低温冰箱隔热结构的分析

0 绪言

    伴随着科研、工业生产技术性、生物科技的逐步推进，在大专学校、科研单位的微生物、生物化学、生物医药试验室，医科院校、医院门诊的生理学、病理学、细胞实验室及其微生物药业公司中，愈来愈多的物件必须低温存储，也愈来愈多的必须低温试验方式。在这种领域中，不但要应用箱里温度为-24℃之上的一般电冰箱和冷藏柜、箱里温度为-24～-80℃的低温电冰箱，与此同时还必须-80℃下列超低温电冰箱、致冷温度为-80～-120℃的低温冷却塔、低温循环器等工作中温度在液态氮温度下列的机器设备。这种机器设备的相同点是：有一个低温容器，工作中温度小于泡沫塑料的冷缩温度，且此低温容器务必开展隔热。

    隔热形式与构造的好坏，立即危害设备的性能指标，美观大方耐用性和制造成本。

因为工作中温度不一样，一般的隔热材料并不可以达到液态氮温度下列的低温容器的规定，因而低温容器的隔热构造与一般电冰箱和冷藏柜是不一样的。在中国，低温隔热构造依然是一项新的仍待开发设计的技术性，如何解决低温容器隔热总体设计中的难题将是在我国致冷领域遭遇的一个新课题研究[1]。

1 两层隔热

    隔热层的功效是避免发热量传到被制冷的室内空间。其应具备的关键特点是：传热系数小、密度小、耐低温性好。因为聚氨酯材料（PU）泡沫塑料不但隔热特性优质，并且重量较轻、抗压强度和粘合抗压强度不错、有利于产生总体的支撑和隔热构造，一般电冰箱等一般隔热构造均选用PU泡沫塑料做为隔热材料。殊不知，PU泡沫塑料中常用发泡胶的规范挥发温度均较高，如常见发泡胶环戊烷和R114，ts各自为49.25℃和3.85℃，在-80℃下列的饱和蒸气压均极低。当温度在-80～-90℃时，会造成冷缩。

为了更好地防止冷缩，最先对低温容器的隔热结构类型开展改善。隔热构造由两层隔热材料构成，如图所示1所显示。针对工作中温度高过冷缩温度的外界，用PU泡沫塑料做为隔热材料；工作中温度小于冷缩温度的內部，以耐低温隔热材料为隔热材料。

图1 两层隔热构造及温度遍布

2 二种隔热材料薄厚的关联

    不发生冷缩状况的温度标准是：表层隔热材料与里层隔热材料分页面的温度tz高过PU泡沫塑料的冷缩温度tc。

    因为机壳和內胆为传热系数而薄厚较小，传热系数远远地低于隔热层，可将其传热系数忽视。那样，由外到内存有四个温度梯度方向，即由ta到tw、tw到tz、tz到tin、tin到tb。四个温度梯度方向造成的热气各自为：

（1）

（2）

（3）

（4）

式中   αw-环境质量与容器机壳间的传热指数，W/ （m2·℃）；

αin-容器内物质与內胆间的传热指数，W/ （m2·℃）；

λ1，λ2-各自为表层隔热材料和里层隔热材料的传热系数，W/（m·℃） ；

δ1，δ2-各自为表层隔热材料和里层隔热材料的薄厚，m。

    在稳定工作时，企业总面积的漏发热量同样：

（5）

    式（1）～（4）可改变成：

（6）

（7）

（8）

（9）

    因tz应高过tc，取设计方案容量：

（10）

    将式（6）与（7）、式（8）与（9）各自求和后相除，并将式（10）带入，可得到双层隔热材料的薄厚存有以下关联：

（11）

    在应用中，自然环境温度是转变 的，分页面温度tz也会随着产生变化。由式（11）能够看得出：针对做成的隔热构造，在应用中，随ta与tb的降低，tz降低；当ta与tb与此同时做到最低限时，tz为最低限tzmin。这时应该有：

