一种真空绝热板叠层纤维芯材的传热模型及其应用

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叠层纤维芯材的传热模型及其应用。


背景技术：

2.随着工业化进程的加快，人口总量的增加，人类对能源的需求也呈现指数剧增的形式，煤、石油、天然气等化石燃料是当今世界能源的主要供给，然而化石燃料的大量使用不仅导致了资源的耗竭而且加剧了环境污染，因此，调整能源结构，减少化石能源消费比重，推动新型可替代清洁能源，以节能、节材、节水、节地为主要目标的可持续性发展，成为各国关注的焦点。据中国建筑能耗研究报告显示，2000-2016年期间，全国建筑能耗呈现出持续增长趋势，2016年，中国建筑能源消费总量达8.99亿吨标准煤，占全国能源消费总量的20.6％，建筑节能任务举足轻重，要求也越来越高。根据国内外相关研究与统计，建筑能耗中围护结构的节能贡献率达到40％-65％，因此提高围护结构的保温隔热性能，对于采暖空调的节能降耗和改善室内环境的热舒适性有着重要影响。
3.当前发达国家和我国开始推进的超低能耗建筑对围护结构保温要求和厚度要求很高，采用传统保温材料会带来保温层过厚、有效利用建筑面积减小等一系列问题，而超级绝热材料有效热导率低于无对流空气热导率，保温效果远胜传统保温材料，可以克服传统保温材料带来的这些问题，因此超级保温材料以其低热导率越来越受到建筑保温的欢迎。真空绝热板(vip)是超级保温材料的一种，板材通常为微小多孔芯材外覆真空保护膜，芯材内添加吸气剂并抽真空，因为芯材的高孔隙率和高真空度而具有极低的导热系数，显然真空条件下芯材的导热性能决定了真空绝热板的整体导热性能，因此对芯材内传热机理的研究是提高真空绝热板保温性能的关键。已有研究报道指出，常见的vip芯材中，纤维芯材的热导率最低，特别适用于一些对保温材料隔热性能要求极高的建筑物和某些特种设备，但由于目前针对纤维芯材导热性能研究很少，使得生产实践缺少理论指导，因而生产上处于工艺摸索阶段。因此，应对纤维芯材传热机理进行深入研究并建立热导率计算模型，分析影响其热导率的因素及影响规律，从而为提高生产工艺和产品性能稳定性提供理论依据和指导。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种真空绝热板叠层纤维芯材的传热模型及其应用，基于玻纤叠层纤维芯材与离心棉叠层纤维芯材层内的纤维分布状态不同的特点，以及傅里叶定律等相关理论，分别建立了玻纤叠层纤维芯材和离心棉叠层纤维芯材的结构模型和有效热导率计算模型，探讨了温度、压强、纤维体积分数、纤维直径、纤维长度、单层纤维层厚度等因素对有效热导率的影响规律，有效的解决了上述存在的技术问题。
5.本发明一种真空绝热板叠层纤维芯材的传热模型及其应用的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：
6.一种真空绝热板叠层纤维芯材的传热模型，所述传热模型分析方法步骤为：
7.一、利用扫描电镜对纤维芯材微观结构进行探测，分别获取玻纤叠层纤维芯材和离心棉叠层纤维芯材的微观结构特点，为利用计算机对两种叠层纤维芯材的结构重构提供依据，利用数显千分尺量取纤维的直径、长度等参数；利用天平称取纤维芯材的质量，并量取纤维芯材的体积，计算出芯材的纤维体积分数，为后面展开相关参数对有效热导率的影响提供相关信息；
8.二、根据两种不同的纤维芯材内部的孔隙分布情况，采用理论推导的方法求解两种芯材内部的孔隙尺度的计算公式，根据纤维芯材内部的孔隙尺度范围，确立适用于纤维芯材内部气相热导率的公式；
9.三、玻纤叠层纤维芯材热导率计算分析，根据玻纤叠层纤维芯材的微观结构特点，利用计算机对玻纤芯材多孔随机结构进行构建，生成不同的纤维层，基于傅里叶定律、分子运动论等相关理论，得到玻纤叠层纤维芯材有效热导率计算方法，研究温度、压强、纤维的体积分数和直径等参数对有效热导率的影响，计算不同温度、压强、纤维直径下的最佳纤维体积分数和最小热导率；
10.四、离心棉叠层纤维芯材热导率计算分析，根据离心棉叠层纤维芯材的微观结构特点，利用计算机对离心棉芯材的多孑l随机结构进行构建，生成不同的纤维层，基于傅里叶定律等相关理论，得到离心棉叠层纤维芯材有效热导率计算方法，研究温度、压强、纤维的直径、长度、体积分数及单层纤维层厚度等参数对有效热导率的影响，并计算不同工况下的最佳纤维体积分数和最小热导率，为生产实践提供参考。
