黃安畏，吳永鵬，李忠盛，李曉暉，吳道勛，孫彩云，舒露，花澤薈，蔣龍

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

在使用過程中，一些特殊裝備或設(shè)備周圍將產(chǎn)生大量熱量，如導(dǎo)彈高速飛行過程中，彈體因氣動加熱，其周圍將產(chǎn)生大量熱量，這些熱量將通過裝備或設(shè)備本體向其內(nèi)部的控制艙室等傳遞。為確保艙室內(nèi)電子設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，通常需要對此類裝備或設(shè)備進(jìn)行熱防護(hù)設(shè)計，在艙室內(nèi)鋪設(shè)隔熱材料作為艙室熱防護(hù)設(shè)計的一種重要手段已廣泛應(yīng)用于各類密封艙室、各型方艙等領(lǐng)域。因隔熱材料大多采用纖維類或多孔類材質(zhì)，為防止隔熱材料中粉體或短纖維等物質(zhì)在設(shè)備存儲或使用過程中對艙內(nèi)電子元器件等造成不良影響，同時為進(jìn)一步提升隔熱材料的隔熱效果以及艙室的美觀程度，通常需要在隔熱材料靠艙室側(cè)采用內(nèi)飾材料或密封材料等，將其與艙內(nèi)環(huán)境隔離。本文主要探究了內(nèi)飾材料或密封材料的發(fā)射率在不同加熱溫度下對艙室內(nèi)空氣平均溫度的影響，為艙室熱防護(hù)設(shè)計提供思路。

1 無介質(zhì)密封艙室中的輻射傳熱

在由加熱面與散熱面共同組成的密封艙室中，當(dāng)艙室內(nèi)無介質(zhì)時（如真空），加熱面與散熱面之間的傳熱主要由艙室本體熱傳導(dǎo)和各不同溫度面間的輻射換熱構(gòu)成，艙室本體熱傳導(dǎo)主要與艙室自身結(jié)構(gòu)及材料等相關(guān)，本文未予以考慮。依據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律，輻射傳熱效率與各部件溫度的四次方差以及輻射傳熱面的發(fā)射率成正比，同時與相互之間的角系數(shù)以及表面積等有關(guān)。因工程設(shè)計時，艙室內(nèi)所采用的內(nèi)飾材料或密封材料通常為灰體表面，此時輻射換熱計算比黑體表面復(fù)雜很多。這是因為熱源面在輻射熱能的同時會吸收和反射其余表面投射輻射出的能量，而散熱面在吸收、反射熱能的同時也將向外部輻射熱能，在艙室灰體表面形成多次吸收、反射的現(xiàn)象[1-4]。

假設(shè)密封艙室的每個面為不透射等溫面，且具有均勻的有效輻射和投射輻射密度，最終該灰體表面i在單位時間內(nèi)離開單位面積的總輻射能的有效輻射Ji（由灰體表面的本身輻射εiEbi和投入輻射的反射ρiGi組成）為：式中：εi為表面發(fā)射率，Ebi為表面發(fā)射功率，ρi為表面反射率，Gi為表面的輻照密度。

當(dāng)艙室各面處于輻射傳熱平衡時，此時熱源面的凈輻射熱能等于散熱面發(fā)生輻射換熱的各個凈輻射換熱能之和。即：

2 參與性介質(zhì)對艙室傳熱的影響

2.1 對流換熱

當(dāng)密封艙室中存在參與性介質(zhì)（如空氣），且內(nèi)表面溫度與空氣溫度不同時，他們之間將產(chǎn)生對流換熱，該換熱模式借助于空氣分子隨機運動和邊界層中流體的整體運動所維持。當(dāng)靠近加熱面的氣體接觸熱源時，其局部溫度將升高，局部體積范圍內(nèi)的氣體密度將降低，從而產(chǎn)生密度梯度，密度較小的氣體因浮力向反重力方向運動，即產(chǎn)生自然對流換熱。此時對流換熱密度q=h(TS?T∞)，h為對流換熱系數(shù)（W/(m2·K)），TS為加熱表面溫度，T∞為遠(yuǎn)離該表面的溫度，取決于熱源表面的幾何形狀、參與換熱流體的運動特性以及流體的熱力學(xué)性質(zhì)和運輸性質(zhì)等[5-8]。

