傳熱的基本知識

1、傳熱的基本知識傳熱的基本知識q傳熱傳熱是指是指物體內(nèi)部物體內(nèi)部或者或者物體與物體之間物體與物體之間熱能轉(zhuǎn)移熱能轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象的現(xiàn)象.q傳熱的動力傳熱的動力是是溫差溫差.q根據(jù)傳熱機理的不同，傳熱的基本方式分為根據(jù)傳熱機理的不同，傳熱的基本方式分為導(dǎo)熱導(dǎo)熱、對流對流 和和輻射輻射3種種.導(dǎo)導(dǎo) 熱熱q導(dǎo)熱導(dǎo)熱是由是由溫度不同溫度不同的質(zhì)點的質(zhì)點(分子、原子、自由電子分子、原子、自由電子)在熱在熱運動中引起的運動中引起的熱能傳遞現(xiàn)象熱能傳遞現(xiàn)象.q在在固體、液體和氣體固體、液體和氣體中均能產(chǎn)生導(dǎo)熱現(xiàn)象中均能產(chǎn)生導(dǎo)熱現(xiàn)象q單純的導(dǎo)熱單純的導(dǎo)熱僅能在僅能在密實的固體密實的固體中發(fā)生。中發(fā)生。 導(dǎo)熱的計算導(dǎo)熱

2、的計算材料的導(dǎo)熱系數(shù)及其影響因素材料的導(dǎo)熱系數(shù)及其影響因素q導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)指厚度為指厚度為1m1m的材料的材料, ,當兩側(cè)表面溫差為當兩側(cè)表面溫差為1K1K時時, ,在在單位時間內(nèi)通過單位時間內(nèi)通過1m1m2 2表面積的導(dǎo)熱量表面積的導(dǎo)熱量. .單位是單位是W/(m.KW/(m.K).).q影響因素影響因素: : 1)材質(zhì)的影響材質(zhì)的影響: 2)材料干密度的影響材料干密度的影響 3)材料含濕量的影響材料含濕量的影響u氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小(0.0060.6 W/(m.K) , 空氣空氣在常溫常壓下為在常溫常壓下為0.029 W/(m.K).材質(zhì)的影響材質(zhì)的影響u液體導(dǎo)熱系數(shù)液體

3、導(dǎo)熱系數(shù)在在0.070.7 W/(m.K)之間之間, 水水在常溫下為在常溫下為0.58 W/(m.K);u金屬導(dǎo)熱系數(shù)最大金屬導(dǎo)熱系數(shù)最大, 在在2.2420 W/(m.K)之間之間; u非金屬材料非金屬材料(絕大多數(shù)建筑材料絕大多數(shù)建筑材料)導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)0.033W/(m.K). l導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)小于小于0.3 W/(m.K)的稱的稱絕熱材料絕熱材料.p一般來說一般來說, ,干密度大的材料導(dǎo)熱系數(shù)也大干密度大的材料導(dǎo)熱系數(shù)也大. .但也有例外但也有例外, ,如玻璃棉如玻璃棉.材料干密度的影響材料干密度的影響對對 流流 對流對流是由于是由于溫度不同的各部分流體之間溫度不同的各部分流體之間

4、發(fā)生發(fā)生相對運動、相對運動、互相摻合互相摻合而傳遞熱能而傳遞熱能. 對流換熱對流換熱只發(fā)生在只發(fā)生在流體之中流體之中或者或者固體表面和與其緊鄰的固體表面和與其緊鄰的運動流體之間運動流體之間. 在在建筑熱工建筑熱工中所涉及的中所涉及的對流對流主要是空氣沿圍護結(jié)構(gòu)表面主要是空氣沿圍護結(jié)構(gòu)表面流動時流動時, 與壁面之間所產(chǎn)生的熱交換過程與壁面之間所產(chǎn)生的熱交換過程. 這種這種對流與導(dǎo)對流與導(dǎo)熱的綜合過程熱的綜合過程, 稱為表面的稱為表面的“對流換熱對流換熱”. 為確定表面對流換熱量，利用牛頓公式：為確定表面對流換熱量，利用牛頓公式：1)自然對流換熱自然對流換熱:因溫差而引起的對流換熱因溫差而引起的對

