1、浅谈日用保温容器的沿革与发展 邱靖涛 熊小虎 平湖美嘉保温容器工业有限公司 摘 要： 简要回顾了保温容器的发明、国外瓶胆制造机的产生和发展历史, 以及国内主要保温瓶生产厂家的概况。从传热学角度阐述双层玻璃保温容器的瓶胆结构和保温原理, 分析影响保温性能的各种因素, 结合实验, 给出了保温容器各部分的散热损失计算实例。关键词： 保温容器; 传热; 设计; 收稿日期：2017-08-10A discussion on Historical Evolution and Development of Domestic Insulated ContainersQIU Jingquan XIONG Xia
2、ohu Received： 2017-08-101 概述1892 年英国化学家詹姆斯杜瓦为了储藏液态空气供研究用, 发明制造了世界上第 1 只具有保温能力的双层玻璃瓶, 这就是保温瓶的前身, 以后保温瓶逐渐成为人们日常生活的必需品。从 20 世纪初开始, 德国首先建立保温瓶制造厂, 后来日本、英国、美国、澳大利亚也相继建立了工厂。而我国的保温瓶生产是在1925 年, 分别由日本工匠和德国工匠引入中国的, 上海和天津等城市, 尤其以上海发展最为快速。开始新兴的保温瓶工业发展很快, 制造技术亦不断完善, 但由于保温瓶胆加工工艺较其他日用玻璃制品复杂, 而且成品率低, 相对利润少, 价格昂贵, 所以
3、对保温瓶及加工设备和制造技术的研究较少, 发展速度也就慢了。新中国建立初期, 玻璃瓶坯厂和瓶胆加工厂以及外壳生产都是分别生产的, 各种小型工厂也是有几十家, 真正的全能厂为数不多, 如广大 (保温瓶一厂) 、长城 (保温瓶二厂) 、金鼎 (保温瓶三厂) 、金钱 (保温瓶四厂) 都属于全能工厂 (即同时生产瓶坯、瓶胆、外壳) 。在 1960 年左右, 国家为了保障和提高人民生活水平, 各种小型工厂全部迁入各个省会城市, 基本保持每个省有 12 家保温瓶生产工厂, 满足当时的市场需求。鉴于保温瓶为广大人民的生活需求, 市场供应紧俏, 世界各国开始对保温瓶产业加强拓展。1.1 美国的瓶胆制造机196
4、3 年, 美国埃史勒工程公司首创自动制造瓶胆的机器 (缩口工艺) , 它所生产的机器主要供应美国东北部许多保温瓶制造厂用, 整个瓶胆的加工制造在 4台机器上进行:第 1 台机器可自动割落内瓶顶部帽盖, 并在上沿向外翻边以方便插入外瓶, 第 2 台机器可以自动在外瓶底部烧一个小孔再接上玻璃管, 以供镀银真空之用, 第 3 台机器将内外瓶口封接在一起, 然后瓶胆经过退火炉、镀银机、烘干室后, 到达第 4 台机器, 在这台机器上进行抽真空与封闭抽气尾管。1.2 英国的瓶胆制造机1967 年英国的信得尔机器有限公司和亚历山大工程有限公司仿美国的设计, 并进行了改进, 用来高速生产 0.251 L 的保
5、温瓶。在信得尔机器上所制造的保温瓶不需要石棉, 因此消除了在瓶胆夹层真空空间内引入可能放气的材料, 根据GLASS 玻璃杂志报道, 信得尔瓶胆制造机由下列 4 台机器组成:A 15 工位的内瓶割口和抛光机, B 24 工位的外瓶割口和接尾机, C 24 工位的内外瓶抛光封口机, D 24 工位的抽气机 (夹层真空) 。1.3 德国一次成型制造瓶胆吹制双层保温瓶能够大大简化制胆工序, 西德专利报道了一种双层保温瓶的制造工艺, 内瓶不单独另用模具吹制而直接在外瓶内制造, 即用特殊方法在模具中吹制成外瓶后, 将熔融的玻璃料滴放在外瓶颈口上, 借助一根可旋转扩张和摆动的二叶刮板成型, 开始二叶刮板闭合
