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真空隔熱板

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真空隔熱板(真空絕熱板)傳熱系數在線檢測技術

發布時間:2018-10-22 17:33:37

文摘:常用的真空保溫材料主要包括真空玻璃和真空保溫板(VIP),為了在線測試真空保溫材料的熱性能,本文綜述了國內外的研究現狀。本文討論了各種在線檢測技術的特點和存在的問題,在國內外現有技術的基礎上提出了一種新的動態熱流測試技術,并介紹了一種便攜式探頭結構的快速在線檢測方案。
關鍵詞:真空玻璃、真空隔熱板、傳熱系數、導熱系數、U值、在線檢測
真空絕熱材料:真空玻璃與真空絕熱板傳熱系數在線檢測技術
 
工廠部分檢驗設備
工廠部分檢驗設備
 
不同芯材真空保溫板導熱系數隨內壓的變化
1. 引言
絕熱材料(或絕熱材料)的傳熱主要包括對流換熱、接觸傳熱和輻射傳熱,前兩種方式需要傳熱介質。在真空環境中,由于壓力的降低,氣體的密度降低,氣體分子的平均自由程增加,氣體分子與真空容器壁之間的碰撞頻率和強度減弱,從而真空環境阻止了對流和接觸。T發生,從而實現隔熱。效果。在真空環境內壁涂敷低輻射系數涂層,也可以防止輻射傳熱,達到隔熱效果。
在傳統的隔熱材料中,熱輻射占傳熱的20%,接觸材料占傳熱的510%,氣體在保溫材料中的對流換熱占馀熱的65 75%左右。因此,減少絕緣材料中這些傳熱途徑的最重要的方面之一是空氣傳熱,這種傳熱是通過將隔熱系統抽到真空中來減少的。目前,這種真空保溫材料較為成熟的產品主要有真空玻璃和真空保溫板兩大類:
主要內容如下:(1)真空玻璃(真空玻璃)是一種基于調溫瓶原理制造的玻璃深加工產品。真空玻璃的結構與中空玻璃相似。不同的是,真空玻璃腔中的氣體非常薄,幾乎接近0的真空。1帕真空玻璃是密封兩個平板玻璃的側面,間隙被抽進真空并密封排氣孔,兩片玻璃之間的間隙為0。1%02毫米,真空玻璃。一般情況下,這兩塊玻璃中至少有一種是低輻射玻璃(低E玻璃),涂有低輻射系數涂層,從而允許通過真空玻璃進行熱傳導。對流和輻射產生的熱量被最小化。
(2)真空絕熱板(VIP)由輕芯材料和特殊的復合氣體阻隔膜通過真空封裝技術制成。其內部真空度約為10Pa,可有效避免氣體對流引起的傳熱,大大提高隔熱效果。
真空絕緣材料可廣泛應用于建筑節能墻和門窗,冷鏈冷藏設備、溫室、太陽能和KongDiaoXing運輸等領域。兩個常用的工業真空保溫技術的評價參數,一個是傳熱系數(Wm - 2 K - 1),另一個是導熱系數(Wm - 1 K - 1),這個行業也將傳熱系數或U值來定義與K值。通常對于真空玻璃傳熱系數K值用于評估和評估真空絕緣板采用導熱系數。
傳熱系數和導熱系數的測試技術是真空絕緣材料的關鍵技術之一。相應的測試技術必須至少實現兩個功能。首先對真空進行測試,證明真空保溫材料具有隔熱功能。二是真空空間中存在熱傳導和輻射傳熱,支撐體和殘余氣體的傳熱;有必要對真空絕熱材料傳熱的理論模型進行驗證,了解不同傳熱形式之間的相互作用。目前,傳統的測試技術一般是比較成熟的穩態測試技術,主要包括保護熱板法、保護熱流計法和保護熱箱法。雖然這三種傳統方法允許在計量和質量水平上對真空絕緣材料進行準確的測試和評估,但它們的明顯缺點是需要生產標準尺寸的樣品和長的試驗周期。它不能用于批量生產過程中產品質量的在線檢測,因此有必要解決真空絕緣材料的在線檢測技術問題。
在真空絕緣材料的生產制造過程中,每種真空絕緣材料的質量均在規定的范圍內進行在線測試。在在線測試過程中,由于它可以與標準合格的產品或樣品進行比較,在線測試不一定要絕對準確。重要的是確保測試過程能夠在生產過程中快速執行。該儀器具有良好的重復性。在線測試技術的另一個目的是證明真空絕緣產品在實際安裝過程和使用條件下能長時間保持相應的真空度。也就是說,在真空絕緣材料產品的生命周期內進行實時檢測或監測.
