теплопроводность, конвекция, излучение. Их сравнительный анализ. Тепловой поток, плотность теплового потока. Температурное поле, температурный градиент — Студопедия

Поделись с друзьями: 

Перенос теплоты может передаваться тремя механизмами передачи тепла: теплопроводностью; конвекцией; излучением (радиацией).

Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии. Конвекция – это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Этот вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью.

Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей. Если процесс теплообмена происходит между средами через разделяющую их поверхность то он носит название т еплопередача. Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией).

Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение э/м волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом. Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно — кондуктивным теплообменом. Совокупность всех трех видов теплообмена называется радиационно-конвективным или сложным теплообменом. Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д.

Процесс переноса теплоты может сопровождаться переносом вещества (массообмен), фазовыми переходами, химическими реакциями на поверхности тела и в самом теплоносителе. Например, испарение воды в воздух, движение жидкостей или газов в трубопроводах и.т.п. Тогда процесс теплообмена усложняется, так как теплота дополнительно переносится с массой движущегося вещества. Будем рассматривать только однородные и изотропные тела, т.е. такие тела, которые обладают одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям. При передаче теплоты в твердом теле, температура тела будет изменяться по всему объему тела и во времени.

Совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек изучаемого пространства называется температурным полем.

В общем случае реальный процесс по своей природе трехмерный и нестационарный. .

В зависимости от условия задачи различают одномерные и двухмерные температурные поля (изменяющиеся по одной или двух координатам). Наиболее простотой является одномерное стационарное температурное поле, которое состоит из серии изотермических поверхностей.

Изотермическая поверхность – геометрическое место точек в температурном поле, имеющих одинаковую температуру. Одна и та же точка не может иметь разную температуру, поэтому изотермические поверхности не пересекаются, они либо оканчиваются на поверхности, либо целиком располагаются в нутрии тела. Рис. 9.1. Чем чаще расположены изотермы, тем интенсивнее изменяется температура.

Рис. 9.1 Температурное поле тела и его характеристики

Отношение  характеризует среднюю интенсивность изменения температуры между изотермами в направлении нормали и является средним температурным градиентом.

Его локальное значение: .

Таким образом, температурный градиент характеризует изменение температуры на единицу длины. Температурный градиент – это вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по длине этого направления:, где  — единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры.

Скалярная величина температурного градиента  различна для точек изотермической поверхности. Она тем больше, чем меньше .

Количество теплоты (Вт = Дж/с), переданное в единицу времени через изотермическую поверхность называется тепловым потоком . Плотность теплового потока – количество теплоты, передаваемое через единицу площади изотермической поверхности в единицу времени:[Вт/м²])

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Механизм — передача — тепло

Cтраница 1

Механизм передачи тепла в расплаве стекла обусловлен излучением, конвекцией и молекулярной теплопроводностью. Для описания этих явлений чаще всего используют уравнение теплопроводности, в котором вместо коэффициента теплопроводности применяют эффективный коэффициент. В связи с тем что методы экспериментального изучения распределения температур в стекломассе существующими техническими средствами не позволяют получать достаточно полной картины, для задания граничных условий принимаются дополнительные предположения, в ряде случаев не приводимые авторами. Это особенно относится к области, покрытой шихтой и варочной пеной, где в связи с высокими температурами и агрессивностью среды измерения, как правило, не проводят. При задании граничных условий исследователи используют качественные сведения о характере процесса варки стекла.
 [1]

Механизм передачи тепла через изоляционное пространство, заполненное порошкообразным материалом, определяется тремя составляющими: теплопроводностью газа, теплопроводностью твердых частиц, излучением. Перенос тепла газом можно практически исключить, создав вакуум в пустотах между частицами.
 [2]

Механизм передачи тепла в аморфных полимерах, в соответствии с найденной закономерностью, представляется следующим образом. Перенос тепла от одной макромолекулы к другой происходит в основном в результате колебательного движения. С повышением температуры теплопроводность стекла возрастает, поскольку увеличивается вероятность флуктуации.
 [3]

Механизм передачи тепла от одного тела к другому основан на том, что молекулы соприкасающихся тел ( или различных частей одного тела) при взаимных столкновениях обмениваются энергией. Частицы тела, нагретого сильнее, теряют энергию, передавая ее частицам менее нагретого тела.
 [4]

Механизм передачи тепла окружающей среде и фазовые изменения состава ПВС являются проблемными вопросами, требуют постоянного исследования и максимального сохранения при этом естественных условий.
 [5]

Однако механизм передачи тепла еще не представляется ясным.
 [6]

