【摘要】：方艙為野外作業(yè)人員提供庇護(hù)所,擴(kuò)展方艙可增大艙內(nèi)人員的工作區(qū)域,提高人員的生活質(zhì)量。擴(kuò)展方艙的剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)要求有機(jī)械性能好、輕質(zhì)和隔熱性能佳等特點(diǎn)來提高能源利用效率和適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境,而其環(huán)控系統(tǒng)則為室內(nèi)值守人員提供溫濕度和空氣品質(zhì)保障,使人員在較為舒適的環(huán)境下生活和工作。方艙熱控對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能提出了很高的要求。為此,我們提出以一種輕質(zhì)的、結(jié)合先進(jìn)隔熱材料和傳統(tǒng)隔熱材料、隔熱性能良好且應(yīng)用成本低的復(fù)合結(jié)構(gòu)隔熱材料作為方艙的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。以傳統(tǒng)隔熱材料——聚氨酯(polyurethane,PU)泡沫為基材、以先進(jìn)隔熱材料——真空隔熱板(Vacuum Insulation Panel,VIP)或氣凝膠為芯材,設(shè)計(jì)了包覆式的復(fù)合結(jié)構(gòu)隔熱材料。通過仿真模擬、熱阻理論模型和實(shí)驗(yàn)測量的方法,對復(fù)合結(jié)構(gòu)隔熱材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究,分析了芯材的幾何參數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)對復(fù)合結(jié)構(gòu)隔熱材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)隨芯材導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大,隨芯材尺寸的增大而減小;其面密度隨著芯材尺寸的增大而增大。通過穩(wěn)態(tài)法測量得到了 PU泡沫板、VIP和復(fù)合結(jié)構(gòu)隔熱材料的有效導(dǎo)熱系數(shù),通過分析確認(rèn)VIP導(dǎo)熱系數(shù)的測量偏差是由樣品周圍的熱橋效應(yīng)導(dǎo)致的。將復(fù)合結(jié)構(gòu)隔熱材料應(yīng)用于方艙的圍護(hù)結(jié)構(gòu),并通過仿真模擬確定了芯材類型和方艙骨架對方艙隔熱效果的影響。相比于無芯材的純PU圍護(hù)結(jié)構(gòu),以VIP或氣凝膠為芯材的復(fù)合材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)可使方艙熱損分別降低44.5%或22.7%;對于以VIP為芯材的復(fù)合材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)而言,當(dāng)方艙內(nèi)骨架占內(nèi)部壁面面積的6%時(shí),通過骨架的熱損約占方艙熱損的50%,體現(xiàn)了方艙骨架的熱橋效應(yīng)。為給方艙提供足夠的冷功率,使內(nèi)部空氣達(dá)到合適的溫度,需利用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)對其進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)。冰蓄冷系統(tǒng)的取冷功率制約著空氣調(diào)節(jié)的效果。我們提出并設(shè)計(jì)了一套以冰為蓄冷介質(zhì)、以乙二醇水溶液為載冷劑的緊湊式、可拓展的盤管板式相變?nèi)±湎到y(tǒng)。為評估該系統(tǒng)的取冷效果,建立了換熱單元取冷過程的仿真模型,搭建蓄冰融冰實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。類比于平板集熱器,討論了管板單元結(jié)構(gòu)參數(shù)對取冷功率的影響和優(yōu)化思路,確定在對換熱單元進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需根據(jù)取冷時(shí)長和功率的需求綜合考慮管板單元的寬度和板間距。討論了盤管板式換熱單元的布置及載冷劑入口工況對系統(tǒng)取冷效果的影響,發(fā)現(xiàn)過小的單元板間距會削弱取冷過程后半部分的功率,明確了影響取冷功率的主要載冷劑工況為其入口溫度而非管內(nèi)載冷劑流率。載冷劑入口工況為20℃和0.3 m~3/h的情況下,當(dāng)板間距為20 mm時(shí),單個(gè)盤管板式換熱單元在1200 s內(nèi)的取冷功率密度最小為2.69 kW/m~2,其均值約4.10 kW/m~2;在前7200 s內(nèi),取冷功率密度最小為0.22 kW/m~2,其均值為1.49 kW/m~2。當(dāng)板間距為40 mm時(shí),取冷7200 s后,載冷劑的出口溫度仍處于17.5℃左右。多用途的車載擴(kuò)展方艙為人員提供就餐和就寢的場所,其環(huán)控系統(tǒng)可為室內(nèi)人員提供溫濕度和空氣品質(zhì)保障,提升人員的舒適度。我們結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)和熱求解技術(shù),對用于人員就餐和就寢的擴(kuò)展方艙內(nèi)的氣流組織進(jìn)行了建模。對核心艙頂部的送風(fēng)道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并通過在進(jìn)風(fēng)道內(nèi)設(shè)置弧形引流板的方法優(yōu)化了各進(jìn)風(fēng)口空氣質(zhì)量流率及方向的均勻性。計(jì)算了人員就餐狀態(tài)下核心艙內(nèi)的穩(wěn)態(tài)氣流組織分布,確認(rèn)核心艙內(nèi)的溫度差異受到頂部送風(fēng)和人體散熱的綜合影響。計(jì)算了人員就寢狀態(tài)下核心艙和左右擴(kuò)展艙內(nèi)的穩(wěn)態(tài)氣流組織分布,并通過在核心艙壁面設(shè)置通風(fēng)道的方式改進(jìn)了就寢狀態(tài)方艙內(nèi)的氣流組織,使之接近舒適指標(biāo)。瞬態(tài)計(jì)算的結(jié)果表明,由于送風(fēng)體積流率為3500m~3/h的條件過于強(qiáng)勁,嚴(yán)苛的外界環(huán)境對艙內(nèi)的空氣溫度幾乎沒有影響,方艙內(nèi)的基本溫度分布特征在計(jì)算的前15 min已經(jīng)成型。
【圖文】：