6、将熔融的玻璃料从外瓶颈口挤入瓶内, 然后二叶刮板逐渐扩张并在不断旋转的过程中将熔融的玻璃料依照外瓶的形态形成内部, 最后二叶刮板自动闭合从瓶口取出, 完成了内瓶在外瓶上的制造过程。在德国这种不用模具吹制内瓶的方法, 差不多已有 50 余年的历史。印度也是使用这样的方法来成型保温瓶胆的。在上述制造方法的基础上还可以制造出椭圆形的内外瓶胆, 其技术要点是使二叶刮板在不同的旋转角时有不同的扩张位置, 此方法成型对玻璃的配方要求很高。还有法国生产镀有塑料薄膜的保温瓶瓶胆, 日本有生产化学钢化的瓶胆, 以上 2 项都是为了加强瓶胆的机械强度, 另外意大利的压饼式吹泡机对玻璃料要求高。1.4 国内瓶胆加工
7、简述自 1960 年以来随着保温瓶工业的不断发展, 保温瓶业内人士普遍感到现有保温瓶生产的工艺工序繁多、效率不高, 不利于连续化生产。小口保温瓶一般指瓶口直径小于瓶身直径三分之二的保温瓶, 主要用于盛放冷热饮料。小口瓶胆加工工艺流程及工序操作如下:瓶坯经过洗瓶、割内瓶口、割外瓶底、套瓶、塞石棉、拉底、接尾、接外瓶口、封口、退火 (冷风) 、镀银前敏化处理、镀银、烘干、拉细尾、真空、耐温急变检验、测量保温度、检验、包装等工序。前半部基本属于玻璃生产操作, 后半部属于物理和化学处理, 最后工序为成品的性能与外观检验。保温瓶加工过程中涉及的知识面较广, 主要包括硅酸盐、燃料、燃烧、传热学、应力知识、
8、镀银的物理化学、真空物理、机械设备、仪表检测等, 由于生产过程明火操作, 故还应掌握通风和防暑降温知识。2 双层玻璃保温容器、瓶胆结构与保温原理2.1 传热现象在生产实践和日常生活中, 人们会遇到大量的热传递现象。例如用手拿冰块时会感到冻手, 这是由于冰的温度比手的温度低, 手上的热量传给冰块的缘故。如果拿一根金属棒, 一端放在火焰上烧, 手拿的一端也会热起来, 这是因为在火上烧的一端受热后温度升高, 热量就从温度高的一端迅速传到温度低的一端。冬天在装有暖气的房间里感到比较暖和, 夏天的电风扇开动后, 人感到凉快, 当打开炉膛看火门时, 会立刻感到非常热等等。这些经验告诉我们两物体间或同一物体
9、内部发生传热现象, 首先它们必须是温度不同, 凡是有温差的地方就一定有热量的传递, 热量总是自动地由高温物体传向低温物体的。传热的基本方式可归纳为传导、对流及辐射 3 种。在实际传热设备中, 往往是上述 3 种传热方式同时并存, 但所占的比重视具体条件各有不同。保温瓶为了达到保温的目的, 故从材料选择、造型结构、加工工艺等方面考虑, 设法把传导、对流、辐射 3 种传热程度尽量减少。通过保温瓶各部位的散热计算, 可以了解减低保温瓶保温效能的原因, 而通过传热的有关计算, 并控制关键工艺, 可进一步稳定和提高保温瓶的保温效能。2.2 传导传热此现象发生在固体中, 当物体内部温度不均匀时, 热量通过
10、电子、原子、分子的振动, 由高温传到低温处。这种依靠在物体中的微观粒子的热运动而传递能量的过程称为“热传导”, 又称导热。其特点是物体各部分之间不发生宏观的相对位移。传导传热可分为两种基本情况来考虑, 即稳定传热和不稳定传热。就保温瓶散热分析来看, 当灌注 98热水, 24 h 后降为 70, 其散热属不稳定散热。不稳定散热计算复杂, 为了便于计算, 把它近似看作为一稳定散热。如把灌有98热水、24 h 后降为 70的保温效能的波动看作为 (98-70) /2+70=84, 通过 24h 稳定散热冷却至 70散热来计算, 这样大大简化了计算过程, 无须考虑导温系数。2.2.1 导热系数导热系数
