Varmeisolation med flerlags strålingsskærme – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Varmeisolation med fle...

18. februar 2010

Varmeisolation med flerlags strålingsskærme

Hej Malte
Jeg har tidligere spurgt om virkemåden af superisolation, hvilket I forklarede med Plancks strålingslov. Det var også meget fint.

Det er jo kendt, at en aluminiumsfolie kan reflektere ca 97% varmestråling, men vi oplever i praksis, at alufolie virker bedre som varmeisolering end termodynamikkens love forudsiger.

Kan man forestille sig at alufolies materialeegenskaber kan forklares på anden måde end med termodynamikken, som f.eks på atomart plan ?

Med venlig hilsen
F R

 

Først ser vi på en sort flade på f.eks. 500 K (227 ⁰C) og for at gøre det lidt nemmere, så lad den være overfor en sort flade på 0 K.

Ifølge Stefan- Bolzmann s lov, se http://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/fysik/sortlegeme/ udstråler den en energi pr. kvadratmeter på 3544 W. Anbringer vi nu isoleret fra den et sort folie vil foliets temperatur stige indtil den udstrålede energi (pr. kvadratmeter) og den indstrålede, er lige store. Foliet sender altså 3544/2 W/m2 tilbage imod det oprindelige legeme og udstråler 3544/2 W/m2 videre. Temperaturen af foliet bliver efter strålingsloven ovenfor ca. 420 K. Det oprindelige legeme udstråler 3544 W/m2 og modtager 3544/2 W/m2 altså ny udstråling i alt 1772 W/m2. Har vi N lag bliver strålingen 1/(N+1) del af den oprindelige, altså vor oprindelige flade udsender med 3 lag udenfor ¼ af, hvad den oprindeligt gjorde eller 886 W/m2.

Tager man nu i stedet et blankt folie overfor det sorte legeme bliver ligevægten i stedet:

Der udsendes 3544 W/m2 fra det sorte legeme. Med f.eks. dine 97 % refleksion fra foliet sendes 3438 W/m2 retur og 106 W/m2 optages af foliet. Balancen bliver så, at foliet får en temperatur på 208 K og videresender 106 W/m2, det oprindelige legeme mister 3544 W/m2 - 106 W/m2 = 3438 W/m2. Sådan kan der regnes videre til flere lag.

I vakuum til transport af flydende gasser specielt flydende Helium bruges sådan superisolation, se det lille billede på forteksten. Heliummet er anbragt i en termobeholder, en Dewar efter opfinderen James Dewar (GB, 1842-1923).

På billedet til højre ses en opskåret Dewarflaske. Indeni den del der er vakuum på (for at hindre varmeoverførsel ved luftstrømninger) ses lag af superisolation. Det er et flerlags plastfolie med pådampet aluminium, så man ved at vikle sådanne folier om beholderen med flydende gas kan få mange strålingsskærme, hundredevis, hvis det er ønskeligt. Dermed kan man nedsætte indstrålingen til væsken (Helium) til en lille brøkdel, så varmeledning langs spandens inderside bliver den største varmetilførsel. Den kan så mindskes med en lang, tyndvægget og snæver hals på dewaren, så der bliver mindst mulig varmeledning.

Desuden kan man lede den afdampede gas langs denne hals som køling. F.eks. en 110 L Heliumtransportdewar vil afdampe omkring 1% (1,1 L Helium) pr. døgn. Heliums fordampningsvarme er ca. 3000 J/L, så det svarer til at beholderen modtager 0,0035 J/s. Ved temperaturen 300 K (stuetemperatur) omkring beholderen, ville sorte omgivelser stråle omkring 460 W/m2, og dewarens overflade er i størrelsesorden 2,4 m2. Strålingen er altså reduceret takket være superisolation med en faktor lidt over 300 000.

Superisolation bruges mange steder bl.a. i rumfartøjer, beskyttelsesdragter til brandfolk og i de tæpper man anvender til nedkølede skadestilfælde.

Med venlig hilsen
Malte Olsen