對建筑｜９１、集裝箱或方艙而言，圍護(hù)材料及結(jié)構(gòu)對其傳熱特性有著非常重要逡逑的影響。具有自重輕、強(qiáng)度高、降噪、防雷等優(yōu)點(diǎn)的輕質(zhì)材料己廣泛應(yīng)用于大型逡逑公共建筑及中小型可移動圍護(hù)艙體的構(gòu)建中，，如圖１．２所示。由于目前的輕質(zhì)材逡逑料普遍存在熱容較小、熱惰性差等特點(diǎn)，導(dǎo)致在被動式控溫條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部逡逑溫度變化相對較大，而在主動式控溫條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的控溫功耗較大。為達(dá)到精逡逑準(zhǔn)控溫的目的，圍護(hù)材料的隔熱性能應(yīng)盡可能地提高，即應(yīng)使用導(dǎo)熱系數(shù)盡可能逡逑低的輕質(zhì)隔熱材料。逡逑ｉ邋Ｅｌ逡逑（ａ）輕質(zhì)建筑邐（ｂ）集裝箱逡逑圖１．２輕質(zhì)隔熱材料的應(yīng)用逡逑１．２．１輕質(zhì)隔熱材料的研究現(xiàn)狀逡逑隔熱材料（Ｔｈｅｒｍａｌ邋Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ邋Ｍａｔｅｒｉａｌ，邋ＴＩＭ）是降低介質(zhì)間熱流傳遞的一種逡逑材料，主要用于減少熱量損失。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，常見的隔熱材料可以分為逡逑三類：多孔纖維類、有機(jī)高分子發(fā)泡類和多孔顆粒類ｌ｜Ｑ］。多孔纖維類隔熱材料的逡逑導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，密度適中，可以在高溫下工作；有機(jī)高分子發(fā)泡類隔熱材料逡逑的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，隔熱性能優(yōu)異，密度較小，但工作溫度較低；多孔顆粒類逡逑隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)適中

逑氣凝膠（Ａｅｒｏｇｅｌｓ）是一種具有高孔隙率、高比表面積、低表觀密度和低折逡逑射率的干凝膠，如圖１．３所示。氣凝膠孔隙率從８５％到９９．８％不等，孔隙尺寸［２５】逡逑低于氣體分子的平均自由程，引發(fā)的努森效應(yīng)抑制了導(dǎo)熱和對流換熱，因此氣凝逡逑膠具有極低的固體和氣體導(dǎo)熱系數(shù)。但硅氣凝膠中的純Ｓｉ0２對２－８＾０１的紅外輻逡逑射幾乎完全透過，輻射導(dǎo)熱系數(shù)會隨溫度升高而急劇增大，故要采用復(fù)合遮光劑逡逑來提高隔熱性能。環(huán)境壓力下氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)［２６Ｍ氏至０．０１３５邋Ｗ／（ｍ＿Ｋ），當(dāng)壓力逡逑為５０ｍｂａｒ時(shí)，氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)可低至０．００４邋Ｗ／（ｎｒＫ）｜２７］。但氣凝膠的力學(xué)強(qiáng)度逡逑不足，主要表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度低，且使用的耐久性較差。此外，昂貴的原料和超臨逡逑界干燥工藝也導(dǎo)致氣凝膠的商業(yè)化應(yīng)用受到阻礙［２８］。逡逑ｉ逡逑圖１．３氣凝膠逡逑氣凝膠自１９世紀(jì)３０年代初期就己經(jīng)受到廣泛關(guān)注。１９９７年，Ｆｒｉｃｋｅ等人逡逑［２９１對前期的氣凝膠制備、表征和應(yīng)用方面的研究歷史進(jìn)行了梳理，指出氣凝膠中逡逑通過凝膠骨架的固體導(dǎo)熱和輻射傳熱不能線性疊加
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH69

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