11、 是衡量各种物质导热能力的一个指标。导热系数的物理意义是, 单位时间内, 单位温度梯度时每单位面积所允许通过的热量。也就是说导热系数, 在数值上等于一个厚度为 1 m 的平壁两侧温差为 1, 每 1 h 通过该平壁的热量。显然这个数值越大意味着物质的保温性越差。各种物体的导热系数相差很大, 一般在 (211.5) 10J/ (m) 之间。从 大小顺序来看金属较大, 如纯银 1.510J/ (m) , 纯铜 1.3 J/ (m) , 其次是非金属材料和液体, 如石棉绒是 (1.962.76) 10J/ (m) , 玻璃为 (2.53.77) 10J/ (m) , 水是 2.1410J/ (m)
12、, 油类 (4.185.44) 10J/ (m) , 气体的导热系数最小, 如空气为 92 J/ (m) 。金属与非金属的 有这样大的区别是由于在金属原子中, 电子与原子的核结合力很弱, 容易摆脱原子核对它的吸力而变成所谓自由电子所致。当金属中含有杂质时, 杂质阻碍了自由电子的运动, 使导热系数下降。同一种材料导热系数与其结构、温度、湿度有关。例如材料的空隙率增加或湿度降低时将使 减小。例如松木板 为 93.810J/ (m) , 而木屑的 为 2.510J/ (m) , 仅为松木板的 1/4;冰的 是 8.1610J/ (m) , 而由冰晶体组成的积雪层为 3.710J/ (m) , 是冰的
13、 1/20;干砖的导热系数为 1.2610J/ (m) , 而湿砖的导热系数竟高达 3.7710J/ (m) 。因此在使用保温材料时应注意上述这些因素。导热系数与温度的关系由实验证明, 大多数的材料它们之间的关系成直接关系:式中 tt时物体的导热系数, 00时物体的导热系数, b实验常数。2.2.2 稳定热流时的传导传热(1) 单层平壁的传导传热设平壁的面积与厚度相比相差是很大的, 因此可以不计周边的影响, 其传热计算式如下:图 1 平壁中的传导传热 下载原图式中 导热系数平均值, X1-X2材料的厚度, F表面积, Q传导热。(2) 多层平壁的传导传热各层导热系数为 1, 2, 3, 由于稳
14、定传热, 通过各层的热量相同:q1、q 2、q 3相加得依次类推 n 层平壁的导热计算式为:2.3 对流传热所谓对流传热是指流体与固体表面间有相对运动时的热交换现象, 此现象常发生在固体表面与流动着的流体 (液体和气体) 间。通常, 由于各部分的相对位移及混合而发生热量传递, 但在靠近固体表面有一薄层流体层, 通常称为边界层。这一层流体基本上是静止的, 或者仅以很小的速度流动。一般这个边界层的传热主要是以传导方式进行的, 实际上不可能有单纯的热对流现象。故固体的对流传热现象实际上包含搅动混合及传导两部分的作用。由于引起流体运动的原因不同, 对流可分为“自然”对流和“强制”对流两种。前者指流体受
15、热后由于各部分重度不同而引起的流动, 其传热能力较小;后者指用机械方式使流动的流体收到压差而产生的流动。在强制对流时, 由搅动混合而引起的热量传递, 其温差基本上仅存在于边界层。2.3.1 传热系数对流传热过程, 包括流体位移所产生的对流作用, 同时也包括流体分子间导热作用。所以该传热过程, 除了受到导热规律的控制外, 还要受流动规律的支配。正由于这样, 影响放热过程的因素就很多, 从而使得过程比较复杂。放热过程中传递热量的计算采用牛顿公式:式中 对 对流传热系数, J/ (m) ;F换热面积, m;t1流体温度, ;t2壁面温度, 。对流体传热系数的物理意义是, 单位时间内 (h) , 当温
