太阳能 光热系统
沈阳工程学院 刘莉莹
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第三章 太阳集热器
3.1 概述 3.2 太阳能热利用中的传热学基础 3.3 太阳能集热器的分类 3.4 平板型太阳能集热器 3.5 真空管太阳能集热器
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第三章 太阳集热器
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3.1 概述
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3.1 概述
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3.2 太阳能热利用中的传热学
3.2.1 热量传递的基本方式
➢ 热流量是单位时间传递的热量； ——它体现了传热的速率或快慢
➢ 传热是一个过程，稳态，非稳态；
——区别于热力学的平衡态
➢ 传热学中热流量的单位是[W]， 而非[J]； [W]= [J]/[s]
➢ 导热热阻：与直流电路的欧姆定律
I=U/R 相似。
Φ A t
t
A
W
Thermal resistance for conduction R : C /W
热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射
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热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射
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热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射
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1.热传导（导热）Heat conduction
热传导的定义
➢ 温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直 接接触时，依靠分子、原子或自由电子等微观粒子的热 运动而进行热量传递的现象
3.2.2 太阳辐射的吸收、反射和透射
• 太阳透射在物体上时，发生吸收、反射和透 射，据能量守恒，有
热传导的特点
➢ 物体内部存在温差，或具有温差的物体直接接触。 ➢ 可发生在任何物质的任何地点 ➢ 传热形式：依靠分子、原子以及自由电子等微观粒
子的热运动而传递——微观过程，不产生宏观位移。
平壁一维稳态导热
Φ A t W
q Φ t A
W m2
tw1 tw2
：热流量，单位时间传递的热量[W]
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对流换热的基本计算式
牛顿冷却公式（1701）
Φ hA(tw t f ) [W]
q
Φ A
h(tw
t
f
)
[W
m2 ]
— 热流量 ，单位时间传递的热量 [W]
q — 热流密度 W m2
h — 换热系数 [W (m2 C)]
A — 与流体接触的壁面面积 m2
t — 固体壁表面温度 w
两平行黑平板间的辐射换热
对于两个相距很近的黑体表
A
面，由于一个表面发射出来的
能量几乎完全落到另一个表面
上，那么它们之间的辐射换热
量为：
Ab (T14 T24 )
T1 Q
T2
当T1=T2时，也就是物体和周围环境处于热平衡，辐射换 热量等于零。但此时是动态平衡，辐射和吸收仍在不断进行。
此时物体的温度保持体壁之间的热量交换（Convection heat transfer）
➢ 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热； ——不是基本传热方式
➢ 对流换热实例： 1)电子器件冷却 2)取暖器
➢ 对流换热的特点：
1) 流体与壁面直接接触，有宏观运动；有温差
2) 由于流体的粘性和受壁面摩擦 阻力的影响，紧贴壁面处 会形成速度梯度很大的边界层
辐射换热 Radiation heat transfer
➢ 物体间靠热辐射进行的热量传递
➢ 辐射换热的特点： ➢ 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在， 在真空中就可以传递能量
➢ 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能——电磁波能——物体热力学能
➢ 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相 互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温 物体辐射给高温物体的能量；总的效果是热由高温物体 传到低温物体
➢ 物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种类不同、表面状 况不同，其辐射能力不同
➢ 黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体,或称绝对黑体 ➢ 黑体的辐射能力与吸收能力最强
斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）
➢ 黑体在单位时间内向外发出的辐射能：
AT 4 [W]
C
t f — 流体温度 C
对流换热系数（Convective heat transfer coefficient）
Φ h
[ A(tw t f )]
W (m2C)
➢ 当流体与壁面温度相差1℃时、每单位壁面面积 上、单位时间内所传递的热量
➢ 影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等
➢ h不是物性参数
T — 黑体表面的绝对温度（热力学温度）K
— 斯蒂芬-玻尔兹曼常数，或称黑体辐射常数
=5.6710-8 W (m2K4 )
A — 黑体辐射表面积 [m2 ]
➢ 一切实际物体辐射能力都小于同温度下的黑体
AT 4 [W]
— 实际物体表面的发射率（黑度），0~1；与物体
的种类、表面状况和温度有关
q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量 W m2
A：垂直于导热方向的截面积 m2
: 平壁的厚度[m]；
: 热导率(导热系数) W (mC)
t tw1 tw2 平壁两侧壁温之差 C
热导率 (导热系数) (Thermal conductivity)
Φ q A t t
W (mC)
2.热对流 Heat convection
热对流的定义
➢ 流体中(气体或液体)温度不同的各部分之间，由于发 生宏观相对运动，而把热量由一处传递到另一处的现象
➢ 若热对流过程使具有质量流量m的流体由温度t1处
流至温度t2处，则此过程传递的热流量为：
mcp (t2 t1) W
➢ 流体中有温差 ——热对流 必然同时伴随着热传导
➢ 单位厚度(1m)、单位温度差（1K）物体，在它的单位面
积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)。
➢ 导热系数表示材料导热能力大小；由实验确定。
金属 非金属固体 液体 气体
纯铜 398W (m C ) ; 水 0.6W (mC ) ;
空气 0.026W (mC ) （20C）
热流量和导热热阻
对流换热热阻 Thermal resistance for convection
Φ t t
1 (hA) Rh q t t
1 h rh Rh 1 (hA) [ C W ]
rh 1 h [m2C W ]
3.热辐射 Thermal radiation
➢ 定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐射能的现象；凡物 体都具有辐射能力