传热的基本知识

1、传热的基本知识传热的基本知识q传热传热是指是指物体内部物体内部或者或者物体与物体之间物体与物体之间热能转移热能转移的现象的现象.q传热的动力传热的动力是是温差温差.q根据传热机理的不同，传热的基本方式分为根据传热机理的不同，传热的基本方式分为导热导热、对流对流 和和辐射辐射3种种.导导 热热q导热导热是由是由温度不同温度不同的质点的质点(分子、原子、自由电子分子、原子、自由电子)在热在热运动中引起的运动中引起的热能传递现象热能传递现象.q在在固体、液体和气体固体、液体和气体中均能产生导热现象中均能产生导热现象q单纯的导热单纯的导热仅能在仅能在密实的固体密实的固体中发生。中发生。 导热的计算导热

2、的计算材料的导热系数及其影响因素材料的导热系数及其影响因素q导热系数导热系数指厚度为指厚度为1m1m的材料的材料, ,当两侧表面温差为当两侧表面温差为1K1K时时, ,在在单位时间内通过单位时间内通过1m1m2 2表面积的导热量表面积的导热量. .单位是单位是W/(m.KW/(m.K).).q影响因素影响因素: : 1)材质的影响材质的影响: 2)材料干密度的影响材料干密度的影响 3)材料含湿量的影响材料含湿量的影响u气体的导热系数最小气体的导热系数最小(0.0060.6 W/(m.K) , 空气空气在常温常压下为在常温常压下为0.029 W/(m.K).材质的影响材质的影响u液体导热系数液体

3、导热系数在在0.070.7 W/(m.K)之间之间, 水水在常温下为在常温下为0.58 W/(m.K);u金属导热系数最大金属导热系数最大, 在在2.2420 W/(m.K)之间之间; u非金属材料非金属材料(绝大多数建筑材料绝大多数建筑材料)导热系数导热系数0.033W/(m.K). l导热系数导热系数小于小于0.3 W/(m.K)的称的称绝热材料绝热材料.p一般来说一般来说, ,干密度大的材料导热系数也大干密度大的材料导热系数也大. .但也有例外但也有例外, ,如玻璃棉如玻璃棉.材料干密度的影响材料干密度的影响对对 流流 对流对流是由于是由于温度不同的各部分流体之间温度不同的各部分流体之间

4、发生发生相对运动、相对运动、互相掺合互相掺合而传递热能而传递热能. 对流换热对流换热只发生在只发生在流体之中流体之中或者或者固体表面和与其紧邻的固体表面和与其紧邻的运动流体之间运动流体之间. 在在建筑热工建筑热工中所涉及的中所涉及的对流对流主要是空气沿围护结构表面主要是空气沿围护结构表面流动时流动时, 与壁面之间所产生的热交换过程与壁面之间所产生的热交换过程. 这种这种对流与导对流与导热的综合过程热的综合过程, 称为表面的称为表面的“对流换热对流换热”. 为确定表面对流换热量，利用牛顿公式：为确定表面对流换热量，利用牛顿公式：1)自然对流换热自然对流换热:因温差而引起的对流换热因温差而引起的对

5、流换热. . 当平壁处于垂直状态时：当平壁处于垂直状态时：当平壁处于水平状态时：当平壁处于水平状态时：若热流由下而上若热流由下而上若热流由上而下若热流由上而下2)受迫对流换热受迫对流换热:受外部因素如气流、泵等的扰动而产生受外部因素如气流、泵等的扰动而产生传热的现象传热的现象. .对于围护结构外表面对于围护结构外表面: 对于围护结构内表面对于围护结构内表面: 物体发射的电磁波一般以物体发射的电磁波一般以波长波长来识别。来识别。 常温物体发生的热辐射能量绝大部分集中在红外线区段的长波范常温物体发生的热辐射能量绝大部分集中在红外线区段的长波范围内围内。太阳辐射属于短波辐射；一般围护结构表面属于长波

6、辐射。太阳辐射属于短波辐射；一般围护结构表面属于长波辐射。 建筑热工中把建筑热工中把 的辐射线称为长波幅射，的辐射线称为长波幅射， 的辐射线的辐射线称为短波辐射。称为短波辐射。m3m3辐辐 射射q 物体通过物体通过电磁波来传递能量电磁波来传递能量的方式。的方式。q辐射传热有以下特点：辐射传热有以下特点：1 1）凡）凡温度高于绝对零度温度高于绝对零度( (0 K K) )的物体的物体都能发射辐都能发射辐射热射热。2 2）辐射传热的特点辐射传热的特点是发射体的是发射体的热能变为电磁波热能变为电磁波辐射能辐射能，被辐射体又将所接收的，被辐射体又将所接收的辐射能转换成辐射能转换成热能热能。3 3）温度