摘要針對真空絕熱材料熱性能在線檢測技術,綜述了國內外研究現狀,討論了各種在線檢測技術的特點和存在的問題,介紹了一種新型的便攜式快速在線檢測技術?;诂F有技術的國內外技術方案研究。
2. 在線檢測真空隔熱材料熱性能的技術挑戰
真空保溫材料最大的特點是具有極低的傳熱系數和導熱系數。如果再考慮在線檢測,將給真空絕緣材料的熱性能測量帶來以下嚴峻挑戰:
(1)在線測試要求使用極小面積的探針對板狀真空絕緣材料進行實時檢測,同時由于真空絕緣材料的傳熱和導熱系數極低,只能有少量的熱流通過絕緣材料。這意味著在線檢測只能檢測極小面積的真空絕緣材料,而探測探頭必須有很高的探測分辨率才能檢測到這個小區域(毫瓦量級)的熱流變化。
(2)真空絕熱材料不是均質材料。真空絕緣部件通常由外部高導熱材料(如玻璃或復合鋁膜)夾在中間。由于真空絕熱部件與外部高導熱材料的導熱系數相差5個數量級以上,因此在測試過程中很容易沿絕熱材料生產板材。表面流的寄生熱損失在測試表面形成面內溫度梯度,對小面積在線監測提出了很高的技術要求。
(3)因為在線檢測,需要作為一個線生產過程在線檢測,可以在真空絕緣材料生產線快速實時檢測每一個產品,單一產品測試時間小于1分鐘,最好能達到10 ~ 30秒快速檢測的這種能力。
由此可見,真空絕緣材料的熱性能測試對在線測試提出了兩個要求。一個層次是快速在線檢測和判斷產品質量是否達到標準的能力。這就要求具有高分辨率、快速檢測能力和良好的測量重復性。另一個層次是實現了高精度的測量,準確地測量了產品的傳熱系數和導熱系數,與標準方法的測試結果進行了比較,如保護熱箱法在允許偏差范圍內。
3. 國內外測試方法研究
面對真空絕緣材料熱性能在線測試的技術挑戰,國內外開展了大量的研究和探索??偨Y了國內外的研究報告,討論了各種檢測方法的優缺點。
3.1. 穩態法:小面積保護熱板法
3.1.1澳大利亞柯林斯隊的研究工作
保護熱板法是一種經典的平板型試樣熱阻和導熱系數的穩態測量方法。它對被測樣品有嚴格的尺寸要求。樣本量一般大于300×300 mm2試驗面積,試驗周期至少為4小時。同時,保溫效果越好,試驗時間越長。然而,由于保護熱板法是一種高精度的絕對測量方法,常被用作標準的測試儀器和計量的可追溯性測試儀器。計量和測試認證機構通常配備這種防護熱板設備和較大樣本尺寸的熱箱保護設備,以評價真空玻璃和真空保溫板的質量。
澳大利亞柯林斯研究小組在經典保護熱板法的基礎上,開發了一種小面積保護熱板法,對真空玻璃的熱性能進行了測試和研究。測量原理如圖3-1所示.一個小的熱導體,這里稱為測量塊,放置在被測試樣品的一側,并且具有良好的熱接觸,測量塊的所有其他側面都被一個保持恒定溫度的恒溫保護裝置所包圍。熱保護裝置還與被測樣品保持良好的熱接觸,測量塊上的熱量只能通過試樣方向上傳遞,其周圍的熱損失幾乎為零。被測樣品的另一側保持恒定的低溫,熱流從熱保護裝置流向相對的冷板,熱量也從熱保護裝置流向測量塊,測量塊通過試樣流向冷板。
真空絕熱材料:真空玻璃與真空絕熱板傳熱系數在線檢測技術
圖3 - 1小區結構保護熱板法和測量裝置示意圖
由嵌入在這些元件中的溫度傳感器檢測測量塊與熱保護裝置之間的溫差。測量塊內的熱量是由內部電加熱器產生的,同時提高了測量塊的溫度。當測量塊的溫度與熱保護裝置的溫度完全相等時,兩部分之間就沒有熱流。在這個零溫差下,測量塊中產生的所有能量都流經樣品,形成所謂的一維熱流。根據穩態一維熱流的傅立葉傳熱規律,利用測量塊的已知面積,可以得到樣品傳熱系數的絕對測量值。
澳大利亞柯林斯團隊開發了一種小面積保護性熱板測試儀器,用于測量真空玻璃中不同的傳熱過程。這些儀器可用于識別真空空間中輻射和氣體傳導對傳熱的個別貢獻,包括通過支撐柱。為了做到這一點,測量塊的尺寸非常小,塊的截面積約為1cm2,其周圍的保護裝置的面積約為100 cm2。由于測量是小面積和真空絕熱樣品,儀器必須能夠檢測到非常小的熱量變化。
