方舱热控与气流组织研究

发布时间：2020-06-09 05:39

【摘要】：方舱为野外作业人员提供庇护所,扩展方舱可增大舱内人员的工作区域,提高人员的生活质量。扩展方舱的刚性围护结构要求有机械性能好、轻质和隔热性能佳等特点来提高能源利用效率和适应应用环境,而其环控系统则为室内值守人员提供温湿度和空气品质保障,使人员在较为舒适的环境下生活和工作。方舱热控对围护结构的隔热性能提出了很高的要求。为此,我们提出以一种轻质的、结合先进隔热材料和传统隔热材料、隔热性能良好且应用成本低的复合结构隔热材料作为方舱的围护结构。以传统隔热材料——聚氨酯(polyurethane,PU)泡沫为基材、以先进隔热材料——真空隔热板(Vacuum Insulation Panel,VIP)或气凝胶为芯材,设计了包覆式的复合结构隔热材料。通过仿真模拟、热阻理论模型和实验测量的方法,对复合结构隔热材料的有效导热系数进行了研究,分析了芯材的几何参数和导热系数对复合结构隔热材料有效导热系数的影响。研究发现,复合材料的有效导热系数随芯材导热系数的增大而增大,随芯材尺寸的增大而减小;其面密度随着芯材尺寸的增大而增大。通过稳态法测量得到了 PU泡沫板、VIP和复合结构隔热材料的有效导热系数,通过分析确认VIP导热系数的测量偏差是由样品周围的热桥效应导致的。将复合结构隔热材料应用于方舱的围护结构,并通过仿真模拟确定了芯材类型和方舱骨架对方舱隔热效果的影响。相比于无芯材的纯PU围护结构,以VIP或气凝胶为芯材的复合材料围护结构可使方舱热损分别降低44.5%或22.7%;对于以VIP为芯材的复合材料围护结构而言,当方舱内骨架占内部壁面面积的6%时,通过骨架的热损约占方舱热损的50%,体现了方舱骨架的热桥效应。为给方舱提供足够的冷功率,使内部空气达到合适的温度,需利用冰蓄冷空调系统对其进行空气调节。冰蓄冷系统的取冷功率制约着空气调节的效果。我们提出并设计了一套以冰为蓄冷介质、以乙二醇水溶液为载冷剂的紧凑式、可拓展的盘管板式相变取冷系统。为评估该系统的取冷效果,建立了换热单元取冷过程的仿真模型,搭建蓄冰融冰实验平台验证了仿真模型的可靠性。类比于平板集热器,讨论了管板单元结构参数对取冷功率的影响和优化思路,确定在对换热单元进行设计时,需根据取冷时长和功率的需求综合考虑管板单元的宽度和板间距。讨论了盘管板式换热单元的布置及载冷剂入口工况对系统取冷效果的影响,发现过小的单元板间距会削弱取冷过程后半部分的功率,明确了影响取冷功率的主要载冷剂工况为其入口温度而非管内载冷剂流率。载冷剂入口工况为20℃和0.3 m~3/h的情况下,当板间距为20 mm时,单个盘管板式换热单元在1200 s内的取冷功率密度最小为2.69 kW/m~2,其均值约4.10 kW/m~2;在前7200 s内,取冷功率密度最小为0.22 kW/m~2,其均值为1.49 kW/m~2。当板间距为40 mm时,取冷7200 s后,载冷剂的出口温度仍处于17.5℃左右。多用途的车载扩展方舱为人员提供就餐和就寝的场所,其环控系统可为室内人员提供温湿度和空气品质保障,提升人员的舒适度。我们结合计算流体力学和热求解技术,对用于人员就餐和就寝的扩展方舱内的气流组织进行了建模。对核心舱顶部的送风道进行了结构设计,并通过在进风道内设置弧形引流板的方法优化了各进风口空气质量流率及方向的均匀性。计算了人员就餐状态下核心舱内的稳态气流组织分布,确认核心舱内的温度差异受到顶部送风和人体散热的综合影响。计算了人员就寝状态下核心舱和左右扩展舱内的稳态气流组织分布,并通过在核心舱壁面设置通风道的方式改进了就寝状态方舱内的气流组织,使之接近舒适指标。瞬态计算的结果表明,由于送风体积流率为3500m~3/h的条件过于强劲,严苛的外界环境对舱内的空气温度几乎没有影响,方舱内的基本温度分布特征在计算的前15 min已经成型。
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轻质隔热材料

对建筑｜９１、集装箱或方舱而言，围护材料及结构对其传热特性有着非常重要逡逑的影响。具有自重轻、强度高、降噪、防雷等优点的轻质材料己广泛应用于大型逡逑公共建筑及中小型可移动围护舱体的构建中，，如图１．２所示。由于目前的轻质材逡逑料普遍存在热容较小、热惰性差等特点，导致在被动式控温条件下围护结构内部逡逑温度变化相对较大，而在主动式控温条件下围护结构的控温功耗较大。为达到精逡逑准控温的目的，围护材料的隔热性能应尽可能地提高，即应使用导热系数尽可能逡逑低的轻质隔热材料。逡逑ｉ邋Ｅｌ逡逑（ａ）轻质建筑逦（ｂ）集装箱逡逑图１．２轻质隔热材料的应用逡逑１．２．１轻质隔热材料的研究现状逡逑隔热材料（Ｔｈｅｒｍａｌ邋Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ邋Ｍａｔｅｒｉａｌ，邋ＴＩＭ）是降低介质间热流传递的一种逡逑材料，主要用于减少热量损失。根据内部结构的不同，常见的隔热材料可以分为逡逑三类：多孔纤维类、有机高分子发泡类和多孔颗粒类ｌ｜Ｑ］。多孔纤维类隔热材料的逡逑导热系数相对较大，密度适中，可以在高温下工作；有机高分子发泡类隔热材料逡逑的导热系数相对较低，隔热性能优异，密度较小，但工作温度较低；多孔颗粒类逡逑隔热材料的导热系数适中

气凝胶

逑气凝胶（Ａｅｒｏｇｅｌｓ）是一种具有高孔隙率、高比表面积、低表观密度和低折逡逑射率的干凝胶，如图１．３所示。气凝胶孔隙率从８５％到９９．８％不等，孔隙尺寸［２５】逡逑低于气体分子的平均自由程，引发的努森效应抑制了导热和对流换热，因此气凝逡逑胶具有极低的固体和气体导热系数。但硅气凝胶中的纯Ｓｉ0２对２－８＾０１的红外辐逡逑射几乎完全透过，辐射导热系数会随温度升高而急剧增大，故要采用复合遮光剂逡逑来提高隔热性能。环境压力下气凝胶的导热系数［２６Ｍ氏至０．０１３５邋Ｗ／（ｍ＿Ｋ），当压力逡逑为５０ｍｂａｒ时，气凝胶导热系数可低至０．００４邋Ｗ／（ｎｒＫ）｜２７］。但气凝胶的力学强度逡逑不足，主要表现为抗拉强度低，且使用的耐久性较差。此外，昂贵的原料和超临逡逑界干燥工艺也导致气凝胶的商业化应用受到阻碍［２８］。逡逑ｉ逡逑图１．３气凝胶逡逑气凝胶自１９世纪３０年代初期就己经受到广泛关注。１９９７年，Ｆｒｉｃｋｅ等人逡逑［２９１对前期的气凝胶制备、表征和应用方面的研究历史进行了梳理，指出气凝胶中逡逑通过凝胶骨架的固体导热和辐射传热不能线性叠加
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH69

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