Возможны три механизма передачи тепла от стенки к пленке жидкости: 1) при отсутствии теплообмена на свободной поверхности пленки; 2) при наличии тепло — и массообмена на ее свободной поверхности; 3) при парообразовании на обтекаемой твердой поверхности. К первому механизму близки процессы нагревания или охлаждения жидкости в пленочных теплообменниках, ко второму — процессы отгонки летучих компонентов путем их испарения, а также процессы абсорбции и десорбции.
 [7]

Представления о механизме передачи тепла движущимся гравитационным плотным слоем как псевдосплошным цилиндром не является общим и зачастую недостоверно. Оно приближенно соответствует лишь части встречающихся условий движения сыпучей среды. Для коаксиальных, сребренных и поперечно расположенных каналов эти уравнения вообще неприменимы по физическим и чисто формальным соображениям.
 [8]

Рассмотрим более детально механизм передачи тепла.
 [9]

Теплопроводность ряда материалов, применяемых в строительстве.  [10]

Известны три основные механизма передачи тепла: проводимость, конвекция и излучение.
 [11]

В зависимости от механизма передачи тепла различают три способа теплообмена-теплопроводность, конвекцию и лучеиспускание.
 [12]

Присутствуют сразу оба механизма передачи тепла: фононный и радиационный; их доля определяется оптическими свойствами конкретной системы.
 [13]

На кинетику процесса влияет механизм передачи тепла в сохнущем теле. Получающаяся разница температур в различных точках тела создает условия для возникновения явления т е р-модиффузии, двигающей жидкость от мест высокой температуры к местам с более низкой температурой. Это явление объясняется большей скоростью движения молекул и упругости пара жидкости при высокой температуре.
 [14]

Какой-то из указанных двух механизмов передачи тепла ограничивает поток тепла от спиновой системы к внешней среде. Авторы полагают, что в большинстве исследований, выполненных в области температур жидкого гелия, релаксационные явления определяются вторым механизмом теплопередачи.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

Изменение кондуктивно-радиационного механизма теплопередачи, вызванное графитовым микронаполнителем в пенополистирольной теплоизоляции – экспериментальные и модельные исследования

2020 9 июня; 13 (11): 2626.

дои: 10.3390/ma13112626.

Аурелия Блажейчик
¹
, Цезарь Ястшебски
²
, Михал Вежбицкий
²

Принадлежности

• ¹ Кафедра механики и строительных конструкций, Инженерно-строительный институт, Факультет строительства и окружающей среды, Варшавский университет естественных наук-SGGW, ул. Новоурсыновска, 159, 02-776 Варшава, Польша.
• ² Физический факультет Варшавского политехнического университета, ул. Кошикова 75, 00-662 Варшава, Польша.

• PMID:

  32526870

• PMCID:

  PMC7321605

• DOI:

  10.3390/ma13112626

Бесплатная статья ЧВК

Аурелия Блажейчик и др.

Материалы (Базель).

2020 .

Бесплатная статья ЧВК

. 2020 9 июня; 13 (11): 2626.

дои: 10. 3390/ma13112626.

Авторы

Аурелия Блажейчик
¹
, Цезарь Ястшебски
²
, Михал Вежбицкий
²

Принадлежности

• ¹ Кафедра механики и строительных конструкций, Инженерно-строительный институт, Факультет строительства и экологии, Варшавский университет естественных наук-SGGW, ул. Новоурсыновска, 159, 02-776 Варшава, Польша.
• ² Физический факультет Варшавского политехнического университета, ул. Кошикова 75, 00-662 Варшава, Польша.

• PMID:

  32526870

• PMCID:

  PMC7321605

• DOI:

  10. 3390/ma13112626

Абстрактный

В данной статье представлен инновационный подход к исследованию кондуктивно-радиационного механизма теплопередачи в теплоизоляции из пенополистирола (EPS) при незначительной конвекции. Пенополистирол с закрытыми порами (насыпная плотность 14-17 кг·м ^-3 ) в виде панелей (толщиной 0,02-0,18 мкм) испытывали с микрочастицами графита (ГМП) размером 1-15 мкм при двух различных промышленных концентрациях (до 4,3% от массы ВПС). Установлено, что тепломер (ТРП) достаточно точен, чтобы наблюдать все исследуемые тепловые эффекты: зависимость общей теплопроводности от толщины, плотности и содержания ГМП, а также относительный прирост теплового сопротивления. Предложено альтернативное объяснение «эффекта толщины» общей теплопроводности. Кондуктивно-излучательные компоненты общей теплопроводности были разделены путем сравнения измеренных (с алюминиевой фольгой и без нее) и смоделированных (т. е. рассчитанных на основе данных, приведенных в литературе) результатов. Это помогает понять, почему небольшая добавка ГМФ (менее 4,3 %) приводит к столь очевидному падению общей теплопроводности до 0,03 Вт·м 9 .0007 -1 ·К ^-1 . Предполагается, что физическая причина связана с изменением механизма передачи тепла путем теплопроводности и излучения. Основным достижением является открытие того, что изменение теплопроводности полимерной матрицы, вызванное GMP, может доминировать над изменением излучения. Таким образом, основной причиной наблюдаемого снижения общей теплопроводности пенополистироловой изоляции считается изменение составляющей теплопроводности матрицы. На микроскопическом уровне молекул или цепей (например, в полимерах) существенные различия, наблюдаемые в интенсивности спектров комбинационного рассеяния и повышении температуры стеклования на термограммах дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), при сравнении пенополистирола с GMP и без него, дополняют приведенное выше утверждение. Дополнительным практическим достижением является нахождение максимальной толщины, при которой возможно уменьшение «серого» изоляционного слоя пенополистирола по отношению к «точечному» пенополистиролу при требуемом уровне термического сопротивления. В случае самых толстых (0,30 м) панелей для пассивного здания оказывается возможным уменьшение толщины более чем на 18%.

Ключевые слова:

рамановская спектроскопия; пенополистирол; частицы графита; фонон-фотонный транспорт; термический анализ; теплопроводность; термостойкость; Эффект толщины.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Цифры

Рисунок 1

Испытываемые продукты: А — «белый» расширенный…

Рисунок 1

Испытываемые продукты: А — «белый» пенополистирол (ВПС) (чистый), Б — «точечный» ВПС, С — «серый» ВПС.

Рисунок 1

Испытываемые продукты: А — «белый» пенополистирол (ВПС) (чистый), Б — «точечный» ВПС, С — «серый» ВПС.

Рисунок 2

Схема измерения…

Рисунок 2

Схема системы измерения в: ( a ) стандарте и (…

фигура 2

Схема системы измерения: ( a ) стандартным и ( b ) нестандартным методом.

Рисунок 3

Измеренная насыпная плотность ρ…

Рисунок 3

Измеренная объемная плотность ρ в зависимости от толщины панели d для EPS…

Рисунок 3

Измеренная объемная плотность ρ в зависимости от толщины панели d для продуктов EPS A, B и C. Планки погрешностей соответствуют расширенным неопределенностям, У ( ρ ). Горизонтальными стрелками отмечены уровни средних значений плотности < ρ > (см. табл. 2).

Рисунок 4

( a ) Видимый…

Рисунок 4

( a ) Коэффициент кажущейся теплопроводности λ′ в зависимости от толщины панели…

Рисунок 4

( a ) Коэффициент кажущейся теплопроводности λ′ в зависимости от толщины панели d для продуктов EPS A, B и C, измеренный при T _m = 10 °C. Планки погрешностей соответствуют расширенным неопределенностям U ( λ ′). Вертикальные пунктирные линии, обозначенные d _LA , d _LB и d _LC , показывают соответствующие пределы толщины; ( б ) Скорректированный коэффициент теплопроводности λ при T _м = 10 °C в зависимости от толщины панели d для EPS A, B и C. Планки ошибок соответствуют расширенным неопределенностям U ( λ ). Горизонтальные стрелки вправо указывают средние значения электропроводности < λ > из таблицы 3. Левая стрелка на уровне 0,04 указывает λ _DA и λ _DB (как заявлено для продуктов A и B), пока λ _DC появляется на уровне 0,032. Вертикальная стрелка вниз Δ λ показывает влияние микрочастиц графита (GMP) на теплопроводность. Относительно EPS C к EPS B достигнутое относительное падение проводимости составило 17,2%.

Рисунок 5

( a ) Тепловой…

Рисунок 5

( a ) Термическое сопротивление, R , при Tпл = 10 °С…

Рисунок 5

( a ) Термическое сопротивление, R , при Tm = 10 °C в зависимости от толщины панели d для продуктов EPS B и C. Уравнения, полученные в результате линейной подгонки (1.9) из части 1 дополнительного материала, показаны вместе с коэффициентом линейной корреляции r (сплошные линии). Δ R показывает разницу между панелями B и C одинаковой толщины и Δ d показывает разницу между панелями B и C одного и того же значения R . ( b ) Относительное усиление теплового сопротивления Δ R/RB (левая ось) и относительное уменьшение толщины изоляции −Δ d/dB (правая ось) для EPS C по отношению к EPS B в зависимости от толщины панели д . График отображается горизонтально, так как уравнение (8) дает отрицательные значения. Экспериментальные точки экстраполированы (сплошные линии) на основе показанных функций, соответствующих уравнениям (9) и (11).