與保護熱板法一樣,發展小面積保護熱板法的關鍵技術是將測量塊的熱損失降低到可忽略的水平,并證明熱損失得到有效消除。為了驗證有效地消除了儀器的熱損失,需要測量的少量熱量要求測量塊和熱保護裝置之間的最小溫差。采用兩片無內涂層的浮法玻璃(FL-FL)和一片內表面熱分解的低輻射鍍膜玻璃(FL-LE)兩種真空玻璃。圖3-2示出了小面積保存。從熱板試驗裝置獲得的典型實驗數據。
真空絕熱材料:真空玻璃與真空絕熱板傳熱系數在線檢測技術
圖3-2小型保護熱板測試儀獲得的典型數據
為了進行精確的絕對測量,必須使用具有已知傳熱系數的樣品來校準測量塊的有效面積。兩個未涂覆的玻璃片之間的真空空間為這種校準測量提供了非常方便的樣品,因為玻璃表面之間的輻射和熱傳遞速率可由玻璃已知的紅外光學元件以非常高的精度計算。
有限元模型分析可以用來確定玻璃板在等溫表面熱流引起的每一列支持橫向擴散程度,這些數據可用于確定與一個海岸相關聯的熱流率,然后從中心線尺寸測量塊的軸和海岸,相交的圓面積測量塊和海岸。如果你想忽略流經海岸熱的影響,從這些獎學金,結果可以計算與測量塊列需要遠離測量塊的距離。的列扶持的正常大小的數組(約20 ~ 30毫米)支持列間距,如果測量塊位于支持列數組單元的中心,熱流測量的海岸仍有一個小但重要貢獻。為了使熱測量的影響忽略海岸,悉尼大學在真空玻璃項目采取了一些缺乏一個支持列或列面積約50 mm直徑真空玻璃樣本,這些樣本的使用的測量輻射和真空玻璃傳熱提供了一個非常準確的信息。
對單個支撐柱熱流擴散的建模和分析結果也可用于計算測量塊直接在支撐柱上方時熱流與實測熱流的比例,從而減少輻射和氣體傳導引起的已知熱流通量。確定了支撐柱本身的熱流率,并利用這些測量結果驗證了單個支撐柱熱流流動的理論模型。在某些情況下,在真空玻璃中使用表面粗糙的支撐柱,而且由于支撐柱表面與玻璃板之間的熱接觸不完全,測量結果也可用于提供關于支撐柱熱流降低的定量信息。
總之,澳大利亞柯林斯小組對用保護熱板法測量真空玻璃的熱流進行了詳細的研究,并研究了影響小面積保護熱板儀工作和校準的幾個小的影響因素。實踐證明,小面積保護熱板裝置是驗證真空玻璃和支撐柱傳熱理論模型的有力工具。該儀器還用來證明兩個熱流過程之間的相互作用小到可以忽略的程度。同時,小面積保護熱板法也可用于研究真空玻璃的真空穩定性和評價真空玻璃在其生命周期中的性能。
然而,由于這種小面積熱板法通常需要一小時來完成測量,并且因為需要將熱保護裝置的溫度保持在非常精確的恒定值,并且只能在室溫或室溫附近用于測量。樣品采用該保護熱板法對儀器進行測試。事實上,它僅限于實驗室研究,不能應用于真空玻璃的在線監測。
3.1.2. 北京新立基公司研究工作
來自北京新力基公司的唐健正教師是澳大利亞柯林斯團隊的前成員,他在回國后對真空玻璃傳熱系數的測試進行了大量的研究。根據小面積保護熱板法原理,研制了精密導熱儀和快速導熱儀兩種熱導儀,建立了測定建筑材料行業真空玻璃傳熱系數的標準方法。該精密導熱儀的測量范圍為0~10 Wm-2K-1,標稱精度可達0。1Wm-2K-1,測量時間30 min,體積小,重量小于15 kg??焖賹醿x的測量范圍為0~25 Wm-2K-1,標稱精度為0。2Wm-2K-1,測量時間小于5 min。具有體積小、重量輕的特點。與精密導熱儀不同,測量精度稍低,但測量時間短。
精密導熱儀具有精度高的特點,它能區分真空是否達到標準,但必須有足夠的熱測量時間??焖贌釋x降低了測量精度要求,使測量時間縮短了6倍。這樣,當在線監測時,后一次首先檢查,真空度必須滿足標準而不能滿足標準,剩余的少量難以用前者的精度判斷,從而構成在線導熱系數檢測線。