5、流換熱. . 當平壁處于垂直狀態(tài)時：當平壁處于垂直狀態(tài)時：當平壁處于水平狀態(tài)時：當平壁處于水平狀態(tài)時：若熱流由下而上若熱流由下而上若熱流由上而下若熱流由上而下2)受迫對流換熱受迫對流換熱:受外部因素如氣流、泵等的擾動而產(chǎn)生受外部因素如氣流、泵等的擾動而產(chǎn)生傳熱的現(xiàn)象傳熱的現(xiàn)象. .對于圍護結(jié)構(gòu)外表面對于圍護結(jié)構(gòu)外表面: 對于圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對于圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面: 物體發(fā)射的電磁波一般以物體發(fā)射的電磁波一般以波長波長來識別。來識別。 常溫物體發(fā)生的熱輻射能量絕大部分集中在紅外線區(qū)段的長波范常溫物體發(fā)生的熱輻射能量絕大部分集中在紅外線區(qū)段的長波范圍內(nèi)圍內(nèi)。太陽輻射屬于短波輻射；一般圍護結(jié)構(gòu)表面屬于長波

6、輻射。太陽輻射屬于短波輻射；一般圍護結(jié)構(gòu)表面屬于長波輻射。 建筑熱工中把建筑熱工中把 的輻射線稱為長波幅射，的輻射線稱為長波幅射， 的輻射線的輻射線稱為短波輻射。稱為短波輻射。m3m3輻輻 射射q 物體通過物體通過電磁波來傳遞能量電磁波來傳遞能量的方式。的方式。q輻射傳熱有以下特點：輻射傳熱有以下特點：1 1）凡）凡溫度高于絕對零度溫度高于絕對零度( (0 K K) )的物體的物體都能發(fā)射輻都能發(fā)射輻射熱射熱。2 2）輻射傳熱的特點輻射傳熱的特點是發(fā)射體的是發(fā)射體的熱能變?yōu)殡姶挪崮茏優(yōu)殡姶挪ㄝ椛淠茌椛淠埽惠椛潴w又將所接收的，被輻射體又將所接收的輻射能轉(zhuǎn)換成輻射能轉(zhuǎn)換成熱能熱能。3 3）溫度

7、越高，熱輻射越強烈溫度越高，熱輻射越強烈. .物體依靠輻射傳遞物體依靠輻射傳遞熱量時，不需要和其他物體直接接觸熱量時，不需要和其他物體直接接觸, ,也不需也不需要任何中間媒介要任何中間媒介. .輻射能的吸收、反射和透射輻射能的吸收、反射和透射u白體、黑體和透明體白體、黑體和透明體p凡能將輻射熱全部反射的物體凡能將輻射熱全部反射的物體rh=1)稱為絕對白體稱為絕對白體;p能全部吸收的能全部吸收的(Ph=1)稱為絕對黑體稱為絕對黑體;p能全部透過的能全部透過的(th=1)則稱為絕對透明體或透熱體則稱為絕對透明體或透熱體.物體的輻射特性物體的輻射特性 按物體的輻射光譜特性按物體的輻射光譜特性,可分為

8、可分為黑體黑體、灰體灰體和和選擇性輻射體選擇性輻射體。 黑體：黑體：能吸收一切波長的外來輻射能吸收一切波長的外來輻射(P(Ph h1). 1). 還能向外發(fā)射一切還能向外發(fā)射一切波長的輻射能波長的輻射能, , 且在同溫度下其輻射本領(lǐng)最大且在同溫度下其輻射本領(lǐng)最大. . 灰體灰體: :其輻射光譜曲線的形狀與黑體輻射光譜曲線的形狀相似，其輻射光譜曲線的形狀與黑體輻射光譜曲線的形狀相似，且單色輻射本領(lǐng)不僅小于黑體同波長的單色輻射本領(lǐng)，兩者的比且單色輻射本領(lǐng)不僅小于黑體同波長的單色輻射本領(lǐng)，兩者的比例例( (稱為稱為黑度黑度 ) )為不大于為不大于1 1的常數(shù)。的常數(shù)。 選擇性輻射體選擇性輻射體: :