2.2 輻射換熱

密封艙室中存在的參與性介質(zhì)（空氣）中所包含的非極性氣體（如O2、N2），熱輻射在其內(nèi)傳播可忽略不計，而存在的CO2、H2O等極性氣體在很大溫度范圍內(nèi)對熱輻射射線存在吸收現(xiàn)象。不同于固體和液體熱輻射發(fā)射隨波長連續(xù)變化，參與性氣體介質(zhì)對熱輻射波具有選擇性，即所謂的吸收帶。同時，非極性分子在吸收熱輻射的同時因分子能級躍遷也將發(fā)生熱輻射[9-12]。

大部分固體和液體熱輻射的發(fā)射和吸收都在表面進(jìn)行，而氣體是在整個容積內(nèi)進(jìn)行的，即氣體分子與熱輻射射線作用為容積現(xiàn)象。吸收為投射到氣體界面上的輻射能在輻射行程中被吸收減弱；發(fā)射為氣體層界面上所接收到的輻射能為到達(dá)界面上的整個容積氣體的輻射能，即氣體輻射的發(fā)射和吸收是在整個容積進(jìn)行的，與氣體的形狀和容積有關(guān)。氣體輻射的發(fā)射與吸收，除與氣體的種類有關(guān)外，還與氣體的溫度、壓力與物性參數(shù)（密度和吸收系數(shù)等）分布有關(guān)。

當(dāng)固體表面輻射的波長為λ、強度為Iλ,0的紅外射線輻射至參與性介質(zhì)中時，假設(shè)參與性介質(zhì)對該紅外射線的吸收系數(shù)為Kλ，該紅外射線將產(chǎn)生指數(shù)衰減，衰減幅度符合比爾定量，即該紅外射線通過厚度為l的介質(zhì)層后的透射率為：

當(dāng)艙室內(nèi)部的參與性介質(zhì)吸收的熱輻射能量大于其所發(fā)射的熱輻射能量時，參與性介質(zhì)的分子能量增加，能量較大的參與性介質(zhì)的分子將以隨機碰撞的方式將能量傳遞至周圍能量較低的分子，從而使得艙室內(nèi)所有分子的整體能量增加。同時，輻射使得局部空氣溫度升高后，將在整個容積內(nèi)對自然對流換熱進(jìn)行強化，整體表現(xiàn)為空氣整體溫度的增加[13-17]。

3 材料發(fā)射率對艙室內(nèi)部空氣平均溫度的影響

3.1 材料發(fā)射率測試

實驗基材為0.02 mm鋁箔，其中方案Ⅰ為鋁箔，方案Ⅱ—Ⅳ分別為涂覆不同發(fā)射率涂層所制備得到的復(fù)合箔。材料的發(fā)射率采用美國D&S儀器有限公司生產(chǎn)的AE1/RD1發(fā)射率測量儀進(jìn)行測量，測量時分別在樣品表面測5個點的反射率，取平均值，測試結(jié)果見表1。

表1 發(fā)射率測試結(jié)果Tab.1 Test results of emissivity

3.2 試驗裝置、設(shè)備及試驗過程

搭建的試驗裝置如圖1所示，主要由加熱板、溫控箱、無紙記錄儀、熱電偶等組成。密封艙室由1 mm的不銹鋼板焊接而成，艙室外部尺寸為 300 mm ×250 mm×250 mm。六個面內(nèi)部均鋪設(shè)有隔熱材料，其中，下表面為加熱面，其余面為散熱面，散熱面均采用鋁箔將隔熱材料與內(nèi)部空氣環(huán)境隔離。廂體與外部空氣環(huán)境直接接觸，外部環(huán)境溫度為 22 ℃，試驗過程中環(huán)境溫度維持不變。

