真空隔热_保温_板的开发方向

B UILDING ARTIFICI AL BOARDS No. 4. 1999

真空隔热(保温) 板的开发方向

范恩荣

(绍兴市管道煤气公司, 浙江绍兴 312000)

摘 要 本文对真空隔热(保温) 板的结构原理和性能进行了阐述。关键词 真空; 隔热(保温) ; 粉末; 开发中图分类号:TU532+. 61 文献标识码:B

1 引言

在现代建筑中, 目前采用泡沫塑料和轻质纤维材料作为隔热(保温) 材料, 但即使是隔热(保温) 性能最好的泡沫塑料和轻质纤维材料, 当它的密度不超过40Kg/m 3情况下, 它的导热系数为0. 027W/m. K, 若要进一步再改善它的隔热(保温) 性能的可能性就很小了。再则采用泡沫塑料和轻质纤维材料, 它的单位材料消耗量比较大。

采用真空隔热(保温) 的方法, 在1893年由英国学者杜瓦提出, 它用於贮藏液态空气的低温容器的隔热, 从而解决了低温制冷工艺的问题。以后在实验物理学, 特殊合金的冶炼, 航空航天工业和电子工业等科技领域, 真空隔热(保温) 技术获得了发展。真空隔热(保温) 建筑材料的生产与应用, 目前在国内外尚处於萌芽阶段, 主要原因有两个:1. 真空工艺技术, 大多数建筑材料生产技术人员和从事建筑工程的技术人员接触很少, 因此对它的性能认识不足; 2. 认为涉及到真空工艺需专门、复杂、昂贵的系统来实现。实际上, 真空隔热(保温) 在建筑上是最有发展前途的方法, 并且实现它工艺简单, 与泡沫塑料或轻质纤维材料隔热(保温) 比较, 费用也不高, 甚至还要低。本文从真空隔热(保温) 材料实际开发应用角度出发, 对真空隔热(保温) 材料的原理、结构与性能作概述, 以便促使我国日益发展的建筑事业开发应用这一新产品、新技术。

2 真空隔热(保温) 原理

真空隔热(保温) 一般情况下系用以下方案:1. 采用高真空的双层壁; 2. 采用高真空的型腔, 型腔内有一定数量的中间抛光薄片作为反射屏, 它能很好的反射光线, 以防止热量辐射传递; 3. 有粉末状的物质或者轻质纤维的型腔, 这类粉末物质或者轻质纤维在真空和低温下有低导热性。型腔内被抽成中等程度真空(10-1~10-2Pa) 。

无论什么情况, 任何一种隔热(保温) 方法, 包括三种热量:

Q=Q 壳-Q 气+Q 辐

Q 壳 隔热(保温) 材料壳体传递的热量。隔热(保温) 材料壳体传递热量(Q壳) 取决于壳体的结构。

Q 气 隔热(保温) 材料之间填充的气体传导热量和气体对流所传递的热量。

Q 辐 辐射传热。

如果要高真空隔热(保温) , 那末在不同温度(To和Tx) 两个表面所建立隔热(保温) 壳体内, 需建立10Pa 左右真空, 这几乎完全排除气体传递热量(Q 气) 。

气体传递的热量取决于壳体内气体分子的特性。它服从努森准则。即:

Kn=I/d>1

式中I 分子平均自由度

d 系统的特性尺寸

当真空(隔热) 保温材料壳体内真空度达到10Pa, 气体分子数量大大减少, 分子的自由行程可达几百厘米, 即分子的热运动自由度很大, 即Kn>1, 分子相互碰撞几率很小, 因此分子热传递大大减弱。但当壳体内真空度达到10-1~10-2Pa, 假如真空保温(隔热) 壳体内填充有粉末状填料, 系统的隔热(保温) 能力可增加几倍, 这是因为在真空隔热(保温) 壳体内填充轻质粉末填料可以减少(或消除) 辐射热传递。以

-4

-4

建 筑 人 造 板

下分析可以证明这一点。

在真空隔热(保温) 中, 辐射热传递是主要进热量, 这种热组份在常温下取决于从热表面到冷表面, 波长超过10微米的电磁红外辐射的能量传递。而物体辐射能力取决于相应光谱部分的黑度系数 。随着温度增加, 物体辐射流密度剧烈增加(或T 4比例增加) 因为任何实际物体不是黑体, 所以黑度系数只是作为辐射热传递重要特性。当然黑度系数与材料的温度表面状态有关, 带有小的黑度系数的表面温度27! 下的某些材料黑度系数

电抛光的铝表面 0. 03

电抛光的钢表面 0. 03氧化铜表面 0. 78银表面 0. 022炭钢表面 0. 6

在冷和热表面之间, 采用反射层装置, 可以大大减少辐射热的传递, 装一道反射屏的真空隔热(保温) 壳体, 可以减少热辐射一倍, 装几道反射屏, 辐射热可以减少几倍。装有许多中间屏的真空隔热(保温) 壳体, 当然隔热(保温) 效果很好, 但它制造很复杂, 带来成本很高, 在建筑上实际应用受到限制。而在真空隔热(保温) 壳体内, 以填充轻质粉末材料来代替反射屏, 减少热辐射, 不仅效果比较好, 而且制造简单, 成本低廉。这种装有轻质粉末填充物的真空隔热(保温) 材料, 目前在低温技术中, 已广泛应用。但可以说, 在这基础上, 可以研制在建筑上采用的高效隔热(保温) 材料和制品。

