Model teoretis
Gambar 5 menunjukkan mekanisme perembesan uap air dan gas selama penerapan VIP. Permeabilitas gas dan uap air melalui penghalang gas akan menyebabkan peningkatan konduktivitas termal VIP, bila konduktivitas termal melebihi nilai kritis maka VIP akan dianggap gagal. Standar Amerika ASTM C 1484-01 menetapkan bahwa nilai ini adalah 11,5 mW/(m·K), dan masa pakai VIP adalah waktu penggunaan yang sesuai jika terjadi kegagalan.
Konduktivitas termal VIP terutama dipengaruhi oleh suhu, kelembaban, dan tekanan32, untuk memprediksi masa pakai VIP, secara umum dianggap bahwa pengaruh permeasi gas dan permeasi uap air terhadap konduktivitas termal VIP adalah independen, yang dapat diperoleh dengan Persamaan. (10)18
$${\lambda }_{ETC}={\lambda }_{evac}+{\lambda }_{gas}\kiri({P}_{gas}\kanan)+{\lambda }_{w} \kiri({X}_{w}\kanan)$$
(10)
Di mana \({\lambda }_{\mathrm{DLL}}\) adalah konduktivitas termal efektif VIP setelah digunakan, \({\lambda }_{evac}\) adalah konduktivitas termal awal VIP, \({\lambda }_{gas}\kiri({P}_{gas}\kanan)\) adalah nilai tambah konduktivitas termal VIP akibat permeasi gas, dan \({\lambda }_{w}\kiri({X}_{w}\kanan)\) adalah nilai tambah konduktivitas termal VIP akibat perembesan uap air.
\({\lambda }_{gas}\kiri({P}_{gas}\kanan)\) dapat diungkapkan dengan Persamaan. (11)33:
$${\lambda }_{gas}\left({P}_{gas}\kanan)=\frac{{\lambda }_{g0}}{(1+{P}_{1/2}/ {P}_{gas})}$$
(11)
Di mana \({\lambda }_{g0}\) adalah konduktivitas termal udara statis bebas, yaitu 26mW/(m·K), \({P}_{1/2}\) adalah tekanan yang sesuai ketika konduktivitas termal gas menjadi \({\lambda }_{g0}/2\)yang terutama bergantung pada ukuran pori bahan inti dan jenis gas, \({P}_{gas}\) adalah tekanan internal VIP.
\({\lambda }_{w}\kiri({X}_{w}\kanan)\) dapat diungkapkan dengan Persamaan. (12)34:
$${\lambda }_{w}\kiri({X}_{w}\kanan)=b\kali {X}_{w}$$
(12)
Di mana B adalah koefisien yang diuji terkait dengan sifat material inti, \({X}_{w}\) adalah kelembapan VIP.
Persamaan (13) dan Persamaan. (14)35 menyimpulkan hubungan antara \({P}_{gas}\) Dan \({X}_{w}\) lembur:
$${P}_{gas}
(13)
$${X}_{w}\left(t\right)=f\times {k}_{out}\times \left(1-\mathit{exp}\left(\frac{{WVTR}_{ tot}}{{m}_{kering}\kali f}\kali t\kanan)\kanan)$$
(14)
Di mana \({\text{GTR}}_{\text{tot}}\) adalah permeabilitas gas total, \({V}_{\text{eff}}\) adalah volume pori efektif bahan inti VIP, \({T}_{m}\) adalah suhu pengujian, \({T}_{0}\) adalah suhu standar, \({P}_{0}\) adalah tekanan atmosfer standar, \(F\) adalah konstanta yang berkaitan dengan karakteristik bahan inti, \({k}_{keluar}\) adalah kelembaban lingkungan, \({WVTR}_{tot}\) adalah permeabilitas uap air total, t adalah waktu.
Persamaan (10) selanjutnya dapat disimpulkan sebagai:
$${\lambda }_{ETC}={\lambda }_{evac}+\frac{{\lambda }_{g0}}{(1+{P}_{1/2}/(\frac{ {\text{GTR}}_{\text{tot}}}{{V}_{\text{eff}}}\left(\frac{{T}_{m}{P}_{0}} {{T}_{0}}\kanan)t)}+b\kali f\kali {k}_{keluar}\kali \kiri(1-\mathit{exp}\left(\frac{{WVTR} _{tot}}{{m}_{kering}\kali f}\kali t\kanan)\kanan)$$
(15)
Kehidupan pelayanan VIP dapat diprediksi dengan Persamaan. (15). Hal ini juga menunjukkan bahwa selain karakteristik material inti dan faktor lainnya, permeabilitas penghalang gas juga mempengaruhi masa pakai VIP. Oleh karena itu, pengaruh suhu terhadap masa pakai VIP akan dipelajari dalam pekerjaan berikut untuk memverifikasi keakuratan analisis numerik permeabilitas penghalang gas, yang akan memiliki signifikansi panduan penting untuk pemilihan penghalang gas dan penerapan VIP.
Metode eksperimental
Tiga jenis VIP dengan selubung penghalang gas berbeda disiapkan dalam pekerjaan ini, dengan bahan inti serat kaca, ukuran masing-masing VIP adalah 300 mm × 300 mm × 10 mm. Struktur ketiga penghalang gas ditunjukkan pada Gambar 6, dan parameter permeasi ditunjukkan pada Tabel 3.
Komposisi penghalang gas AF(Al-foil), MF(Al-Metallized film), dan CF(Composite film).
