隨著科學(xué)研究、工業(yè)技術(shù)、生物技術(shù)的不斷深入，在大專院校、科研院所的生物、生化、生物制藥實驗室，醫(yī)科院校、醫(yī)院的生理、病理、細(xì)胞實驗室以及生物制藥廠中，越來越多的物品需要低溫貯存，也越來越多的需要低溫實驗手段。在這些行業(yè)中，不僅要使用箱內(nèi)溫度為-24℃以上的普通冰箱和冷柜、箱內(nèi)溫度為-24～-80℃的低溫冰箱，同時還需要-80℃以下超低溫冰箱、制冷溫度為-80～-120℃的低溫冷卻器、低溫循環(huán)器等工作溫度在干冰溫度以下的設(shè)備。這些設(shè)備的共同點是：有一個低溫容器，工作溫度低于泡沫塑料的冷縮溫度，且此低溫容器必須進行隔熱。
隔熱型式與結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，直接影響裝置的使用性能，美觀耐久性和制造成本。
由于工作溫度不同，一般的隔熱材料并不能滿足干冰溫度以下的低溫容器的要求，因此低溫容器的隔熱結(jié)構(gòu)與普通冰箱和冷柜是不同的。在我國，低溫隔熱結(jié)構(gòu)仍然是一項新的尚待開發(fā)的技術(shù)，如何解決低溫容器隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題將是我國制冷行業(yè)面臨的一個新課題[1]。
1 雙層隔熱
隔熱層的作用是防止熱量傳入被冷卻的空間。其應(yīng)具有的主要特性是：導(dǎo)熱系數(shù)小、容重小、耐低溫性好。由于聚氨酯（PU）泡沫塑料不僅隔熱性能優(yōu)良，而且重量輕、抗壓和粘接強度較好、便于形成整體的支承和隔熱結(jié)構(gòu)，普通冰箱等一般隔熱結(jié)構(gòu)均采用PU泡沫塑料作為隔熱材料。然而，PU泡沫塑料中所用發(fā)泡劑的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度均較高，如常用發(fā)泡劑環(huán)戊烷和R114，ts分別為49.25℃和3.85℃，在-80℃以下的飽和蒸氣壓均非常低。當(dāng)溫度在-80～-90℃時，會產(chǎn)生冷縮。
為了避免冷縮，首先對低溫容器的隔熱在結(jié)構(gòu)上進行改進。隔熱結(jié)構(gòu)由雙層隔熱材料組成，如圖1所示。對于工作溫度高于冷縮溫度的外部，用PU泡沫塑料作為隔熱材料；工作溫度低于冷縮溫度的內(nèi)部，以耐低溫隔熱材料為隔熱材料。
圖1 雙層隔熱結(jié)構(gòu)及溫度分布
2 兩種隔熱材料厚度的關(guān)系
不出現(xiàn)冷縮現(xiàn)象的溫度條件是：外層隔熱材料與內(nèi)層隔熱材料分界面的溫度tz高于PU泡沫塑料的冷縮溫度tc。
由于外殼和內(nèi)膽為導(dǎo)熱系數(shù)而厚度較小，熱阻遠遠小于隔熱層，可將其熱阻忽略。這樣，從外到內(nèi)存在四個溫度梯度，即由ta到tw、tw到tz、tz到tin、tin到tb。四個溫度梯度產(chǎn)生的熱流分別為：
（1）
（2）
（3）
（4）
式中 αw—環(huán)境空氣與容器外殼間的換熱系數(shù)，W/ （m2·℃）；
αin—容器內(nèi)介質(zhì)與內(nèi)膽間的換熱系數(shù)，W/ （m2·℃）；
λ1，λ2—分別為外層隔熱材料和內(nèi)層隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃） ；
δ1，δ2—分別為外層隔熱材料和內(nèi)層隔熱材料的厚度，m。
在穩(wěn)定工作時，單位面積的漏熱量相同：
（5）
式（1）～（4）可改寫成：
（6）
（7）
（8）
（9）
因tz應(yīng)高于tc，取設(shè)計余量：
（10）
將式（6）與（7）、式（8）與（9）分別相加后相除，并將式（10）代入，可得出兩層隔熱材料的厚度存在如下關(guān)系：
（11）
在使用中，環(huán)境溫度是變化的，分界面溫度tz也會隨之發(fā)生變化。由式（11）可以看出：對于制成的隔熱結(jié)構(gòu)，在使用中，隨ta與tb的下降，tz下降；當(dāng)ta與tb同時達到zui低值時，tz為zui低值tzmin。此時應(yīng)有：
