一种真空绝热板的热桥效应分析方法

1.本发明属于绝热材料技术领域，更具体地说，特别涉及一种真空绝热板的热桥效应分析方法。


背景技术：

2.真空绝热板(vip)是一种近年新兴的超级绝热绝热材料，真空绝热板主要依靠内部芯材中的真空孔隙以及低热导率的骨架达到优异的绝热性能。真空绝热板的出现体现着人们对于保温材料的迫切需求，对于低碳理念的响应。随着社会的进步，人们对保温材料的需求日渐增加，人们对保温材料的作用效果主要有以下几点：从能源成本以及利用率考虑,使用保温材料可以不仅可以大量减少能源的使用，同时可以减少相应设备的使用；从环保效应考虑，在能源设备使用减少的同时，相应的排放造成的污染同时会减少；从舒适角度考虑，保温材料不仅保持了室内温度的平稳，同时由于大部分保温材料具有较为优异的隔声性能，保温材料的使用还可以降低外界对室内的噪声影响；从结构保考虑，保温材料通过保持内部温度平稳以保证一些具有苛刻温度使用条件的设备或结构的正常使用。
3.在专业领域保温材料通常被称为绝热材料。绝热材料是指在≤623k(350℃)的使用温度下，热导率《0.14w/(m
·
k)的材料。而随着绝热材料的研发与性能的提升，绝热材料领域出现了一个新的概念，超级绝热材料。超级绝热材料的概念最早在1992年在国际材料工程大会上被美国学者hunt
·a·
j等提出，特指在预定的使用条件下热导率低于静态热导率的绝热材料。
4.一般来说，真空绝热板的热导率可以达到0.003～0.004w/(m
·
k)，相比传统绝热材料，真空绝热板在同样厚度下可以达到十倍及以上的绝热性能。
5.目前国内和国外对于真空绝热板的传热研究主要停留在宏观层面，对于真空绝热板微观传热的研究较少，韩国的jae
·s·
k等人分析了不同类型芯材真空绝热板的芯材传热方式。分析对象为颗粒粉末、泡沫、纤维和交错梁型芯材，采用简化模型对芯材不同传热方式进行分析。得到在较长的热流通路下，纤维和交错梁绝缘的固热导率以及辐射热导率最低。颗粒型的气体导热最低。综上纤维和交错梁结构是真空绝热板最理想的芯材材料。
6.在真空绝热板的宏观传热方面，由于阻隔膜和芯材热导率的重大差异，热桥效应的研究是十分必要的，国内外也开始对热桥效应进行研究分析。
7.国内外对真空绝热板热桥效应的研究工作中，主要存在以下两点不足：
8.(1)评价准则的选取不具有足够强的说服力。在采用边缘线性热传导率这一准则时，默认阻隔膜区域为热桥影响区，在实际应用过程中，在阻隔膜与芯材接触面到芯材内部一定厚度的区域，同样为热桥影响区；该准则难以体现阻隔膜对真空绝热板整体热导率的影响；对于真空绝热板热桥的影响程度的阈值需要界定。综上对真空绝热板热桥效应评价的准则需要重新确定。
9.(2)对于边缘线性热导率具体表达式的推导过程没有给出，此外在公式中没有体现出真空绝热板长度与宽度的影响，可以推测在公式的推导过程中对真空绝热板的温度场
分布进行了较为明显的简化，公式的准确性难以保证。由此，对于真空绝热板的热桥效应需要进行更加深刻的讨论，对于真空绝热板的热桥效应有待进一步研究。