9、只能吸收和發(fā)射某些波長的輻射能只能吸收和發(fā)射某些波長的輻射能, ,并且其單色輻并且其單色輻射本領(lǐng)總小于同溫度黑體同波長的單色輻射本領(lǐng)射本領(lǐng)總小于同溫度黑體同波長的單色輻射本領(lǐng). . 根據(jù)斯蒂芬一波爾茲曼定律，黑體和灰體的全輻射能力與其表面根據(jù)斯蒂芬一波爾茲曼定律，黑體和灰體的全輻射能力與其表面的絕對溫度的四次冪成正比，即：的絕對溫度的四次冪成正比，即：bEE /p黑度黑度 的概念：的概念：黑體輻射系數(shù)黑體輻射系數(shù)Cb=5.68W/(m2.K4)灰體輻射系數(shù)灰體輻射系數(shù)C=05. 68W/(m2.K4)n同一物體，當其溫度不同時，其光譜中的波長特性也不同，同一物體，當其溫度不同時，其光譜中的波長

10、特性也不同，隨著溫度的增加，短波成分增強。隨著溫度的增加，短波成分增強。1 1 對于長波輻射，對輻射的吸對于長波輻射，對輻射的吸收率在數(shù)值上等于其黑度。收率在數(shù)值上等于其黑度。即善于輻射的物體必善于吸即善于輻射的物體必善于吸收，反之亦然。收，反之亦然。2 2 物體表面對外來輻射熱的反物體表面對外來輻射熱的反射率是隨波長而變化的。射率是隨波長而變化的。3 3 材料對熱輻射的吸收和反射材料對熱輻射的吸收和反射性能，主要取決于表面的顏性能，主要取決于表面的顏色、材性和光滑平整程度。色、材性和光滑平整程度。4 4 對于短波輻射，顏色起主導(dǎo)對于短波輻射，顏色起主導(dǎo)作用；對于長波輻射，則是作用；對于長波輻

11、射，則是材性起主導(dǎo)作用。材性起主導(dǎo)作用。吸收率、反射率和透射率與材料性質(zhì)和波長的關(guān)系吸收率、反射率和透射率與材料性質(zhì)和波長的關(guān)系 溫室效應(yīng)：溫室效應(yīng)： 窗玻璃與一船圍護結(jié)構(gòu)不同，太陽輻射熱的絕大部分都能透過普窗玻璃與一船圍護結(jié)構(gòu)不同，太陽輻射熱的絕大部分都能透過普通玻璃，而長波輻射則很少能透過。通玻璃，而長波輻射則很少能透過。物體之間的輻射換熱物體之間的輻射換熱 由于任何物體都具有發(fā)射輻射和對外來輻射吸收反射的能力，所由于任何物體都具有發(fā)射輻射和對外來輻射吸收反射的能力，所以在空間任意兩個相互分離的物體，彼此間就會產(chǎn)生輻射換熱。以在空間任意兩個相互分離的物體，彼此間就會產(chǎn)生輻射換熱。 兩表面間

12、的輻射換熱量主要取決于兩表面間的輻射換熱量主要取決于表面的溫度、表面發(fā)射和吸收輻射的表面的溫度、表面發(fā)射和吸收輻射的能力、以及它們之間的相互位置。能力、以及它們之間的相互位置。 任意相對位置的二表面任意相對位置的二表面,若不計兩表面之間的多次反射若不計兩表面之間的多次反射,僅考慮第僅考慮第一次吸收一次吸收,則表面輻射換熱量的通式為則表面輻射換熱量的通式為:p建筑物的傳熱并非以某一種傳熱方式單獨進行建筑物的傳熱并非以某一種傳熱方式單獨進行,而大多是輻射、而大多是輻射、對流、導(dǎo)熱三種方式綜合作用的結(jié)果。對流、導(dǎo)熱三種方式綜合作用的結(jié)果。平壁的穩(wěn)定傳熱平壁的穩(wěn)定傳熱 通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱要經(jīng)過三個過程