7、越高，热辐射越强烈温度越高，热辐射越强烈. .物体依靠辐射传递物体依靠辐射传递热量时，不需要和其他物体直接接触热量时，不需要和其他物体直接接触, ,也不需也不需要任何中间媒介要任何中间媒介. .辐射能的吸收、反射和透射辐射能的吸收、反射和透射u白体、黑体和透明体白体、黑体和透明体p凡能将辐射热全部反射的物体凡能将辐射热全部反射的物体rh=1)称为绝对白体称为绝对白体;p能全部吸收的能全部吸收的(Ph=1)称为绝对黑体称为绝对黑体;p能全部透过的能全部透过的(th=1)则称为绝对透明体或透热体则称为绝对透明体或透热体.物体的辐射特性物体的辐射特性 按物体的辐射光谱特性按物体的辐射光谱特性,可分为

8、可分为黑体黑体、灰体灰体和和选择性辐射体选择性辐射体。 黑体：黑体：能吸收一切波长的外来辐射能吸收一切波长的外来辐射(P(Ph h1). 1). 还能向外发射一切还能向外发射一切波长的辐射能波长的辐射能, , 且在同温度下其辐射本领最大且在同温度下其辐射本领最大. . 灰体灰体: :其辐射光谱曲线的形状与黑体辐射光谱曲线的形状相似，其辐射光谱曲线的形状与黑体辐射光谱曲线的形状相似，且单色辐射本领不仅小于黑体同波长的单色辐射本领，两者的比且单色辐射本领不仅小于黑体同波长的单色辐射本领，两者的比例例( (称为称为黑度黑度 ) )为不大于为不大于1 1的常数。的常数。 选择性辐射体选择性辐射体: :

9、只能吸收和发射某些波长的辐射能只能吸收和发射某些波长的辐射能, ,并且其单色辐并且其单色辐射本领总小于同温度黑体同波长的单色辐射本领射本领总小于同温度黑体同波长的单色辐射本领. . 根据斯蒂芬一波尔兹曼定律，黑体和灰体的全辐射能力与其表面根据斯蒂芬一波尔兹曼定律，黑体和灰体的全辐射能力与其表面的绝对温度的四次幂成正比，即：的绝对温度的四次幂成正比，即：bEE /p黑度黑度 的概念：的概念：黑体辐射系数黑体辐射系数Cb=5.68W/(m2.K4)灰体辐射系数灰体辐射系数C=05. 68W/(m2.K4)n同一物体，当其温度不同时，其光谱中的波长特性也不同，同一物体，当其温度不同时，其光谱中的波长

10、特性也不同，随着温度的增加，短波成分增强。随着温度的增加，短波成分增强。1 1 对于长波辐射，对辐射的吸对于长波辐射，对辐射的吸收率在数值上等于其黑度。收率在数值上等于其黑度。即善于辐射的物体必善于吸即善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。收，反之亦然。2 2 物体表面对外来辐射热的反物体表面对外来辐射热的反射率是随波长而变化的。射率是随波长而变化的。3 3 材料对热辐射的吸收和反射材料对热辐射的吸收和反射性能，主要取决于表面的颜性能，主要取决于表面的颜色、材性和光滑平整程度。色、材性和光滑平整程度。4 4 对于短波辐射，颜色起主导对于短波辐射，颜色起主导作用；对于长波辐射，则是作用；对于长波辐

11、射，则是材性起主导作用。材性起主导作用。吸收率、反射率和透射率与材料性质和波长的关系吸收率、反射率和透射率与材料性质和波长的关系 温室效应：温室效应： 窗玻璃与一船围护结构不同，太阳辐射热的绝大部分都能透过普窗玻璃与一船围护结构不同，太阳辐射热的绝大部分都能透过普通玻璃，而长波辐射则很少能透过。通玻璃，而长波辐射则很少能透过。物体之间的辐射换热物体之间的辐射换热 由于任何物体都具有发射辐射和对外来辐射吸收反射的能力，所由于任何物体都具有发射辐射和对外来辐射吸收反射的能力，所以在空间任意两个相互分离的物体，彼此间就会产生辐射换热。以在空间任意两个相互分离的物体，彼此间就会产生辐射换热。 两表面间

12、的辐射换热量主要取决于两表面间的辐射换热量主要取决于表面的温度、表面发射和吸收辐射的表面的温度、表面发射和吸收辐射的能力、以及它们之间的相互位置。能力、以及它们之间的相互位置。 任意相对位置的二表面任意相对位置的二表面,若不计两表面之间的多次反射若不计两表面之间的多次反射,仅考虑第仅考虑第一次吸收一次吸收,则表面辐射换热量的通式为则表面辐射换热量的通式为:p建筑物的传热并非以某一种传热方式单独进行建筑物的传热并非以某一种传热方式单独进行,而大多是辐射、而大多是辐射、对流、导热三种方式综合作用的结果。对流、导热三种方式综合作用的结果。平壁的稳定传热平壁的稳定传热 通过围护结构的传热要经过三个过程

