低溫冰箱隔熱結(jié)構(gòu)的分析

    隨著科學(xué)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(shí)驗(yàn)室，醫(yī)科院校、醫(yī)院的生理、病理、細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室以及生物制藥廠中，越來(lái)越多的物品需要低溫貯存，也越來(lái)越多的需要低溫實(shí)驗(yàn)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(shí)還需要-80℃以下超低溫冰箱、制冷溫度為-80～-120℃的低溫冷卻器、低溫循環(huán)器等工作溫度在干冰溫度以下的設(shè)備。這些設(shè)備的共同點(diǎn)是：有一個(gè)低溫容器，工作溫度低于泡沫塑料的冷縮溫度，且此低溫容器必須進(jìn)行隔熱。

    隔熱型式與結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，直接影響裝置的使用性能，美觀耐久性和制造成本。

由于工作溫度不同，一般的隔熱材料并不能滿足干冰溫度以下的低溫容器的要求，因此低溫容器的隔熱結(jié)構(gòu)與普通冰箱和冷柜是不同的。在我國(guó)，低溫隔熱結(jié)構(gòu)仍然是一項(xiàng)新的尚待開發(fā)的技術(shù)，如何解決低溫容器隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題將是我國(guó)制冷行業(yè)面臨的一個(gè)新課題^[1]。

    隔熱層的作用是防止熱量傳入被冷卻的空間。其應(yīng)具有的主要特性是：導(dǎo)熱系數(shù)小、容重小、耐低溫性好。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(qiáng)度較好、便于形成整體的支承和隔熱結(jié)構(gòu)，普通冰箱等一般隔熱結(jié)構(gòu)均采用PU泡沫塑料作為隔熱材料。然而，PU泡沫塑料中所用發(fā)泡劑的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度均較高，如常用發(fā)泡劑環(huán)戊烷和R114，t_s分別為49.25℃和3.85℃，在-80℃以下的飽和蒸氣壓均非常低。當(dāng)溫度在-80～-90℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生冷縮。

為了避免冷縮，首先對(duì)低溫容器的隔熱在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。隔熱結(jié)構(gòu)由雙層隔熱材料組成，如圖1所示。對(duì)于工作溫度高于冷縮溫度的外部，用PU泡沫塑料作為隔熱材料；工作溫度低于冷縮溫度的內(nèi)部，以耐低溫隔熱材料為隔熱材料。

圖1 雙層隔熱結(jié)構(gòu)及溫度分布

    不出現(xiàn)冷縮現(xiàn)象的溫度條件是：外層隔熱材料與內(nèi)層隔熱材料分界面的溫度t_z高于PU泡沫塑料的冷縮溫度t_c。

    由于外殼和內(nèi)膽為導(dǎo)熱系數(shù)而厚度較小，熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隔熱層，可將其熱阻忽略。這樣，從外到內(nèi)存在四個(gè)溫度梯度，即由t_a到t_w、t_w到t_z、t_z到t_in、t_in到t_b。四個(gè)溫度梯度產(chǎn)生的熱流分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中  α_w—環(huán)境空氣與容器外殼間的換熱系數(shù)，W/ (m²·℃)；

α_in—容器內(nèi)介質(zhì)與內(nèi)膽間的換熱系數(shù)，W/ (m²·℃)；

λ₁，λ₂—分別為外層隔熱材料和內(nèi)層隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃) ；

δ₁，δ₂—分別為外層隔熱材料和內(nèi)層隔熱材料的厚度，m。

    在穩(wěn)定工作時(shí)，單位面積的漏熱量相同：

(5)

    式(1)～(4)可改寫成：

(6)

(7)

(8)

(9)

    因t_z應(yīng)高于t_c，取設(shè)計(jì)余量：

(10)

    將式(6)與(7)、式(8)與(9)分別相加后相除，并將式(10)代入，可得出兩層隔熱材料的厚度存在如下關(guān)系：

(11)

    在使用中，環(huán)境溫度是變化的，分界面溫度t_z也會(huì)隨之發(fā)生變化。由式(11)可以看出：對(duì)于制成的隔熱結(jié)構(gòu)，在使用中，隨t_a與t_b的下降，t_z下降；當(dāng)t_a與t_b同時(shí)達(dá)到最低值時(shí)，t_z為最低值t_zmin。此時(shí)應(yīng)有：