11.所述纤维芯材的体积分数为
[0012][0013]
玻纤叠层纤维芯材的平均直径为6微米，离心棉叠层纤维芯材的平均直径为4.5微米。玻纤的平均长度为12mm，离心棉的长度约为5mm。
[0014]
所述步骤三中，玻纤叠层纤维芯材的气相热导率模型为：
[0015][0016]
式中，iv为纤维体积分数；y为气体的比热容比，流体为单原子分子时取1.66，流体为双原子分子时取1.4，流体为多原子分子时取1.29；c为流体的定容比热容，j/(m，.k)仅为相容系数，对于简单非极性气体通常取1。
[0017]
所述玻纤叠层纤维芯材的气固耦合热导率为：
[0018][0019]
式中，r为纤维半径，m为气相热导率，w/(m
·
k)；ar为纤维基体的热导率，w/(m
·
k1，是温度丁的函数。
[0020]
所述步骤四中，离心棉叠层纤维芯材的气固耦合热导率为：
[0021][0022]
一种真空绝热板叠层纤维芯材的传热模型的应用：
[0023]
一、利用扫描电镜对玻纤叠层纤维芯材和离心棉叠层纤维芯材进行表征，发现在同一层纤维内，玻纤叠层纤维芯材在垂直于厚度方向的平面内随机分布，离心棉叠层纤维芯材无论在纤维层厚度方向还是垂直于纤维层厚度方向都具有随机性；
[0024]
二、两种叠层纤维芯材的有效热导率先是随着压强的降低急剧降低，当压强降至loopa时，有效热导率开始变得平缓，这是由于随着压强的降低，气体分子数量减少，分子间单位时间内的平均碰撞频率减少，另外分子的热运动速率并不随压强改变，所以分子的平均自由程增大，芯材的孑l隙尺度并不随压强改变，此时会对气体分子的热运动限制作用增强，使气相热导率减小导致有效热导率减小，当压强继续减小时，气体的分子平均自由程继续增大，大到和芯材的孑l隙尺度相当时，气体分子的自由运动会被严重束缚，因而气相导热非常小，此时主要靠固相导热与辐射传热，故虽然压强继续减小，但有效热导率几乎保持不变；
[0025]
三、两种叠层纤维芯材的有效热导率随温度升高呈现递增趋势，这是由于芯材中纤维的体积分数较低，辐射传热在总体传热中占据主导地位，温度升高，辐射热导率增大，导致有效热导率增大；
[0026]
四、两种叠层纤维芯材的有效热导率随纤维体积分数增大，先逐渐减小，后逐渐增大，存在最佳体积分数使得芯材具有最小的热导率，这是由于纤维体积分数较低时，纤维对辐射的遮蔽作用小，辐射热导率占据有效热导率的主导地位，随纤维体积分数增大，纤维多孔材料的密度增大，纤维对辐射的遮蔽作用增大，辐射热量在传递过程中的衰减作用增强，使得辐射热导率减小，导致有效热导率减小；随着纤维体积分数的继续增大，固相导热逐渐占据主导地位，所以有效热导率又会随着体积分数的增大而增大；
[0027]
五、两种叠层纤维芯材的有效热导率随纤维直径增大逐渐增大，主要因为纤维体积分数不变的情况下，纤维直径增大，孔隙尺度增大，对气体分子的限制作用减小，使得气相热导率增大，从而整体有效热导率增大；
[0028]
六、离心棉叠层纤维芯材的有效热导率随纤维长度增大而减小，原因是纤维直径不变时，纤维长度变长，热量沿纤维传递过程中克服的纤维热阻增大，导致整体有效热导率降低；
[0029]
七、叠离心棉层纤维芯材的有效热导率随单层纤维层厚度增大而增大，原因是纤维层厚度变大，纤维与热流方向的平均夹角变小，由于热流量与纤维分布方向相同时热导率最大，所以有效热导率随着纤维与热量方向夹角的减小增大；
[0030]
八、温度、压强、纤维直径、纤维长度、纤维体积分数、单层纤维层厚度不同时，芯材的最佳纤维体积分数不同，对应的最小热导率不同，应根据具体的芯材参数及真空绝热板应用的具体条件，选择不同的纤维体积分数生产真空绝热板芯材，以获得最低的热导率。
[0031]
本发明至少包括以下有益效果：
[0032]
(1)通过扫描电镜对两种叠层纤维芯材的微观结构进行表征，得到两种纤维芯材的微观结构特点：两种纤维芯材均由厚度方向的多层纤维层叠合构成，玻纤叠层纤维芯材
中，纤维在垂直于厚度方向的平面内则呈随机分布；离心棉叠层纤维芯材中，纤维不仅垂直于纤维层厚度方向均呈随机分布，在厚度方向也存在一定的角度。基于此，本文将针对不同纤维芯材结构特性分别构建立不同的物理模型。玻纤叠层纤维芯材离心棉叠层纤维芯材利用数显千分尺和游标卡尺测量了纤维的直径和长度，得到了离心棉叠层纤维芯材和玻纤叠层纤维芯材中纤维直径分布和长度分布，采取加权平均方法计算了两种芯材的平均直径和平均长度。