Рисунок 6

( a ) Спектры комбинационного рассеяния…

Рисунок 6

( a ) Спектры комбинационного рассеяния для выбранной «белой» части ЭПС B…

Рисунок 6

( a ) Спектры комбинационного рассеяния для выбранной «белой» части продуктов EPS B (красная линия) и для «серых» продуктов EPS C (черная линия). В качестве длины волны возбуждения использовалась линия He–Ne-ионного лазера с длиной волны 633 нм. ( b ) Спектры комбинационного рассеяния для выбранной «белой» части продуктов EPS B (красная линия) и для «серых» продуктов EPS C (черная линия). В качестве длины волны возбуждения использовали линию лазера на ионах аргона с длиной волны 514 нм.

Рисунок 7

Термограммы ТГА для: ( a…

Рисунок 7

Термограммы ТГА для: ( a ) выбранной «белой» части ЭПС В…

Рисунок 7

Термограммы ТГА для: ( a ) выбранной «белой» части ВПС В (красные линии) и ( b ) «серой» части ВПС С (черные линии).

Рисунок 8

Эффекты алюминиевой фольги и…

Рисунок 8

Влияние алюминиевой фольги и GMP на теплопроводность EPS. В…

Рисунок 8

Влияние алюминиевой фольги и GMP на теплопроводность пенополистирола. Пунктирные квадраты и черные сферы показывают кажущуюся теплопроводность λ ′( d ) при Т _м = 10 °С для ЭПС В и С соответственно. Перечеркнутые квадраты и кружки показывают смоделированные данные λ ″ ( d ) для EPS B и C с алюминиевой фольгой. Сплошные линии построены по данным [42]. Тонкие и толстые линии обозначают испытания с алюминиевой фольгой и без нее соответственно.

Рисунок 9

Влияние GMP на…

Рисунок 9

Влияние ГМП на общую теплопроводность, разложенную на ее составляющие. Каждый…

Рисунок 9

Влияние ГМП на общую теплопроводность, разложенную на ее составляющие. Значение каждого компонента рассчитывается путем умножения доли вклада (таблица 5) на общую теплопроводность. Обратите внимание на влияние GMP на эффект толщины.

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Похожие статьи

• Многомасштабные тепловые исследования теплоизоляции полистирола, легированного графитом.

  Лакатош А., Чик А.

  Лакатос А и др.
  Полимеры (Базель). 2022 14 апреля; 14 (8): 1606. doi: 10.3390/polym14081606.
  Полимеры (Базель). 2022.

  PMID: 35458356
  Бесплатная статья ЧВК.

• Ежегодная оценка энергоэффективности при использовании пенополистирола с переменной температурой и соотношением влажности и теплопроводности.

  Хухи М., Абдельбаки С., Хассан А.

  Хухи М. и др.
  Материалы (Базель). 2019 Сентябрь 16;12(18):3000. дои: 10.3390/ma12183000.
  Материалы (Базель). 2019.

  PMID: 31527491
  Бесплатная статья ЧВК.

• Оптимизация состава наружной стены из пенополистирола (EPS) на основе цемента с учетом теплоизоляции и огнестойкости.

  Ши Дж., Чжао Л., Чжан И., Хань Х., Чжоу Л., Ван С.

  Ши Дж. и др.
  Полимеры (Базель). 2022 1 декабря; 14 (23): 5229. doi: 10.3390/polym14235229.
  Полимеры (Базель). 2022.

  PMID: 36501634
  Бесплатная статья ЧВК.

• Теплоизоляционные материалы на основе наноцеллюлозы.

  Апостолопулу-Калкавура В., Мунье П., Бергстрем Л.

  Апостолопулу-Калкавура V и др.
  Adv Mater. 2021 июль;33(28):e2001839. doi: 10.1002/adma.202001839. Epub 2020 6 августа.
  Adv Mater. 2021.

  PMID: 32761673

  Обзор.

• Пеноматериалы на биооснове для теплоизоляции: выбор материала, обработка, моделирование и характеристики.

  Морт Р., Ворст К., Куртцвилер Г., Цзян С.

  Морт Р. и др.
  RSC Adv. 2021 22 января; 11 (8): 4375-4394. doi: 10.1039/d0ra09287h. Электронная коллекция 2021 21 января.
  RSC Adv. 2021.

  PMID: 35424381
  Бесплатная статья ЧВК.

  Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Многомасштабные тепловые исследования теплоизоляции полистирола, легированного графитом.

  Лакатош А., Чик А.

  Лакатос А и др.
  Полимеры (Базель). 2022 14 апреля; 14 (8): 1606. дои: 10.3390/полим14081606.
  Полимеры (Базель). 2022.

  PMID: 35458356
  Бесплатная статья ЧВК.