通過對北京新同業公司相關報道的研究,發現北京新同業公司研制的導熱儀仍存在以下不足:
(1)隨著科學的發展,真空玻璃的傳熱系數沒有Wm 0.3 - 2 k - 1,這么小的價值需要較高的熱導率儀可以測量精度,這是需要進一步提高熱導儀的準確性。
(2)真空玻璃的熱導率由載體的導熱系數、輻射熱導率和內真空度共同作用而成。目前,新立基公司研制的熱導率儀還不能單獨測量這三種熱導率。若能分別測量支架的熱導率、輻射熱導率和內真空,則可改善支架材料,改善玻璃表面的亮度,或增加內真空。
3.2. 非穩態法
3.2.1. 瞬態法
為了提高真空玻璃的在線測試能力,澳大利亞柯林斯團隊提出了一種瞬態測試方法,如圖3-3所示。溫度傳感器安裝在真空玻璃樣品的一側,通常位于支撐柱陣列的中心。在真空玻璃板的另一側放置一個小的(約10厘米)熱傳導板,與電加熱器和溫度傳感器保持良好的熱接觸。
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圖3-3 真空玻璃瞬態法測試原理圖
整個樣品的初始溫度是恒定和均勻的,溫度傳感器的輸出記錄了幾分鐘,以確定溫度確實是恒定的。然后將已知數量的電能加載到電熱器中,使電熱器快速升溫,溫升通常為2030℃。玻璃板內表面的溫差導致熱通過真空中間層,而與電加熱器相對的試樣側的溫度上升緩慢。溫度的初始速率測量結合真空玻璃的熱容量(由玻璃的厚度、比熱和密度的乘積導出)和臺階溫度的上升幅度,可以得到溫度傳感器周圍樣品的傳熱系數。
還使用了兩種真空玻璃進行瞬態測量。一種是由兩個沒有內部涂層的浮法玻璃板(FL-FL)組成,另一種是內表面熱分解沉積的低發射率鍍膜玻璃片(FL-le),它們都很厚。圖3-4的3毫米,顯示了典型的實驗數據得到的瞬態技術.
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圖3-4 用瞬態技術獲得的典型數據
如果溫度在真空玻璃樣品嚴峻傳感器位于支持列數組單元的中心,在梯田升溫開始幾分鐘后,測量的溫度幾乎慢慢改變由于熱輻射和氣體導電真空夾層內,流經海岸附近的熱量需要很長時間到達溫度傳感器,因為它必須冷側擴散到玻璃的樣品。這使得該技術可以用來測量玻璃和氣體的輻射傳熱系數,并認為熱流通過列的貢獻,即使是一個標準的支持列數組(約20 ~ 30毫米)支持列間距的真空玻璃。
瞬態技術也可以用來測量真空玻璃樣品在高溫下的傳熱系數,這對研究真空玻璃長期存放在室溫以上時的真空退化機理具有重要意義。該技術用于檢測真空玻璃在高溫老化過程中釋放出大量氣體,冷卻到室溫時,玻璃表面發生氣體再吸收。質譜實驗表明,在這種條件下釋放的氣體幾乎完全是水蒸氣。研究表明,在真空抽真空過程中充分烘焙真空玻璃,可以消除真空玻璃在幾十年的使用壽命中的任何重要的熱放電現象。
瞬態技術不是真空玻璃傳熱系數的絕對測量方法。得到的數據必須與樣品冷表面玻璃片的熱容量和臺階溫度的升高幅度相結合,才能獲得真空玻璃的熱流傳熱系數。理想情況下,這種計算應采用時變有限元模型分析過程,因為傳熱板需要很長時間才能在玻璃表面擴散,從而延緩了冷表面溫度的初始上升。當采用瞬態有限元法時,用時間測量玻璃板冷表面的溫度,得到了傳熱系數的數據,與其他方法吻合較好。這樣,用已知的傳熱系數測量相同幾何尺寸的樣品,即在瞬態測量過程中,對瞬態法進行標定是非常簡單的。在指定的時間(例如2分鐘)后,測量的玻璃冷表面溫度的總變化可以與從已知樣品中得到的相似數據進行比較。
瞬態法得到的數據具有良好的重復性。此外,該技術易于使用、自動化和可校準。實際測量時間很短,通常是幾分鐘。因此,該方法非常適用于真空玻璃批量生產中的質量保證測試。瞬態法的缺點是樣品溫度在測量前必須非常穩定,因此在測量前需要將樣品在穩定的環境中儲存一段時間。