3 真空隔热(保温) 板的结构与性能。

在低温技术中, 真空隔热(保温) 装置, 常常设计成球形壳体或园柱形壳体, 或者两者相结合。这几种型式, 能很好地抵抗介质的内部和外部压力, 从而使所用材料厚度不需太大。

对于建筑上应用的真空(隔热) 材料(制品) , 需要大尺寸平面隔热(保温) 壁板(墙板) , 尺寸型号从1-5M 。它的价格应允许广泛采用, 但用金属板制成大尺寸平板壳体, 若真空度高, 会被大气压压破。而若在壳体内装置支承元件, 由于这些支承元件形成热桥, 又会使热传递增加, 影响隔热(保温) 性能。并且还会使材料(制品) 成本增加。事实上, 采用中等程度真空(10-1~10-2Pa 左右) , 在壳体内, 填充低导热系数轻质粉末材料, 可以达到需要的隔热(保温) 性能,

2

1999年第4期

也可避免壳体被大气压压破。

以下方案虽然还不够完善, 但已从实际应用出发进行考虑。它是采用0. 3mm 铝板或低碳钢板, 制成厚度为10~20mm 平箱壳, 箱壳内均匀填充高分散的轻质粉末, 例如珍珠岩粉。在箱壳内建立中等真空(例如10-1~10-2Pa ) , 这类箱壳平均尺寸1~5m 2。它可以获得有效的绝热(保温) 性能, 并且可以在建立需要的真空(10-1~10-2Pa) 情况下; 也不会被外部大气压压破, 这因为箱体受到大气的压力, 受压的填充的岩粉系统, 依赖于摩擦力, 给予抵消, 对于箱壳应有需要的尺寸, 这个尺寸不仅要满足建筑结构的需要, 并还应满足能减少热传递。试验表明:采用横表面:周长比值大的比例, 即采用面积大而周长短的箱壳形状(采用正方形最理想) 。

实验还表明:当箱壳不抽真空, 90%的热流被填充在箱壳内粉末填料中的气体转移掉, 而处于真空中粉状填料剧烈降低气体的热传递性。在真空隔热(保温) 材料(制品) 中, 也可以采用纤维状物料(玻璃棉、矿物棉等) , 作为填充物。在表1列出了某些粉末材料和纤维材料的性能。

分析表1资料表明:采用珍珠岩粉作填料, 其真空度仅10Pa 的隔热(保温) 材料的壳体, 它的隔热(保温) 性能要比采用发泡聚苯乙稀隔热(保温) 性能要好24倍(从导热系数比较:即聚苯乙烯导热系数为0. 027W/m.K, 而珍珠岩粉为0. 001W/m. K) 。

一般说来, 在中等真空情况下珍珠粉具有隔热(保温) 性能比标准大气压下的性能要增加10倍。如果比较发泡塑料和珍珠岩粉填充的真空隔热(保温) 材料性能, 材料的单位消耗, 成本等等各种因素, 真空隔热(保温) 板也有很大的竞争能力。

在表1中所列的真空度(0. 1Pa) 在实际中很容易用普通的机械真空泵达到。这类真空隔热(保温) 建筑材料(制品) , 采用一般工艺过程就可以制造。实践证明:厚度为10mm, 面积为1m 2, 内中填充密度为100kg/m 的珍珠岩粉, 用0. 3mm 厚的铝板制成的真空隔热(保温) 板材, 其重量仅为3kg(2kg 为铝外壳重量, 1kg 为珍珠粉的重量) 。这类真空隔热(保温) 板材, 国外已在某些建筑中获得了应用。

按照热阻:10mm 厚的泡沫塑料相当于17cm 厚普通粘土砖砌体, 而厚度为10mm 的真空隔热(保温) 板它的热阻相当于厚度为400cm 粘土砖砌体, 这说

3

B UILDING ARTIFICI AL BOARDS

表 1

No. 4. 1999

在以下压力下导热系数 (W/M.K)

材料名称

B 气凝胶A-380气凝胶硅藻土珍珠岩颗粒珍珠岩粉微孔胶土玻璃棉矿棉玄武岩棉

50%B 气凝胶+50%青铜粉30%A-380气凝胶+70%青铜粉60%气凝胶+40%铝粉60%珍珠岩粉+40%青铜粉

材料的颗粒直径(微米)

250/2501000250/18102////

密度Kg/M

[***********][***********]

3

0. 1Pa 0. 00050. 00050. 00170. 00120. 00110. 00210. 00500. 00300. 00270. 00030. 000350. 000350. 0006

10Pa 0. 00140. 00180. 00180. 00600. 00110. 00210. 01100. 00750. 00050. 0005

明真空隔热(保温) 材料(制品) 具有优良的性能和广阔的应用前景。

4 结 论

真空隔热(保温) 建筑材料(制品) , 虽然它有众多的优越性, 但在国内外的实际应用尚处于萌芽之中。一方面:它从结构、用材尚需进一步完善, 另一方面:人们对它的认识还不够。但随着建筑事业不断发展,

这类材料和制品必定有广阔应用前景。

参

考

文

献

[1] M. H 波波耶夫. 采用真空粉末隔热(保温) 的前景. 建筑材料

∀俄#. 1998No3, P14-16

[2] E J 奥古恰科夫. 隔热(保温) 材料生产的主要发展发向. 建筑材

料∀俄#. 1996No6, P7-8