• Спецвыпуск: Структура, свойства и применение полимерных пен.

  Хейна А.

  Хайна А.
  Материалы (Базель). 2021 17 марта; 14 (6): 1474. дои: 10.3390/ma14061474.
  Материалы (Базель). 2021.

  PMID: 33802980
  Бесплатная статья ЧВК.

Рекомендации

1. 1. Су К.В. Полистирол и структурная пена. В: Клемпнер Д., Сендияревич В., редакторы. Справочник по полимерным пенам и технологии пеноматериалов: полистирол и конструкционная пена. 2-е изд. Хансер; Мюнхен, Германия: 2004. стр. 189–225.

2. 1. Пфундштейн М., Геллерт Р., Шпицнер М., Рудольфи А. Подробная практика: изоляционные материалы: принципы, материалы, применение. 1-е изд. Биркхойзер; Базель, Швейцария: 2008 г.

3. 1. Серый полистирол JE: свойства, характеристики и применение. 1-е изд. Nova Science Publishers Inc .; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: 2011.

4. 1. Полистирол. [(по состоянию на 1 сентября 2019 г.)]; Доступно в Интернете: https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/polystyrene.

5. 1. Гибсон Л.Дж., Эшби М.Ф. В: Ячеистые твердые тела: структура и свойства. 2-е изд. Гибсон Л.Дж., Эшби М.Ф., редакторы. Издательство Кембриджского университета; Кембридж, Великобритания: 1997.

7.6 Основы теплопередачи – руководство по использованию CubeSat и конструкции шины

7. Термоконтроль

Механизмы теплопередачи

На изображении выше показано, как все три метода теплопередачи (теплопроводность, конвекция и излучение) работают в одной и той же среде. Изображение предоставлено НАСА.

Проводка

Теплопроводность — это прямая передача тепла между материалами, которые 1) имеют физический контакт и 2) имеют относительную разницу температур. «Проводимость имеет место во всех фазах: твердой, жидкой и газообразной. Скорость, с которой энергия передается в виде тепла между двумя телами, зависит от разницы температур (и, следовательно, градиента температуры) между двумя телами и свойств проводящего интерфейса, через который передается тепло» [Википедия].

Диаграмма, показывающая передачу тепловой энергии посредством проводимости. Изображение предоставлено Boundless.

Теплопроводность — это основной механизм теплопередачи внутри космического корабля. Тепло переходит от горячего (высокая температура) к холодному (низкая температура) до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Основной закон одномерной теплопроводности был сформулирован Фурье в 1822 г. Величина переноса тепла пропорциональна теплопроводности, площади и градиенту температуры.

.

Теплопроводность может быть определена с точки зрения теплового потока через разность температур. Изображение Maxwell Molecule.

Теплопроводность – это свойство материала с единицами измерения. Теплопроводность уподобляется электрическому сопротивлению в том смысле, что оба свойства представляют собой легкость, с которой энергия передается через материал. Общие материалы в конструкциях космических кораблей и их теплопроводность [Википедия]:

Если бы мы хотели изучить систему более внимательно, чтобы понять, как тепло «течет» в твердом теле, нам нужно общее дифференциальное уравнение, описывающее, как тепло распространяется в пространстве во времени:

Где

q(r,t)=внутренне выделяемое тепло

ρ=плотность (кг/м3)

c=удельная теплоемкость (Дж/кг°K)

Это уравнение используется в тепловых моделях диффузия , составляющая основу конечно-элементного анализа распределения температуры по телу с течением времени.

Конвекция

Моментальные снимки температурного поля в двухмерном моделировании конвекции Рэлея-Бенара. (Вверху) При достаточно слабых перепадах температуры ΔT жидкость остается в состоянии покоя и передает тепло посредством теплопроводности. (В центре) Достаточно большое ΔT дестабилизирует состояние проводимости, а когерентные конвекционные валы активно увеличивают тепловой поток. (Внизу) Конвективная турбулентность начинается при большем ΔT. Изображение PNAS.

Конвекция – это передача тепла посредством движения жидкостей. Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах. Жидкости используют гравитацию для циркуляции. У нас не так много гравитации или жидкостей в космосе, поэтому мы не будем касаться физики.

Моделирование тепловой конвекции. Красные оттенки обозначают горячие области, а синие — холодные. Горячий, менее плотный нижний пограничный слой направляет шлейфы горячего материала вверх, и точно так же холодный материал сверху движется вниз. Эта иллюстрация взята из модели конвекции в мантии Земли. Изображение предоставлено Харрошмелингом.