Gambar 7 adalah diagram skema perangkat uji hubungan antara tekanan internal VIP dan konduktivitas termal efektif. Pertama, pompa vakum digunakan untuk menghubungkan saluran masuk dan keluar gas, setelah menahan tekanan pada 0,1 Pa selama 10 menit, katup vakum segera ditutup, dan konduktivitas termal awal VIP dapat diukur ketika pengukur vakum distabilkan. Setelah itu, dengan mengontrol pembukaan dan penutupan katup vakum, konduktivitas termal efektif VIP di bawah tekanan internal yang berbeda dapat diukur, sehingga memberikan referensi untuk memprediksi masa pakai VIP.
Representasi diagram pengaturan eksperimental untuk mengeksplorasi korelasi antara tekanan internal panel isolasi vakum (VIP) dan konduktivitas termal efektifnya.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, sampel VIP bernama AF-VIP, MF-VIP, dan CF-VIP, ditempatkan di ruang uji bertekanan tinggi-rendah/suhu tinggi-rendah (20 °C, 70 °C, 120 °C, dan 140 °C, 90% RH), dikeluarkan, dan diukur konduktivitas termal efektif VIP setiap 7 hari, dengan jangka waktu 4 minggu. Pengaruh suhu terhadap kinerja VIP dapat diperoleh dengan mengamati perubahan konduktivitas termal efektif VIP.
Ruang uji tekanan tinggi-rendah/suhu tinggi-rendah.
Hasil percobaan
Menurut model teori masa pakai VIP, dikombinasikan dengan tekanan internal VIP dan perangkat uji konduktivitas termal yang efektif, masa pakai ketiga VIP diprediksi, lingkungan layanan VIP diasumsikan pada tekanan atmosfer standar, 20 °C, dan 50% RH. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9, garis hijau adalah konduktivitas termal ketika VIP gagal. Dapat diamati bahwa AF-VIP memiliki masa pakai terlama yaitu lebih dari 100 tahun, MF-VIP berada di urutan kedua, dan CF-VIP terpendek, hanya sekitar 70 tahun.
Prediksi teoritis untuk kehidupan pelayanan ketiga VIP.
Perbedaan di antara keduanya mempunyai hubungan penting dengan komposisi penghalang gas. Gambar 6 menunjukkan struktur komposisi dari tiga jenis penghalang gas, dimana lapisan aluminium foil pada penghalang gas AF adalah yang paling tebal, dan memiliki kinerja penghalang terbaik, namun lapisan aluminium foil yang terlalu tebal akan menyebabkan jembatan termal efeknya, yang juga menjadi alasan mengapa konduktivitas termal awal AF-VIP lebih tinggi dibandingkan dua VIP lainnya. Penghalang gas MF dengan film berlapis aluminium multi-lapis dapat secara signifikan mengurangi efek efek jembatan termal namun menyebabkan penurunan kinerja penghalang. Sebagai film non-logam, film penghalang CF memiliki efek jembatan termal terendah, dan CF-VIP memiliki konduktivitas termal terendah, namun masa pakainya buruk. Hal ini dikarenakan lapisan penghalang inti pada penghalang gas CF adalah lapisan MEVOH. MEVOH memiliki penghalang tinggi terhadap molekul non-polar seperti oksigen, namun sangat sensitif terhadap molekul air sehingga menunjukkan permeabilitas tinggi, meningkatkan konduktivitas termal VIP dan mengurangi masa pakai.
Untuk membandingkan keakuratan model teoritis, konduktivitas termal efektif tiga VIP setelah penuaan pada suhu 70 °C dan 90% RH diperoleh melalui uji eksperimental dan prediksi teoritis. Gambar 10 mengilustrasikan sedikit penyimpangan antara konduktivitas termal yang dihitung secara teoritis dan konduktivitas termal efektif sebenarnya. Namun, penyimpangan ini berada dalam kisaran yang dapat diterima, sehingga menegaskan keandalan dan keakuratan hasil eksperimen. Perbedaan yang diamati antara model teoretis dan hasil eksperimen mungkin disebabkan oleh penguapan air di dalam material inti, yang belum diperhitungkan dalam perhitungan teoretis. Bahan inti yang digunakan dalam pekerjaan ini adalah serat kaca, yang dibuat melalui proses basah dan pasti akan memiliki sisa kelembapan. Kenaikan suhu menyebabkan penguapan uap air, yang merupakan faktor utama yang berkontribusi terhadap penyimpangan yang diamati antara nilai teoretis dan eksperimental.
Perbandingan konduktivitas termal efektif dan teoritis pada 70 °C dan 90% RH.
Dapat dilihat dari Gambar 10 bahwa konduktivitas termal efektif ketiga VIP menunjukkan tren peningkatan seiring dengan peningkatan suhu, dan dengan peningkatan suhu lebih lanjut, konduktivitas termal efektif VIP bervariasi lebih signifikan dari waktu ke waktu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. .11, khususnya untuk CF-VIP, yang sesuai dengan model teoritis. Permeabilitas penghalang gas adalah alasan utama perubahan konduktivitas termal VIP, sehingga konduktivitas termal efektif CF-VIP paling banyak berubah. Temperatur yang tinggi akan memperburuk tren perubahan ini, karena cacat lubang jarum pada penghalang gas akan meluas ke luar di bawah pengaruh temperatur tinggi, membentuk saluran difusi, mempercepat difusi cepat gas dan uap air, sehingga mengakibatkan peningkatan permeabilitas gas. penghalang dan penurunan sesak udara36, sehingga meningkatkan konduktivitas termal efektif VIP, yang akan mempercepat tingkat kegagalan VIP, sehingga mempengaruhi masa pakai VIP. Oleh karena itu, penting untuk memilih penghalang gas dengan kinerja yang lebih baik untuk mengatasi lingkungan yang kompleks dalam aplikasi praktis, yang memiliki signifikansi panduan penting untuk penerapan VIP.
Konduktivitas termal efektif tiga VIP pada 120 °C dan 140 °C, 90% RH.
