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1、节能环保创新发展 i i i i i i i ；i i i i i i i i j j ；i i i i i i i i I ! I t i | i j i E ；i ；i i i i i i i i i i i i | i i ；i j i i i ；i i i i 宣真空玻璃传热系数的计算唐健正北京新立基真空玻璃技术有限公司北京1 0 0 0 3 9摘要本文论述了真空玻璃的传热机理，并介绍了真空玻璃及组合真空玻璃传热系数的计算方法。关键宇真空玻璃传热系数真空玻璃是新型玻璃深加工产品，是我国玻璃工业中为数不多的具有自主知识产权的前沿产品，它的研发推广符合我国鼓励自主创新的政策，也符合国家大力
2、提倡的节能政策，具有良好的发展潜力和前景。从原理上看真空玻璃可比喻为平板形保温瓶，二者相同点是两层玻璃的夹层均为气压低于1 0 1 P a 的真空，使气体传热可忽略不计；二者内壁都镀有低辐射膜，使辐射传热尽可能小。二者不同点：是真空玻璃用于门窗必须透明或透光，不能像保温瓶一样镀不透明银膜，镀的是不同种类的透明低辐射膜；二是从可均衡抗压的圆筒型或球型保温瓶变成平板，必须在两层玻璃之间设置“支撑物”方阵来承受每平方米约1 0 吨的大气压。使玻璃之间保持问隔，形成真空层。“支撑物”方阵间距根据玻璃板的厚度及力学参数设计，在2 0 m m 4 0 m m 之间。为了减小支撑物“热桥”形成的传热并使人眼
3、难以分辨，支撑物直径很小，目前产品中的支撑物直径在0 3 r o m e O 5 m之间，高度在0 1 n O 2 r m 之间。真空玻璃的结构如图l 所示。01 jl、-掣lI圈1 真空玻璃的基本结构钎焊科0 1 - 0 2 m m由于结构不同，真空玻璃与中空玻璃的传热机理也有所不同。图2 为简化的传热示意图，真空玻璃中心部位传热由辐射传热和支撑物传热及残余气体传熟三部分构成，而中空玻璃刚由气体传热( 包括传导和对流) 和辐射传热构成。 魁 真空玻璃中空玻璃图2 真空玻璃和中空玻璃的传热机理示意图1 8 22 0 0 6 中国玻璃行业年会暨技术研讨会节能环保创新发展由此可见，要减小因温差引起
4、的传热，真空玻璃和中空玻璃都要减4 、辐射传热，有效的方法是采用镀有低辐射膜的玻璃L o w - E 玻璃) ，在兼顾其它光学性能要求的条件下，膜的发射率( 也称辐射率) 越低越好。二者的不同点是真空玻璃不但要确保残余气体传热小到可忽略的程度，还要尽可能减小支撑物的传热，中空玻璃则要尽可能减小气体传热。为了减小气体传热并兼顾隔声性及厚度等因素，中空玻璃的空气层厚度一般为9 2 4 m m ，以1 2 m m 居多，要减小气体传热，还可用大分子量的气体( 如惰性气体：氩、氪、氙) 来代替空气，但即便如此，气体传热仍占据主导地位。1 真空玻璃热导和热阻及传热系数的简单计算方法I 1 两平行表面之问
5、的辐射热导可由下式估算C 辐N = 8 宥螭0 ( T 1 4 - T z ) ( T 厂B ) 一( 1 )式中T - ，L 是两表面的绝对温度，单位为Ke * 是表面有效辐射率0 是斯忒芬一波尔兹曼( S t e f a n - B o l t z m a r m ) 常数，其数值为5 6 7 X1 0 m 2 K 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 幅* = 4o 有簸0T 4( 2 )T 是两表面的平均绝对温度。( 1 ) 和( 2 ) 式中自# 为有效辐射率，由下式( 3 ) 计算：o 青# = ( e1 1 +
6、2 - L 1 ) ( 3 )式中。是表面l 的半球辐射率。e 。是表面2 的半球辐射率。计算例：真空玻璃的一片玻璃是4 m m L o w E 玻璃，辐射率为0 1 0 ，另一片是4 m m 普通白玻，辐射率为0 8 4 ，则可算出_ = ( 1 0 + 1 1 9 - 1 ) 。= o 0 9 8按我国测试标准，室内侧温度：T I 1 8 + 2 7 3 = 2 9 1 K室外侧温度；T 2 2 0 + 2 7 3 = 2 5 3 K平均温度：T = 2 7 2 K公式( 2 ) 可简化为Cu # - - 4 5 6 48 目#据此可算出CM = 0 4 4 7W m “ 2 K 1Ru
7、= l C “ = 2 2 3 7W 1 一K1 2 圆柱支撑物热导可由公式( 4 ) 计算 物2 态( 4 ) 蚀掉物廊式中X # 为玻璃导热系数，约为0 7 6 W m 。1K 1h 为支撑物高度，单位为ma 为支撑物半径，单位为mb 为支撑物方阵问距，单位为i nX 支掉* 为支撑物材料的导熟系数，单位为W m 。K o目前国内外均选用不锈钢材料青4 作支撑物，使得xi 比x # 大2 0 倍以上，支撑物高度h 又比半径a 小，故公式( 4 ) 可简化为q 黝= 三笋( 5 )2 0 0 6 中国玻璃行业年会暨技术研讨会1 8 3节能环保创新发展计算例：当支撑物选用a = 0 2 5 r
8、 a m ，h = 0 1 5 m m 方阵间距b = 2 5 m m则C 女H = o 6 0 8 W m 。K 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1 0 至2 0 。此例中C 直掉# 可按0 5 0 W r n 乍。计，则支撑物热阻R 支撑物= ：二一= 2 W - 1 m 2 K L 支撑物正在研制的支撑物半径a - - 0 1 2 5 m m ，则c 女将减小一倍，为0 ，2 5W m “ 2 K l r 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3 5 0 “ C 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
