真空玻璃隔熱性能的理論與實驗研究

張志軍 張世偉 王 卓 徐成海

東北大學機械工程與自動化學院

　　摘要：真空玻璃作為二十一世紀新型透光保溫材料，因其具有保溫隔熱，防噪音，防結(jié)霜露等方面的優(yōu)勢，使其在綠色節(jié)能領(lǐng)域有廣泛的發(fā)展空間。但由于真空玻璃制造技術(shù)的難度較高，目前國內(nèi)外對其開展的理論研究和生產(chǎn)技術(shù)還處于起步階段。

　　本文主要針對真空玻璃的隔熱、隔聲性能進行相關(guān)研究，其結(jié)論對于真空玻璃在我國的研究和推廣，有一定理論指導和實際應用價值。在真空玻璃隔熱性能研究中，本文主要通過理論分析，仿真模擬和實驗測量三種途徑，進行了相應的研究。同時依據(jù)靜態(tài)熱箱法實驗原理，設計搭建了真空玻璃綜合熱傳導系數(shù)實驗測試臺，利用該實驗臺測得氣體在不同壓強下的傳熱系數(shù)曲線。并且依據(jù)實驗室現(xiàn)有條件探索制作了真空玻璃實驗樣品，預測軟支撐支柱將取代現(xiàn)有硬支撐支柱。在制作真空玻璃實驗樣品中，發(fā)明一種新的真空玻璃支柱結(jié)構(gòu)，采用該支柱結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有生產(chǎn)工藝中支柱擺放的問題。

　　本文對真空玻璃的傳熱機制進行深入分析后，根據(jù)玻璃固體導熱與輻射傳熱耦合的模型理論，建立真空玻璃傳熱的傳導輻射數(shù)學模型;利用吸收—發(fā)射介質(zhì)的傳熱過程，得出了真空玻璃的玻璃層的非線性微分積分傳熱控制方程。為研究真空玻璃隔熱性能提供了新的理論方法。在利用ANSYS WORKBENCH 13.0 進行真空玻璃模型傳熱仿真模擬時，通過對比不同的劃分網(wǎng)格方法所計算的結(jié)果后，得到針對真空玻璃這種幾何結(jié)構(gòu)的傳熱模型的網(wǎng)格劃分方法，即支柱區(qū)域網(wǎng)格劃分不必過密，但必須保證支柱在上下玻璃板投影區(qū)域的網(wǎng)格細化均勻且足夠密，這樣才能保證計算的精確度的結(jié)論。

　　利用所搭建的實驗臺，測得了真空玻璃狹縫內(nèi)氣體在不同壓強下，真空玻璃的導熱系數(shù)。繪制了氣體隨壓強變化的導熱曲線，該曲線呈現(xiàn)扁“S”型。曲線拐點處壓強為氣體狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的壓強，該壓強可以由克努增系數(shù)估算得到。當真空玻璃內(nèi)狹縫氣體壓強下降到0.1 Pa 時，氣體進入自由分子狀態(tài)以后，其狹縫內(nèi)壓強的降低對傳熱系數(shù)的減少并不明顯，這也從實驗和理論上解釋了真空玻璃狹縫內(nèi)氣體壓強為什么只要保持在0.1 Pa 以下即可達到理想的絕熱效果。