第二章 传热基本知识

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第二章 传热的基本知识
2.1 传热的方式>>表面换热
•
表面换热系数
对流换热和辐射换热合称为表面换热，其热 流强度为二者之和
q = qc +qr =αc ⋅ (θ-t)+αr ⋅ (θ1-θ2 ) ≈ 传热方式(αc + α内表面 r ) ⋅ (θ-t)
辐射 对流
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2.2 平壁的稳定传热 封闭空气间层的传热 • 提高围护结构热工性能的有 效方法 • 三种基本传热方式都存在 • 主要传热为辐射，约占70%
•
提高空气间层热阻的主要方 法：
表面贴强反射材料，如铝箔等 将空气间层布置在低温一侧 一个“厚”的间层不如几个 “薄”的间层 24
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辐射系数C（0~5.68）与黑度ε的概念
影响因素：材质表面的化学性质、光洁度等
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T 4 E=C⋅ ( ) 100
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2.1 传热的方式 辐射 • 物体向外辐射的能力
黑度与吸收系数的关系 常温条件下，黑度ε等于吸收系数ρh ，即对外来辐 射吸收能力强的材料向外辐射的能力也强。 材料对太阳辐射的吸收系数不等于其黑度
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2.1 传热的方式 辐射
•任何表面绝对温度大于0k的
物体都会产生辐射
•辐射是一种电磁波，不同温
度的物体向外辐射电磁波的 波谱不同。
•不同波长的电磁波照射在物
体上会产生不同的效应
•无线电波、微波、红外线、
紫外线、X射线等
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2.1 传热的方式
导热
• •
导热的机理
不同温度的质点的热运动
θi − θe Q= λ⋅ ⋅F d Q θi − θe q= = λ⋅ F d θi − θe d = R= R λ
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导热热量的计算
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t, T,θ
•
不同温标之间的转换（摄氏t c、华氏 t F、开氏T）
T = tc + 273
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5 tc = (t F − 32) 9
tF = 1.8tc + 32
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2.1 传热的方式 温度与空间的关系 • 温度场 温度场：在某一瞬间，物体内部所有各点温度的总计。 三向温度场：物体的温度是空间三个坐标的函数。 三向温度场 二向温度场：物体的温度沿二个方向变化。 二向温度场 一向温度场：物体的温度沿一个方向变化。 一向温度场 温度与时间的关系 • 不稳定温度场 不稳定温度场：物体中各点的温度随时间的变化而变化 的温度场；反之，则为稳定温度场。
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2.1 传热的方式 辐射 • 物体向外辐射的能力
辐射本领 全辐射本领 单色辐射本领 黑体、灰体、选择辐射体（选择体） 辐射定律：斯蒂芬—波尔兹曼定律（Stephan-Bolzman’s Law）
Tb 4 Eb =Cb ⋅ ( ) 100
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2.1 传热的方式 辐射
•红外线：波长在
0.8~600µm范围，可产生 热效应 •热射线：波长在 0.4~40 µm范围，热效应 最为显著。热射线的传播 过程称为热辐射
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2.1 传热的方式 辐射 • 辐射换热的特点
辐射换热系数
qr = αr ⋅ (θ1-θ2 ) T 4 T2 4 1 − 100 100 ⋅ψ αr = C12 ⋅ 12 θ1-θ2
3 ≈ 4 ⋅ C12 ⋅ T2 ⋅ψ12
影响因素： 相当辐射系数、表面温度及平均角系数
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2.1 传热的方式
导热
•
导热系数的影响因素
材质的影响 材料干密度的影响
一般密度越大，导热 系数也越大 有些材料如玻璃棉有 一个最佳密度
材料含湿量的影响
材料的防潮问题
其它的影响
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T 4 E=C⋅ ( ) 100
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2.1 传热的方式 辐射 • 玻璃
一般可认为是部分透明体，类似的 有机塑料等 对太阳辐射有很强的透射性能 对红外线基本不透明 温室效应 玻璃材料的改进：颜色玻璃、 吸热玻璃、热反射玻璃、 Low-e玻璃等
ρh =ε ≠ ρs
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2.1 传热的方式 辐射 • 物体向外辐射的能力
物体的温度对辐射的影响 温度越高，辐射能力越强 温度越高，辐射的电磁波短波的成分越多；最 大单色辐射本领向短波方向移动 常温下，辐射的成分主要以远红外和红外线成 分为主； 太阳辐射的电磁波，可见光及紫外线部分占 52%，而红外部分只占48%
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2.1 传热的方式>>辐射
•
辐射换热的计算 显然，辐射换热量的大小与表面温度、材料 的辐射能力、对辐射的吸收能力（这两项可 归结为黑度）以及两表面之间的温差和相对 位置等因素有关 辐射换热的计算公式可表示如下：
T 4 T2 4 Q −2 = C12 ⋅ 1 − ⋅ψ12 ⋅ F 1 1 100 100 T2 4 T 4 Q2−1 = C21 ⋅ − 1 ⋅ψ21 ⋅ F2 100 100
热流由上而下
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αc = 1.3⋅ 4 (θ − t)
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2.1 传热的方式 对流 • 对流换热计算 受迫对流 围护结构内表面：