3.2.2. 動態冷卻法
為了進一步提高真空玻璃在線檢測的能力,澳大利亞Collins團隊還提出了一種高溫動態冷卻試驗方法,其測量原理如圖3-5所示。在冷卻過程中,整個真空玻璃樣品最初處于高溫狀態,然后放置在被試樣品的一側,與已知傳熱系數的第二真空玻璃標準樣品接觸,形成絕熱邊界條件。標準樣品的起始溫度可以是高的,也可以是室溫的,燈絲熱電偶約為0。在兩個真空玻璃樣品的接觸表面之間放置直徑為1毫米。模塊中的兩個真空玻璃接觸面之間的小間隙確保了它們之間良好的熱接觸,從而使它們的溫度趨于相當快,并且室溫空氣通過模塊中的兩個真空玻璃的外部表面吹過。這種強制對流的換熱系數較高,因此兩種樣品的外玻璃片的溫度很快就會接近室溫。從真空玻璃內的玻璃板中流出的熱量通過兩個樣品的絕熱真空空間向外玻璃片流動,然后通過外部玻璃片進入空氣。因此,內玻璃的溫度會隨著樣品和標準樣品的傳熱系數以相應的速度緩慢降低。
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圖3-5 瞬態法測試中所采用的儀器示意圖
由于標準樣品的傳熱系數是已知的,因此可以計算被測樣品的傳熱系數。對于由3mm厚的玻璃板制成的真空玻璃樣品和標準樣品,圖3-6顯示了通過冷卻獲得的真空玻璃中心的試驗結果。對于這些數據,兩個樣品在高溫開始測量之前。外玻璃片溫度的初始降低率可用于確定與這些玻璃片外表面上的傳熱有關的傳熱系數和流動空氣之間的關系。接觸式內玻璃板的熱損失率受外傳熱系數的影響,但這種影響比試樣本身的玻璃-玻璃傳熱系數小且長。兩個外玻璃板之間的溫差與流經樣品的不同熱流率有關。
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圖3-6 動態冷卻法測試得到的典型數據
與瞬態法一樣,冷卻法不是測量真空玻璃熱流通量的絕對方法。然而,該方法的標定可以使用瞬態方法中的任何一種技術進行,而這種方法是用時間相關的有限元模型來分析的?;蛘吒唵蔚恼f,就是用已知的傳熱系數來測量相同幾何尺寸的標準樣品。由于與兩個真空玻璃組件內玻璃板指數冷卻形式有關的時間常數可能相當大,通常約60分鐘,這種相對較慢的冷卻速度確保了通過支撐柱的熱流足以沿玻璃板擴散,而內玻璃板的橫向溫度變化較小。因此,該冷卻方法可用于測量真空玻璃的總傳熱系數(輻射+氣體+支撐柱)。
可以看出,冷卻工藝可應用于真空玻璃生產線,特別是真空工藝剛剛完成時,在高溫下進行脫氣處理,真空玻璃制品通常處于高溫狀態。與其他在線檢測技術相比,將冷卻監測集成到真空玻璃生產線的末端,可以節省大量的時間和人力。
3.3. 國內外相關在線測試儀器
3.3.1德國便攜式復合玻璃UG測量儀
基于改進的動態熱源法,研制了瞬態在線測試技術和便攜式復合玻璃傳熱系數測試儀,如圖3-7所示。利用一維傳熱差分模型和軟件,用兩個具有加熱函數的溫度傳感器測量了真空玻璃的傳熱系數。這種測試技術是一種相對比較的方法,配備了標準的絕緣玻璃樣品。由于該檢測技術的探測器相對較小,可用于實驗室檢測和現場評價。對于普通真空玻璃,整個測試過程約為1015分鐘,每次測量間隔約10分鐘。
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圖3-7便攜式復合玻璃傳熱系數測量儀
如圖3 - 8所示,在測試的過程中通過泵將測量兩側玻璃真空吸附在探測器。安裝完成后,探測器的一個一邊加熱到溫度高于另一側的檢測器溫度7 ~ 8℃的范圍,同時檢測變化的另一邊檢測器溫度ΔT。
