Теплоизоляционная панель и способ теплоизоляции

 

Изобретение относится к теплотехнике. Теплоизоляционная панель отличается наличием составного корпуса из непрозрачной теплопроводящей основы, обращенной к низкотемпературной зоне, и теплопроводящего прозрачного слоя, обращенного к высокотемпературной зоне, причем указанный прозрачный слой обладает меньшими теплоемкостью и способностью к поглощению теплового излучения, чем теплоемкость и способность к поглощению теплового излучения основы. Изобретение позволяет повысить эффективность теплоизоляции. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к теплоизоляционной панели или, более конкретно, к теплоизоляционной панели, действие которой основано на новой теории теплоизоляции с использованием теплового градиента, а также к способу теплоизоляции с применение указанной панели.

В замкнутом пространстве таком, например, как здания или контейнеры, обычной практикой является применение различных типов неорганических или органических теплоизоляционных материалов с тем, чтобы экранировать передачу тепла изнутри наружу или снаружи вовнутрь.

Неорганические теплоизоляционные материалы включают, например, теплоизоляционные материалы на основе стекла, такие как стекловолокно и пеностекло, минеральные теплоизоляционные материалы, такие как асбест, шлаковата, перлит и вермикулит, керамические теплоизоляционные материалы, такие как пористый кремнезем, пористый глинозем, глинозем, магнезия, двуокись циркония и огнеупорные изделия, углеродосодержащие теплоизоляционные материалы, такие как графитовые и углеродные волокна и т.п., в то время как органические теплоизоляционные материалы включают пенопласты, такие как пенополиэтилены, пенополистиролы и пенополиуретаны, теплоизоляционные материалы на основе природных материалов, таких как деревянные панели, пробка, древесные волокна и т.п.

Кроме того, известны такие воздушные теплоизоляционные материалы, в которых используется низкая теплопроводность газов, таких как воздух, заключенных в алюминии, бумаге или пластмассе.

Эти теплоизоляционные материалы служат для уменьшения теплопереноса за счет использования материала, обладающего низкой теплопроводностью, или для уменьшения теплопереноса путем заключения в них вещества, обладающего низкой теплопроводностью, такого как газы в порах или пустотах.

Из авт. св. СССР N 560953, кл. F 15 L 59/06, 1977 г. известна теплозащитная панель, представляющая собой составное изделие, размещенное между высокотемпературной зоной и низкотемпературной зоной.

Однако известная панель и применяемые материалы не обеспечивают достаточно высокий эффект теплоизоляции.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка и создание теплоизоляционного материала и способа его применения, обеспечивающих высокую эффективность теплоизоляции. Такой теплоизоляционный материал полностью отличается от обычных теплоизоляционных материалов за счет применения материала, обладающего низкой теплопроводностью, или за счет использования пористого материала с пониженной теплопроводностью благодаря наличию в нем газа, такого как воздух, основывающегося на новом принципе формирования теплового градиента от поверхности, обращенной к низкотемпературной стороне, к поверхности, обращенной к высокотемпературной стороне так, чтобы не допустить теплопереноса, так же, как и способ теплоизоляции, основанный на использовании такого материала.

Авторы изобретения выполнили исследования механизма переноса тепла от высокотемпературной зоны к низкотемпературной зоне через теплоизоляционную панель, установленную между высокотемпературной зоной и низкотемпературной зоной, чтобы совершить открытие, приведенное ниже в качестве результата.

Существо открытия заключается в том, что когда тепло посредством излучения или конвекции передается поверхности теплоизоляционной панели, обращенной к высокотемпературной зоне, тепло с поверхности, обращенной к высокотемпературной зоне, в режиме проводимости переносится к поверхности, обращенной к низкотемпературной зоне, посредством проводимости. И, находясь в соприкосновении с низкотемпературной текучей средой поверхностью, обращенной к низкотемпературной зоне, тепло передается низкотемпературной текучей среде.

