简单的方法来评估纸杯的保温性能

文摘

纸杯在日常生活中无所不在的服务水、汤,咖啡,茶,和牛奶因其方便、生物降解性,可回收性和可持续性。纸杯的保温性能是重要的,因为他们是用来供应热的食物或饮料。使用的有效热导率准确评估纸杯的保温性能是由于包含复杂的复杂组件和一个多层结构。此外,一个有效导热系数不适合评价隔热性能的纸杯的温度波动。在这项工作中,我们提出一个简单的方法来精确分析纸杯的保温性能在特定的温度范围使用评价模型基于味噌(对于多变量)技术理论,其中包括一个特征参数(温度系数)和测量仪器。进行了一系列的实验根据这种评价模型,结果表明,该评价模型可以准确描述的纸杯的保温性能和提供了一个有效的理论依据选择纸杯纸材料。

1。介绍

第一个现代纸杯最初在1907年由劳伦斯Luellen。经过一百年的发展,纸杯已经成为生活的必需品之一为冷热饮料服务;它们广泛用于快餐店、咖啡馆,和办公室,其中,因为他们是便宜,可降解、可再生和因为有环保纸的属性(1,2]。纸杯的消费在中国近年来急剧增加。超过250亿个纸杯在2011年消耗,和数量将继续增加,估计未来的年增长率为12.84%。纸杯有时被用来提供热饮料或食物,应该考虑和纸的保温性能,因为严重的烫伤事故的可能性。然而,缺乏统一的标准,如国家标准或行业标准的方便和准确评价纸杯的保温性能。

热转移通过传导、对流和辐射(3),以及各种传热方式的影响取决于应用程序。纸杯的保温性能是由纸材料。纸被认为是一种多孔纤维材料的孔隙度为40% ~ 70%。当纤维素纤维的体积分数大于1%,通过对流传热是微不足道的,因为空气细胞纤维系统太小,不足以支持对流或动荡4- - - - - -6]。辐射传热是温度的线性函数的立方()根据Rosseland近似7]。因此,辐射传热也微不足道的纸杯(工作温度相对较低的8,9]。因此,一个有效热导率通常被用来描述论文的传导传热和热绝缘性能的材料。

Schuhmeister首次提出一个模型对纤维材料的热导率10]。许多研究人员已经在修改这个模型(11- - - - - -13]。最基本的表达式定义多孔介质的有效导热系数是由Bhattacharyya [14]和Bankvall [12]

上述方程假设传导热量穿过纤维和孔隙流体(通常是空气)。因此有效导热系数是基于加权平均纤维和孔隙流体的导热系数值。右边的第一项(1)overpredicts固相的导电率。第二项预计预测流体相的导电率。然而,有一些问题关于这个方程。传热不发生在一个平行的模式通过随机的纸,因为纤维系统,和热屏障阻力时应考虑热量流动通过一系列fiber-to-fiber接触区域(15]。每个参数的影响保温性能的纸被计算机模拟研究。通过仿真,我们可以预测整个媒体的有效导热系数(15,16]。

然而,各种参数如温度和压力(17),水分18,19),原材料的性质,和论文的宏观结构和微观结构20.)将影响有效导热系数的准确性(21]。有效导热系数的另一个问题是,数值随温度变化。纸杯总是使用在相对较低温度波动(低于100°C)。因此,一个有效导热系数不适合实际应用。在这项研究中,我们提出了一个简单的方法来精确分析纸杯的保温性能,建立评价模型。第一次,我们提出一种新的参数命名为“温度因素”,这是一个简单而方便的参数描述的保温性能纸杯。此外,实验的仪器也设计,如部分所示2。

