王家凱,時 宇,王志民

(鄭州長城科工貿(mào)有限公司,河南鄭州上街安陽路15號 450041)

低溫容器的隔熱結(jié)構(gòu)設計①

王家凱,時 宇,王志民

(鄭州長城科工貿(mào)有限公司,河南鄭州上街安陽路15號 450041)

對低溫冷卻器、低溫循環(huán)器等設備中低溫容器的隔熱,用熱阻分析的方法對隔熱結(jié)構(gòu)外殼不出現(xiàn)凝露的溫度條件進行分析,導出了隔熱結(jié)構(gòu)最小熱阻和限定單位漏熱量時熱阻的計算式、隔熱材料的厚度設計方法。

隔熱;熱阻;低溫;容器

隨著科學研究、工業(yè)技術(shù)、生物技術(shù)的不斷深入,在大專院校、科研院所的生物、生化、生物制藥實驗室,醫(yī)科院校、醫(yī)院的生理、病理、細胞實驗室以及生物制藥廠中,越來越多的物品需要低溫貯存,也越來越多的需要低溫實驗手段。在這些行業(yè)中,不僅要使用箱內(nèi)溫度為-24℃以上的普通冰箱和冷柜、箱內(nèi)溫度為-24～-80℃的低溫冰箱,同時還需要低溫冷卻器、低溫循環(huán)器等設備。這些設備的共同點是有一個放置低溫液體的容器、工作溫度低于環(huán)境溫度、用不銹鋼等金屬材料制成,而且此低溫容器必須進行隔熱。隔熱形式與結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣,直接影響使用性能、美觀耐久性和制造成本。

由于容器內(nèi)物品不同,低溫冷卻器、低溫循環(huán)器等設備中低溫容器的隔熱結(jié)構(gòu)與普通冰箱和冷柜是不同的。解決低溫容器隔熱結(jié)構(gòu)設計中材料選擇與厚度計算的問題將有助于性能提高和成本降低。

1 隔熱材料

在隔熱工程中將導熱系數(shù)λ≤0.2W/(m·K)的材料稱為隔熱材料。對低溫冷卻器、低溫循環(huán)器等設備中低溫容器所用隔熱材料,一般應滿足以下幾個方面的要求[2]:1.導熱系數(shù)要小,應在0.024～0.139 W/(m·K)。使用導熱系數(shù)小的隔熱材料,不但能減小隔熱層的厚度,也能減小尺寸,節(jié)省投資。2.密度小,可使結(jié)構(gòu)、設備和管道的支撐結(jié)構(gòu)減小;且密度較小的材料在一定范圍內(nèi)導熱系數(shù)也較小。3.吸水率低且耐水性好,如吸水率高則使隔熱性能變劣。隔熱結(jié)構(gòu)熱側(cè)雖然設有防潮隔汽層,但任何防潮隔汽層的蒸汽滲透阻都不是無窮大,難以完全避免水蒸氣進入隔熱材料。而冷側(cè)蒸汽滲透阻接近無窮大,水蒸氣無法由冷側(cè)排出。此外還要求材料吸收少量水分后并不腐爛、不松散、機械強度無大下降。一般要求隔熱材料的吸水率不大于5%,且吸濕后隔熱性能下降不多。4.機械強度高,應有一定的抗壓、抗拉強度,能夠承受一定的機械沖擊。尺寸穩(wěn)定性要好。否則經(jīng)過一段時間的使用,將會產(chǎn)生破碎并沉陷在隔熱結(jié)構(gòu)底層,破壞隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱效果。5.耐火性好,材料本身應是不燃或是難燃的。如材料可燃,則應具有自熄性。6.耐低溫性能好,在使用的低溫范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)不破壞、不降低機械強度,在周期凍融循環(huán)中不破壞、不降低強度。7.無毒無異味。8.經(jīng)久耐用。9.能抵抗或避免蟲蛀、鼠咬。10.施工方便,易于切割、粘貼。11.環(huán)境可接受,即對環(huán)境無破壞作用或破壞作用輕微。

實際上,完全符合上述要求的隔熱材料并不存在,各種隔熱材料均是在某些方面性能較優(yōu),而在另一方面存在不足。選用時應根據(jù)使用要求、隔熱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造、材料的技術(shù)性能、價格等具體情況進行全面的分析、比較,然后做出抉擇。

由于聚氨酯(PU)泡沫塑料不僅隔熱性能優(yōu)良,而且重量輕、抗壓和粘接強度較好、便于形成整體的支承和隔熱結(jié)構(gòu),作為低溫冷卻器、低溫循環(huán)器等設備中低溫容器的隔熱材料較理想。

2 隔熱結(jié)構(gòu)最小厚度

低溫容器通常在大氣環(huán)境中使用,由于空氣中含有水蒸氣,當?shù)蜏厝萜魍鈿囟鹊陀诳諝饴饵c溫度時會產(chǎn)生凝露。為保證外殼表面無凝露現(xiàn)象,應限定外表面的最低溫度,使其高于環(huán)境空氣露點溫度[2]。