Температура теплоизоляционной панели, соприкасающейся с этой низкотемпературной текучей средой, понижается быстрее или медленней в зависимости от того, больше или меньше общее содержание тепла материала, образующего теплоизоляционную панель.

В соответствии с этим, когда на обращенную к низкотемпературной зоне поверхность теплоизоляционной панели наносят слой с высокой теплоемкостью, в этом слое возникает состояние равновесия между теплом, поступившим от теплоизолированного тела, и теплом, которое отводится с низкотемпературной текучей средой так, что, учитывая, что удаление тепла посредством конвекции неизбежно, температура поверхности, обращенной к низкотемпературной зоне, все еще выше по сравнению с первоначальной теплоизоляционной панелью, что препятствует переносу тепла через теплоизоляционную панель от поверхности, обращенной к высокотемпературной зоне.

Ниже приведены числовые формулы, выражающие состояние этого теплового потока.

Здесь g означает тепловой поток, α₁ - коэффициент теплопереноса текучей среды в высокотемпературной зоне, α_o - коэффициент теплопереноса текучей среды в низкотемпературной зоне, T_r - температуру текучей среды в высокотемпературной зоне, T₁ - температуру поверхности теплоизоляционной панели, обращенной к высокотемпературной зоне, Т₂ - температуру поверхности теплоизоляционной панели, обращенной к низкотемпературной зоне, Т_o - температуру текучей среды, обращенной к низкотемпературной зоне, λ - теплопроводность теплоизоляционной панели и L - толщину теплоизоляционной панели.

Как показывает эта формула, тепло передается от текучей среды в высокотемпературной зоне к поверхности теплоизоляционной панели, обращенной к высокотемпературной зоне, проходит за счет проводимости сквозь теплоизоляционную панель и передается от поверхности теплоизоляционной панели, обращенной к низкотемпературной зоне, к текучей среде в низкотемпературной зоне.

С другой стороны тело подвержено переносу тепла под воздействием солнечного света, отдаленного инфракрасного излучения вторичного происхождения и т. п. , так что необходимо изучить также влияние этих видов теплового излучения. В частности, когда теплоизоляционная панель, располагающаяся между высокотемпературной и низкотемпературной зонами воспринимает тепловое излучение, теплоизоляционная панель поглощает тепловое излучение, так что температура всего тела повышается. И, в то время как поверхность, обращенная к низкотемпературной зоне, сохраняет низкую температуру благодаря постоянному контакту с низкотемпературной текучей средой, температура внутри ее, например в области середины панели по толщине, остается несколько повышенной, так что температура последовательно возрастает по мере поглощения теплового излучения, достигая в конечном счете такого же или более высокого значения, чем температура на стороне, обращенной к высокотемпературной зоне, что влечет за собой устранение препятствий тепловому потоку от поверхности, обращенной к высокотемпературной зоне, к поверхности, обращенной к низкотемпературной зоне. Эта тенденция оказывается более выраженной в теле, обладающем высокой способностью поглощения теплового излучения, по сравнению с телом, обладающим малой поглощательной способностью.

В соответствии с этим, в случае, если со стороны теплоизоляционной панели, обращенной к низкотемпературной зоне, разместить слой, обладающий более высокой способностью поглощения теплового излучения, поглощение теплового излучения всем телом возрастает настолько, что тепловой поток, направленный от поверхности, обращенной к высокотемпературной зоне, к поверхности, обращенной к низкотемпературной зоне, не подавляется.