13、：通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱要經(jīng)過三個過程：q 表面吸熱表面吸熱內(nèi)表面從室內(nèi)吸熱內(nèi)表面從室內(nèi)吸熱(冬季冬季)，或外表面從室外空間吸，或外表面從室外空間吸熱熱(夏季夏季);q 結(jié)構(gòu)本身傳熱結(jié)構(gòu)本身傳熱熱量由高溫表面?zhèn)飨虻蜏乇砻?；熱量由高溫表面?zhèn)飨虻蜏乇砻妫籷 表面放熱表面放熱外表面向室外空間外表面向室外空間 散發(fā)熱量散發(fā)熱量(冬季冬季)，或內(nèi)表面向，或內(nèi)表面向 室內(nèi)散熱室內(nèi)散熱(夏季夏季)。 壁體內(nèi)表面吸熱壁體內(nèi)表面吸熱 平壁材料層導(dǎo)熱平壁材料層導(dǎo)熱1)單層勻質(zhì)平壁的導(dǎo)熱單層勻質(zhì)平壁的導(dǎo)熱:p熱阻熱阻: 熱量由平壁內(nèi)表面?zhèn)髦疗秸獗砻孢^程中的阻力，稱為熱量由平壁內(nèi)表面?zhèn)髦疗秸獗砻孢^程中的阻力，稱為熱熱

14、阻阻, 記作記作R，單位是平方米，單位是平方米開爾文瓦開爾文瓦(m2Kw).R=d/ 2）多層平壁的導(dǎo)熱）多層平壁的導(dǎo)熱R1、R2及及R3分別為第一、二、三層的熱阻，分別為第一、二、三層的熱阻，R0為平壁總熱阻。為平壁總熱阻。對對n層多層平壁的導(dǎo)熱計算公式可依此類推：層多層平壁的導(dǎo)熱計算公式可依此類推：3210RRRR對穩(wěn)定一維傳熱：對穩(wěn)定一維傳熱：3）組合壁的導(dǎo)熱）組合壁的導(dǎo)熱 壁體外表面散熱壁體外表面散熱:封閉空氣間層的熱阻封閉空氣間層的熱阻 兩個表面之間進行熱轉(zhuǎn)移過程是導(dǎo)熱、對流和輻射兩個表面之間進行熱轉(zhuǎn)移過程是導(dǎo)熱、對流和輻射3種傳熱方式種傳熱方式綜合作用的結(jié)果綜合作用的結(jié)果.在總的傳

15、熱量中，輻在總的傳熱量中，輻射換熱占總傳熱量的射換熱占總傳熱量的70左右。因此，要左右。因此，要提高空氣間層的熱阻，提高空氣間層的熱阻，首先要設(shè)法首先要設(shè)法減少輻射減少輻射換熱量換熱量。p封閉空氣間層要注意的幾個問題：封閉空氣間層要注意的幾個問題：1)在建筑圍護結(jié)構(gòu)中在建筑圍護結(jié)構(gòu)中采用封閉空氣間層可以增加熱阻采用封閉空氣間層可以增加熱阻，并且，并且材料材料省、重量輕省、重量輕，是一項有效而經(jīng)濟的技術(shù)措施。，是一項有效而經(jīng)濟的技術(shù)措施。2)如果構(gòu)造技術(shù)可行如果構(gòu)造技術(shù)可行, 在圍護結(jié)構(gòu)個用在圍護結(jié)構(gòu)個用一個一個“厚厚”的空氣間層不如的空氣間層不如用幾個用幾個“薄薄”的空氣間層的空氣間層。3)為