αic = 2.5 + 4.2 ⋅ v
围护结构外表面：
αec = (2.5~ 6.0) + 4.2 ⋅ v
辐射换热过程中伴随着能量形式的转化 物体的内能——电磁能——内能 电磁波的传播无需任何介质，也不需要冷、热物体直接 接触 辐射换热是物体之间互相辐射的结果。综合的结果：温 度高的物体净失热，温度低的物体净得热。
•
对外来辐射的反应
电磁波：反射、吸收和透射 能量守恒定律：
I0 = Ir + Iα + Iτ
C12 = C21 相当辐射系数
其大小与两表面的辐射系数及绝对黑体的辐射系数有关
ψ 1 “互易定理”： 12 ⋅ F =ψ21 ⋅ F2
ψ12 和 ψ21 称为“平均角系数”
它们仅与表面的相对位置有关
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2.1 传热的方式>>辐射>>辐射换热的计算
空气间层 77% 19%
外表面 20% 80%
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= α ⋅ (θ-t) 54%
46%
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2.2 平壁的稳定传热 平壁的传热过程 1 平壁内表面的吸热 q I= q I c + q I r = α I c (t I -θ I) + α
I r(t I
-θ I)
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2.1 传热的方式 辐射 • 对外来辐射的反应
能量守恒定律：
rh + ρh +τh = 1
I0 = Ir + Iα + Iτ
反射系数rh、吸收系数ρh、透射系数τh 绝对白体，白体（ rh =1） 绝对黑体，黑体（ ρh =1 ） 绝对透明体，透明体（ τh =1 ） 一般建筑材料为非透明体。因此， rh+ ρh =1。即如果材 料的反射能力越强，则吸收能力就越弱 同一材料对不同波长的电磁波的反射能力会不一样。
K≤2.0,D≥3.0或 D≥3.0或 K≤2.0,D≥3.0或K≤1.5, D≥3.0或≤1.0,D≥2.5
• •
K0为的R0倒数 具体如何求平壁的热阻或传热系数？
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夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》 《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》
屋顶和外墙的传热系数K[W/m2K]、热惰性指标 表4.0.6 屋顶和外墙的传热系数 、热惰性指标D
屋顶 外 墙
K≤1.0,D≥2.5
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2.1 传热的方式
对流
•
对流换热机理
温度不同的流体之间因宏观运 动、相互掺合而传递热量 对流换热只发生在流体之间或 流体与紧贴的固体表面之间 在建筑工程中更多涉及的是后 者，即流体与固体表面之间 对流换热的大小主要取决于:
层流边界层的厚度（流体运动状 况、温差、流体本身特性、表面 状况及倾斜程度等）
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2.1 传热的方式>>辐射>>辐射换热的计算
T 4 T2 4 Q −2 = C12 ⋅ 1 − ⋅ψ12 ⋅ F 1 1 100 100 T2 4 T 4 Q2−1 = C21 ⋅ − 1 ⋅ψ21 ⋅ F2 100 100 Q −2 = −Q2−1 1
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2.2 平壁的稳定传热>>平壁的总传热阻的计算 平壁的总传热阻和传热系数 • R0和K0是建筑保温、隔热性能的重要指标 • 与建筑的能耗有着非常密切的对应关系 • 建筑节能设计的首要考虑因素 • 建筑节能的其他因素数值上， • R0等于：
R0 =Ri + ∑R + Re
气态：导热系数最小 0.006~0.6 W/m.K常温下空气为0.029 W/m.K 气态 液态：0.07~0.7, 水约为0.58 W/m.K； 液态 固态： 固态 非金属约为0.03~3.5 W/m.K；金属约为2.2~420 W/m.K
同一种材料厚度不同，热阻也不同 导热系数低于0.3 W/m.K的材料为绝热材料
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本章重点内容 了解传热的方式及传热机理 稳定传热的特点及热特性指标 稳定传热的计算及应用 周期性不稳定传热的特点及热特性指标
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2.1 传热的方式
传热的基本方式 • 传热产生的原因 温差导致热量从温度高的地方流向温度低的地方 • 传热的三种方式——导热、对流、辐射 • 温度场的概念及表示温度的常用符号
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2.2 平壁的稳定传热 平壁的传热过程 • 平壁内表面的吸热 • 平壁本身的导热 • 平壁外表面的放热
1 q= ⋅ (ti -te ) R0 =K0 ⋅ (ti -te )
• •
R0 =Ri + ∑R + Re
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R0：平壁的总传热阻 K0：平壁的总传热系数
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2.1 传热的方式
对流
•
对流换热计算
(θ-t) qc = αc ⋅ (θ-t)= Rc 1
Rc =
αc 自然对流
（对流换热热阻）
垂直壁面： αc 水平壁面：
= 2⋅ 4 (θ − t)
αc = 2.5⋅ 4 (θ − t) 热流由下而上
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第二章 传热的基本知识
2.1 传热的方式 导热
•
材料的导热系数及热阻
热阻是表征围护结构本身或其中某层材料抵抗传热能力的 物理量。 热阻与材料本身的导热系数成反比，和材料的厚度成正比 导热系数 ：在稳态条件下，1m厚的物体，两侧表面温差 为1℃，1h内通过1m2面积传递的热量 不同状态的物质，导热系数相差很大
=(α I c + α I r )(t I -θ I) = α I (t I -θ I) 2 平壁本身的导热 q
3 平壁外表面的放热 q e= q e c + q e r= α e (θ e - t e)
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θi − θe θi − θe = λ⋅ = d R