低温容器的隔热结构设计①

王家凯,时 宇,王志民

(郑州长城科工贸有限公司,河南郑州上街安阳路15号 450041)

低温容器的隔热结构设计①

王家凯,时 宇,王志民

(郑州长城科工贸有限公司,河南郑州上街安阳路15号 450041)

对低温冷却器、低温循环器等设备中低温容器的隔热,用热阻分析的方法对隔热结构外壳不出现凝露的温度条件进行分析,导出了隔热结构最小热阻和限定单位漏热量时热阻的计算式、隔热材料的厚度设计方法。

隔热;热阻;低温;容器

随着科学研究、工业技术、生物技术的不断深入,在大专院校、科研院所的生物、生化、生物制药实验室,医科院校、医院的生理、病理、细胞实验室以及生物制药厂中,越来越多的物品需要低温贮存,也越来越多的需要低温实验手段。在这些行业中,不仅要使用箱内温度为-24℃以上的普通冰箱和冷柜、箱内温度为-24～-80℃的低温冰箱,同时还需要低温冷却器、低温循环器等设备。这些设备的共同点是有一个放置低温液体的容器、工作温度低于环境温度、用不锈钢等金属材料制成,而且此低温容器必须进行隔热。隔热形式与结构的优劣,直接影响使用性能、美观耐久性和制造成本。

由于容器内物品不同,低温冷却器、低温循环器等设备中低温容器的隔热结构与普通冰箱和冷柜是不同的。解决低温容器隔热结构设计中材料选择与厚度计算的问题将有助于性能提高和成本降低。

1 隔热材料

在隔热工程中将导热系数λ≤0.2W/(m·K)的材料称为隔热材料。对低温冷却器、低温循环器等设备中低温容器所用隔热材料,一般应满足以下几个方面的要求[2]:1.导热系数要小,应在0.024～0.139 W/(m·K)。使用导热系数小的隔热材料,不但能减小隔热层的厚度,也能减小尺寸,节省投资。2.密度小,可使结构、设备和管道的支撑结构减小;且密度较小的材料在一定范围内导热系数也较小。3.吸水率低且耐水性好,如吸水率高则使隔热性能变劣。隔热结构热侧虽然设有防潮隔汽层,但任何防潮隔汽层的蒸汽渗透阻都不是无穷大,难以完全避免水蒸气进入隔热材料。而冷侧蒸汽渗透阻接近无穷大,水蒸气无法由冷侧排出。此外还要求材料吸收少量水分后并不腐烂、不松散、机械强度无大下降。一般要求隔热材料的吸水率不大于5%,且吸湿后隔热性能下降不多。4.机械强度高,应有一定的抗压、抗拉强度,能够承受一定的机械冲击。尺寸稳定性要好。否则经过一段时间的使用,将会产生破碎并沉陷在隔热结构底层,破坏隔热结构的隔热效果。5.耐火性好,材料本身应是不燃或是难燃的。如材料可燃,则应具有自熄性。6.耐低温性能好,在使用的低温范围内结构不破坏、不降低机械强度,在周期冻融循环中不破坏、不降低强度。7.无毒无异味。8.经久耐用。9.能抵抗或避免虫蛀、鼠咬。10.施工方便,易于切割、粘贴。11.环境可接受,即对环境无破坏作用或破坏作用轻微。

实际上,完全符合上述要求的隔热材料并不存在,各种隔热材料均是在某些方面性能较优,而在另一方面存在不足。选用时应根据使用要求、隔热结构的构造、材料的技术性能、价格等具体情况进行全面的分析、比较,然后做出抉择。

由于聚氨酯(PU)泡沫塑料不仅隔热性能优良,而且重量轻、抗压和粘接强度较好、便于形成整体的支承和隔热结构,作为低温冷却器、低温循环器等设备中低温容器的隔热材料较理想。

