低溫冰箱隔熱結(jié)構(gòu)的分析

低溫冰箱隔熱結(jié)構(gòu)的分析

0 緒言

    伴隨著科研、工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)性、生物科技的逐步推進(jìn)，在大專學(xué)校、科研單位的微生物、生物化學(xué)、生物**試驗(yàn)室，醫(yī)科院校、醫(yī)院門診的生理學(xué)、病理學(xué)、細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室及其微生物藥業(yè)公司中，愈來愈多的物件必須低溫存儲(chǔ)，也愈來愈多的必須低溫試驗(yàn)方式。在這種領(lǐng)域中，不但要應(yīng)用箱里溫度為-24℃之上的一般電冰箱和冷藏柜、箱里溫度為-24～-80℃的低溫電冰箱，與此同時(shí)還必須-80℃下列超低溫電冰箱、致冷溫度為-80～-120℃的低溫冷卻塔、低溫循環(huán)器等工作中溫度在液態(tài)氮溫度下列的機(jī)器設(shè)備。這種機(jī)器設(shè)備的相同點(diǎn)是：有一個(gè)低溫容器，工作中溫度小于泡沫塑料的冷縮溫度，且此低溫容器務(wù)必開展隔熱。

    隔熱形式與構(gòu)造的好壞，立即危害設(shè)備的性能指標(biāo)，美觀大方耐用性和制造成本。

因?yàn)楣ぷ髦袦囟炔灰粯?，一般的隔熱材料并不可以達(dá)到液態(tài)氮溫度下列的低溫容器的規(guī)定，因而低溫容器的隔熱構(gòu)造與一般電冰箱和冷藏柜是不一樣的。在中國，低溫隔熱構(gòu)造依然是一項(xiàng)新的仍待開發(fā)設(shè)計(jì)的技術(shù)性，如何解決低溫容器隔熱總體設(shè)計(jì)中的難題將是在我國致冷領(lǐng)域遭遇的一個(gè)新課題研究[1]。

1 兩層隔熱

    隔熱層的功效是避免發(fā)熱量傳到被制冷的室內(nèi)空間。其應(yīng)具備的關(guān)鍵特點(diǎn)是：傳熱系數(shù)小、密度小、耐低溫性好。因?yàn)榫郯滨ゲ牧希≒U）泡沫塑料不但隔熱特性**，并且重量較輕、抗壓強(qiáng)度和粘合抗壓強(qiáng)度不錯(cuò)、有利于產(chǎn)生總體的支撐和隔熱構(gòu)造，一般電冰箱等一般隔熱構(gòu)造均選用PU泡沫塑料做為隔熱材料。殊不知，PU泡沫塑料中常用發(fā)泡膠的規(guī)范揮發(fā)溫度均較高，如常見發(fā)泡膠環(huán)戊烷和R114，ts各自為49.25℃和3.85℃，在-80℃下列的飽和蒸氣壓均極低。當(dāng)溫度在-80～-90℃時(shí)，會(huì)造成冷縮。

為了更好地防止冷縮，**對(duì)低溫容器的隔熱結(jié)構(gòu)類型開展改善。隔熱構(gòu)造由兩層隔熱材料構(gòu)成，如圖所示1所顯示。針對(duì)工作中溫度高過冷縮溫度的外界，用PU泡沫塑料做為隔熱材料；工作中溫度小于冷縮溫度的內(nèi)部，以耐低溫隔熱材料為隔熱材料。

圖1 兩層隔熱構(gòu)造及溫度遍布

2 二種隔熱材料薄厚的關(guān)聯(lián)

    不發(fā)生冷縮狀況的溫度標(biāo)準(zhǔn)是：表層隔熱材料與里層隔熱材料分頁面的溫度tz高過PU泡沫塑料的冷縮溫度tc。

    因?yàn)闄C(jī)殼和內(nèi)膽為傳熱系數(shù)而薄厚較小，傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低于隔熱層，可將其傳熱系數(shù)忽視。那樣，由外到內(nèi)存有四個(gè)溫度梯度方向，即由ta到tw、tw到tz、tz到tin、tin到tb。四個(gè)溫度梯度方向造成的熱氣各自為：

（1）

（2）

（3）

（4）

式中   αw-環(huán)境質(zhì)量與容器機(jī)殼間的傳熱指數(shù)，W/ （m2·℃）；

αin-容器內(nèi)物質(zhì)與內(nèi)膽間的傳熱指數(shù)，W/ （m2·℃）；

λ1，λ2-各自為表層隔熱材料和里層隔熱材料的傳熱系數(shù)，W/（m·℃） ；

δ1，δ2-各自為表層隔熱材料和里層隔熱材料的薄厚，m。

    在穩(wěn)定工作時(shí)，企業(yè)總面積的漏發(fā)熱量同樣：

（5）

    式（1）～（4）可改變成：

（6）

（7）

（8）

（9）

    因tz應(yīng)高過tc，取設(shè)計(jì)方案容量：

（10）

    將式（6）與（7）、式（8）與（9）各自求和后相除，并將式（10）帶入，可得到雙層隔熱材料的薄厚存有以下關(guān)聯(lián)：

（11）

    在應(yīng)用中，自然環(huán)境溫度是轉(zhuǎn)變的，分頁面溫度tz也會(huì)隨著產(chǎn)生變化。由式（11）能夠看得出：針對(duì)做成的隔熱構(gòu)造，在應(yīng)用中，隨ta與tb的降低，tz降低；當(dāng)ta與tb與此同時(shí)做到最低限時(shí)，tz為最低限tzmin。這時(shí)應(yīng)該有：