測試時分別在廂體內(nèi)部下表面及艙室中部分別均布 3個測溫點，如圖2所示，熱電偶采用絲徑為1.0 mm的鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶，均經(jīng)過計量驗證，合格。試驗過程中，設(shè)定加熱溫度并啟動加熱器待艙室內(nèi)部測溫點所測溫度穩(wěn)定 30 min后，重新設(shè)定下一個加熱溫度，進(jìn)行下一步試驗，加熱溫度設(shè)定點為200、250、300、350、400 ℃。試驗完成后，只更換下表層材料，其余參數(shù)及材料等保持一致，下表面測溫點所布置的熱電偶熱接點采用耐高溫玻璃布膠帶固定。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test apparatus

圖2 測溫點布置Fig.2 Arrangement of temperature measuring points

3.3 試驗結(jié)果

在不同加熱溫度下，各方案中艙室內(nèi)部下表面平均溫度及艙室內(nèi)空氣平均溫度的測試結(jié)果見表2。圖3為艙室下表面平均溫度隨加熱溫度的柱狀圖，圖4為艙室內(nèi)空氣平均溫度隨加熱溫度的柱狀圖?？梢钥闯?，艙室下表面溫度及艙室內(nèi)空氣平均溫度隨加熱溫度升高而升高，表層材料發(fā)射率越高，相同加熱溫度下，表層溫度越低，而艙室內(nèi)空氣的平均溫度越高。由于自然對流主要與外表層的幾何形狀、參與換熱流體的運動特性以及流體的熱力學(xué)性質(zhì)和運輸性質(zhì)等相關(guān)，當(dāng)假定各方案下表面與艙室內(nèi)部空氣自然換熱系數(shù)相同時，艙室內(nèi)空氣平均溫度不同主要由輻射換熱所致。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律，輻射換熱時換熱效率與材料發(fā)射率成正比，表層材料的發(fā)射率越高，其向艙室散熱面及艙室內(nèi)部空氣所輻射的能量越多，艙室內(nèi)空氣溫度越高。同時，發(fā)射率越高，該表面輻射傳熱效率越高，從而表層熱量聚集較少，表層溫度較低。

表2 各方案測試結(jié)果Tab.2 Test results of each scheme

圖3 外表層溫度與加熱溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between the outer surface temperature and the heating temperature

圖4 艙室平均溫度與加熱溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the average temperature of the cabin and the heating temperature

圖5為表層材料不同發(fā)射率時，下表面溫度與艙室空氣平均溫度的溫度差與加熱溫度的關(guān)系?？梢钥闯?，材料發(fā)射率越高，相同加熱溫度時，表層溫度與艙室平均溫度的溫度差越小，相同材料時，隨加熱溫度的升高，其下表面溫度與艙室平均溫度的溫度差越大。

圖5 外表層與艙室平均溫度的溫度差與加熱溫度的關(guān)系Fig.5 Temperature difference between the outer surface and the mean cabin temperature as a function of heating temperature

4 結(jié)論

1）密封艙室在外部熱源加熱時，艙室內(nèi)部加熱面內(nèi)飾材料或密封材料其表面溫度隨材料發(fā)射率提高而降低，艙室內(nèi)部空氣平均溫度隨該層材料發(fā)射率提高而升高。

2）加熱面內(nèi)飾材料或密封材料表層溫度與艙室空氣平均溫度的溫度差隨內(nèi)飾材料或密封材料發(fā)射率的提高而減??；材料相同時，該溫度差隨加熱溫度升高而增加。

3）在密封艙室等以外部熱源作為主要熱量來源的環(huán)境中，為進(jìn)一步提升艙室熱防護(hù)水平，保證艙室內(nèi)電子設(shè)備等正常運轉(zhuǎn)，艙室內(nèi)部的內(nèi)飾材料或密封材料宜選用發(fā)射率較低的材料。