16、差为 1时, 1 m 壁面向周围流体交换的流量。上式看来很简单, 但实际上问题的关键在于首先必须求出 对 , 而 对 并不是一简单的常数, 它与下述因素有关:(1) 流体种类 (液体、气体、蒸汽) , (2) 流体的性质 (密度、比热、导热系数、黏度) , (3) 流体的运动状况 (层流式湍流, 流动的大小) , (4) 流体运动推动力 (自然对流、强制对流) , (5) 放热面的形状、位置及大小以及放置方式 (是水平的还是垂直的) , (6) 传热壁的温度、流体的温度及其压强。由此可见, 对流传热系数 对 的确定是一个很复杂的问题, 不可能提出一个简单而普遍的公式来求各种情况下的传热系数。必
17、须借助于实验研究, 找出在特定情况下的 对 与各相关因素的关系。2.3.2 自然对流放热保温瓶散热计算中主要涉及自然对流放热。流体的自然对流也和流体的强制对流一样, 具有两种性质不同的形态:层流和紊流。层流传热较紊流为小。在保温瓶泡水测定保温度时, 同一瓶胆在通风条件较好的环境中测温比在通风条件差的保温度要降低 2左右。保温瓶一般均有外壳, 不可能出现紊流情况, 故在保温瓶胆泡水测温时, 应创造一个不通风的环境, 以便同使用条件相仿, 这样测出来的保温度才比较接近实际使用条件。在大气中自然对流的具体计算方式如下:在垂直面上 K=2.2, 在水平的壁面上, 给热面向上 K=2.8, 给热面向下
18、K=1.4。真空状态中的对流传热, 对于保温瓶来说, 其夹层真空为 (7.991.33) 10Pa, 此时气体的平均自由路程 均为 2.6 cm, 而保温瓶的夹层距离 d 为 4 mm, 故d, 此种状况对于传热过程可视为高真空。此时两壁间已不存在分子的相互碰撞, 因此分子之间碰撞所引起的热量损失已不存在, 壁间不存在温度梯度和贴近两壁表面温度剧增的现象。此时气体分子引起的热损失, 显然应该与载热者的数目有关, 也就是与气体压强有关, 其计算式如下:式中 P空间的压强, T两壁间的温度差, n表面情况, n 在 01 间, 保温瓶可取 0.3。2.4 辐射传热通常打开炉膛看火门时, 人们会立刻
19、感到灼热。炉内火焰的热量是怎样迅速地传到人身上的呢?显然不会完全是由于空气的导热而传递过来的。因为空气的导热性能差, 导温系数小, 热量要是借助空气传到人身上, 且使人明显感觉到热的话, 所需时间很长。它也不是对流的原因, 因为炉膛内一般处于微负压, 打开炉膛门看火时只有冷空气进入炉内, 因此火焰热量是通过另外一种方式即辐射才能这样迅速地传到人身上。辐射现象的一个根本特点是热量可以在真空传播, 而导热、对流这两种热量传递的方式则只有当存在着固体、液体、气体这类具体物质时才能发生。高温物体或火焰的一部分热能转变为辐射能, 并以电磁波的形式向四面八方传播。温度较低的物体或身体吸收了一部分这种电磁波
20、, 并又将它转化为热能。这种由电磁波来传递热量的方式称为“热辐射”, 它是热量传递的又一种方式。热辐射的传播速度和光一样, 真空中也是 310km/s (在大气中略低于此值) , 所以一打开炉门时, 火焰的辐射能顷刻之间就到达人身上。应当指出, 并不是只有高温物体才发生热辐射, 所有的物体都昼夜不停地发生辐射能, 并且被吸收的辐射能在该物体内又会重新转换成热能, 于是就发生了以辐射方式进行的各物体间热能转移。如果物体温度比四周高, 那么散发的能量就多于从周围物体中所得的能量, 因而温度逐渐下降, 一旦它与周围物体温度相等时, 它的能量收支就正好平衡, 此时尽管辐射过程仍在不停息地进行, 但各物
21、体间通过辐射所交换的热量却等于零。辐射传热是以电磁波的形式进行热量传递。电磁波具有不同的波长, 电磁波的波长可以在很宽的范围内变化。实用上需把它区分几个区段, 每个区段给予一个专门的名称。这样, 区分情况大致如图 2 所示, 图中波长单位用 m 表示, 电磁波的波谱图如图 2。2.4.1 辐射中的发射、吸收与穿透我们在传热学中所注意的是能为物体吸收、并且吸收后又重新转变为显著热量的那些电磁波, 也就是红外线和可见光, 波长大致范围为 0.440m, 人们把这部分电磁波称为热射线。对热辐射来说, 温度是物体内部电子激动的基本原因, 所以热辐射主要取决于温度。图 2 电磁波各波段名称 下载原图图
