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 тел, установим между ними экран (рис. 11.4). Лучшую защиту второго тела от излучения первого обеспечит, естественно, абсолютно белый экран, полностью отражающий все падающего на него излучения. Реально сделать такой экран из полированных металлических пластин со степенью черноты ε_э = 0,05 ÷ 0,15. В этом случае часть энергии,

испускаемой первым телом, будет поглощаться экраном, а остальная – отражаться. В стационарном режиме вся поглощенная 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 ε₁ = ε₂ = ε_э = ε и Т₁ > Т₂. Термическое сопротивление теплопроводности тонкостенного экрана практически равно нулю, так что обе его поверхности имеют одинаковые температуры Т_э.

Рис. 11.4 Лучистый теплообмен между двумя поверхностями через экран

Приведенные степени черноты системы: первое тело – экран и экран – второе тело в соответствии с одинаковы и равны:

От более горячей пластины экрану передается теплота, плотность которой

а от экрана к более холодной поверхности

В стационарном режиме q_1,2 = q_2э, т.е.

Отсюда

Подставляя полученное выражение в предыдущее , получаем

Это и есть плотность теплового потока q_1,2, передаваемого от первой пластины ко второй при наличии экрана.

Без экрана:

, где ε_пр = ε/(2 - ε).

Из сравнения выражений и следует q^э_1,2 / q_1,2 = 0,5, т.е. установка одного экрана при ε₁ = ε₂ = ε уменьшает поток излучения вдвое.

Можно сказать, что при установке n экранов с ε_э ≠ ε (ε = ε₁ = ε₂)

Если ε = 0,8 (окисленная стальная поверхность), а ε_э = 0,1, то при наличии одного экрана q^э_1,2 / q_1,2 = 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 специальных изоляций, состоящей из множества полированных металлических пластин или фольги с зазором, широко применяемой в последнее время. Для исключения уонвекции и теплопроводности из зазоров часто откачивают воздух. Такая изоляция называется выкуумно-многослойной.