真空玻璃隔热原理分析及实验
利用辐射- 边部传导耦合模式分析真空玻璃的隔热原理,通过传热通量和传热系数的计算,建立真空玻璃的传热方程,计算出真空玻璃结构沿厚度方向的温度分布和热流通量,对计算值和实验值进行了对比分析。结果表明,真空玻璃传热系数与真空度正相关,真空度决定真空玻璃隔热性能;真空玻璃双面镀低辐射膜隔绝了较多的辐射热交换,其效果比单面镀膜好。
真空玻璃比普通玻璃和中空玻璃具有更好的保温隔热性能,对真空玻璃的隔热原理进行分析研究,可进一步改进真空玻璃的性能,减少能量损失。本文以自制的真空玻璃样品为基础,对真空玻璃隔热原理进行分析,并对理论模型进行实验验证。
1、真空平板玻璃隔热原理
真空玻璃是将四周焊接密封的两块玻璃间的间隙抽成真空状态来达到隔热的目的。其结构如图1所示。这两块玻璃间的间隙为0.1~0.3 mm。
为使玻璃在真空状态下能承受外界大气压力,在两块玻璃之间放许多支撑柱,支撑柱采用Φ 0.5~Φ1.0 mm、高度0.1~0.3 mm的圆柱体,一般情况下没有光学凸异感,其透光性能不受影响。
1.平板玻璃 2.真空隔热层 3.支撑垫片 4.低辐射膜 5.密封 6.抽气口 7.周边密封
图1 真空玻璃结构示意图
热量通过真空玻璃的传导有几种不同的物理过程:两块玻璃板内表面的热辐射;通过支撑物的传导传热;通过相连玻璃板边部的传导传热。这传热过程是同步进行的,所以真空玻璃的传热系数K玻- 玻= K辐射+ K传导+ K对流[1] 。真空玻璃的真空度高,减少了气体的对流传热和传导传热。由于支撑物很小,支撑物同玻璃板接触面积占真空玻璃面积的比例非常小,通过支撑物传导传热也小。所以真空技术网(www.chvacum.com)认为真空玻璃的传热主要取决于辐射传热和边部的传导传热。用镀有低辐射膜玻璃制造的真空玻璃又大大减少了辐射传热,所以,边部传导传热占真空玻璃传热的大部分,对真空玻璃的隔热性能影响较大。
2、真空玻璃辐射和边部传导耦合传热分析
2.1、传热方程的建立
假定内层玻璃先看成两个无限大平板中间充满吸收- 发射介质,因此作如下假设:
①介质为灰体,即吸收系数和透过率为常数,与波长无关,αλ =α,τλ =τ0 且介质为漫发射体。
②介质处于局部热力学平衡状态,即被介质吸收的能量将在介质中以平衡分布的方式迅速重新分布,介质发射的光谱不受任何入射辐射的影响。
③只存在与等温面垂直方向的一维辐射换热。
④介质的所有物理参数与温度无关[2]。
根据上述假设,这是一个一维传热问题,现定义真空玻璃依下至上四表面分别为表面1、2、3、4,由结构对称性,探讨表面1、2即可。则表面1、2分别维持恒定的温度T1 和T2 ,需要求厚为Z 的真空玻璃结构的传热通量。由热平衡状态下的能量守恒定律得:
式中: qc (H) —厚度H处的导热流量; qr (H) —厚度H处的辐射热流量; q (H) —厚度H处的总热流量; k—导热系数。
利用辐射透过率[3~4]概念得出两端为灰表面的辐射热流量为:
式中: E1、E2 —表面1、2的有效辐射量;τP (H) —介质层透过率;τ(H) —自底部进入介质层的辐射热流量;τP(H - H’) 、τP (L ) —到达H - H′、L 厚度处辐射热流量与自底面进入介质层的辐热流量的比值;σ—斯蒂芬-玻耳兹曼常数;ξ1 、ξ2 —表面1、2的发射率;ρ1 、ρ2 —表面1、2的反射率; H′—当量厚度。
2.2、方程求解
真空玻璃结构的传热控制方程中,能量守恒方程式(1)是一个以温度T为因变量的微分方程,而其中的辐射分量T 4为某一函数,因此能量方程是一个非线性的微分积分方程。通过求解这个非线性的微分积分方程,能得到真空玻璃结构沿厚度方向的温度分布和热流量。
