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)的計算,建立真空玻璃的傳熱方程,計算出真空玻璃結(jié)構(gòu)沿厚度方向的溫度分布和熱流通量,對計算值和實驗值進(jìn)行了對比分析。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),對真空玻璃隔熱原理進(jìn)行分析,并對理論模型進(jìn)行實驗驗證。

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對流^[1] 。真空玻璃的真空度高,減少了氣體的對流傳熱和傳導(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非線性的微分積分方程。通過求解這個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、實驗及結(jié)果分析

3.1、實驗方法

　　導(dǎo)熱系數(shù)測試儀是依據(jù)護(hù)熱平板法技術(shù)原理設(shè)計,結(jié)構(gòu)如圖2所示。測試儀尺寸為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)溫度場測量方法,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現(xiàn)儀器的全自動控制、數(shù)據(jù)采集和處理、導(dǎo)熱系數(shù)的計算。

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)測試儀示意圖

　　該實驗在常溫條件下進(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立的封閉系統(tǒng),導(dǎo)熱系數(shù)測試儀外接220 V交流電,其測量過程為全自動控制。

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,傳熱系數(shù)為1. 81 W / (m² ·K) ,這說明真空度對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)的計算值^[5]和實驗值在低真空狀態(tài)下相差較大,隨著真空度的增加,誤差減小,并在30 Pa左右時有一個重合點,之后誤差趨于穩(wěn)定。由于真空玻璃在實際應(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

　　從實驗可知,當(dāng)壓強(qiáng)進(jìn)入10^-3 Pa的高真空狀態(tài)下時,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,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,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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