技术实现要素：

10.为了解决上述技术问题，本发明提供一种真空绝热板的热桥效应分析方法，本次分析对象为采用af阻隔膜的干法玻纤型芯材真空绝热板，首先通过电镜图像观察纤维分布的情况，采用电镜分析法确定芯材的平均纤维直径以平均孔隙率。利用蒙特卡洛法法建立纤维分布的微观传热，通过研究微观单元的有效导热通路确定芯材固相热导率，利用rbf神经网络算法建立宏观热导率与微观传热影响因素间的对应关系，对玻纤型芯材真空绝热板的芯材总热导率公式进行完善。探索弧形真空绝热板作为内外绝热结构的应用前景，外保温结构预设为热力管道外保温结构，对外保温结构进行设计，计算不同结构的稳态传热；内隔热结构预设为导弹隔热结构，对内隔热结构进行结构设计，计算不同结构的非稳态传热。分析真空绝热板在两种特定的环境下的服役性能以及使用优势，有效的解决了上述存在的技术问题。
11.本发明一种真空绝热板的热桥效应分析方法的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：
12.一种真空绝热板的热桥效应分析方法，所述分析方法步骤为：一、真空绝热板结构转化为热阻网络模型；二、建立三维热阻网络模型；三、分析真空绝热板性能参数变化对真空绝热板热桥效应的影响；四、分析真空绝热板尺寸参数变化对真空绝热板热桥效应的影响。
13.所述步骤一中，对于真空绝热板这类整体近似长方体形状并且每一个部分的形状也近似为长方体的研究对象，通常采用长方体作为温度节点单元的形状，将温度节点单元为正方体单元，由于真空绝热板的主要部分为芯材与封装层，并且封装层的主要导热部分为最外层铝箔，所以将正方体节点单元的边长设置为铝箔的厚度，由于其他膜材成分以及吸气剂等成分所占比例较少并且不是构成热桥的主要部分，所以本次将热阻分为芯材热阻与阻隔膜热阻两部分，在芯材与膜材的边界处将热阻设置为芯材与膜材热阻的平均值。
14.所述步骤二中，对于三维分布，温温度单元设置为立方体结构，立方体的边长根据分析的对象的尺寸结构以及所研究的物理属性决定，首先考虑尺寸结构，在不同结构尺寸差异不大时，通常采用正立方体结构，这样使得网格均匀，分析得到简化，需要考虑适当增大温度节点单元的尺寸，其次需要考虑分析对象的物理属性，在真空绝热板的使用时，目标隔热方向是垂直于面积大的表面的。
15.所述步骤三中，采用esa表示性能参数对真空绝热板等效热导率的影响系数，公式表示为:
[0016][0017]
根据公式以及拟合曲线可见，热桥效应的程度随着芯材热导率的增加而降低，在真空绝热板芯材热导率的取值范围内，真空绝热板芯材热导率最高与最低取值对等效热导率以及边流影响系数取值的偏差分别为17.5％与6％，说明芯材热导率对真空绝热板等效热导率的影响较为明显，而对边流影响系数的影响较为微弱。
[0018]
所述步骤四中，采用控制变量法研究不同尺寸参数对真空绝热板热桥效应的影
响，将单一变量分别设置为真空绝热板阻隔膜厚度、总厚度、宽度，同时保持其余两项参数不变，将参数代入热阻网络模型进行计算，并绘制温度分布图。
[0019]
本发明至少包括以下有益效果：
[0020]
(1)确定评价真空绝热板热桥效应的准则，采用三种较为有效的准则(热桥影响范围、等效热导率、边流影响系数)作为真空绝热板热桥效应的评估准则。
[0021]
(2)建立真空绝热板热桥分析的二维及三维模型，确定三维以及二维模型的节点位置以及节点参数。
[0022]
(3)确定芯材热导率对真空绝热板热桥准则取值的影响，并对采用指数方程对离散测试点拟合，得到芯材热导率影响系数的指数方程。可得到真空绝热板的热桥效应随着芯材热导率的增大而降低，芯材热导率对真空绝热板等效热导率的影响更为明显，而对热桥影响范围不造成影响。
[0023]
(4)确定真空绝热板的宽度、厚度，以及阻隔膜厚度对真空绝热板热桥准则取值的影响，经过验算将影响因素转化为真空绝热板的宽度、厚度与阻隔膜厚度的比值l、h。采用rbf神经网络预测得到热桥效应准则取值与l、h取值的对应关系，并绘得等值线。可得真空绝热板的热桥效应随着真空绝热板宽度的增加、厚度的降低，阻隔膜厚度的降低而降低，阻隔膜厚度的影响最为显著。将尺寸参数转化为l、h后可通过预测曲面以及等值线得到真空绝热板的热桥效应随着l的增加而降低，趋势较为明显；随着h的增加有而增加，趋势较为微弱。