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圖3-8 傳熱系測量儀安裝布置和測量示意圖
通過分析不同溫度下真空玻璃的瞬態變化過程,可以測量真空玻璃的傳熱系數。真空玻璃0.540 Wm-2K-1的傳熱系數測量范圍為-1060℃,探測器為室溫~150℃。
UGLASE用于測量儀Kim和其他常溫常壓下的人。如圖3-9所示,獲得了不同間距的中空玻璃內部和外部的傳熱系數。
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圖3-9中空玻璃內、外傳熱系數的測量
從圖3-9所示的試驗結果可以看出,無論真空玻璃內部還是外部,內外雙層中空玻璃板的傳熱系數均隨間隔寬度的增加而線性減小。因此,雙層中空玻璃的傳熱系數不受周圍環境的影響,也就是說,沒有框架的雙層中空玻璃的絕緣性能可以被解釋為即使在不同的環境中也具有相同的絕緣性能。
除了普通中空玻璃,金等人也內部中空玻璃表面涂布低輻射涂層比較影響隔熱性能的測量,測量結果如圖3 - 10所示。
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圖3-10低E涂層與無中空間距低E涂層的隔熱玻璃傳熱系數的比較
從圖3-10所示的試驗結果可以看出,低E涂層的中空玻璃的傳熱系數隨著間距的增加而迅速減小。隨著間距的增加,斜率減小,為-150.4*103Wm-3K-1,比沒有低E涂層的-68.8*103Wm-3K-1的斜率快近兩倍。在中空玻璃間距為15mm左右時,加入低E涂層后,傳熱系數降低近一半,說明低E涂層在中空玻璃和真空玻璃中起著重要作用。
從公司有關報告中可以看出,傳熱系數測量儀的總體尺寸過大,測量覆蓋面積近400×400 mm2,能夠滿足保溫玻璃傳熱系數的測試要求。雖然測量精度可以達到±0。1Wm-2K-1,沒有關于小于1Wm-2K-1的真空玻璃傳熱系數的測量報告,也沒有關于真空絕緣材料(VIP)導熱系數測量結果的報道。同時,在真空絕緣材料的生產過程中,試驗時間超過10分鐘,試樣兩側保持的方法不能滿足在線質量監測的要求。
3.3.2. 日本EKO公司導熱儀
為了真正實現真空絕緣材料的在線監測,日本EKO公司研制了HC-10型快速導熱儀,如圖3-11所示??紤]到在線測試,該儀器采用單端探頭的最佳檢測方式,將探頭放置在被測材料上,可在一分鐘內得到導熱系數的測量結果。
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圖3-11 HC - 10日本EKO貿易公司快速導熱系數測試儀
該快速導熱儀的測量原理如圖3-12所示.首先,探頭加熱到室溫以上的恒溫,同時樣品在室溫下進行加熱,達到熱平衡。然后將探針放置在被測樣品的表面。當樣品熱導率較低時,探針上的熱Q會緩慢地流過并消散,相應的探針表面溫度會迅速升高;當樣品熱導率較高時,探針上的熱Q會迅速流過樣品并消散,探針的表面溫度會緩慢上升。
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圖3-12 HC-10快速導熱系數測試儀的基本原理
可以看出,在這種快速熱導儀中,探頭加熱器的熱損失與樣品的熱導率有關。如果用已知熱導率的標準樣品來標定樣品的熱導率,則可以實現樣品熱導率的自動測量。利用日本EKO公司研制的HC-10型快速導熱儀對各種材料的導熱性能進行了測試,包括真空絕緣板(VIP)的導熱系數測試。該測試儀的主要技術規格如下:
(1)導熱系數測量范圍為1000 mW/MK。
(2)測量精度:+/- 5 %
(3)樣品尺寸:邊長150~760 mm,厚度5~50 mm。
(4)測試時間:60秒