（12）

    因此有：

（13）

即：

（14）

式中   tamin，tbmin-各自为最少办公环境温度和容器内最少温度，℃；

δ2min-里层隔热材料最少薄厚，m。

3 隔热构造最少传热系数

    低温容器一般在环境空气效，因为空气中带有水蒸汽，当低温容器机壳温度小于气体漏点温度时，会造成精华露。为确保机壳表层无精华露状况，应限制外表层的最少温度，使其高过环境质量漏点温度[2]。低温容器与冰箱使用自然环境基本一致，机壳表层无精华露状况的温度标准还可以同样：外表层的最少设计方案温度高过环境质量漏点温度0.2℃，即：

（15）

式中   tad-环境质量漏点温度，℃，由相对性温度80％的极端化标准选择。

    将式（7）、（8）、（9）求和后除于式（6），并将式（13）带入，得：

（16）

    在这里标准下个人所得隔热层的传热系数，为所需隔热层的最少传热系数：

（17）

    当空调蒸发器紧靠內胆时，上式变成：

（18）

4 限制企业漏发热量

    低温容器冷负载中，较大的一项是隔热构造的漏热。因为工作中温度愈低，制冷机组特性指数就越小[3]，为了更好地降低耗电量、减少制冷机组的容积，就务必限定隔热构造的漏发热量。确保耗制冷量但是大的限定标准是：限制排架结构企业总面积的漏发热量qr。

    这时导热系数为：

（19）

    导热系数的最后是隔热构造的传热系数，为对流换热阻与各隔热材料传热系数之和：

（20）

因此有：

（21）

5 运用

在-100℃低温循环器隔热总体设计中运用以上方式开展改善。容器的容量为30dm3，内装工业乙醇，隔热层薄厚180mm。原设计方案中，隔热构造仅选用PU泡沫塑料一种隔热材料。当温度做到-91℃时运作7天，在接近內胆处，隔热层发生总体裂缝。因为裂缝进水蒸气，在內胆外结冻薄厚超出20mm，导致隔热无效。

改善后，表层隔热材料仍为PU泡沫塑料，薄厚130mm；里层隔热材料采用最少应用温度为-196℃的膨胀珍珠岩板，粒度分布为30目、薄厚50mm。测算时ta、tad、tamin、tb、tz、tzmin各自按38、28、0、-100、-62、-72℃选值，限制企业总面积漏发热量qr为20W/（m·℃）。

    在制做时，先用一个尺寸与里层隔热材料同样的模貝作内支撑点，用PU泡沫塑料注浆聚氨酯发泡产生外隔热层。出模并将內胆精准定位后，填写膨胀珍珠岩板，用铝铂包裹开展防水。最终在容器盖处用30mm厚的PU泡沫塑料注浆聚氨酯发泡密封，产生详细的隔热构造。

    在容器内温度-100℃、自然环境温度各自为38℃和0℃的标准下，各运作14天，隔热层保持原形状，隔热实际效果没法测到的转变 。

6 总结

    1）在液态氮温度下列工作中的低温容器，隔热设计方案时要综合性考虑到隔热材料的特点，与此同时达到隔热材料不发生冷缩的温度标准、机壳不发生精华露的温度标准、限制企业漏发热量时传热系数这三个标准。2）文中推论的方式在 -100℃低温循环器隔热构造改善设计方案中运用，获得显著成绩。3）在低温容器隔热设计方案时，气体主要参数的选择及其隔热构造的提升，仍需深入分析。

论文参考文献

[1]  赵韩，叶斌。家用冰箱与低温箱箱体设计的对比研究[J].低温与特气。2003，21（4）：10-12

[2]  徐传宙，时  阳。制冷器具原理与技术[M].北京：中国轻工业出版社，1996.

[3]  郑贤德。制冷原理与装置。北京：机械工业出版社，2001.