Перенос теплоты в вакууме

Тепловой поток теплопроводностью Вт между параллельными пластинами в условиях низкого вакуума определяется из соотношения

, (5.1)

где Т₁ и Т₂ – температура "теплой" и "холодной пластины", К; F – площадь поверхности пластины,м²; λ - коэффициент теплопроводности газа при средней температуре, Вт/(м·К); – расстояние между пластинами, м.

Коэффициент теплопроводности газа может быть рассчитан из соотношения:

где = 0,5, 1,9 и 1,75 соответственно для одноатомных, 2-х атомных и многоатомных газов; – плотность газа, кг/м³; – удельная изохорная теплоемкость газа, Дж/(кг·К); – средняя арифметическая скорость молекул, м/с; – средняя длина свободного пути молекул, м.

Тепловой поток теплопрводностью Вт между параллельными пластинами в условиях высокого вакуума запишется так:

(5.2)

где Т – средняя температура пластин, К; М – молекулярная масса, кмоль/кг; – среднее давление, Па; – коэффициент аккомодации, выражающий поправку на то, что молекула газа, ударяясь о нагретую или холодную поверхность, не успевает приобретать энергию, соответствующую температурам пластин.

Коэффициент аккомодации можно вычислить по формуле:

где α₁,α₂ – коэффициенты аккомодации при температуре Т₁ и Т₂ соответственно.

В таблице 5.1 приведена зависимость коэффициента аккомодации от температуры.

Таблица 5.1

Зависимость коэффициента аккомодации от температуры

Тепловой поток i^го газа Вт, обусловленный конденсацией, определяют по формуле

, (5.3)

где – вероятность конденсации i^го газа; – газовая постоянная i^го газа, Дж/(кг·К) – парциальное давление i^го газа, Па; Т – температура "холодной" поверхности, К; – среднее изменение энтальпии при конденсации, Дж/кг.

Тепловой поток излучением Вт такой же как в лучепрозрачных средах и не зависит от степени вакуума и для 2-х произвольных поверхностей может быть рассчитан из соотношения

(5.4)

где Т₁ и Т₂ – температуры "теплого" и "холодного" тела соответственно; ; – коэффициент облученности 2-го первым телом; – постоянная Стефана-Больцмана.

Тепловой поток Вт излучением между параллельными пластинами примет вид

(5.5)

где .

Значения степеней черноты некоторых материалов в зависимости от температуры приведены в таблице 5.2

Таблица 5.2

Степени черноты материалов в зависимости от температуры

Тепловой поток по тепловым мостам Вт может быть приближенно рассчитан по формуле

(5.6)

где – площадь сечения теплового моста, м²; – длина теплового моста, м; – теплопроводность материала теплового моста при средней его температуре, Вт/(м·К).

Для уменьшения теплопритоков, вследствие теплопроводности обычно применяют длинные тонкостенные трубки из металлов с малой теплопроводностью – коррозионно-стойкой стали, нейзильбера, мельхиора (см. таблицу 5.3).

Таблица 5.3

Теплопроводность некоторых материалов в зависимости от температуры

Вязкость газов

Вязкость или внутреннее трение – это свойства жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной части относительно другой.

Сила вязкости пропорциональна перепаду скорости на единицу пути и площади поверхности пластины , т.е.

,

где – коэффициент динамической вязкости, Па·с; – скорость газа, м/с.

Согласно молекулярно-кинетической теории газов коэффициент динамической вязкости можно определить, воспользовавшись формулой:

В условиях низкого вакуума (ℓ_ср«ℓ) коэффициент вязкости не зависит от давления.

В условиях высокого вакуума ( » ), ввиду отсутствия потерь на взаимные столкновения, молекулярная вязкость должна быть прямо пропорциональна числу переносчиков количества движения и, следовательно, давлению газа.

В таблице 5.4 приведены значения коэффициентов динамической вязкости для некоторых газов при Т = 273К.

Таблица 5.4

Коэффициенты динамической вязкости

На рис. 5.1 представлена зависимость коэффициентов динамической вязкости η, коэффициента теплопроводности λ и коэффициента диффузии D от степени вакуума (давления).