Теплопередача через ограждение из полупрозрачных материалов

В современном строительстве широкое применение получают ма­териалы на основе стекла, полиэфирных смол, пластмасс, различных полимеров и т. п. В указанных материалах наряду с теплопровод­ностью имеет место лучистый перенос тепловой энергии. Это явление, называемое лучистой (радиационной, фотонной) теплопроводностью, представляет собой сложный процесс переноса тепла, определяемый непрерывной и последовательной цепью поглощения и излучения энергии отдельными элементами среды. Такой процесс теплопередачи отличен от обычного прохождения тепловых фотонов через диатермичную (прозрачную) среду; он основан на внутреннем теплообмене между близлежащими слоями и зависит от распределения температур в са­мой среде. Такие материалы называются полупрозрачными, которые подразделяют на однородные и неоднородные (дисперсные). В пос­ледних дополнительно проявляется эффект рассеивания излучения. При прохождении лучистого теплового потока через слой полу­прозрачного вещества его интенсивность уменьшается вследствие поглощения и одновременно увеличивается за счет собственного из­лучения среды. Основной характеристикой при расчете теплообмена в этих условиях является коэффициент поглощения (ослабления) k, м ^-1, определяемый отношением доли лучистого потока тепла, пог­лощенной элементарным слоем среды, к толщине этого слоя.

Коэф­фициент поглощения различных материалов изменяется в широком диапазоне в зависимости от длины волны излучения. Например, боль­шинству стекол свойственна значи­тельная теплопрозрачность в интерва­ле длин волн 0,8—2,6 мкм, несколь­ко меньшая — в интервале 2,6—5,0 мкм и почти полная непрозрачность для излучения с большей длиной вол­ны.

Необходимо отметить еще одну особенность, характерную для лучистого переноса в полупрозрачных материалах. Если излучение распространяется в материальной среде, то происходит уменьшение его скорости С по сравнению со скоростью переноса С_в в вакууме.

Аналитические решения уравнений лучистого теплообмена в полу­прозрачном материале, записанных в наиболее полном виде, натал­киваются на весьма серьезные математические затруднения, в связи с чем разработаны различные приближенные методы решения этих уравнений.

Для расчета лучисто-кондуктивного теплообмена в плоском слое полупрозрачного материала теплопроводностью может быть ис­пользовано следующее выражение:

(42)

σ₀ - постоянная Стефана-Больцмана, 5,7• 10^-8 Вт/ м² К;

n - показатель преломления; n = С_в / C;

m – оптико-геометрический параметр, являющийся функцией оптической толщины слоя и степеней черноты поверхностей, ограничивающих этот слой; 3 m ;

k, м ^-1 - коэффициент поглощения (ослабления)

Если в ограждающих конструкциях используются материалы с очень малой оптической толщиной (различного рода полимерные пленки), собственное внутреннее излучение материала незначительно и падающий на пленку внешний лучистый поток частично поглощается, нагревая ее, а частично проходит через пленку. Считается, что энергия поглощается поверхностью пленки и переносится в ее толще только за счет теплопроводности. В этом случае падающий лучистый поток при расчете теплопередачи через ограждение учитывается только в записи граничных условий на соответствующих поверхностях.

Лекция 5