附图说明：
[0024]
图1为本发明的模型图；
[0025]
图2为本发明的芯材热导率对真空绝热板等效热导率的影响关系图。
具体实施方式
[0026]
下面通过实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0027]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0028]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0029]
实施例：
[0030]
本发明提供一种真空绝热板的热桥效应分析方法，如附图1-2所示，所述分析方法步骤为：一、真空绝热板结构转化为热阻网络模型；二、建立三维热阻网络模型；三、分析真空绝热板性能参数变化对真空绝热板热桥效应的影响；四、分析真空绝热板尺寸参数变化对真空绝热板热桥效应的影响。
[0031]
所述步骤一中，对于真空绝热板这类整体近似长方体形状并且每一个部分的形状也近似为长方体的研究对象，通常采用长方体作为温度节点单元的形状，将温度节点单元为正方体单元，由于真空绝热板的主要部分为芯材与封装层，并且封装层的主要导热部分为最外层铝箔，所以将正方体节点单元的边长设置为铝箔的厚度，由于其他膜材成分以及吸气剂等成分所占比例较少并且不是构成热桥的主要部分，所以本次将热阻分为芯材热阻与阻隔膜热阻两部分，在芯材与膜材的边界处将热阻设置为芯材与膜材热阻的平均值。
[0032]
所述步骤二中，对于三维分布，温温度单元设置为立方体结构，立方体的边长根据分析的对象的尺寸结构以及所研究的物理属性决定，首先考虑尺寸结构，在不同结构尺寸差异不大时，通常采用正立方体结构，这样使得网格均匀，分析得到简化，需要考虑适当增大温度节点单元的尺寸，其次需要考虑分析对象的物理属性，在真空绝热板的使用时，目标隔热方向是垂直于面积大的表面的。
[0033]
所述步骤三中，采用esa表示性能参数对真空绝热板等效热导率的影响系数，公式表示为:
[0034][0035]
根据公式以及拟合曲线可见，热桥效应的程度随着芯材热导率的增加而降低，在真空绝热板芯材热导率的取值范围内，真空绝热板芯材热导率最高与最低取值对等效热导率以及边流影响系数取值的偏差分别为17.5％与6％，说明芯材热导率对真空绝热板等效热导率的影响较为明显，而对边流影响系数的影响较为微弱。
[0036]
所述步骤四中，采用控制变量法研究不同尺寸参数对真空绝热板热桥效应的影响，将单一变量分别设置为真空绝热板阻隔膜厚度、总厚度、宽度，同时保持其余两项参数不变，将参数代入热阻网络模型进行计算，并绘制温度分布图。
[0037]
(1)确定评价真空绝热板热桥效应的准则，采用三种较为有效的准则(热桥影响范围、等效热导率、边流影响系数)作为真空绝热板热桥效应的评估准则。
[0038]
(2)建立真空绝热板热桥分析的二维及三维模型，确定三维以及二维模型的节点位置以及节点参数。
[0039]
(3)确定芯材热导率对真空绝热板热桥准则取值的影响，并对采用指数方程对离散测试点拟合，得到芯材热导率影响系数的指数方程。可得到真空绝热板的热桥效应随着芯材热导率的增大而降低，芯材热导率对真空绝热板等效热导率的影响更为明显，而对热桥影响范围不造成影响。
[0040]
(4)确定真空绝热板的宽度、厚度，以及阻隔膜厚度对真空绝热板热桥准则取值的影响，经过验算将影响因素转化为真空绝热板的宽度、厚度与阻隔膜厚度的比值l、h。采用rbf神经网络预测得到热桥效应准则取值与l、h取值的对应关系，并绘得等值线。可得真空绝热板的热桥效应随着真空绝热板宽度的增加、厚度的降低，阻隔膜厚度的降低而降低，阻隔膜厚度的影响最为显著。将尺寸参数转化为l、h后可通过预测曲面以及等值线得到真空绝热板的热桥效应随着l的增加而降低，趋势较为明显；随着h的增加有而增加，趋势较为微
弱。
[0041]
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
[0042]
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