2 隔热结构最小厚度

低温容器通常在大气环境中使用,由于空气中含有水蒸气,当低温容器外壳温度低于空气露点温度时会产生凝露。为保证外壳表面无凝露现象,应限定外表面的最低温度,使其高于环境空气露点温度[2]。

保证外表面不产生凝露现象是限定隔热结构外表面的最低温度,使其在最不利工作条件下,高于环境空气露点温度0.2℃,即:

式中,tw1为隔热结构外表面温度,℃;twd为室外空气露点温度,℃。

忽略内胆和外壳的热阻,隔热结构的温度分布如图1所示,根据对流换热计算公式:

图1 隔热结构的温度分布图Fig.1 The temperature distribution of Insulation structure

并结合图1得:

导出:

根据热阻定义式和计算式,热阻为:

并结合图1得:

导出:

由外至内可以写成三个温度梯度:tw-tw1=;式中,tn1为隔热结构内表面温度,℃;tn为容器内计算温度,℃;αw为环境空气与容器外壳间的对流换热系数,W/ (m2·℃);αn为容器内介质与内胆间的对流换热系数,W/(m2·℃);λr为隔热材料的导热系数,W/ (m·℃);δr为隔热材料的厚度,m。

将式(9)与式(6)相加得:

用式(5)去除式(10)得:

将式(1)代入并整理,可得出隔热结构外表面不产生凝露现象的最小厚度:

3 限定单位面积漏热量

低温容器冷负荷中,最大的一项是隔热结构的漏热。由于工作温度愈低,制冷系统性能系数就愈小[3],为了减少耗电、减小制冷系统的体积,就必须限制隔热结构的漏热量。保证耗冷量不过大的限制条件是限定围护结构单位面积的漏热量qr。

此时传热系数为:

传热系数的倒数是隔热结构的热阻,为对流换热阻与各隔热材料热阻之和,忽略内胆和外壳的热阻,有:

为达到所限定的围护结构单位面积漏热量所需隔热层厚度:

4 应 用

隔热层厚度应满足外表面不凝露和单位面积传热量小于一定数值这两个条件。在设计时对于按两种限定条件得出的隔热层厚度应取较大值,并加以圆整。

室外空气露点温度由室外干球温度和室外相对湿度确定。对于国内使用的低温冷却器、低温循环器等设备中低温容器的隔热结构,室外干球温度取35℃、相对湿度取80%可以满足绝大部分地区使用。

在低温循环器隔热结构设计中应用上述方法进行改进。容器的容积为30 dm3,内装-40℃无水乙醇。限定单位面积漏热量qr为60 W/(m2·℃),忽略内胆与乙醇间的热阻,采用PU泡沫塑料隔热。

按照公式(12)、(15)计算得δmin=47.2 mm,δh= 37.9 mm,实取δr=45 mm。在容器内温度-40℃、环境温度为35℃的条件下,运行14 d,外表面无凝露,隔热层维持原形态,取得良好的隔热效果。而原设计中,隔热层厚度取40 mm。当环境温度35℃、相对湿度75%时,外表面出现凝露造成外表面滴水。

5 结 语

1.在环境温度以下工作的低温容器隔热设计时应综合考虑,同时满足外壳不出现凝露、漏热量小于限定值这两个条件。

2.本文推导的方法在-40℃低温循环器隔热结构改进设计中应用取得良好效果。

3.在低温冷却器、低温循环器等设备中的低温容器隔热设计时,空气参数的选取以及隔热结构的优化仍需深入研究。

[1]赵韩,叶斌.家用冰箱与低温箱箱体设计的对比研究[J].低温与特气,2003,21(4):10-12.

[2]时阳,朱兴旺,姬鹏先,等.冷库设计与管理[M].北京:中国农业科学技术出版社,2006:79-80,83-85.

[3]郑贤德.制冷原理与装置[M].北京:机械工业出版社, 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

王家凯(1980),男,毕业于中原工学院,大专学历,工程师。主要从事低温冷却循环器的研究。

2010-04-27