16、了有效地減少空氣間層的輻射傳熱量，可以在為了有效地減少空氣間層的輻射傳熱量，可以在間層表面涂貼間層表面涂貼反射材料反射材料，一般在一個表面涂貼、并且是在溫度較高一側(cè)的表一般在一個表面涂貼、并且是在溫度較高一側(cè)的表面面，以防止間層內(nèi)結(jié)露，以防止間層內(nèi)結(jié)露。平壁總熱阻的計算平壁總熱阻的計算1內(nèi)表面換熱阻：內(nèi)表面換熱阻：內(nèi)表面換熱阻是內(nèi)表面換熱系數(shù)的倒數(shù)，查表。內(nèi)表面換熱阻是內(nèi)表面換熱系數(shù)的倒數(shù)，查表。2壁體傳熱阻壁體傳熱阻:1)單一材料層的熱阻單一材料層的熱阻2)多層勻質(zhì)材料層的熱阻多層勻質(zhì)材料層的熱阻3)組合材料層的熱阻組合材料層的熱阻3外表面換熱阻：外表面換熱阻：為外表面換熱系數(shù)的倒數(shù)。查表。

17、為外表面換熱系數(shù)的倒數(shù)。查表。4封閉空氣間層的熱阻封閉空氣間層的熱阻 圍護護結(jié)構(gòu)總熱阻應(yīng)按下式計算：圍護護結(jié)構(gòu)總熱阻應(yīng)按下式計算： 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)K0:平壁內(nèi)部溫度的計算平壁內(nèi)部溫度的計算由此可推知，由此可推知，對于多層平壁內(nèi)任一層的內(nèi)表面溫度對于多層平壁內(nèi)任一層的內(nèi)表面溫度 m，可寫成，可寫成由此可得出外表面的溫度由此可得出外表面的溫度 e:圖解法求平壁圖解法求平壁內(nèi)部溫度內(nèi)部溫度:平壁的周期性傳熱平壁的周期性傳熱 通過圍護結(jié)構(gòu)的熱流量及圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布隨著時間而變通過圍護結(jié)構(gòu)的熱流量及圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布隨著時間而變動，這種傳熱過程稱為動，這種傳熱過程稱為不穩(wěn)定傳熱不穩(wěn)定傳熱。如

18、果外界熱作用隨時間呈周。如果外界熱作用隨時間呈周期性變化則稱為期性變化則稱為周期性傳熱周期性傳熱。 簡諧熱作用：假設(shè)溫度隨時間呈余弦函數(shù)的規(guī)律變化。簡諧熱作用：假設(shè)溫度隨時間呈余弦函數(shù)的規(guī)律變化。半無限厚平壁在簡諧熱作用下的傳熱特征半無限厚平壁在簡諧熱作用下的傳熱特征 半無限厚平壁在簡諧熱作用下傳熱的傳熱特征：半無限厚平壁在簡諧熱作用下傳熱的傳熱特征：1)周期相同周期相同-平壁表面及內(nèi)部位平壁表面及內(nèi)部位x點處的溫度，都會出點處的溫度，都會出現(xiàn)和介質(zhì)溫度周期現(xiàn)和介質(zhì)溫度周期Z相同的簡諧波動相同的簡諧波動。2)振幅衰減振幅衰減-從介質(zhì)到壁體表面及內(nèi)部，溫度波動的振從介質(zhì)到壁體表面及內(nèi)部，溫度波動的振幅逐漸減少，稱溫度波的衰減。幅逐漸減少，稱溫度波的衰減。3)相位延遲相位延遲-從介質(zhì)到壁體表面及內(nèi)部，溫度波動的相從介質(zhì)到壁體表面及內(nèi)部，溫度波動的相位逐漸向后推延，叫溫度波動的相位延遲，亦即從位逐漸向后推延，叫溫度波動的相位延遲，亦即從外到內(nèi)各個面出現(xiàn)最高溫度的時間向后推延。外到內(nèi)各個面出現(xiàn)