Излучение

«Тепловое излучение — это излучение электромагнитных волн от всего вещества, имеющего температуру выше абсолютного нуля. Тепловое излучение отражает преобразование тепловой энергии в электромагнитную энергию. Тепловая энергия – это кинетическая энергия случайных движений атомов и молекул в веществе. Вся материя с ненулевой температурой состоит из частиц с кинетической энергией» [Википедия]. «Тепловое излучение может исходить от объектов на любой длине волны, и при очень высоких температурах такое излучение связано со спектрами далеко за пределами инфракрасного, простирающимися в видимый, ультрафиолетовый и даже рентгеновский диапазоны (например, солнечная корона). Таким образом, популярная ассоциация инфракрасного излучения с тепловым излучением является лишь совпадением, основанным на типичных (сравнительно низких) температурах, часто встречающихся вблизи поверхности планеты Земля» [Википедия].

Короче говоря, тепловое излучение работает через электромагнитные поля и не нуждается в транспортной среде, поэтому излучение работает в вакууме. Излучение — это единственный механизм теплового взаимодействия космического корабля с космической средой, который мы используем для сброса или отвода внешнего тепла от космического корабля на орбите.

Материалы с более высоким коэффициентом излучения кажутся более горячими. На этом тепловом изображении керамический цилиндр кажется более холодным, чем его кубический контейнер (из карбида кремния), хотя на самом деле они имеют одинаковую температуру. Изображение от Bancquo.

Излучение является основным внешним по отношению к космическому кораблю механизмом передачи тепла. Тепло течет от горячего (высокая температура) к холодному (низкая температура) до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, как и при теплопроводности. Скорость передачи тепла испускаемым излучением определяется законом Стефана-Больцмана для излучения. Количество передаваемого тепла пропорционально коэффициенту излучения, площади поверхности и абсолютной температуре в градусах Кельвина. постоянная Стефана-Больцмана, имеющая значение

Полная форма уравнения Стефана-Больцмана:

где = температура окружающей среды (=3°К для пространства)

Два тела в тепловом равновесии внутри полости, изолированной от окружающей среды. Стрелки изображают сияющие силы. Буквы e и буква обозначают испускаемое и поглощаемое излучение белого тела.CC BY-NC-SA 2.0. Изображение предоставлено SEOS.

Коэффициент излучения — это свойство материала, которое указывает на излучение тепла телом. Коэффициент излучения варьируется от 0 (белое тело, отражающее излучение) до 1 (черное тело, поглощающее все тепло). Значения от 0 до 1 означают «серое» тело, которое частично отражает и поглощает в некотором отношении; коэффициент излучения является безразмерной величиной. Более формально, «коэффициент излучения — это отношение теплового излучения от поверхности к излучению от идеально черной поверхности при той же температуре, что и согласно закону Стефана-Больцмана» [Википедия]. Вот некоторые распространенные материалы, используемые в космосе, и их коэффициенты излучения [EngineeringToolbox]:

Поглощающая способность поверхности материала – это его способность поглощать лучистую энергию. Для данной длины волны коэффициент поглощения равен коэффициенту излучения:

Однако существуют некоторые материалы, которые поглощают на другой длине волны, чем излучают, поэтому коэффициенты излучения и поглощения отличаются:

Различные материалы с различными коэффициентами излучения и поглощения приведены ниже:

Эти материалы можно использовать для достижения общего согревающего или охлаждающего эффекта. Отношение больше 1 способствует потеплению, а отношение меньше 1 способствует охлаждению. Некоторые распространенные стратегии:

• Используйте серебряный тефлон, чтобы свести к минимуму поглощение солнечного света, но максимально увеличить излучение (например, для зеркал телескопа)
• Используйте черную краску для максимальной передачи энергии, как поглощения, так и излучения (внутри)
• Используйте металлы (например, алюминий) для минимизации как поглощения, так и излучения (солнцезащитный экран прибора)
• Объедините эти поверхности, чтобы получить почти все, что захотите

Взаимодействие излучений

Тепловое излучение в космос

Вспомните уравнение Стефана-Больцмана:

Где — температура в градусах Кельвина,

— площадь поверхности, спроецированная в пространство в ,

— постоянная Стефана-Больцмана, а

— излучательная способность поверхности, зависящая от длины волны .

Обратите внимание, что коэффициенты излучения для разных длин волн не эквивалентны: . Но также и то, что излучение испускается на всех длинах волн, так как же нам определить, какое значение коэффициента излучения использовать? Мы используем закон Вина, чтобы определить преобладающую длину волны.

Излучение черного тела в зависимости от длины волны при различных температурах. Каждая температурная кривая имеет пик на своей длине волны, и закон Вина описывает сдвиг этого пика. СС BY-SA 3.0. Изображение Курва Планк.