22、3 辐射能分配 下载原图热辐射的传播速度和光波的传播速度一样。光波的发射、反射和折射的规律对于热射线也同样正确。由于对光的规律感性认识较多, 所以常常以光辐射来对比热辐射。落在物体上的辐射能, 一般的说总是部分地吸收, 部分反射, 另一部分透过物体。如图 3 所示。设外界投入到一物体上总辐射能量为 Q, 其中被反射部分为 QR, 进入表面后, 被该物体所吸收的部分为 QA, 其余 QD部分穿过物体, 按能量守恒定律有:令 分别为该物体的“发射率”、“吸收率”、“穿透率”, 相应以 R、A、D 表示, 则 1=R+A+D如果 R=D=0, 则 A=1, 即所有落在物体上的辐射能完全被该物体所吸收
23、, 这一类物体谓绝对黑体或简称黑体。如果 A=D=0, 则 R=1, 即所有落在物体上的辐射能完全被反射出去, 这一类物体谓镜体或白体。如果 A=R=0, 则 D=1, 即所有落在物体上的辐射能完全被透过去, 这一类物体谓绝对透明体或透热体。一般说, 物体表面越粗糙也就越接近黑体。应该指出, 能全部吸收红外线, 不一定能吸收可见光波, 也就是说白色的物体吸收率不一定小。石膏和白雪在光学上是白体, 对于热辐射则近似黑体 (雪的 A=0.925) , 所以物体对热射线是否善于吸收, 主要决定于其表面状态。实验证明:绝大多数材料都不被热射线穿透。对于金属导体而言, 仅 1m 厚度即能阻止热射线穿透;
24、对于非金属导体也只有 1m 左右。因此可以认为对液体和固体而言 D=0, 则 R+A=1。气体则不同, 其 R=0, 则 A+D=1。单位时间内, 由物体的单位表面积所放射的辐射能称为该物体的辐射能力。在同一温度下, 以黑体所具有的辐射能力为最大, 若以 EO和 E 表示黑体和某物体在同一温度下的辐射能力, 则 称为物体的黑度。在一定的温度下, EO和 E 是定值。E 大者说明其辐射能力也大, 某些物体的黑度见表 1。2.4.2 辐射的基本定律2.4.2. 1 普朗克定律普朗克基于热辐射方面的深刻的理论研究, 在 1900 年确定了绝对黑体辐射的强度与波长 及绝对温度 T 间关系。普朗克定律的
25、数学式为:式中 I 波长为 的辐射强度, J/m;T绝对温度, K。根据式 (8) 可得到图 4, 由图观之:图 4 单色黑体辐射强度与温度及波长的关系 下载原图(1) 在一定的温度下, 黑体以最大的强度发射一切波长的辐射。(2) 就每一温度而言, 每一曲线都显示最大强度, 其升降规律大致是从 =0、其辐射强度也为零作为起点, 通过某一最大值, 然后于 =达到零。(3) 就每一波长而言, 黑体的辐射强度随温度上升而加大, 但以较短的波长增加较快, 温度愈高, 增加速度愈快。(4) 最大辐射强度在 为 0.7510m 红外范围内。通过图 4 可以看出, 保温瓶在使用过程中 (9870或 371343K) , 其可见光部分辐射的能量光波在红外线部分之比小于 5%。用增加银层厚度来阻隔可见光透过的方法是不经济不合理的, 只要控制 110m 的光波不通过就可以了。2.4.2. 2 文氏定律通过对普朗克定律关系式、数学式、导数可以找出其极值点, 此极值点即为一定温度时最大辐射强度的波长:由此可见, 温度愈高, 其最大辐射强度的波长偏向短波部分。通过此式, 若知道最大辐射强度的波长, 便可算出辐射体的温度。如太阳光谱中