專門為真空絕緣板(VIP),基于HC - 10快速導熱系數測試儀日本EKO貿易公司還開發了一個探測器更多形式的HC - 121 VIP在線監測,如圖3 - 13所示。
HC-121型VIP顯示器主要用于監測真空保溫板的質量是否達到標準,即真空保溫板的(VIP)導熱系數在一分鐘內測量,真空保溫板的導熱系數小于規定值。在線監視可以通過一臺主機同時連接多達5個探針來執行。
真空絕熱材料:真空玻璃與真空絕熱板傳熱系數在線檢測技術
圖3-13日本EKO公司HC-121 VIP監控器
與HC-10快速導熱儀不同,HC-121 VIP監測儀只能進行相對測量,探頭需要由用戶自己校準,用戶需要根據VIP材料生產的實際特點使用。HC-121型VIP監測儀的技術指標與HC-10型快速導熱儀基本相同,但導熱系數的測試范圍僅限于真空絕緣材料(1~15 mW/MK)。
關于日本EKO公司開發的兩種在線監測儀器,我們還沒有看到實際的應用報告和測試數據,更不用說真空玻璃的測試應用了。原則上,這兩種儀器適用于均相材料的超低導熱性測試,但對于真空絕緣材料等非均勻復合材料,可能存在以下問題:
(1)真空絕緣板(VIP)的表面通常涂覆有具有高導熱率的金屬保護熱層。在測試過程的早期階段,探頭上的熱量將迅速通過表面上的金屬膜消散。所得到的溫度變化曲線不一定代表低導熱材料測試過程中的實際溫度變化。類似地,在線質量監控發生在使用真空絕緣板的冰箱生產線上,真空絕緣板也由金屬包裹在真空絕緣板中。
(2)以同樣的方式,真空玻璃、玻璃和高導熱復合結構的真空絕熱層、玻璃的導熱系數接近1 W /可大于真空隔熱層的導熱系數,測試過程中也會發生類似的問題。
3.3.3. 內部真空度測試儀器
真空絕緣材料的一個重要特點是材料內部是真空的,因此在線測試技術中的真空度實時監測也是一種在線監測技術手段。
隨著各種真空絕緣材料真空測量技術的發展,大多采用諧振式真空傳感器,即在真空絕緣材料中植入具有MEMS結構的預校準LC微傳感器。通過對諧振傳感器的外部激勵,得到了諧振頻率與內部真空度的關系。
內部真空測試技術的最大優點是真空絕緣材料內部的真空可以在幾秒鐘內被檢測,但是最大的問題是將校準的傳感器植入產品中。
4. 現有技術總結
目前,對真空隔熱材料進行表征的標準方法,如保護熱箱法和大面積保護熱板法,主要用于測量真空保溫材料的熱流率。這兩種技術為真空絕緣材料的整體熱流過程提供了信息。然而,它們在測試過程中相對較慢,不可能分別評價不同傳熱機理引起的真空絕緣材料的熱流成分。
為了測量真空絕緣材料的局部熱流,滿足工業生產和工程應用的需要,提出了國內外幾種特殊設計的試驗方法。
(1)小面積保護熱板法能很精確地測量真空玻璃的局部熱流。該裝置可用于驗證由輻射、氣體導熱和通過支撐柱導熱引起的不同熱流過程的理論模型。并證明了小面積保護熱板法試驗裝置正在檢測中。該方法也可用于真空絕熱板的熱性能測試和評價。小面積熱板法是目前最精確的方法,但該方法是一種雙面檢測結構的被測樣品。測試時間最快是幾分鐘。它適合于實驗室研究,但不能很好地滿足在線測試的需要。
(2)瞬態方法提供了傳熱系數和熱導率的測量真空絕緣快速方法,這種方法可以通過測量傳熱系數和導熱系數的標準樣品校準測試設備。這種方法是快速和容易使用,并且具有較高的重復性,并且可以在高溫條件下的氣體釋放過程研究的真空玻璃效果非常明顯。目前國外相關測試設備基本上是基于這種方法,可見的方法已基本認可。盡管德國抵抗太極公司采用中空玻璃雙面的方法測試結構的便攜式測試儀器,EKO貿易公司日本真空絕緣板的單探針結構的便攜式測試儀器,但目標是滿足的傳熱系數和熱導率真空絕緣在線測試需求,和我們認為,單一傳感器結構更適合在線測試,這將是一個測試儀器的發展方向。