В качестве быстрого примера, для космического корабля с коэффициентом излучения поверхности 0,8, температурой 330K и проекцией площади поверхности 1 тепло, излучаемое в космос, составляет 538 Вт!

Solar Irradiance

Solar Radiation Spectrum.Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Неперенесенная лицензия. Изображение Роберта А. Роде.

«Солнце излучает свет с распределением, подобным тому, что можно было бы ожидать от черного тела с температурой 5525 К (5250 °C), что приблизительно соответствует температуре поверхности Солнца. Эти кривые основаны на данных NREL над атмосферой и на уровне моря, которые являются стандартами, принятыми фотоэлектрической промышленностью для обеспечения согласованных условий испытаний и аналогичны свету, который можно ожидать в Северной Америке». [Википедия].

Например, возьмем белую краску, коэффициент излучения которой равен 0,8, а коэффициент поглощения равен 0,4. Приходящая мощность солнечного излучения определяется по формуле:

где площадь, перпендикулярная вектору Солнца, и солнечное излучение вокруг Земли; видите некоторое сходство с уравнением мощности солнечных батарей? Входящая мощность по этим параметрам составляет 26,9 Ватт.

Последнее замечание о влиянии солнечной радиации, выделяющей частицы отложений на поверхности, что увеличивает поглощающую способность, но почти не влияет на излучательную способность.

Спектральное поглощение/излучение некоторых материалов и покрытий. Изображение Кейвана Ниаки.

Альбедо

Использование реального альбедо Земли и потока ИК-излучения Земли для теплового анализа космических аппаратов

Пример ежедневных данных альбедо (CERES). Изображение Ромена Пейру-Логи.

Отраженный солнечный свет от планетарных тел имеет форму альбедо. Альбедо — это доля солнечного излучения, отраженного от поверхности планетарного тела, чаще всего рассчитываемая для Земли. Альбедо зависит от орбиты и положения космического корабля. Значения для Земли колеблются от 0,2 до 0,6. это площадь, спроецированная на Землю.

Иллюстрация эффективного альбедо в любой момент, воспринимаемого космическим кораблем на околоземной орбите. Пейру-Лауга, Ромен. «Использование реального альбедо Земли и потока ИК-излучения Земли для теплового анализа космического корабля». 47-я Международная конференция по экологическим системам, 2017 г. Изображение Ромена Пейру-Лога.

Для расчета результирующего тепла, исходящего от альбедо:

Где R — коэффициент альбедо. Давайте проведем пример расчета, включив в него некоторые примерные значения, где коэффициент поглощения, альбедо и . Результирующее тепло от альбедо составляет 26,9.Вт.

Тепловое излучение Земли

Радиационный баланс Земли – поступающее на Землю излучение должно равняться исходящему излучению. Поглощенное солнечное излучение (коротковолновое) повышает температуру Земли, а испускаемое длинноволновое излучение (тепло) понижает температуру. Изображение UMaine.edu.

Земля не только отражает солнечный свет, но и излучает тепло как источник излучения. Земля поглощает солнечное тепло, а также генерирует собственное тепло из своего динамичного расплавленного ядра. Это тепло излучается ближайшими космическими аппаратами со следующей зависимостью:

Где F — геометрический фактор, называемый коэффициентом обзора. Фактор обзора — это безразмерный коэффициент от 0 до 1, который определяет, какая часть поверхности видна другой поверхности, и является чисто геометрическим свойством [Klobuchar]. Где F — геометрический фактор, называемый коэффициентом обзора, коэффициент излучения Земли, коэффициент поглощения космического корабля в инфракрасном диапазоне. Для взаимодействия между космическим кораблем и Землей метод Nusselt Unit Sphere вычисляет коэффициент обзора между сферой и плоской поверхностью.

Для примера расчета, где высота составляет 500 км, а угол между нормалями к поверхностям областей составляет 90 градусов, коэффициент обзора равен 0,28. Излучательная способность Земли составляет около 1, почти идеально для черного тела. Температура около 255 Кельвинов. Площадь излучения — это площадь космического корабля, перпендикулярная Земле, которую мы будем использовать 1 . Излучательная способность Земли составляет 26,9 Вт.

Тепловое равновесие

При тепловом равновесии количество поступающей тепловой энергии равно ее исходящей. Этот результат вытекает из первого закона термодинамики: «закон сохранения энергии утверждает, что полная энергия изолированной системы постоянна; энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но не может быть ни создана, ни уничтожена» [Википедия]. Изменение внутренней энергии замкнутой системы представляет собой разницу количества тепла, поступающего в систему, и количества термодинамической работы, совершаемой системой:

Для космического корабля поступающее тепло представляет собой поглощенную падающую энергию. Уходящее тепло является излучаемой энергией. Работа, выполненная внутри, представляет собой используемую внутреннюю мощность (отрицательная работа в этом смысле — добавляет к общему теплу в системе).

