利用輻射- 邊部傳導(dǎo)耦合模式分析真空玻璃的隔熱原理,通過傳熱通量和傳熱系數(shù)的計(jì)算,建立真空玻璃的傳熱方程,計(jì)算出真空玻璃結(jié)構(gòu)沿厚度方向的溫度分布和熱流通量,對(duì)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,真空玻璃傳熱系數(shù)與真空度正相關(guān),真空度決定真空玻璃隔熱性能;真空玻璃雙面鍍低輻射膜隔絕了較多的輻射熱交換,其效果比單面鍍膜好。

　　真空玻璃比普通玻璃和中空玻璃具有更好的保溫隔熱性能,對(duì)真空玻璃的隔熱原理進(jìn)行分析研究,可進(jìn)一步改進(jìn)真空玻璃的性能,減少能量損失。本文以自制的真空玻璃樣品為基礎(chǔ),對(duì)真空玻璃隔熱原理進(jìn)行分析,并對(duì)理論模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1、真空平板玻璃隔熱原理

　　真空玻璃是將四周焊接密封的兩塊玻璃間的間隙抽成真空狀態(tài)來達(dá)到隔熱的目的。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這兩塊玻璃間的間隙為0.1~0.3 mm。

　　為使玻璃在真空狀態(tài)下能承受外界大氣壓力,在兩塊玻璃之間放許多支撐柱,支撐柱采用Φ 0.5~Φ1.0 mm、高度0.1~0.3 mm的圓柱體,一般情況下沒有光學(xué)凸異感,其透光性能不受影響。

1.平板玻璃　2.真空隔熱層　3.支撐墊片　4.低輻射膜　5.密封　6.抽氣口　7.周邊密封

圖1　真空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖

　　熱量通過真空玻璃的傳導(dǎo)有幾種不同的物理過程:兩塊玻璃板內(nèi)表面的熱輻射;通過支撐物的傳導(dǎo)傳熱;通過相連玻璃板邊部的傳導(dǎo)傳熱。這傳熱過程是同步進(jìn)行的,所以真空玻璃的傳熱系數(shù)K玻- 玻= K輻射+ K傳導(dǎo)+ K對(duì)流^[1] 。真空玻璃的真空度高,減少了氣體的對(duì)流傳熱和傳導(dǎo)傳熱。由于支撐物很小,支撐物同玻璃板接觸面積占真空玻璃面積的比例非常小,通過支撐物傳導(dǎo)傳熱也小。所以真空技術(shù)網(wǎng)(www.chvacum.com)認(rèn)為真空玻璃的傳熱主要取決于輻射傳熱和邊部的傳導(dǎo)傳熱。用鍍有低輻射膜玻璃制造的真空玻璃又大大減少了輻射傳熱,所以,邊部傳導(dǎo)傳熱占真空玻璃傳熱的大部分,對(duì)真空玻璃的隔熱性能影響較大。

2、真空玻璃輻射和邊部傳導(dǎo)耦合傳熱分析

2.1、傳熱方程的建立

　　假定內(nèi)層玻璃先看成兩個(gè)無限大平板中間充滿吸收- 發(fā)射介質(zhì),因此作如下假設(shè):

　　①介質(zhì)為灰體,即吸收系數(shù)和透過率為常數(shù),與波長無關(guān),αλ =α,τλ =τ0 且介質(zhì)為漫發(fā)射體。

　　②介質(zhì)處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài),即被介質(zhì)吸收的能量將在介質(zhì)中以平衡分布的方式迅速重新分布,介質(zhì)發(fā)射的光譜不受任何入射輻射的影響。

　　③只存在與等溫面垂直方向的一維輻射換熱。

　　④介質(zhì)的所有物理參數(shù)與溫度無關(guān)^[2]。

　　根據(jù)上述假設(shè),這是一個(gè)一維傳熱問題,現(xiàn)定義真空玻璃依下至上四表面分別為表面1、2、3、4,由結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,探討表面1、2即可。則表面1、2分別維持恒定的溫度T1 和T2 ,需要求厚為Z 的真空玻璃結(jié)構(gòu)的傳熱通量。由熱平衡狀態(tài)下的能量守恒定律得:

　　式中: qc (H) —厚度H處的導(dǎo)熱流量; qr (H) —厚度H處的輻射熱流量; q (H) —厚度H處的總熱流量; k—導(dǎo)熱系數(shù)。

　　利用輻射透過率^[3~4]概念得出兩端為灰表面的輻射熱流量為:

　　式中: E1、E2 —表面1、2的有效輻射量;τP (H) —介質(zhì)層透過率;τ(H) —自底部進(jìn)入介質(zhì)層的輻射熱流量;τP(H - H’) 、τP (L ) —到達(dá)H - H′、L 厚度處輻射熱流量與自底面進(jìn)入介質(zhì)層的輻熱流量的比值;σ—斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù);ξ1 、ξ2 —表面1、2的發(fā)射率;ρ1 、ρ2 —表面1、2的反射率; H′—當(dāng)量厚度。

2.2、方程求解

　　真空玻璃結(jié)構(gòu)的傳熱控制方程中,能量守恒方程式(1)是一個(gè)以溫度T為因變量的微分方程,而其中的輻射分量T 4為某一函數(shù),因此能量方程是一個(gè)非線性的微分積分方程。通過求解這個(gè)非線性的微分積分方程,能得到真空玻璃結(jié)構(gòu)沿厚度方向的溫度分布和熱流量。

