真空玻璃传热系数计算

一、真空玻璃热导和热阻及传热系数的简单计算方法

1 •两平行表面之间的辐射热导可由下式估算

C 辐射=£ 有效(T (T14-T24)/(T1-T2)(1)

式中T1, T2是两表面的绝对温度，单位为K

£有效是表面有效辐射率

T是斯忒芬-波尔兹曼(Stefan-Boltzmann) 常数，其数值为5.67 x 10-8Wm-2K-4

在两平行表面温差不大(如数十度)的条件下，可用下面公式(2)计算，误差在百分之一以内。

C辐射=4£有效T T3 (2)

T是两表面的平均绝对温度。

(1)和(2)式中£有效为有效辐射率，由下式(3)计算：

£ 有效=(£ 1-1+ £ 2-1-1)-1 ⑶

式中£ 1是表面1的半球辐射率。

£ 2是表面2的半球辐射率。

计算例：真空玻璃的一片玻璃是4mmLow-玻璃，辐射率为0.10，另一片是4mm普通白玻，辐射率为0.84，

则可算出£ 有效=(10+1.19-1)-1=0.098

按我国测试标准，

室内侧温度：T仁18+273=291K

室外侧温度：T2=-20+273=253K

平均温度：T=272K

公式⑵ 可简化为C辐射=4.564 £有效

据此可算出C辐射=0.447Wm-2K-1

R辐射=1/C 辐射=2.237W-1m2K

2 •圆柱支撑物热导可由公式(4)计算

式中入玻为玻璃导热系数，约为0.76Wm-1K-1

h为支撑物高度，单位为m

a为支撑物半径，单位为m

b为支撑物方阵间距，单位为m

入支撑物为支撑物材料的导热系数，单位为Wm-1K-1

目前国内外均选用不锈钢材料制作支撑物，使得入支撑物比入玻大20倍以上，支撑

物高度h又比半径a小，故公式（4）可简化为

计算例：当支撑物选用a=0.25mm,h=0.15mn方阵间距b=25mm

贝U C支撑物=0.608Wm-2K-1

我国新立基公司的专利采用环形（又称C形）支撑物，热导还可比上述计算值小10济20% 此例中C支撑物可按0.50Wm-2K-1计，贝U

支撑物热阻

正在研制的支撑物半径a=0.125mm贝U C支撑物将减小一倍，为0.25Wm-2K-1

3 •真空玻璃中的残余气体热导

真空玻璃生产工艺要求产品经过350E以上高温烘烤排气，不仅把间隔内的空气（包括水气）排出，而且把吸附于玻璃内表面表层和深层的气体尽可能排出，使真空层气压达到低于10-1Pa（也就是百万分之一大气压）以下，这样残余气体传热才可以忽略不计。

实验证明，在使用过程中，温度升高和阳光照射还会使玻璃表层放出水气和CO2等气体，破坏真空度，破坏真空玻璃热性能。因此，在真空玻璃中还需放入吸气剂来不断吸收这些气体，以确保真空玻璃的长期寿命。

理论上，在气压低到气体分子平均自由程远大于真空玻璃间隔时，气体热导可用公式⑹计算。

式中a=a1a2/[a2+a1（1-a2）]为气体综合普适常数

其中a1和a2分别为两个表面的气体普适常数

P是气体压强，单位为Pa

丫是气体的比热容比

T为间隔内两表面温度的平均值

M是气体的摩尔质量

R是摩尔气体常数

对于常温下的空气（含水气）a=0.5，可得到：

C 气=0.375 （7）

C气单位：Wm-2K-1

由此可见

当P=0.1Pa 时 C 气=0.0375Wm-2K-1

当P=1Pa时 C 气=0.375Wm-2K-1

以1中计算例的辐射率为0.10的单LOW-E膜真空玻璃的计算结果：

辐射热导：C辐射=0.447Wm-2K-1

由2中支撑物热导C支撑物=0.50Wm-2K-1

如果P=0.1Pa,则真空玻璃热导：

C真空=C辐射+C支撑物+C气

=0.447+0.50+0.0375

=0.9845(Wm-2K-1)

可算出C气在C真空中占的比例约为百分之四

如果p=iPa则可算出此比例将接近30%此时C气的值已接近C辐射或C支撑物，而且随着真空玻璃内表面的放气，C气还会不断增大，逐渐使真空玻璃的性能变坏，这显然是不可接受的。所以如前所述，真空玻璃的生产工艺必须确保真空度达到并保持小于10-1Pa 的水平。这样残余气体传热的影响才能小到可忽略的程度。

4 •玻璃板的热导和热阻的计算

由于钠钙玻璃(建筑玻璃)导热系数入玻约为0.76Wm-1K-1,当厚度为h时，玻璃热导

C玻=入玻/h,热阻R玻=1/C玻=h/入玻，常用玻璃板的热导和热阻如表1所示：

5 •真空玻璃热阻和热导的计算

有了以上1-4中的数据，可以简便地估算真空玻璃的热导和热阻，图3为真空玻璃热阻构

成示意图。

R1为内玻璃板热阻

R2为外玻璃板热阻

R辐射为辐射热阻

R支撑物为支撑物热阻

R气为残余气体热阻

R真空为真空玻璃热阻

如果残余气体热导C气很小，则R气二很大，可忽略其影响，这样真空玻璃热阻R真空可由公式(8)计算：

真空玻璃热导C真空二

则上面1中计算例的真空玻璃的R辐射=2.237

由2中取R支撑物=2W-1m2K

由表1取R仁R2=0.005

则由公式（8）可算出真空玻璃热阻R真空二1.066

真空玻璃热导C真空=0.94Wm-2K-1

6 •真空玻璃传热系数的计算

传热系数定义为当室内外温差为1K时，单位时间通过1m2面积玻璃从室内空气到室外空气传递的热量。我国法定计量单位为Wm-2K-1中国和欧洲称为K值，美国称为U值。一般指在没有太阳辐射条件下的冬季传热系数。

其传热构成如图4所示

真空玻璃传热系数K或U值均可按公式（7）或（8）计算，式中

C真空为真空玻璃热导

R真空为真空玻璃热阻

C内为内表面换热系数

R内为内表面换热阻

C外为外表面换热系数

R外为外表面换热阻

R传称为传热阻

K（或U）为传热系数

计算传热系数时要注意因各国标准不同，因此计算结果也略有不同，表2（见下页）列出各国对计算传热系数的边界条件规定。

计算K值或U值时应注意两点，一点是各国对于（R内+R外）规定不同：

中国：1/8.7+1/23=0.1584

欧洲：1/8+1/20=0.175