2。模型建立

味噌(对于多变量)技术的基础上理论(22),有效导热系数的方程可以表达如下所示

这个方程表示的有效热导率的函数的因素影响纸杯的保温性能。当使用这种方法时,唯一的价值需要评价纸杯的保温性能。然而,傅里叶导热定律指出,独立于温度的温度梯度,但一定本身。导热系数是温度的函数。这意味着有效导热系数是适合评估材料的热导率在一个温度(23]。纸杯,保温性能评估在特定温度范围更适合实际应用。因此,对于评估纸杯的保温性能,本研究包括温度系数的建议和相应的测量仪器的设计这个新的参数。温度系数代表了纸杯的保温性能在一定的温度范围内,设备可以帮助快速确定参数的值。

2.1。实验仪器

纸杯的保温性能,评价一个仪器来测试的内部和外部之间的温差杯墙成立,及其结构示意图见图1。这个装置是组装基于千叶县饭冈(所使用的方法24),这是由加热部分、支撑架和测量部分。

样本被两个导热鳍之间减少少量的辐射热量尽可能和维持稳定的接口之间的传热纸,另一阶段。内部表面温度是一样的加热液体,通过改变加热功率。数字温度计是利用原位监测液体的温度。一个补丁类型热电偶是贴在样品的导热金属板在外面监视冷端温度。最初的温度加热液体是环境温度和上升2°C /分钟的速度。样品的两边温度同步记录每5°C。

预处理的纸张材料必须保持稳态传热纸媒体。首先是mm样本从杯和放置在一个恒定的温度湿度室的温度20°C和10%的相对湿度为8小时。然后一个聚乙烯薄膜层压到论文的每一方,以防止水分渗透纸媒体。这使两个表面上的对流传热的纸被忽视在接下来的测量。更重要的是,PE层的保温效果是被忽视的复合薄膜的厚度比纤维薄层。

2.2。数值模型的建立

图2说明热表面温度之间的关系和纸材料的冷表面温度。材料的两侧的温度是相同的材料没有绝缘效果时,在图的对角线2被称为“标准。“冷表面temperature-hot表面温度曲线将从标准行向下迁移,因为冷侧的温度必须低于热侧热绝缘材料。这些曲线标注偏差曲线和点和破折号曲线在图2(圆形和方形符号代表不同类型的纸材料)。此外,进一步偏离标准的线,保温性能越好。因此,偏差曲线用于定性分析纸材料的保温性能。

此外,每个拟合曲线得到的基于原始实验数据和曲线拟合给出的

标准的线之间的区域和拟合曲线在一个特定的温度范围()用于定量分析的保温性能纸材料在特定的温度范围,比如阴影部分(如用斜行所示)在图2。我们定义的温度因子(),阴影部分的面积给出的表达式

数值越高在闭区间[纸材料),更好的保温性能纸杯在特定温度范围。

3所示。实验

3.1。材料

纸杯和从市场上收集不同的结构分为三种类型研究的基础上,千叶县饭冈et al。25- - - - - -27),如图3。纸杯的主体是一个纤维层结构I和II的双层结构结构。结构III是不同性质的材料组成的复合结构。每篇论文样本的结构类型和基本属性表1。

3.2。隔热性能测试

所有的样品在表1进行预处理和测试基于节中提到的方法2。1。实验是在23°C和50% RH环境条件。纸杯的操作环境进行评估是将闭区间从70年到85°C。冷和热表面的温度记录同步每5°C温度变化的液体温度变化从45到85°C。

4所示。结果与讨论

4.1。定性分析纸杯的保温性能

图4(一)显示热表面温度之间的关系和每个样本的冷表面温度在表1。随着热表面温度增加,增加冷表面温度和偏离标准的线观察。此外,大多数这些曲线接近对方,难以识别。此外,一些曲线交叉或重叠在闭区间,如高放大图像的图所示4(一)例如,4号,5号,8号,10号,12号。

为每个偏差曲线在图曲线相吻合4(一)获得与起源8软件(图4 (b))。破碎的线和符号取而代之的是一组连续的不同的颜色。曲线的交叉和重叠的现象大大减少了使用的拟合曲线,尽管这些问题仍然存在。样品被近似保温性能排名如下(>意味着比≈意味着类似):

