Экраны для защиты от излучения

В различных областях техники довольно часто встречаются случаи, когда требуется уменьшить передачу теплоты излучением. Например, нужно оградить рабочих от действия тепловых лучей в цехах, где имеются поверхности с высокими температурами. В других случаях необходимо оградить деревянные части зданий от энергии излучения в целях предотвращения воспламенения; следует защищать от энергии излучения термометры, так как в противном случае они дают неверные показания. Поэтому всегда, когда необходимо уменьшить передачу теплоты излучением прибегают к установке экранов. Обычно экран представляет собой тонкий металлический лист с большой отражательной способностью. Температуры обеих поверхностей экрана можно считать одинаковыми.

Рассмотрим действие экрана между двумя плоскими безграничными параллельными поверхностями, причем передачей теплоты конвекцией будем пренебрегать. Поверхности стенок и экрана считаем одинаковыми. Температуры стенок Т₁ и Т₂ поддерживаются постоянными, причем
T₁ > Т₂. Допускаем, что коэффициенты излучения стенок и экрана равны между собой. Тогда приведенные коэффициенты излучения между поверхностями без экрана, между первой поверхностью и экраном, экраном и второй поверхностью равны между собой.

Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности ко второй (без экрана), определяем из уравнения

Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности к экрану, находим по формуле

а от экрана ко второй поверхности — по уравнению

При установившемся тепловом состоянии q_1э=q_2э, поэтому

Подставляя полученную температуру экрана в любое из уравнений, получаем уравнение для определения лучистого потока между пластинами при наличии экрана:

(8.39)

Сравнивая первое и последнее уравнения, находим, что установка одного экрана при принятых условиях уменьшает теплоотдачу излучением в два раза:

(8.40)

Можно доказать, что установка двух экранов уменьшает теплоотдачу втрое, установка трех экранов уменьшает теплоотдачу вчетверо и т. д. Значительный эффект уменьшения теплообмена излучением получается при применении экрана из полированного металла, тогда

(8.41)

где С’_пр — приведенный коэффициент излучения между поверхностью и экраном; С_пр — приведенный коэффициент излучения между поверхностями.

Использование экранов для защиты от излучения

Для защиты от перегрева некоторых элементов теплотехнического оборудования требуется уменьшить лучистый теплообмен. В этом случае между излучателем и обогреваемым элементом ставят перегородки, называемые экранами.

Рассмотрим систему из двух тел, аналогичную изображенной на рис.

12.4. Установим между ними экран (рис. 12.6). •

Лучшую защиту второго тела от излучения первого обеспечит абсолютно белый экран, полностью отражающий все падающие на него излучения. Реально можно сделать экран из полированных металлических пластин со степенью черноты е, = 0,05. 0,15. В этом случае часть энергии, испускаемой первым телом, будет поглощаться экраном, а остальная — отражаться. В стационарном режиме вся поглощенная экраном энергия будет излучаться им на второе тело, в результате чего будет осуществляться передача теплоты излучением от первого тела через экран на второе. Оценим роль экрана, исключив из рассмотрения конвекцию и теплопроводность. Примем, что Е = 82 = ?э = е и Т > Тг. Термическое сопротивление теплопроводности тонкостенного экрана практически равно нулю, так что обе его поверхности имеют одинаковые температуры Т_э.

Приведенные степени черноты системы: первое тело — экран и экран — второе тело в соответствии с (12.22) одинаковы и оавны:

От более горячей пластины экрану передается теплота, плотность потока который

Рис. 12.6. Лучистый теплообмен между двумя поверхностями через экран

а от экрана к более холодной поверхности

В стационарном режиме q_э = дъ, т.е.

Подставляя полученное выражение в (12.23) или (12.24), получаем:

Это и есть плотность теплового потока q^_y передаваемого от первой пластины к второй при наличии между ними экрана.

Из сравнения выражений (12.25) и (12.26) следует д^Ы,2 = 0,5, т.е. установка одного экрана при ?i = ?2 = ? уменьшает поток излучения вдвое. Можно показать, что при установке п экранов с е_э * ? (s = ?j = е₂)

Если е = 0,8 (окисленная стальная поверхность), а е, = 0,1, то при наличии одного экрана q_x2 /q_l2 =0,073 , т.е. лучистый тепловой поток уменьшается более чем в 13 раз. При наличии трех таких экранов лучистый теплообмен снижается в 39 раз! На этом основано конструирование специальной изоляции, состоящей из множества полированных металлических пластин с зазорами или фольги, широко применяемой в последнее время. Для исключения конвекции и теплопроводности из зазоров часто откачивается воздух. Такая изоляция называется вакуумно-многослойной.

Использование экранов для защиты от излучения

Для защиты от перегрева некоторых элементов теплотехнического оборудования требуется уменьшить лучистый теплообмен. В этом случае между излучателем и обогреваемым элементом ставят перегородки, называемые экранами.

Рассмотрим систему из двух тел, аналогичную изображенной на рис.

12.4. Установим между ними экран (рис. 12.6). •

Лучшую защиту второго тела от излучения первого обеспечит абсолютно белый экран, полностью отражающий все падающие на него излучения. Реально можно сделать экран из полированных металлических пластин со степенью черноты е, = 0,05. 0,15. В этом случае часть энергии, испускаемой первым телом, будет поглощаться экраном, а остальная — отражаться. В стационарном режиме вся поглощенная экраном энергия будет излучаться им на второе тело, в результате чего будет осуществляться передача теплоты излучением от первого тела через экран на второе. Оценим роль экрана, исключив из рассмотрения конвекцию и теплопроводность. Примем, что Е = 82 = ?э = е и Т > Тг. Термическое сопротивление теплопроводности тонкостенного экрана практически равно нулю, так что обе его поверхности имеют одинаковые температуры Т_э.

Приведенные степени черноты системы: первое тело — экран и экран — второе тело в соответствии с (12.22) одинаковы и оавны:

От более горячей пластины экрану передается теплота, плотность потока который

Рис. 12.6. Лучистый теплообмен между двумя поверхностями через экран

а от экрана к более холодной поверхности

В стационарном режиме q_э = дъ, т.е.

Подставляя полученное выражение в (12.23) или (12.24), получаем:

Это и есть плотность теплового потока q^_y передаваемого от первой пластины к второй при наличии между ними экрана.

Из сравнения выражений (12.25) и (12.26) следует д^Ы,2 = 0,5, т.е. установка одного экрана при ?i = ?2 = ? уменьшает поток излучения вдвое. Можно показать, что при установке п экранов с е_э * ? (s = ?j = е₂)

Если е = 0,8 (окисленная стальная поверхность), а е, = 0,1, то при наличии одного экрана q_x2 /q_l2 =0,073 , т.е. лучистый тепловой поток уменьшается более чем в 13 раз. При наличии трех таких экранов лучистый теплообмен снижается в 39 раз! На этом основано конструирование специальной изоляции, состоящей из множества полированных металлических пластин с зазорами или фольги, широко применяемой в последнее время. Для исключения конвекции и теплопроводности из зазоров часто откачивается воздух. Такая изоляция называется вакуумно-многослойной.