超低温冷处理箱保温结构分析
时间：2012-07-04 阅读：2070
随着科学研究、工业技术、生物技术的不断深入，在大专院校、科研院所的生物、生化、生物制药实验室，医科院校、医院的生理、病理、细胞实验室以及生物制药厂中，越来越多的物品需要低温贮存，也越来越多的需要低温实验手段。在这些行业中，不仅要使用箱内温度为-24℃以上的普通冰箱和冷柜、箱内温度为-24～-80℃的低温冰箱，同时还需要-80℃以下超低温冰箱、制冷温度为-80～-120℃的低温冷却器、低温循环器等工作温度在干冰温度以下的设备。这些设备的共同点是：有一个低温容器，工作温度低于泡沫塑料的冷缩温度，且此低温容器必须进行隔热。
隔热型式与结构的优劣，直接影响装置的使用性能，美观耐久性和制造成本。
由于工作温度不同，一般的隔热材料并不能满足干冰温度以下的低温容器的要求，因此低温容器的隔热结构与普通冰箱和冷柜是不同的。在我国，低温隔热结构仍然是一项新的尚待开发的技术，如何解决低温容器隔热结构设计中的问题将是我国制冷行业面临的一个新课题[1]。
1 双层隔热
隔热层的作用是防止热量传入被冷却的空间。其应具有的主要特性是：导热系数小、容重小、耐低温性好。由于聚氨酯（PU）泡沫塑料不仅隔热性能优良，而且重量轻、抗压和粘接强度较好、便于形成整体的支承和隔热结构，普通冰箱等一般隔热结构均采用PU泡沫塑料作为隔热材料。然而，PU泡沫塑料中所用发泡剂的标准蒸发温度均较高，如常用发泡剂环戊烷和R114，ts分别为49.25℃和3.85℃，在-80℃以下的饱和蒸气压均非常低。当温度在-80～-90℃时，会产生冷缩。
为了避免冷缩，首先对低温容器的隔热在结构上进行改进。隔热结构由双层隔热材料组成，如图1所示。对于工作温度高于冷缩温度的外部，用PU泡沫塑料作为隔热材料；工作温度低于冷缩温度的内部，以耐低温隔热材料为隔热材料。
图1 双层隔热结构及温度分布
2 两种隔热材料厚度的关系
不出现冷缩现象的温度条件是：外层隔热材料与内层隔热材料分界面的温度tz高于PU泡沫塑料的冷缩温度tc。
由于外壳和内胆为导热系数而厚度较小，热阻远远小于隔热层，可将其热阻忽略。这样，从外到内存在四个温度梯度，即由ta到tw、tw到tz、tz到tin、tin到tb。四个温度梯度产生的热流分别为：
（1）
（2）
（3）
（4）
式中 αw—环境空气与容器外壳间的换热系数，W/ （m2·℃）；
αin—容器内介质与内胆间的换热系数，W/ （m2·℃）；
λ1，λ2—分别为外层隔热材料和内层隔热材料的导热系数，W/（m·℃） ；
δ1，δ2—分别为外层隔热材料和内层隔热材料的厚度，m。
在稳定工作时，单位面积的漏热量相同：
（5）
式（1）～（4）可改写成：
（6）
（7）
（8）
（9）
因tz应高于tc，取设计余量：
（10）
将式（6）与（7）、式（8）与（9）分别相加后相除，并将式（10）代入，可得出两层隔热材料的厚度存在如下关系：
（11）
在使用中，环境温度是变化的，分界面温度tz也会随之发生变化。由式（11）可以看出：对于制成的隔热结构，在使用中，随ta与tb的下降，tz下降；当ta与tb同时达到zui低值时，tz为zui低值tzmin。此时应有：
（12）
于是有：
（13）
即：
（14）
式中 tamin，tbmin—分别为zui低工作环境温度和容器内zui低温度，℃；
δ2min—内层隔热材料zui小厚度，m。
3 隔热结构zui小热阻
低温容器通常在大气环境中作用，由于空气中含有水蒸气，当低温容器外壳温度低于空气露点温度时，会产生凝露。为保证外壳表面无凝露现象，应限定外表面的zui低温度，使其高于环境空气露点温度[2]。低温容器与冰箱的使用环境基本相同，外壳表面无凝露现象的温度条件也可以相同：外表面的zui低设计温度高于环境空气露点温度0.2℃，即：
（15）
式中 tad—环境空气露点温度，℃，由相对温度80％的条件选取。
将式（7）、（8）、（9）相加后除以式（6），并将式（13）代入，得：
（16）
在此条件下所得隔热层的热阻，为所需隔热层的zui小热阻：
（17）
当蒸发器紧贴内胆时，上式成为：
（18）
4 限定单位漏热量
低温容器冷负荷中，zui大的一项是隔热结构的漏热。由于工作温度愈低，制冷系统性能系数就愈小[3]，为了减少耗电、减小制冷系统的体积，就必须限制隔热结构的漏热量。保证耗冷量不过大的限制条件是：限定围护结构单位面积的漏热量qr。
此时传热系数为：
（19）
传热系数的倒数是隔热结构的热阻，为对流换热阻与各隔热材料热阻之和：
（20）
所以有：
（21）
5 应用
在-100℃低温循环器隔热结构设计中应用上述方法进行改进。容器的容积为30dm3，内装无水乙醇，隔热层厚度180mm。原设计中，隔热结构仅采用PU泡沫塑料一种隔热材料。当温度达到-91℃时运行7天，在贴近内胆处，隔热层出现整体空洞。由于空洞进水蒸汽，在内胆外结冰厚度超过20mm，造成隔热失效。
改进后，外层隔热材料仍为PU泡沫塑料，厚度130mm；内层隔热材料选用zui低使用温度为-196℃的膨胀珍珠岩，粒度为30目、厚度50mm。计算时ta、tad、tamin、tb、tz、tzmin分别按38、28、0、-100、-62、-72℃取值，限定单位面积漏热量qr为20W/（m·℃）。
在制作时，先用一个外形尺寸与内层隔热材料相同的模具作内支撑，用PU泡沫塑料灌注发泡形成外隔热层。脱模并将内胆定位后，填入膨胀珍珠岩，用铝箔包封进行防潮。zui后在容器盖处用30mm厚的PU泡沫塑料灌注发泡封口，形成完整的隔热结构。
在容器内温度-100℃、环境温度分别为38℃和0℃的条件下，各运行14天，隔热层维持原形态，隔热效果无可测出的变化。
6 结语
1）在干冰温度以下工作的低温容器，隔热设计时应综合考虑隔热材料的特性，同时满足隔热材料不出现冷缩的温度条件、外壳不出现凝露的温度条件、限定单位漏热量时热阻这三个条件。2）本文推导的方法在 -100℃低温循环器隔热结构改进设计中应用，取得良好效果。3）在低温容器隔热设计时，空气参数的选取以及隔热结构的优化，仍需深入研究。