利用一个简单的指数函数来近似代替辐射方程的指数积分函数,从而把积分方程转化成较容易求解的微分方程。其求解结果为:
其中: ρ1 =ρ2 = 0. 04,ξ1 =ξ2 = 0. 84, k = 1. 02W / (m2 ·K) 。
式中: N —定义传导- 辐射参数;θ—沿玻璃厚度方向无因次温度分布函数; T—温度;α—吸收系数,α取值为0.84。
3、实验及结果分析
3.1、实验方法
导热系数测试仪是依据护热平板法技术原理设计,结构如图2所示。测试仪尺寸为380 mm ×280 mm ×260 mm,采用双平板热防护结构,属于稳态温度场测量方法,隔热用聚苯乙烯泡沫,箱内采用了先进的电子电路系统、半导体制冷技术和带有温度自动校准功能的软件,通过简单、快捷的数字显示界面和控制面板实现仪器的全自动控制、数据采集和处理、导热系数的计算。
1.真空玻璃 2.炉热平板 3.聚苯乙烯泡沫 4.数字显示屏 5.控制面板
图2 导热系数测试仪示意图
该实验在常温条件下进行,隔热用聚苯乙烯泡沫使真空玻璃形成受外界干扰较小的独立的封闭系统,导热系数测试仪外接220 V交流电,其测量过程为全自动控制。
3.2、结果分析
3.2.1、压强
传热系数随着压强减小而大幅度下降。由图3可知,大气压下的内面镀膜真空玻璃传热系数为4. 52W / (m2 ·K) ,而压强为10 -3 Pa时,传热系数为1. 81 W / (m2 ·K) ,这说明真空度对玻璃绝热性能的影响很大,高真空与非真空相比其隔热性能提高近3倍。当压强小于0. 33 Pa后,玻璃夹层基本上消除了气体热传导,只剩下热辐射和由支撑柱封边料产生的热传导,这一结果提供了将材料的传导传热和辐射传热分开的手段,为进一步研究材料的辐射传热提供了方便。
由图3还可看出,传热系数的计算值[5]和实验值在低真空状态下相差较大,随着真空度的增加,误差减小,并在30 Pa左右时有一个重合点,之后误差趋于稳定。由于真空玻璃在实际应用中,真空度一般在0.1Pa以下,因此,自由状态下的误差已基本达到工程的计算要求[5]。
图3 内面镀膜真空玻璃的真空度- 传热系数曲线
3.2.2、镀膜层
由图4可知,普通玻璃的传热系数与其他三种镀膜玻璃相比较,无论在何种真空度条件下均有明显的差距,表明了镀膜对真空玻璃的隔热效率影响较大。
图4 各种镀膜真空玻璃的真空度- 传热系数曲线
从实验可知,当压强进入10-3 Pa的高真空状态下时,外面镀膜真空玻璃的传热系数为1. 45W / (m2·K) ,而内面镀膜真空玻璃为1. 81W / (m2·K) ,相差20% ,即外面镀膜优于内面镀膜。当低辐射膜在外面时,低辐射膜阻挡了护热平板的辐射和由真空玻璃底面向护热平板外的热辐射。当低辐射膜镀置于内面时,只能阻挡护热平板的辐射,真空玻璃外面还能向护热平板进行辐射热, 因此低辐射膜镀置于外面比内面效果好。由图4还可以得出双面镀膜的效果优于任何单面镀膜的效果,但在高真空度条件下,双面镀膜效果与外镀膜效果几近相同,因此,从综合经济效益来看,外镀膜真空玻璃市场应用前景较大[6]。
4、结论
(1)建立了真空玻璃的传热方程,用辐射- 边部传导耦合模式来分析真空玻璃的传热,得到真空玻璃结构沿厚度方向的温度分布和热流通量。
(2)真空玻璃的传热系数与压强成正相关,真空度决定真空玻璃绝热性能。
(3)真空玻璃双面镀低辐射膜隔绝了辐射热交换,其效果比单面镀膜好。
参考文献:
[1] 徐成海. 真空工程技术[M]. 北京:化学工业出版社, 2006.
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