[0033]
(2)总结了几种常用fj,gzyl隙尺度确定方法，综合考虑纤维直径、纤维体积分数以及纤维的分布状态(平面分布还是空间分布)等因素的影响，采用理论推导的方法，分别求解了玻纤叠层纤维芯材(纤维在平面内随机分布)和离心棉叠层纤维芯材(纤维在空间内随机分布)的孔隙尺度，为气相热导率的求解提供了孑l隙尺度参数。并根据叠层纤维芯材的孔径尺寸为微米量级的特点，给出了应用于此孔隙尺寸中的气相热导率模型。
[0034]
(3)利用计算机编程实现了玻纤叠层纤维芯材结构的随机生成，并提出了计算其有效热导率的理论模型，通过分析纤维直径、体积分数、温度、压强等参数对叠层纤维芯材的总体有效热导率和最佳体积分数的影响。
附图说明：
[0035]
图1为本发明的纤维体积分数对热导率的影响关系图；
[0036]
图2为本发明的温度与热导率的影响关系图；
[0037]
图3为本发明的纤维直径与体积分数的影响关系示意图。
具体实施方式
[0038]
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。
[0039]
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。
[0040]
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。
[0041]
实施例：
[0042]
本发明提供一种真空绝热板叠层纤维芯材的传热模型及其应用，如附图1-3所示，所述传热模型分析方法步骤为：
[0043]
一、利用扫描电镜对纤维芯材微观结构进行探测，分别获取玻纤叠层纤维芯材和
离心棉叠层纤维芯材的微观结构特点，为利用计算机对两种叠层纤维芯材的结构重构提供依据，利用数显千分尺量取纤维的直径、长度等参数；利用天平称取纤维芯材的质量，并量取纤维芯材的体积，计算出芯材的纤维体积分数，为后面展开相关参数对有效热导率的影响提供相关信息；
[0044]
二、根据两种不同的纤维芯材内部的孔隙分布情况，采用理论推导的方法求解两种芯材内部的孔隙尺度的计算公式，根据纤维芯材内部的孔隙尺度范围，确立适用于纤维芯材内部气相热导率的公式；
[0045]
三、玻纤叠层纤维芯材热导率计算分析，根据玻纤叠层纤维芯材的微观结构特点，利用计算机对玻纤芯材多孔随机结构进行构建，生成不同的纤维层，基于傅里叶定律、分子运动论等相关理论，得到玻纤叠层纤维芯材有效热导率计算方法，研究温度、压强、纤维的体积分数和直径等参数对有效热导率的影响，计算不同温度、压强、纤维直径下的最佳纤维体积分数和最小热导率；
[0046]
四、离心棉叠层纤维芯材热导率计算分析，根据离心棉叠层纤维芯材的微观结构特点，利用计算机对离心棉芯材的多孑l随机结构进行构建，生成不同的纤维层，基于傅里叶定律等相关理论，得到离心棉叠层纤维芯材有效热导率计算方法，研究温度、压强、纤维的直径、长度、体积分数及单层纤维层厚度等参数对有效热导率的影响，并计算不同工况下的最佳纤维体积分数和最小热导率，为生产实践提供参考。
[0047]
所述纤维芯材的体积分数为
[0048][0049]
玻纤叠层纤维芯材的平均直径为6微米，离心棉叠层纤维芯材的平均直径为4.5微米。玻纤的平均长度为12mm，离心棉的长度约为5mm。
[0050]
所述步骤三中，玻纤叠层纤维芯材的气相热导率模型为：
[0051][0052]
式中，iv为纤维体积分数；y为气体的比热容比，流体为单原子分子时取1.66，流体为双原子分子时取1.4，流体为多原子分子时取1.29；c为流体的定容比热容，j/(m，.k)仅为相容系数，对于简单非极性气体通常取1。
[0053]
所述玻纤叠层纤维芯材的气固耦合热导率为：
[0054][0055]
式中，r为纤维半径，m为气相热导率，w/(m
·
k)；ar为纤维基体的热导率，w/(m
·
k1，是温度丁的函数。
[0056]
所述步骤四中，离心棉叠层纤维芯材的气固耦合热导率为：
[0057][0058]
一种真空绝热板叠层纤维芯材的传热模型的应用：
[0059]
