镶嵌厚度为1cm的VIP 板再 PU 发泡。实验时两个箱子装有完全一样的冷源。将箱子放在恒温恒湿试验 机内，设定试验机温度为40C，现对湿度为50%，然后测得箱内温度连续变化曲 线如下：VIP与PU保温性能比较135791113 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47时间（h）纯PU发泡

9、 应用VIP从上图可以直观看到（1）48 小时观测期间内，用了 VIP 板的箱子冷却速度比纯 PU 的箱子快， 且箱内最低平衡温度比纯PU的低很多，这说明实验中箱子使用了 VIP板，能够 大大地提升降温速度缩减作业等待时间，且达到同样的保温效果，使用的冷源远 比没有使用VIP板的少。（2）使用了 VIP 板的箱子回温速度比纯 PU 的箱子慢，这说明使用了 VIP 板后能够延长保冷时间。因此，使用VIP板加快冷却速度，减少作业等待时间；降低回温速度，延长 保冷时间；保证相同保温效果前提下，能够大大地降低能耗。国外许多大公司不断开发VIP板产品，提升VIP板品质的同时，还进行了大 量深入应用研究。如陶氏化学公司曾做过如下实验，定量分析了使用VIP板带来 的经济效果。冷藏保温箱内装相同保温物品，（1）用PU泡沫时，外形尺寸57cm*50cm*50cm，保温层厚度3.8cm，内 装 21.8kg 冷却剂，保温时间为 120h；（2）用VIP板隔热时，外形尺寸33cm*46cm*28cm，保温层厚度2.5cm， 内装 7kg 冷却剂，保温时间为 200h；采用了 VIP板后，保温箱的体积减少了 70%，冷却剂减少了 68%，而保温时 间则延长了 66%。减少了运费，提高了运输距离。西门子公司则用容积120L，内部尺寸45cm*50cm*53.5cm，保温层厚度5cm 的冰箱进行实验，用 20mm 的 VIP 板对 60%的隔热面进行隔热。保持保温层厚度 不变时，可节能23%,保持能耗不变时，可将保温层厚度降到30mm，增加冰箱容 积 22%。国内外研究表明，当VIP板板作为保温材料使用时（以嵌板的形式使用）（1）同等保冷要求的情况下，可以减小箱体壁厚，增大内部容积，同时还可 减轻重量。（2）保

《真空绝热板在冷链系统中的应用》由会员汽***分享，可在线阅读，更多相关《真空绝热板在冷链系统中的应用》请在金锄头文库上搜索。