(3)冷卻方法提供了真空玻璃整體傳熱系數的測量方法。雖然該方法在實際應用中可能不實用,但在今后的真空玻璃生產過程中可能會被集成,與其他方法相比,冷卻過程的成本和時間都有了很大的節省。
5. 上海依陽公司在線快速檢測技術
基于瞬態法,上海益陽工業有限公司提出了一種新的快速測試方法&動態熱流法。動態熱流方法與日本EKO公司相似,也采用單面探頭結構,但不同于日本EKO公司,即測量加熱器表面的溫度變化。新的測量方法對熱流密度的變化比對溫度的變化更敏感。如圖5-1所示,測量了正常和異常真空絕緣板的熱流通量隨時間變化的曲線。
在動態熱流測量的初始階段,熱通量的測量值較低時,單面探針是在恒定的溫度和探頭不與樣品接觸(真空玻璃或真空絕熱板)。然而,接觸探針與待測樣品表面后,探測器上的熱量迅速通過真空隔熱材料的表面(玻璃保護膜或金屬),和行動的表面的材料具有高的熱導率較大的H吃通量,即使測量值的初始熱流迅速增加。
真空絕熱材料:真空玻璃與真空絕熱板傳熱系數在線檢測技術
圖5-1正常和異常真空絕熱材料熱流隨時間變化的測量曲線
隨著探針與樣品表面接觸時間的增加,通過表面材料的熱流被內絕緣層阻塞,測得的熱流逐漸減小,反映了絕緣層的低導熱率??梢缘贸鼋Y論,熱流密度曲線下降的速率可以用作樣品的絕熱性能的度量,即,如果被測試樣品處于正常真空絕熱狀態,則熱流下降曲線收斂到較低的熱流值,如在圖5-1中的“正常絕熱狀態”中,如果被測試樣品處于正常真空絕熱狀態,則在異常真空絕熱狀態下,熱通量遞減曲線收斂到與圖5-1中的異常絕熱狀態相同的高熱通量值。
通過改變熱流密度曲線可以看出,動態熱流方法可以解決真空絕緣表面測試高導熱層的影響,解決了日本EKO貿易公司在線監測儀器的高導熱層表面的絕緣只會讓熱流密度在早期的崛起在很大程度上,并不影響熱流密度下降的速度以及內部保溫性能的變化。
動態熱流法的整個測試時間主要由絕緣材料的材料和表面厚度決定。普通真空保溫板的測試時間一般為10~15秒,普通真空玻璃試驗的測試時間一般為20~30秒。這種測試速度已經能夠完全滿足在線測試的要求。
用動態熱流法測得的熱流不能直接得到被測樣品的熱導率,但由于熱導率與熱通量呈線性關系,所以可以通過測量已知導熱系數的幾個標準樣品建立熱導率和熱通量的標定曲線,如圖5-2所示。將標定曲線存儲在測試儀器中,通過測量熱流率,得到導熱系數和傳熱系數。
真空絕熱材料:真空玻璃與真空絕熱板傳熱系數在線檢測技術
圖5-2 校準測試曲線
標準樣品的制作是基于真空絕緣材料的真空度與傳熱系數和導熱系數之間的關系。標準樣品可以是固定厚度的真空絕緣材料。通過精確控制材料的真空度,用保護熱板法或保護熱箱法測定材料在不同真空度下的傳熱系數和導熱系數的關系曲線。用標準樣品標定動態熱流探頭時,通過調整真空度,可以得到不同的傳熱系數和導熱系數。
動態熱流法作為一種高靈敏度的測試方法,可以用來檢測和判斷真空絕緣材料在正常范圍內是否具有傳熱系數和導熱系數。真空絕緣材料可在30秒內檢查,以確定它們是否正常工作。另外,由于動態熱流法測量裝置是一種小型的單邊探針結構,在測量操作完成后,只需將探頭與被測絕熱材料的表面接觸,測試完成后,探頭就與絕熱材料分離。利用機械結構實現自動檢測,可應用于真空絕緣材料生產線的自動實時監測。同時,動態熱流法探測探頭很小,可以在一臺多探頭的主機上實現對多個絕熱材料的同時監測,也可以實現不同方向、不同位置的測量。如果探頭放置在冰箱的頂部和側面,以監測冰箱不同部分的真空絕緣板是否正常工作,以及安裝在冰箱上的真空玻璃是否正常工作。由于標準絕熱材料樣品是通過對真空度的精確控制來確定的,這就保證了動態熱流探針的標定是有規律的。
 
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