Основываясь на описанном выше открытии, авторы изобретения провели углубленное исследование, в результате которого пришли к выводу, что в случае, когда теплоизоляционная панель изготавливается путем наложения на одну из поверхностей непрозрачной базовой панели прозрачного слоя, выполненного из материала, обладающего более низкой теплоемкостью и меньшей способностью к поглощению теплового излучения, чем базовая панель, и когда полученную теплоизоляционную панель размещают с базовой панелью, обращенной к высокотемпературной зоне, показатель теплоизоляции может быть значительно улучшен по сравнению с теплоизоляционной панелью, состоящей только из базовой панели, что ведет к завершению настоящего изобретения.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в известной теплоизоляционной панели для экранирования диссинации тепла от высокотемпературной зоны до низкотемпературной зоны, представляющей собой составное изделие, размещенное между высокотемпературной зоной и низкотемпературной зоной, в соответствии с изобретением составное изделие выполнено в виде непрозрачной теплопроводящей основы, обращенной к низкотемпературной зоне, и теплопроводящего прозрачного слоя, обращенного к высокотемпературной зоне, причем указанный прозрачный слой обладает меньшими теплоемкостью и способностью к поглощению теплового излучения, чем теплоемкость и способность к поглощению теплового излучения основы. При этом теплоемкость прозрачного слоя не превышает 10% теплоемкости основы, а способность к поглощению теплового излучения не превышает 60% способности к поглощению теплового излучения основы.

Далее задача изобретения решается за счет того, что в известном способе теплоизоляции, включающем экранирование теплового излучения с помощью составной теплоизоляционной панели, в соответствии с изобретением экранирование теплового излучения производят из высокотемпературной зоны в направлении низкотемпературной зоны и далее низкотемпературной текучей среды при контакте с ней, при этом экранирование производят с помощью панели из непрозрачной теплопроводящей основы и теплопроводящего прозрачного слоя, обладающего меньшими теплоемкостью и способностью к поглощению теплового излучения, чем теплоемкость и способность к поглощению теплового излучения основы, размещенной между высокотемпературной и низкотемпературной зонами так, что прозрачный слой обращен к высокотемпературной зоне.

Целесообразно, чтобы в способе теплоизоляции теплоемкость прозрачного слоя не превышала 10% теплоемкости основы, а способность к поглощению теплового излучения не превышала 60% способности к поглощению теплового излучения основы.

Теплоемкость, обозначенная как Q, принимается как параметр, описанный следующей формулой.

Q = V·d·с....... (II) = W·С ..........(II') В данном случае C обозначает удельную теплоемкость или, конкретнее, количество тепла, требующегося для повышения температуры единицы массы вещества (г) на 1^oC (кал/r/^oC), d -плотность или вес (г) единицы объема (куб.см) вещества, V -общий объем вещества (куб. см) и W - суммарный вес вещества. Указанный показатель удельной теплоемкости С является характеристикой каждого материала и его числовые значения, используемые в данном изобретении, хотя и меняются в зависимости от температуры, но являются значениями, полученными в процессе измерений с использованием обычного прибора для измерения удельной теплоемкости при температуре атмосферного воздуха.

Коэффициент поглощения теплового излучения принят в данном случае как отношение температуры излучения источника тепла к уменьшению температуры после того как излучение от источника тепла проходит сквозь данный материал, выраженное в процентах, причем коэффициент поглощения теплового излучения X в данном материале можно определить согласно следующей формуле: X = (T- T')/T х 100......(III) Здесь T означает в (^oC) температуру излучения источника тепла и T' означает (^oC) температуру излучения источника тепла после прохождения сквозь данный материал.

Одновременно тело испускает большое количество энергии в форме излучения с возрастающей по мере повышения температуры интенсивностью, и средняя длина волны ( λ_m ) наивысшей интенсивности излучения, испущенного при определенной температуре, выражается следующей формулой согласно закону Вина.

λ_m = b/T (IV) Здесь Т - абсолютная температура; b - постоянная, выраженная приведенной ниже формулой, b = ch/βк, где h - постоянная планка; к - постоянная Вольцмана; с - скорость в вакууме; β - корень трансцелентного уровня e^-β+(β/5)-1 = 0, а после подстановки указанных числовых значений b равна 2898 (мкм К).

В результате получаем: λ_m = 2898/Т.......(IV').