9、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l 旷1 P a ( 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C O ：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问隔时。气体热导可用公式( 6 ) 计算。c 气2 似掣? - L )式中口= 口I 货2 ，【半2 + 口l ( 1 一口2 ) 】为气体综合普适常数其中口l 和口2 分别为两个表面的气体普适常数P 是气
10、体压强，单位为P aY 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) 口- - o 5 ，可得到：c , _ 【- - o 3 7 5 P ( 7 )c 单位：w m 2 K 1由此可见当P = 0 1 P a 时c 【- - - 0 ，0 3 7 5W m 。2 K - 1当P = I P a 时C1 = 0 3 7 5W m - 2 K - 1以1 中计算例的辐射率为O ，1 0 的单L O W - E 膜真空玻璃的计算结果：辐射热导：C , t - - - 0 4 4 7w m l 2 K - 1由2 中支撑物热导Ci
11、# * = 0 5 0 W m - 2 K 。如果P = 0 1 P a ，则真空玻璃热导：C # = C 辐舯+ C 立# 静 C 1= 0 4 4 7 + o ，5 0 m 0 3 7 5：0 9 8 4 5 ( W m 2 K | )可算出C 在C 中占的比例约为百分之四如果P = I P a ，则可算出此比例将接近3 0 ，此时C 、的值已接近c # 或Ci # 自，而且随着真空玻璃内表面的放气，C ，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1o _ 。P a 的水平。这样残余气体传热的影响才能d , N
12、可忽略的程度。1 4 玻璃板的热导和热阻的计算18 42 0 0 8 中国玻璃行业年会暨技术研讨会节能环保创新发展由于钠钙玻璃( 建筑玻璃) 导热系数 # 约为0 3 6 W m “ 1 盯1 ，当厚度为h 时，玻璃热导C 囊= t h ，热阻R t = l C i t = 1 1 x ，常用玻璃板的热导和热阻如表l 所示：表1 常温下钠钙玻璃的热导和热阻玻璃厚度h ( m m )2 53 O3 545681 0热导C t ( W m 2 K 1 )3 0 42 5 32 1 71 9 01 5 21 2 79 57 6热阻R t ( 、) l r l m 2 K )0 0 0 30 0 0
13、40 0 0 5O 0 0 50 0 0 7O 0 0 80 O l l0 0 1 31 5 真空玻璃热阻和热导的计算有了以上l _ 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。算室内室外R 气图3 真空玻璃热阻构成示意图图中R 1 为内玻璃板熟阻R 2 为外玻璃板热阻R # * 为辐射热阻Ri # 自为支撑物热阻R 为残余气体热阻R l 为真空玻璃热阻l 如果残余气体热导C1 很小。则氏= ； 很大，可忽略其影响，这样真空玻璃热阻R 可由公式( 8 ) 计 L 气如空= 墨+ 若詈尝嚣坶真空玻璃热导c 真空= i 1则上面1 中计算例的真空玻璃的Ru =
14、 2 2 3 7由2 中取捧物- - 2 W - 1 研2 K由表1 取R t = R 2 - - 0 0 0 5 W 一1 m 2 K则由公式( 8 ) 可算出真空玻璃热阻R 觳= l ，0 6 6 W 一1 m 2 K真空玻璃热导C # 0 9 4W m “ 2 K 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I K 时，单位时问通过l m 2 面积玻璃从室内空气到室外空气传递的热量。2 0 0 6 中国玻璃行业年会暨技术研讨会18 5节能环保创新发展我国法定计量单位为W m “ 2 K 。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
15、构成如图4 所示。卜一R 传。l K 叫 室内空气L 专j 云言 室外空气图4 传热系数构成示意图真空玻璃传热系数K 或U 值均可按公式( 7 ) 或( 8 ) 计算上：上+ L + L ( 7 )Kc 裔c 真空c 外或壶= R 传= & + R 真空+ R 外K 2 丽12 醑蕊1R 传R 肉+ R 真空+ R 井式中C 真空为真空玻璃热导R ! 为真空玻璃热阻C 为内表面换热系数R 自为内表面换热阻C * 为外表面换热系数R * 为外表面换热阻R * 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 列出各国对计算传热系数的边界条件规定。表2 各国标准中对传热系数边界条件的规定测试条件内表面换热外表面换热传热系标准室外温度室内温度室外气流室内气流系数系数数符号m s( W i n 2 K - 1 )( W i n “ 2 K - 1 )中国K 冬2 01 83 0自然对流8 72 3 G B l 0 2 6 4欧E N 6 7 3K- 1 01 5自然对流自然对流8