13、：通过围护结构的传热要经过三个过程：q 表面吸热表面吸热内表面从室内吸热内表面从室内吸热(冬季冬季)，或外表面从室外空间吸，或外表面从室外空间吸热热(夏季夏季);q 结构本身传热结构本身传热热量由高温表面传向低温表面；热量由高温表面传向低温表面；q 表面放热表面放热外表面向室外空间外表面向室外空间 散发热量散发热量(冬季冬季)，或内表面向，或内表面向 室内散热室内散热(夏季夏季)。 壁体内表面吸热壁体内表面吸热 平壁材料层导热平壁材料层导热1)单层匀质平壁的导热单层匀质平壁的导热:p热阻热阻: 热量由平壁内表面传至平整外表面过程中的阻力，称为热量由平壁内表面传至平整外表面过程中的阻力，称为热热

14、阻阻, 记作记作R，单位是平方米，单位是平方米开尔文瓦开尔文瓦(m2Kw).R=d/ 2）多层平壁的导热）多层平壁的导热R1、R2及及R3分别为第一、二、三层的热阻，分别为第一、二、三层的热阻，R0为平壁总热阻。为平壁总热阻。对对n层多层平壁的导热计算公式可依此类推：层多层平壁的导热计算公式可依此类推：3210RRRR对稳定一维传热：对稳定一维传热：3）组合壁的导热）组合壁的导热 壁体外表面散热壁体外表面散热:封闭空气间层的热阻封闭空气间层的热阻 两个表面之间进行热转移过程是导热、对流和辐射两个表面之间进行热转移过程是导热、对流和辐射3种传热方式种传热方式综合作用的结果综合作用的结果.在总的传

15、热量中，辐在总的传热量中，辐射换热占总传热量的射换热占总传热量的70左右。因此，要左右。因此，要提高空气间层的热阻，提高空气间层的热阻，首先要设法首先要设法减少辐射减少辐射换热量换热量。p封闭空气间层要注意的几个问题：封闭空气间层要注意的几个问题：1)在建筑围护结构中在建筑围护结构中采用封闭空气间层可以增加热阻采用封闭空气间层可以增加热阻，并且，并且材料材料省、重量轻省、重量轻，是一项有效而经济的技术措施。，是一项有效而经济的技术措施。2)如果构造技术可行如果构造技术可行, 在围护结构个用在围护结构个用一个一个“厚厚”的空气间层不如的空气间层不如用几个用几个“薄薄”的空气间层的空气间层。3)为

16、了有效地减少空气间层的辐射传热量，可以在为了有效地减少空气间层的辐射传热量，可以在间层表面涂贴间层表面涂贴反射材料反射材料，一般在一个表面涂贴、并且是在温度较高一侧的表一般在一个表面涂贴、并且是在温度较高一侧的表面面，以防止间层内结露，以防止间层内结露。平壁总热阻的计算平壁总热阻的计算1内表面换热阻：内表面换热阻：内表面换热阻是内表面换热系数的倒数，查表。内表面换热阻是内表面换热系数的倒数，查表。2壁体传热阻壁体传热阻:1)单一材料层的热阻单一材料层的热阻2)多层匀质材料层的热阻多层匀质材料层的热阻3)组合材料层的热阻组合材料层的热阻3外表面换热阻：外表面换热阻：为外表面换热系数的倒数。查表。

17、为外表面换热系数的倒数。查表。4封闭空气间层的热阻封闭空气间层的热阻 围护护结构总热阻应按下式计算：围护护结构总热阻应按下式计算： 传热系数传热系数K0:平壁内部温度的计算平壁内部温度的计算由此可推知，由此可推知，对于多层平壁内任一层的内表面温度对于多层平壁内任一层的内表面温度 m，可写成，可写成由此可得出外表面的温度由此可得出外表面的温度 e:图解法求平壁图解法求平壁内部温度内部温度:平壁的周期性传热平壁的周期性传热 通过围护结构的热流量及围护结构内部的温度分布随着时间而变通过围护结构的热流量及围护结构内部的温度分布随着时间而变动，这种传热过程称为动，这种传热过程称为不稳定传热不稳定传热。如

18、果外界热作用随时间呈周。如果外界热作用随时间呈周期性变化则称为期性变化则称为周期性传热周期性传热。 简谐热作用：假设温度随时间呈余弦函数的规律变化。简谐热作用：假设温度随时间呈余弦函数的规律变化。半无限厚平壁在简谐热作用下的传热特征半无限厚平壁在简谐热作用下的传热特征 半无限厚平壁在简谐热作用下传热的传热特征：半无限厚平壁在简谐热作用下传热的传热特征：1)周期相同周期相同-平壁表面及内部位平壁表面及内部位x点处的温度，都会出点处的温度，都会出现和介质温度周期现和介质温度周期Z相同的简谐波动相同的简谐波动。2)振幅衰减振幅衰减-从介质到壁体表面及内部，温度波动的振从介质到壁体表面及内部，温度波动的振幅逐渐减少，称温度波的衰减。幅逐渐减少，称温度波的衰减。3)相位延迟相位延迟-从介质到壁体表面及内部，温度波动的相从介质到壁体表面及内部，温度波动的相位逐渐向后推延，叫温度波动的相位延迟，亦即从位逐渐向后推延，叫温度波动的相位延迟，亦即从外到内各个面出现最高温度的时间向后推延。外到内各个面出现