(12)

    于是有：

(13)

即：

(14)

式中  t_amin，t_bmin—分別為最低工作環(huán)境溫度和容器內(nèi)最低溫度，℃；

δ_2min—內(nèi)層隔熱材料最小厚度，m。

    低溫容器通常在大氣環(huán)境中作用，由于空氣中含有水蒸氣，當(dāng)?shù)蜏厝萜魍鈿�溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生凝露。為保證外殼表面無(wú)凝露現(xiàn)象，應(yīng)限定外表面的最低溫度，使其高于環(huán)境空氣露點(diǎn)溫度^[2]。低溫容器與冰箱的使用環(huán)境基本相同，外殼表面無(wú)凝露現(xiàn)象的溫度條件也可以相同：外表面的最低設(shè)計(jì)溫度高于環(huán)境空氣露點(diǎn)溫度0.2℃，即：

(15)

式中  t_ad—環(huán)境空氣露點(diǎn)溫度，℃，由相對(duì)溫度80％的極端條件選取。

    將式(7)、(8)、(9)相加后除以式(6)，并將式(13)代入，得：

(16)

    在此條件下所得隔熱層的熱阻，為所需隔熱層的最小熱阻：

(17)

    當(dāng)蒸發(fā)器緊貼內(nèi)膽時(shí)，上式成為：

(18)

    低溫容器冷負(fù)荷中，最大的一項(xiàng)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(guò)大的限制條件是：限定圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位面積的漏熱量q_r。

    此時(shí)傳熱系數(shù)為：

(19)

    傳熱系數(shù)的倒數(shù)是隔熱結(jié)構(gòu)的熱阻，為對(duì)流換熱阻與各隔熱材料熱阻之和：

(20)

所以有：

(21)

在-100℃低溫循環(huán)器隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用上述方法進(jìn)行改進(jìn)。容器的容積為30dm³，內(nèi)裝無(wú)水乙醇，隔熱層厚度180mm。原設(shè)計(jì)中，隔熱結(jié)構(gòu)僅采用PU泡沫塑料一種隔熱材料。當(dāng)溫度達(dá)到-91℃時(shí)運(yùn)行7天，在貼近內(nèi)膽處，隔熱層出現(xiàn)整體空洞。由于空洞進(jìn)水蒸汽，在內(nèi)膽外結(jié)冰厚度超過(guò)20mm，造成隔熱失效。

改進(jìn)后，外層隔熱材料仍為PU泡沫塑料，厚度130mm；內(nèi)層隔熱材料選用最低使用溫度為-196℃的膨脹珍珠巖，粒度為30目、厚度50mm。計(jì)算時(shí)t_a、t_ad、t_amin、t_b、t_z、t_zmin分別按38、28、0、-100、-62、-72℃取值，限定單位面積漏熱量q_r為20W/(m·℃)。

    在制作時(shí)，先用一個(gè)外形尺寸與內(nèi)層隔熱材料相同的模具作內(nèi)支撐，用PU泡沫塑料灌注發(fā)泡形成外隔熱層。脫模并將內(nèi)膽定位后，填入膨脹珍珠巖，用鋁箔包封進(jìn)行防潮。最后在容器蓋處用30mm厚的PU泡沫塑料灌注發(fā)泡封口，形成完整的隔熱結(jié)構(gòu)。

    在容器內(nèi)溫度-100℃、環(huán)境溫度分別為38℃和0℃的條件下，各運(yùn)行14天，隔熱層維持原形態(tài)，隔熱效果無(wú)可測(cè)出的變化。

    1)在干冰溫度以下工作的低溫容器，隔熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮隔熱材料的特性，同時(shí)滿足隔熱材料不出現(xiàn)冷縮的溫度條件、外殼不出現(xiàn)凝露的溫度條件、限定單位漏熱量時(shí)熱阻這三個(gè)條件。2)本文推導(dǎo)的方法在 -100℃低溫循環(huán)器隔熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)中應(yīng)用，取得良好效果。3)在低溫容器隔熱設(shè)計(jì)時(shí)，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(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(yáng)．制冷器具原理與技術(shù)[M]．北京：中國(guó)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．