С другой стороны, энергия, попадающая на тело, частично поглощается в случае, если твердая поверхность непрозрачна, а остальное отражается, так что применяется следующая формула:
αλ+ρλ = 1 (V)
Кроме того, прозрачные материалы, такие как стекло, пропускают свет в видимом диапазоне и ближнем инфракрасном диапазоне, но не пропускают излучение с длиной волны, превышающей 2,5 мкм, так что применяется следующая формула.

αλ+ρλ+τλ = 1 (VI)
Здесь αλ - коэффициент поглощения, ρλ - коэффициент отражения и τλ - удельный коэффициент пропускания.

В соответствии с этим коэффициент поглощения теплового излучения тела зависит, в случае замкнутого пространства, от длины волн наибольшей интенсивности, испускаемых при температуре, до которой нагрет имеющийся источник излучения.

По этой причине в настоящем изобретении коэффициент поглощения теплового излучения, который предполагается использовать, равен полученному в результате расчетов по приведенной выше формуле (III) на основе показателя температуры поверхности путем фактического определения для каждого материала в диапазоне намеченных к применению температур.

На фиг. 1 показано увеличенное изображение в поперечном разрезе, иллюстрирующее пример структуры теплоизоляционной панели, являющейся предметом настоящего изобретения.

На фиг. 2 показано графическое изображение различий теплоизолирующего действия между настоящим изобретением и обычной железной пластиной.

Ниже приведено описание теплоизоляционной панели, являющейся предметом настоящего изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи. На фиг. 1 показано увеличенное изображение в поперечном разрезе, иллюстрирующее пример структуры теплоизоляционной панели, являющейся предметом настоящего изобретения, в которой прозрачный слой, выполненный из теплопроводящего материала, накладывается на поверхность основы, выполненной из непрозрачного теплопроводящего материала со стороны, обращенной к высокотемпературной зоне. В то же время основа располагается таким образом, чтобы быть обращенной к низкотемпературной зоне с температурой Т_L, а прозрачный слой обращен к высокотемпературной зоне с температурой Т_H.

Исключительно важно, что этот прозрачный слой обладает теплоемкостью и способностью к поглощению теплового излучения.

Формула изобретения

1. Теплоизоляционная панель, включающая собственно теплоизоляционную панель для экранирования диссипации тепла от высокотемпературной зоны до низкотемпературной зоны, представляющая собой составное изделие, размещенное между высокотемпературной зоной и низкотемпературной зоной, отличающаяся тем, что составное изделие выполнено в виде непрозрачной теплопроводящей основы, обращенной к низкотемпературной зоне, и теплопроводящего прозрачного слоя, обращенного к высокотемпературной зоне, причем указанный прозрачный слой обладает меньшими теплоемкостью и способностью к поглощению теплового излучения, чем теплоемкость и способность к поглощению теплового излучения основы.

2. Панель по п.1, отличающаяся тем, что теплоемкость прозрачного слоя не превышает 10% теплоемкости основы, а способность к поглощению теплового излучения не превышает 60% способности к поглощению теплового излучения основы.

3. Способ теплоизоляции, включающий экранирование теплового излучения с помощью составной теплоизоляционной панели, отличающийся тем, что экранирование теплового излучения производят из высокотемпературной зоны в направлении низкотемпературной зоны и далее низкотемпературной текучей среды при контакте с ней, при этом экранирование производят с помощью панели из непрозрачной теплопроводящей основы и теплопроводящего прозрачного слоя, обладающего меньшими теплоемкостью и способностью к поглощению теплового излучения, чем теплоемкость и способность к поглощению теплового излучения основы, размещенной между высокотемпературными зонами, так, что прозрачный слой обращен к высокотемпературной зоне.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что теплоемкость прозрачного слоя не превышает 10% теплоемкости основы, а способность к поглощению излучения не превышает 60% способности к поглощению теплового излучения основы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2