　　利用一個(gè)簡單的指數(shù)函數(shù)來近似代替輻射方程的指數(shù)積分函數(shù),從而把積分方程轉(zhuǎn)化成較容易求解的微分方程。其求解結(jié)果為:

　　其中: 　ρ1 =ρ2 = 0. 04,ξ1 =ξ2 = 0. 84, k = 1. 02W / (m² ·K) 。

　　式中: N —定義傳導(dǎo)- 輻射參數(shù);θ—沿玻璃厚度方向無因次溫度分布函數(shù); T—溫度;α—吸收系數(shù),α取值為0.84。

3、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1、實(shí)驗(yàn)方法

　　導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀是依據(jù)護(hù)熱平板法技術(shù)原理設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)如圖2所示。測(cè)試儀尺寸為380 mm ×280 mm ×260 mm,采用雙平板熱防護(hù)結(jié)構(gòu),屬于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)測(cè)量方法,隔熱用聚苯乙烯泡沫,箱內(nèi)采用了先進(jìn)的電子電路系統(tǒng)、半導(dǎo)體制冷技術(shù)和帶有溫度自動(dòng)校準(zhǔn)功能的軟件,通過簡單、快捷的數(shù)字顯示界面和控制面板實(shí)現(xiàn)儀器的全自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集和處理、導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算。

1.真空玻璃　2.爐熱平板　3.聚苯乙烯泡沫　4.數(shù)字顯示屏　5.控制面板

　　　　　圖2　導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀示意圖

　　該實(shí)驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行,隔熱用聚苯乙烯泡沫使真空玻璃形成受外界干擾較小的獨(dú)立的封閉系統(tǒng),導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀外接220 V交流電,其測(cè)量過程為全自動(dòng)控制。

3.2、結(jié)果分析

3.2.1、壓強(qiáng)

　　傳熱系數(shù)隨著壓強(qiáng)減小而大幅度下降。由圖3可知,大氣壓下的內(nèi)面鍍膜真空玻璃傳熱系數(shù)為4. 52W / (m² ·K) ,而壓強(qiáng)為10 ^-3 Pa時(shí),傳熱系數(shù)為1. 81 W / (m² ·K) ,這說明真空度對(duì)玻璃絕熱性能的影響很大,高真空與非真空相比其隔熱性能提高近3倍。當(dāng)壓強(qiáng)小于0. 33 Pa后,玻璃夾層基本上消除了氣體熱傳導(dǎo),只剩下熱輻射和由支撐柱封邊料產(chǎn)生的熱傳導(dǎo),這一結(jié)果提供了將材料的傳導(dǎo)傳熱和輻射傳熱分開的手段,為進(jìn)一步研究材料的輻射傳熱提供了方便。

　　由圖3還可看出,傳熱系數(shù)的計(jì)算值^[5]和實(shí)驗(yàn)值在低真空狀態(tài)下相差較大,隨著真空度的增加,誤差減小,并在30 Pa左右時(shí)有一個(gè)重合點(diǎn),之后誤差趨于穩(wěn)定。由于真空玻璃在實(shí)際應(yīng)用中,真空度一般在0.1Pa以下,因此,自由狀態(tài)下的誤差已基本達(dá)到工程的計(jì)算要求^[5]。

圖3　內(nèi)面鍍膜真空玻璃的真空度- 傳熱系數(shù)曲線

3.2.2、鍍膜層

　　由圖4可知,普通玻璃的傳熱系數(shù)與其他三種鍍膜玻璃相比較,無論在何種真空度條件下均有明顯的差距,表明了鍍膜對(duì)真空玻璃的隔熱效率影響較大。

圖4　各種鍍膜真空玻璃的真空度- 傳熱系數(shù)曲線

　　從實(shí)驗(yàn)可知,當(dāng)壓強(qiáng)進(jìn)入10^-3 Pa的高真空狀態(tài)下時(shí),外面鍍膜真空玻璃的傳熱系數(shù)為1. 45W / (m²·K) ,而內(nèi)面鍍膜真空玻璃為1. 81W / (m²·K) ,相差20% ,即外面鍍膜優(yōu)于內(nèi)面鍍膜。當(dāng)?shù)洼椛淠ぴ谕饷鏁r(shí),低輻射膜阻擋了護(hù)熱平板的輻射和由真空玻璃底面向護(hù)熱平板外的熱輻射。當(dāng)?shù)洼椛淠ゅ冎糜趦?nèi)面時(shí),只能阻擋護(hù)熱平板的輻射,真空玻璃外面還能向護(hù)熱平板進(jìn)行輻射熱, 因此低輻射膜鍍置于外面比內(nèi)面效果好。由圖4還可以得出雙面鍍膜的效果優(yōu)于任何單面鍍膜的效果,但在高真空度條件下,雙面鍍膜效果與外鍍膜效果幾近相同,因此,從綜合經(jīng)濟(jì)效益來看,外鍍膜真空玻璃市場(chǎng)應(yīng)用前景較大^[6]。

4、結(jié)論

　　(1)建立了真空玻璃的傳熱方程,用輻射- 邊部傳導(dǎo)耦合模式來分析真空玻璃的傳熱,得到真空玻璃結(jié)構(gòu)沿厚度方向的溫度分布和熱流通量。

　　(2)真空玻璃的傳熱系數(shù)與壓強(qiáng)成正相關(guān),真空度決定真空玻璃絕熱性能。

　　(3)真空玻璃雙面鍍低輻射膜隔絕了輻射熱交換,其效果比單面鍍膜好。

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