（12）

    因此有：

（13）

即：

（14）

式中   tamin，tbmin-各自為最少辦公環(huán)境溫度和容器內(nèi)最少溫度，℃；

δ2min-里層隔熱材料最少薄厚，m。

3 隔熱構(gòu)造最少傳熱系數(shù)

    低溫容器一般在環(huán)境空氣中功效，因?yàn)榭諝庵袔в兴羝?，?dāng)?shù)蜏厝萜鳈C(jī)殼溫度小于氣體漏點(diǎn)溫度時(shí)，會(huì)造成精華露。為確保機(jī)殼表層無精華露狀況，應(yīng)限制外表層的最少溫度，使其高過環(huán)境質(zhì)量漏點(diǎn)溫度[2]。低溫容器與冰箱使用自然環(huán)境基本一致，機(jī)殼表層無精華露狀況的溫度標(biāo)準(zhǔn)還可以同樣：外表層的最少設(shè)計(jì)方案溫度高過環(huán)境質(zhì)量漏點(diǎn)溫度0.2℃，即：

（15）

式中   tad-環(huán)境質(zhì)量漏點(diǎn)溫度，℃，由相對(duì)性溫度80％的極端化標(biāo)準(zhǔn)選擇。

    將式（7）、（8）、（9）求和后除于式（6），并將式（13）帶入，得：

（16）

    在這里標(biāo)準(zhǔn)下個(gè)人所得隔熱層的傳熱系數(shù)，為所需隔熱層的最少傳熱系數(shù)：

（17）

    當(dāng)空調(diào)蒸發(fā)器緊靠內(nèi)膽時(shí)，上式變成：

（18）

4 限制企業(yè)漏發(fā)熱量

    低溫容器冷負(fù)載中，較大的一項(xiàng)是隔熱構(gòu)造的漏熱。因?yàn)楣ぷ髦袦囟扔停评錂C(jī)組特性指數(shù)就越小[3]，為了更好地降低耗電量、減少制冷機(jī)組的容積，就務(wù)必限定隔熱構(gòu)造的漏發(fā)熱量。確保耗制冷量但是大的限定標(biāo)準(zhǔn)是：限制排架結(jié)構(gòu)企業(yè)總面積的漏發(fā)熱量qr。

    這時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為：

（19）

    導(dǎo)熱系數(shù)的最后是隔熱構(gòu)造的傳熱系數(shù)，為對(duì)流換熱阻與各隔熱材料傳熱系數(shù)之和：

（20）

因此有：

（21）

5 運(yùn)用

在-100℃低溫循環(huán)器隔熱總體設(shè)計(jì)中運(yùn)用以上方式開展改善。容器的容量為30dm3，內(nèi)裝工業(yè)乙醇，隔熱層薄厚180mm。原設(shè)計(jì)方案中，隔熱構(gòu)造僅選用PU泡沫塑料一種隔熱材料。當(dāng)溫度做到-91℃時(shí)運(yùn)作7天，在接近內(nèi)膽處，隔熱層發(fā)生總體裂縫。因?yàn)榱芽p進(jìn)水蒸氣，在內(nèi)膽外結(jié)凍薄厚超出20mm，導(dǎo)致隔熱無效。

改善后，表層隔熱材料仍為PU泡沫塑料，薄厚130mm；里層隔熱材料采用最少應(yīng)用溫度為-196℃的膨脹珍珠巖板，粒度分布為30目、薄厚50mm。測(cè)算時(shí)ta、tad、tamin、tb、tz、tzmin各自按38、28、0、-100、-62、-72℃選值，限制企業(yè)總面積漏發(fā)熱量qr為20W/（m·℃）。

    在制做時(shí)，先用一個(gè)尺寸與里層隔熱材料同樣的模貝作內(nèi)支撐點(diǎn)，用PU泡沫塑料注漿聚氨酯發(fā)泡產(chǎn)生外隔熱層。出模并將內(nèi)膽精準(zhǔn)定位后，填寫膨脹珍珠巖板，用鋁鉑包裹開展防水。最終在容器蓋處用30mm厚的PU泡沫塑料注漿聚氨酯發(fā)泡密封，產(chǎn)生詳細(xì)的隔熱構(gòu)造。

    在容器內(nèi)溫度-100℃、自然環(huán)境溫度各自為38℃和0℃的標(biāo)準(zhǔn)下，各運(yùn)作14天，隔熱層保持原形狀，隔熱實(shí)際效果沒法測(cè)到的轉(zhuǎn)變 。

6 總結(jié)

    1）在液態(tài)氮溫度下列工作中的低溫容器，隔熱設(shè)計(jì)方案時(shí)要綜合性考慮到隔熱材料的特點(diǎn)，與此同時(shí)達(dá)到隔熱材料不發(fā)生冷縮的溫度標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)殼不發(fā)生精華露的溫度標(biāo)準(zhǔn)、限制企業(yè)漏發(fā)熱量時(shí)傳熱系數(shù)這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。2）文中推論的方式在 -100℃低溫循環(huán)器隔熱構(gòu)造改善設(shè)計(jì)方案中運(yùn)用，獲得顯著成績。3）在低溫容器隔熱設(shè)計(jì)方案時(shí)，氣體主要參數(shù)的選擇及其隔熱構(gòu)造的提升，仍需深入分析。

論文參考文獻(xiàn)

[1]   趙韓，葉斌。家用冰箱與低溫箱箱體設(shè)計(jì)的對(duì)比研究[J].低溫與特氣。2003，21（4）：10-12

[2]   徐傳宙，時(shí)   陽。制冷器具原理與技術(shù)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1996.

[3]   鄭賢德。制冷原理與裝置。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.