保證外表面不產(chǎn)生凝露現(xiàn)象是限定隔熱結(jié)構(gòu)外表面的最低溫度,使其在最不利工作條件下,高于環(huán)境空氣露點溫度0.2℃,即:

式中,tw1為隔熱結(jié)構(gòu)外表面溫度,℃;twd為室外空氣露點溫度,℃。

忽略內(nèi)膽和外殼的熱阻,隔熱結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖1所示,根據(jù)對流換熱計算公式:

圖1 隔熱結(jié)構(gòu)的溫度分布圖Fig.1 The temperature distribution of Insulation structure

并結(jié)合圖1得:

導出:

根據(jù)熱阻定義式和計算式,熱阻為:

并結(jié)合圖1得:

導出:

由外至內(nèi)可以寫成三個溫度梯度:tw-tw1=;式中,tn1為隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度,℃;tn為容器內(nèi)計算溫度,℃;αw為環(huán)境空氣與容器外殼間的對流換熱系數(shù),W/ (m2·℃);αn為容器內(nèi)介質(zhì)與內(nèi)膽間的對流換熱系數(shù),W/(m2·℃);λr為隔熱材料的導熱系數(shù),W/ (m·℃);δr為隔熱材料的厚度,m。

將式(9)與式(6)相加得:

用式(5)去除式(10)得:

將式(1)代入并整理,可得出隔熱結(jié)構(gòu)外表面不產(chǎn)生凝露現(xiàn)象的最小厚度:

3 限定單位面積漏熱量

低溫容器冷負荷中,最大的一項是隔熱結(jié)構(gòu)的漏熱。由于工作溫度愈低,制冷系統(tǒng)性能系數(shù)就愈小[3],為了減少耗電、減小制冷系統(tǒng)的體積,就必須限制隔熱結(jié)構(gòu)的漏熱量。保證耗冷量不過大的限制條件是限定圍護結(jié)構(gòu)單位面積的漏熱量qr。

此時傳熱系數(shù)為:

傳熱系數(shù)的倒數(shù)是隔熱結(jié)構(gòu)的熱阻,為對流換熱阻與各隔熱材料熱阻之和,忽略內(nèi)膽和外殼的熱阻,有:

為達到所限定的圍護結(jié)構(gòu)單位面積漏熱量所需隔熱層厚度:

4 應 用

隔熱層厚度應滿足外表面不凝露和單位面積傳熱量小于一定數(shù)值這兩個條件。在設計時對于按兩種限定條件得出的隔熱層厚度應取較大值,并加以圓整。

室外空氣露點溫度由室外干球溫度和室外相對濕度確定。對于國內(nèi)使用的低溫冷卻器、低溫循環(huán)器等設備中低溫容器的隔熱結(jié)構(gòu),室外干球溫度取35℃、相對濕度取80%可以滿足絕大部分地區(qū)使用。

在低溫循環(huán)器隔熱結(jié)構(gòu)設計中應用上述方法進行改進。容器的容積為30 dm3,內(nèi)裝-40℃無水乙醇。限定單位面積漏熱量qr為60 W/(m2·℃),忽略內(nèi)膽與乙醇間的熱阻,采用PU泡沫塑料隔熱。

按照公式(12)、(15)計算得δmin=47.2 mm,δh= 37.9 mm,實取δr=45 mm。在容器內(nèi)溫度-40℃、環(huán)境溫度為35℃的條件下,運行14 d,外表面無凝露,隔熱層維持原形態(tài),取得良好的隔熱效果。而原設計中,隔熱層厚度取40 mm。當環(huán)境溫度35℃、相對濕度75%時,外表面出現(xiàn)凝露造成外表面滴水。

5 結(jié) 語

1.在環(huán)境溫度以下工作的低溫容器隔熱設計時應綜合考慮,同時滿足外殼不出現(xiàn)凝露、漏熱量小于限定值這兩個條件。

2.本文推導的方法在-40℃低溫循環(huán)器隔熱結(jié)構(gòu)改進設計中應用取得良好效果。

3.在低溫冷卻器、低溫循環(huán)器等設備中的低溫容器隔熱設計時,空氣參數(shù)的選取以及隔熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化仍需深入研究。

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

[2]時陽,朱興旺,姬鵬先,等.冷庫設計與管理[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社,2006:79-80,83-85.

[3]鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2001:59-61.

Design of The Heat Insulation Structure of Cryogen ic Vessel

WANG Jiakai,SHI Yu,WANG Zhimin
(Zhengzhou GreatWall Scientific Industrial and Trade Co.,Ltd.,Zhengzhou 450041,China)

This papermainly introduce the insulation layer of the low-temperature cooler and low-temperature circulator under the condition that there is no dew appearance on the outer surface,carries on the analysiswith the thermal resistance analysismethod,deduces out the minimal heat resistance,and the resistance formula when limiting leakage heat units.Also, the design procedure of insulation layer thickness is introduced.

heat insulation;thermal resistance;cryogenics;vessel

TB69

:A

:1007-7804(2010)04-0004-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2010.04.002

王家凱(1980),男,畢業(yè)于中原工學院,大專學歷,工程師。主要從事低溫冷卻循環(huán)器的研究。

2010-04-27