（12）
于是有：
（13）
即：
（14）
式中 tamin，tbmin—分別為zui低工作環(huán)境溫度和容器內(nèi)zui低溫度，℃；
δ2min—內(nèi)層隔熱材料zui小厚度，m。
3 隔熱結(jié)構(gòu)zui小熱阻
低溫容器通常在大氣環(huán)境中作用，由于空氣中含有水蒸氣，當(dāng)?shù)蜏厝萜魍鈿囟鹊陀诳諝饴饵c溫度時，會產(chǎn)生凝露。為保證外殼表面無凝露現(xiàn)象，應(yīng)限定外表面的zui低溫度，使其高于環(huán)境空氣露點溫度[2]。低溫容器與冰箱的使用環(huán)境基本相同，外殼表面無凝露現(xiàn)象的溫度條件也可以相同：外表面的zui低設(shè)計溫度高于環(huán)境空氣露點溫度0.2℃，即：
（15）
式中 tad—環(huán)境空氣露點溫度，℃，由相對溫度80％的條件選取。
將式（7）、（8）、（9）相加后除以式（6），并將式（13）代入，得：
（16）
在此條件下所得隔熱層的熱阻，為所需隔熱層的zui小熱阻：
（17）
當(dāng)蒸發(fā)器緊貼內(nèi)膽時，上式成為：
（18）
4 限定單位漏熱量
低溫容器冷負(fù)荷中，zui大的一項是隔熱結(jié)構(gòu)的漏熱。由于工作溫度愈低，制冷系統(tǒng)性能系數(shù)就愈小[3]，為了減少耗電、減小制冷系統(tǒng)的體積，就必須限制隔熱結(jié)構(gòu)的漏熱量。保證耗冷量不過大的限制條件是：限定圍護結(jié)構(gòu)單位面積的漏熱量qr。
此時傳熱系數(shù)為：
（19）
傳熱系數(shù)的倒數(shù)是隔熱結(jié)構(gòu)的熱阻，為對流換熱阻與各隔熱材料熱阻之和：
（20）
所以有：
（21）
5 應(yīng)用
在-100℃低溫循環(huán)器隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用上述方法進行改進。容器的容積為30dm3，內(nèi)裝無水乙醇，隔熱層厚度180mm。原設(shè)計中，隔熱結(jié)構(gòu)僅采用PU泡沫塑料一種隔熱材料。當(dāng)溫度達到-91℃時運行7天，在貼近內(nèi)膽處，隔熱層出現(xiàn)整體空洞。由于空洞進水蒸汽，在內(nèi)膽外結(jié)冰厚度超過20mm，造成隔熱失效。
改進后，外層隔熱材料仍為PU泡沫塑料，厚度130mm；內(nèi)層隔熱材料選用zui低使用溫度為-196℃的膨脹珍珠巖，粒度為30目、厚度50mm。計算時ta、tad、tamin、tb、tz、tzmin分別按38、28、0、-100、-62、-72℃取值，限定單位面積漏熱量qr為20W/（m·℃）。
在制作時，先用一個外形尺寸與內(nèi)層隔熱材料相同的模具作內(nèi)支撐，用PU泡沫塑料灌注發(fā)泡形成外隔熱層。脫模并將內(nèi)膽定位后，填入膨脹珍珠巖，用鋁箔包封進行防潮。zui后在容器蓋處用30mm厚的PU泡沫塑料灌注發(fā)泡封口，形成完整的隔熱結(jié)構(gòu)。
在容器內(nèi)溫度-100℃、環(huán)境溫度分別為38℃和0℃的條件下，各運行14天，隔熱層維持原形態(tài)，隔熱效果無可測出的變化。
6 結(jié)語
1）在干冰溫度以下工作的低溫容器，隔熱設(shè)計時應(yīng)綜合考慮隔熱材料的特性，同時滿足隔熱材料不出現(xiàn)冷縮的溫度條件、外殼不出現(xiàn)凝露的溫度條件、限定單位漏熱量時熱阻這三個條件。2）本文推導(dǎo)的方法在 -100℃低溫循環(huán)器隔熱結(jié)構(gòu)改進設(shè)計中應(yīng)用，取得良好效果。3）在低溫容器隔熱設(shè)計時，空氣參數(shù)的選取以及隔熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，仍需深入研究。
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