技术特征：
1.一种真空绝热板的热桥效应分析方法，其特征在于：所述分析方法步骤为：一、真空绝热板结构转化为热阻网络模型；二、建立三维热阻网络模型；三、分析真空绝热板性能参数变化对真空绝热板热桥效应的影响；四、分析真空绝热板尺寸参数变化对真空绝热板热桥效应的影响。2.根据权利要求1所述的真空绝热板的热桥效应分析方法，其特征在于：所述步骤一中，对于真空绝热板这类整体近似长方体形状并且每一个部分的形状也近似为长方体的研究对象，通常采用长方体作为温度节点单元的形状，将温度节点单元为正方体单元，由于真空绝热板的主要部分为芯材与封装层，并且封装层的主要导热部分为最外层铝箔，所以将正方体节点单元的边长设置为铝箔的厚度，由于其他膜材成分以及吸气剂等成分所占比例较少并且不是构成热桥的主要部分，所以本次将热阻分为芯材热阻与阻隔膜热阻两部分，在芯材与膜材的边界处将热阻设置为芯材与膜材热阻的平均值。3.根据权利要求1所述的真空绝热板的热桥效应分析方法，其特征在于：所述步骤二中，对于三维分布，温温度单元设置为立方体结构，立方体的边长根据分析的对象的尺寸结构以及所研究的物理属性决定，首先考虑尺寸结构，在不同结构尺寸差异不大时，通常采用正立方体结构，这样使得网格均匀，分析得到简化，需要考虑适当增大温度节点单元的尺寸，其次需要考虑分析对象的物理属性，在真空绝热板的使用时，目标隔热方向是垂直于面积大的表面的。4.根据权利要求1所述的真空绝热板的热桥效应分析方法，其特征在于：所述步骤三中，采用esa表示性能参数对真空绝热板等效热导率的影响系数，公式表示为:根据公式以及拟合曲线可见，热桥效应的程度随着芯材热导率的增加而降低，在真空绝热板芯材热导率的取值范围内，真空绝热板芯材热导率最高与最低取值对等效热导率以及边流影响系数取值的偏差分别为17.5％与6％，说明芯材热导率对真空绝热板等效热导率的影响较为明显，而对边流影响系数的影响较为微弱。5.根据权利要求1所述的真空绝热板的热桥效应分析方法，其特征在于：所述步骤四中，采用控制变量法研究不同尺寸参数对真空绝热板热桥效应的影响，将单一变量分别设置为真空绝热板阻隔膜厚度、总厚度、宽度，同时保持其余两项参数不变，将参数代入热阻网络模型进行计算，并绘制温度分布图。

技术总结
本发明提供一种真空绝热板的热桥效应分析方法，所述分析方法步骤为：一、真空绝热板结构转化为热阻网络模型；二、建立三维热阻网络模型；三、分析真空绝热板性能参数变化对真空绝热板热桥效应的影响；四、分析真空绝热板尺寸参数变化对真空绝热板热桥效应的影响。确定真空绝热板的宽度、厚度，以及阻隔膜厚度对真空绝热板热桥准则取值的影响，经过验算将影响因素转化为真空绝热板的宽度、厚度与阻隔膜厚度的比值L、h。采用RBF神经网络预测得到热桥效应准则取值与L、h取值的对应关系，并绘得等值线。可得真空绝热板的热桥效应随着真空绝热板宽度的增加、厚度的降低，阻隔膜厚度的降低而降低，阻隔膜厚度的影响最为显著。阻隔膜厚度的影响最为显著。阻隔膜厚度的影响最为显著。


技术研发人员：周武中 李杰 邱鑫 杜源 王振
受保护的技术使用者：重庆文理学院
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2022/5/25