Окружающая среда

Давайте рассмотрим конкретный случай для космического корабля, ориентированного на Землю, чтобы продемонстрировать, как найти равновесную температуру.

Теплообмен между спутником и космической средой. Открытый доступ Abdelkhalek, Hamdy Soltan, et al. «Моделирование и прогнозирование спутниковых датчиков температуры на основе искусственной нейронной сети». Журнал аэрокосмических технологий и менеджмента 11 (2019 г.)).Изображение от Scielo.

Энергия, поступающая в систему, является результатом прямого солнечного излучения, отраженного солнечного света (альбедо), теплового излучения Земли и внутренних источников тепла (таких как электроника и люди):

Энергия, выходящая из системы, единый сток: излучение в космос, которое зависит от температуры поверхности. Уравнение теплового баланса тогда:

Одно уравнение и одно неизвестное приводят к единственному решению. Это уравнение теплового баланса решает равновесную температуру для одного узла, которым является космический корабль. Это решение представляет собой среднюю температуру всего космического корабля и не учитывает разницу температур между различными компонентами внутри космического корабля.

Влияние расстояния на равновесную температуру. Аналогично ENAE 483/788D – Принципы проектирования космических систем Конспекты лекций.

Свойства поверхности

Давайте немного почувствуем, как равновесная температура меняется в зависимости от свойств поверхности, которыми мы можем управлять, таких как геометрия спутника и коэффициент поглощения/излучательной способности. Форма поглощает энергию только через освещенные грани, но форма излучает энергию через всю площадь поверхности. Основное сделанное предположение состоит в том, что черные тела по своей природе изотермические (совершенная и мгновенная проводимость тепла внутрь ко всем граням). Хотя баланс включает в себя эффекты солнца, альбедо, Земли и внутренних компонентов, давайте упростим баланс, включив в него только мощность солнечного света и излучаемую мощность:

Где

И

Новый баланс со всеми переменными включает:

Выделив температуру слева, мы имеем:

Есть три отношения что температура масштабируется с 1) константами, которые мы не можем варьироваться, 2) отношение поглощающей способности и излучательной способности, которые мы можем изменить поверхностные покрытия, и 3) отношение освещенной солнцем площади к излучающей площади. Отношение освещенной солнцем площади к излучающей площади для различных геометрий приведено ниже:

Вы заметите, что чем компактнее объем космического корабля, тем меньше отношение площадей, тем ниже равновесная температура.

Влияние формы на температуру черного тела. Аналог ENAE 483/788D – Принципы проектирования космических систем Конспекты лекций.

Внутреннее электроснабжение

Радиатор с прямым оребрением размером 60×60×10 мм с тепловым профилем и закручивающимися анимированными траекториями принудительной конвекции от осевого трубчатого вентилятора, спрогнозированные с помощью пакета анализа CFD. СС BY-SA 3.0. Изображение Изофильм.

До сих пор мы говорили только об идеальных взаимодействиях теплопередачи. Нам нужно включить неидеальные эффекты, которые лучше отражают реальность, такие как выработка энергии внутри космического корабля. Авионика космического корабля будет выделять тепло из-за неэффективного использования или передачи энергии, например, когда ток протекает через резистор в электрической цепи [Renesas]. Космический корабль также может иметь встроенные нагреватели, которые преднамеренно или целенаправленно вырабатывают энергию. Эта генерируемая мощность находится в левой части уравнения как часть тепла, поступающего в систему.

Когда полупроводник проводит ток, на нем возникает ненулевое падение напряжения. Это приводит к потерям, которые почти полностью преобразуются в тепло. Рассмотрим следующую упрощенную структуру типичного варианта использования кремниевой микросхемы IGBT и кремниевой микросхемы диода, смонтированных на корпусе, который крепится к радиатору. Как для IGBT, так и для диода тепловая мощность возникает в переходе, где ее значение наибольшее. Мгновенное значение мощности равно сопротивлению (I x V) IGBT или диода. Тепло проходит через тепловой импеданс конструкции и рассеивается в окружающей среде. Чем ниже тепловой импеданс, тем меньше превышение температуры кремния над окружающей средой. Изображение My Electronic Days.

Чтобы рассчитать приблизительное число вырабатываемой энергии, измерьте общую мощность, потребляемую электроникой, и умножьте ее на полезный КПД. Потери мощности превращаются в тепло за счет теплопроводности, нагревая компонент:

Где КПД электронной части и

общая мощность, потребляемая электронными компонентами

Для нагревателей это же уравнение можно использовать, задав .