VIP真空保温板在速冻冷柜中设置方式研究

于 燕，牛新朝，李 徽，杨宝江，王 钊

(1.松下冷链(大连)有限公司，大连116600;2.哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨150028)

目前，冷冻保鲜产品的能耗在我国能源总消耗量中所占的比例逐年上升[1]，为了减少能源消耗，其中一个主要措施就是选用经济适用、厚度适宜、综合性能好的保温材料来提高冷藏装置的保冷性能，减少冷量损失.

近年来保温材料市场迅猛发展，VIP真空绝热板是近年来发展起来的一种新型高效的保温材料.其导热系数为传统保温材料导热系数的1/8～1/10，可以达到0.002 ～0.004 W/(K·m).因此同样的保温效果下，使用VIP真空板其厚度可以减小到传统保温材料的1/7～1/10，达到保温节能、节省空间的目的[2].目前，VIP真空板被广泛用于冰箱，医用保温箱，冷藏集装箱等对保温要求高的领域以及新型节能建筑的外墙保温[3－4].

VIP真空板虽然保温效果好，但由于高成本导致其在应用过程中多与传统的保温材料结合使用，因此，科学地设置保温层很重要，会影响到保温性能和能耗的问题.VIP真空板保温板究竟放在复合材料哪一侧合适，即放置在高温侧还是放置在低温侧值得探讨，因为这将影响保温效果的优劣.

1 保温层内温度场数值计算

1.1 计算模型

在保温层两侧温度恒定且大温差的条件下，对保温层内部温度场进行数值计算，常用的计算温度场的数值方法包括有限差分法、控制容积法和元体平衡法[5].本文采用元体平衡法来建立多材料平板状保温层的温度场计算模型.

模型中假设各层保温材料均匀连续;具有通常物理特性的多层复合结构;板材各层间紧密结合，并忽略层间热阻;不考虑与周围环境的辐射换热.板中任意时刻t任意位置(x，y，z)处的温度应满足[6]:

其中:λ为保温材料的导热系数，W/(m·K);cp为保温材料的比热，kJ/(kg·K);ρ为保温材料的密度，kg/m3;T为保温材料内部温度值，K;

对于整个平板状保温材料，其内部温度在长度y和宽度z两个方向的温度变化很小，即0，仅在其厚度方向上温度变化剧烈;为求得整个系统达到稳态时保温层内部温度分布规律，可令=0.因此热传导方程可简化为沿厚度方向上的一维方程，即

1.2 保温层壁面温度的求取

图1、2分别为VIP真空板在低温侧和VIP真空板在高温侧的双层保温材料混合使用的结构示意图.图中Tf1=35℃(环境温度)，Tf2=－86℃(低温速冻装置箱体内温度).δ1、δ2为环戊烷硬质发泡材料和VIP真空板的厚度，分别为45 mm和25 mm的厚度.h1、h2为两侧流体与壁面之间的对流换热系数，Tw1和Tw2为两侧壁面温度.

图1 VIP真空板在低温侧的结构示意图

图2 VIP真空板在高温侧的结构示意图

外部环境与外壁面之间为自然对流换热，因此h1的取值在5～25 W/(m2·K)，本文中 h1=8.7 W/(m2·K)[7]，而内侧由于速冻的需求在箱体内部设置小型风机，因此流体与壁面之间为强制对流换热，故强制对流换热系数h2根据流体纵掠平板的特征数方程求得，公式为:

对于壁面温度的求取根据傅里叶定律以及热流密度相等的原则:

代入已知量对公式(3)、(4)进行求解可得两种情况下两壁面的温度为Tw1=33.86℃、Tw2=－85.77℃

1.3 模型离散化

本文采用外节点法来进行网格的划分，采用元体平衡法列写控制方程，网格划分如图3所示.

图3 网格划分图

1.4 控制方程

对于内部节点(如i节点)控制方程的形式如下:

对于分界面的节点由于其控制体内有两种保温材料组成，故其导热系数为:

其中:Kl为分界点控制体的导热系数，W/(m·K);Kz为左侧控制体的导热系数，W/(m·K);Ky为右侧控制体的导热系数，W/(m·K).

则与临界面相邻节点的控制方程为(以左侧节点为例):

1.5 方程求解

运用C语言对控制方程进行编程求解，定义变量Aw、Ae、Ap以及Fp，同时定义一些循环变量i、j、k等用于迭代计算.为内部节点赋初温值，然后进行温度迭代计算，每进行一次温度迭代时，将新温度值与旧温度值进行差值计算，将所有节点的温度差值最大值寄存在DE中，并将DE与计算精度DF进行对比，当DE的值不大于DF时，结束迭代计算并输出所有节点的温度值.

2 实验装置和方法

实验中所用到的实验装置有－86℃低温箱、32路温度巡检仪、电脑等实验器材，在实验开始前将温度探头放到待测位置，如两壁面处、临界点处、周围环境中、普通保温材料的1/4节点处、1/2节点处、3/4节点处等.

所有准备工作做完后，开机实验.当箱体内温度达到要求后，观察其他探头的温度值.当所有探头测得的温度值无明显变化时，认为各温度测点达到稳定，记录此时的温度显示值等.重复上述操作，多次测量以减少实验测量的误差[8－9].

3 数据处理及分析

实验结果和数值计算的结果分别参见图4、5.

图4 VIP真空板放置低温侧保温层内温度分布图

图5 VIP真空板放置高温侧保温层内温度分布图

由图4、5可见，两种情况下节点温度的理论与实验的最大误差分别为9.4%和8.6%，分析误差产生的原因，主要是下面几个因素:

1)模型建立过程中忽略了辐射换热对整个数值计算过程的影响.

2)忽略了保温层之间接触热阻的影响.

3)实验仪器精度问题而产生的误差.

4)人为操作造成的误差，如热电偶探头埋点位置的偏差、对稳态条件判定的误差等等.

5)对于保温材料而言，材料的导热系数随着温度的变化也发生改变.在数值计算过程中将导热系数定义为常数，这些问题都会对计算结果产生一定影响.

4 结语

通过理论计算和实验结果可知，当VIP真空板放置在低温侧时，其内部温度在－10.2～－85.7℃范围内波动;当VIP真空板放置在高温侧时，其内部温度在33.9～－65.4℃的范围内波动.因此，在使用VIP真空板作保温材料时应尽量将其布置在高温侧，发挥最佳的保温特性.

[1]耿进良，韩厚德，阚安康，等.真空绝热板绝热特性研究[J].节能，2011，29(12):24－27.

[2]邸小波，鲍崇高，高义民，等.真空绝热板导热系数与板内真空度关系研究[J].真空，2011，48(3):12－15.

[3]温永刚，王先荣，杨建斌.真空绝热板(VIP)技术及其发展[J].低温工程，2008，(06).

[4]张 宁，杨春光，高 霞.真空绝热板内部真空度的影响因素分析及改善措施[J].真空，2010，47(01):19－22.

[5]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社，1988.

[6]张 君，黄振利，李志华，等.不同保温形式墙体温度场数值模拟与分析[J].哈尔滨工程大学学报，2009，30(12):1356－1365.

[7]GB50176－10，民用建筑热工设计规范[S].

[8]NICHOLAS W.Vacuum insulated panel and container and method of production[P].US:5900299 2010－05－04.

[9]KWON J S，JANG C H，JJUNG H，et al.Effective thermal conductivity of various filling materials for vacuum insulation panels[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52:5525–5532.