保温性能与厚度成正比(28],空气的隔热性能优于固体,这样结构三层可以有效地增加纸杯的保温性能。此外,保温性能7号,6号,9号,第三都有结构纤维层之间的空气层,比其他的好。然而,很难区分保温性能的差异4号,5号、8号、10号、12号。

4.2。定量分析保温性能温度系数的纸杯

温度因素被用来量化纸杯的保温性能。首先,建立了拟合曲线和方程使用线性拟合。方程和线性相关系数如表所示2。温度系数的计算过程是如下。

假定的线性回归方程适合偏差曲线 标准的条线的方程 减去(7)(6)给 让。方程(8)可以表示为 温度因素通过计算

如表所示2,每个样品的温度因素在特定的范围内(70、85)°C从拟合曲线方程和计算(10)。

利用温度因素澄清评估每个样本的保温性能在特定温度范围。我们可以完全和准确地这些纸杯根据他们的价值观在表2作为

排名(11)是几乎一样的等级(5)。纸张样本数量12 10 4、5和8,其保温性能近似等于在排名(5),具体的隔热性能订单现在可以通过比较它们的值,137.29,137.10,134.33,130.44,和129.13,分别。此外,利用可以避免困难可能重叠的拟合曲线如图4 (b)。

4.3。的应用纸杯纸材料的设计和选择

比较纸杯的保温性能与不同的结构,我们计算了在每个测量温度和温差温差曲线(图绘制5)。每个温差曲线对应的颜色样品的结构:结构我黑色,红色代表结构II, III和蓝色的结构,如图5。

图5清楚地显示了温差的变化与热表面温度。一般来说,高温时的差异比在较低的温度。此外,样本具有更高的热绝缘性能曲线优于样本较低。降序的顺序结构的隔热性能是结构三世,结构,和结构,和相应的温度因素的范围是129.13到278.27,130.44,137.29,和67.62到110.82。的紧张程度曲线的样品相同的结构如图5温度系数区间的宽度是一致的结构。因此,我们可以选择最好的纸杯结构根据所需的保温性能(的范围)。

除了结构设计的另一个因素的纸杯纸材料的选择。冷和热表面之间的温差纸厚度成正比根据傅立叶定律和热传导方程通过平面单层墙(28]: 联立方程(4)和(13)给

方程(14)表明,温度系数的值也与纸材料的厚度成正比。因此,温度因素单位长度厚度方向可以表示为

方程(15)也体现的保温性能纸杯在厚度方向上单位长度。联立方程(10)和(15),每个样本单位长度的保温性能在厚度方向上得到和给定的表2。的数值在表2,材料保温性能单位长度递减的顺序在厚度方向上

显然,排名(16)是完全不同的等级(11)。样本与保温性能更好的媒体可能不是优秀的相比在每个厚度的基础上。因此,很多好处将流从这个发现。例如,它可以推测,如果样品4的纤维层被纤维样品3,相反它会比现在更好的保温性能示例4。

总之,纸杯的结构显著影响保温性能。保温性能的差异可以归因于多种因素,如纤维类型、纸体积、孔隙度、水分和生产过程。众多参数导致有效导热系数的精确测量是困难和费时。然而,这将是更方便的使用温度系数当描述纸杯的保温性能的实际应用,当然,在热绝缘纸杯的设计。

5。结论

(1)这项工作提出了一个简单的方法来分析纸杯的保温性能通过建立一种新的评价模型,其中包括一个名为“温度因素”的表征参数和测量装置。(2)被定义为温度因素之间的集成的区域,这是标准的线和拟合曲线在一个特定的温度范围(]。此外,温度系数的值成正比的厚度纸样品。(3)纸杯的保温性能与不同结构定量分析基于温度系数的值的温度范围70到85°C。温度系数的计算结果12纸杯样品表明,结构类型的杯子是最重要的参数,强烈影响保温性能的纸杯。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

此外,志强方愿意承认金融支持自主创新研究基金的纸浆和造纸工程国家重点实验室(2015 qn01)和中国博士后科学基金会(2015 m570716)。

引用

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