Термическое сопротивление замкнутых герметичных воздушных прослоек

За счет низкого значения теплопроводности воздуха воздушные прослойки часто используются в качестве теплоизоляции. Воздушная прослойка может быть герметичной или вентилируемой, в последнем случае ее называют воздушным продухом. Если бы воздух был в состоянии покоя, то термическое сопротивление было бы очень высоким, Однако за счет теплопередачи конвекцией и излучением сопротивление воздушных прослоек падает.

Конвекция в воздушной прослойке. При передаче тепла преодолевается сопротивление двух пограничных слоев (см. рис. 4.2), поэтому коэффициент теплоотдаче уменьшается вдвое. В вертикальных воздушных прослойках, если толщина соизмерима с высотой, вертикальные токи воздуха двигаются без помех. В тонких воздушных прослойках они взаимно тормозятся и образуют внутренние циркуляционные контуры, высота которых зависит от ширины.

Рис. 4.2 – Схема теплопередачи в замкнутой воздушной прослойке: 1 – конвекцией; 2 – излучением; 3 – теплопроводностью

В тонких прослойках или при небольшой разности температур на поверхностях () имеет место параллельно-струйное движение воздуха без перемешивания. Количество тепла, передаваемое через воздушную прослойку равно

. (4.12)

Экспериментально установлена критическая толщина прослойки, δ_кр, мм, для которой сохраняется (при средней температуре воздуха в прослойке 0 ^оС) ламинарный режим течения:

. (4.13)

При этом теплопередача осуществляется теплопроводностью и

. (4.14)

Для других толщин величина коэффициента теплоотдачи равна

. (4.15)

С увеличением толщины вертикальной прослойки происходит увеличение α_к:

при δ = 10 мм – на 20 %; δ = 50 мм – на 45 % (максимальное значение, далее идет уменьшение); δ = 100 мм – на 25 % и δ = 200 мм – на 5 %.

В горизонтальных воздушных прослойках (при верхней более нагретой поверхности) перемешивание воздуха почти не будет, поэтому применима формула (4.14). При более нагретой нижней поверхности (образуются шестигранные циркуляционные зоны) значение α_к находится по формуле (4.15).

Лучистая теплопередача в воздушной прослойке

Лучистая составляющая потока тепла определяется по формуле

. (4,16)

Коэффициент лучистого теплообмена принимается [2] равным α_л = 3,97 Вт/(м²∙^оС), его величина больше α_к, поэтому основная теплопередача происходит излучением. В общем виде количество передаваемого через прослойку тепла кратно

.

Уменьшить поток тепла можно покрытием теплой поверхности (для избежания конденсата) фольгой, применив т.н. “армирование”.Лучистый поток уменьшается примерно в 10 раз, а сопротивление увеличивается вдвое. Иногда в воздушную прослойку вводятся сотовые ячейки из фольги, которые уменьшают и конвективный теплообмен, однако такое решение не долговечно.

Сопротивление теплопередаче, R_вп, может быть найдено [1] в зависимости от толщины, положения (вертикальная или горизонтальная) и температуры внутри (положительная или отрицательная) прослойки. С учетом воздушной прослойки общее сопротивление теплопередаче равно

. (4.17)