一、利用扫描电镜对玻纤叠层纤维芯材和离心棉叠层纤维芯材进行表征，发现在同一层纤维内，玻纤叠层纤维芯材在垂直于厚度方向的平面内随机分布，离心棉叠层纤维芯材无论在纤维层厚度方向还是垂直于纤维层厚度方向都具有随机性；
[0060]
二、两种叠层纤维芯材的有效热导率先是随着压强的降低急剧降低，当压强降至loopa时，有效热导率开始变得平缓，这是由于随着压强的降低，气体分子数量减少，分子间单位时间内的平均碰撞频率减少，另外分子的热运动速率并不随压强改变，所以分子的平均自由程增大，芯材的孑l隙尺度并不随压强改变，此时会对气体分子的热运动限制作用增强，使气相热导率减小导致有效热导率减小，当压强继续减小时，气体的分子平均自由程继续增大，大到和芯材的孑l隙尺度相当时，气体分子的自由运动会被严重束缚，因而气相导热非常小，此时主要靠固相导热与辐射传热，故虽然压强继续减小，但有效热导率几乎保持不变；
[0061]
三、两种叠层纤维芯材的有效热导率随温度升高呈现递增趋势，这是由于芯材中纤维的体积分数较低，辐射传热在总体传热中占据主导地位，温度升高，辐射热导率增大，导致有效热导率增大；
[0062]
四、两种叠层纤维芯材的有效热导率随纤维体积分数增大，先逐渐减小，后逐渐增大，存在最佳体积分数使得芯材具有最小的热导率，这是由于纤维体积分数较低时，纤维对辐射的遮蔽作用小，辐射热导率占据有效热导率的主导地位，随纤维体积分数增大，纤维多孔材料的密度增大，纤维对辐射的遮蔽作用增大，辐射热量在传递过程中的衰减作用增强，使得辐射热导率减小，导致有效热导率减小；随着纤维体积分数的继续增大，固相导热逐渐占据主导地位，所以有效热导率又会随着体积分数的增大而增大；
[0063]
五、两种叠层纤维芯材的有效热导率随纤维直径增大逐渐增大，主要因为纤维体积分数不变的情况下，纤维直径增大，孔隙尺度增大，对气体分子的限制作用减小，使得气相热导率增大，从而整体有效热导率增大；
[0064]
六、离心棉叠层纤维芯材的有效热导率随纤维长度增大而减小，原因是纤维直径不变时，纤维长度变长，热量沿纤维传递过程中克服的纤维热阻增大，导致整体有效热导率降低；
[0065]
七、叠离心棉层纤维芯材的有效热导率随单层纤维层厚度增大而增大，原因是纤维层厚度变大，纤维与热流方向的平均夹角变小，由于热流量与纤维分布方向相同时热导率最大，所以有效热导率随着纤维与热量方向夹角的减小增大；
[0066]
八、温度、压强、纤维直径、纤维长度、纤维体积分数、单层纤维层厚度不同时，芯材的最佳纤维体积分数不同，对应的最小热导率不同，应根据具体的芯材参数及真空绝热板应用的具体条件，选择不同的纤维体积分数生产真空绝热板芯材，以获得最低的热导率。
[0067]
(1)通过扫描电镜对两种叠层纤维芯材的微观结构进行表征，得到两种纤维芯材的微观结构特点：两种纤维芯材均由厚度方向的多层纤维层叠合构成，玻纤叠层纤维芯材中，纤维在垂直于厚度方向的平面内则呈随机分布；离心棉叠层纤维芯材中，纤维不仅垂直于纤维层厚度方向均呈随机分布，在厚度方向也存在一定的角度。基于此，本文将针对不同纤维芯材结构特性分别构建立不同的物理模型。玻纤叠层纤维芯材离心棉叠层纤维芯材利用数显千分尺和游标卡尺测量了纤维的直径和长度，得到了离心棉叠层纤维芯材和玻纤叠层纤维芯材中纤维直径分布和长度分布，采取加权平均方法计算了两种芯材的平均直径和
平均长度。
[0068]
(2)总结了几种常用fj,gzyl隙尺度确定方法，综合考虑纤维直径、纤维体积分数以及纤维的分布状态(平面分布还是空间分布)等因素的影响，采用理论推导的方法，分别求解了玻纤叠层纤维芯材(纤维在平面内随机分布)和离心棉叠层纤维芯材(纤维在空间内随机分布)的孔隙尺度，为气相热导率的求解提供了孑l隙尺度参数。并根据叠层纤维芯材的孔径尺寸为微米量级的特点，给出了应用于此孔隙尺寸中的气相热导率模型。
[0069]
(3)利用计算机编程实现了玻纤叠层纤维芯材结构的随机生成，并提出了计算其有效热导率的理论模型，通过分析纤维直径、体积分数、温度、压强等参数对叠层纤维芯材的总体有效热导率和最佳体积分数的影响。
[0070]
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
[0071]
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。