2.4　傳熱學基礎知識

2.4.1　傳熱的幾種基本形式

從事太陽能的研究和應用時，通常要涉及太陽能供熱系統及主要部件的傳熱分析和計算，以便提高熱效率、減少投資或預測熱工性能。

傳熱學是研究熱量傳遞規律的一門科學。它研究物體之間或物體內部因存在溫差而發生熱能傳遞的規律，即研究傳熱過程中物體內的溫度分布、傳熱量及各種影響因素。

根據熱力學第二定律，只要有溫差存在，熱量就會自發地從高溫物體傳向低溫物體，因此，傳熱是一種很普通的自然現象。傳熱問題不外乎兩個方面：一方面一切用于加熱或冷卻的換熱設備，都力求增強傳熱，以縮小設備尺寸或提高設備的工作能力；另一方面，一切傳熱和保溫設施都力求削弱向外部的傳熱，以減少熱損失。太陽能干燥裝置既涉及增強傳熱，也有絕熱保溫的問題。

傳熱常常是一個復雜過程，為了便于分析研究，一般將傳熱分為三種基本形式，即導熱、熱對流和熱輻射。

（1）導熱（又稱熱傳導）　指物質各部分直接接觸而發生的熱量交換現象。導熱時，物體各部分之間無宏觀的相對位移，單純的導熱現象只存在于密實的固體中。

（2）熱對流　由于流體各部分發生相對位移而引起的熱量傳遞過程稱為熱對流（簡稱對流）。對流只能在液體和氣體中出現。實際上所遇到的往往是流體與固體壁面接觸時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱，簡稱放熱。它既包括流體運動時隨著質量遷移而引起的熱量轉移，也包括流體的導熱。

（3）熱輻射　以電磁波的形式傳遞能量的過程，這種現象與導熱和對流有著本質的區別，它不需要冷、熱物體間的直接接觸，可以在真空中傳播，并伴隨著能量形式的轉化，即物體的熱能轉化為輻射能；輻射能被物體吸收后又轉化為熱能。

以上三種傳熱形式的物理本質不同。熱輻射依靠電磁波；對流依靠流體內各部分的相對位移；而導熱是依靠物質內部的分子、原子、電子的動量轉遞。

（4）復合換熱（又稱復雜換熱）　實際的傳熱現象通常是以上三種基本傳熱方式在具體情況下的不同組合。例如太陽能與室內物體間的傳熱，首先太陽能以熱輻射和空氣的熱對流方式向外墻傳熱，熱量以熱傳導方式傳至內墻，再通過內墻的熱輻射和室內空氣的熱對流與室內物體間換熱。

（5）傳熱　工程上常見的是熱流體通過固體壁面，將熱量傳給冷流體的復合換熱過程，稱為傳熱。

2.4.2　導熱的基本定律與導熱計算

2.4.2.1　傅里葉定律

根據傅里葉（Fourier）熱傳導定律：單位面積上的傳熱量的大小與垂直該平面上的溫度梯度成正比。引入比例常數后得：

　　（2-18）

式中，q為單位時間內通過單位面積的熱量，稱為熱流率，W/m²；λ為熱導率，W/（m·K）；dT/dx為溫度梯度，即沿等溫面法線方向的溫度變化率，它反映了物體內溫度變化的激烈程度，K/m。

式（2-18）即傅里葉熱傳導定律的數學表達式。負號表明導熱方向永遠沿著溫度降低的方向。

2.4.2.2　熱導率及影響因素

熱導率λ表示物質導熱能力的大小，根據式（2-18）可得：

　　（2-19）

熱導率是材料的重要熱物理性質之一。材料的熱導率越大，表明它的熱傳導能力越大。各種物質的熱導率均可由實驗測定，并常將實驗結果整理成圖表，以供需要時查取。表2-5列出了一些常見物質在0℃的熱導率的參考數值。從表中可以看出，各種物質的熱導率相差很大，其金屬及合金的熱導率最大，一般在10以上以至幾百；建筑材料及一些非金屬固體材料的熱導率小至1以下，而氣體的λ最小。工程上常把λ<0.08W/（m·K）的材料稱為絕熱（隔熱）材料，如石棉、硅藻土、玻璃纖維、木屑及軟木板等。絕熱材料一般都具有多孔性結構，在這些孔內充滿了熱導率小的空氣，所以一般多孔性材料的熱導率很小，而且隨孔隙度的增加而減小。但若孔隙過大，引起孔內空氣對流時，熱導率反而增加。

熱導率不僅隨物質而異，而且對同一物質來說，熱導率還與結構、密度、成分、濕度、壓力（對于液體和氣體）和溫度有關。經驗證明，在一定的溫度范圍內，多數工程材料的熱導率可近似地認為是溫度的直線函數。氣體、建筑材料和絕熱材料，λ值隨溫度的升高而增大；除水和甘油以外的大多數液體和純金屬，λ值隨溫度升高而減小，但合金的熱導率隨溫度的升高而增大。在工程計算中，當溫度變化范圍不大時，可以把λ當作常數。

對于太陽能干燥，一般在常壓或壓力變化范圍不大的情況下，可忽略壓力對λ的影響。

材料的含水率（濕度）對多孔性材料（如建筑材料、絕熱材料）的熱導率影響最大，因為填充孔隙的水，其λ值比空氣高得多，例如干磚的λ=0.35W/（m·K），而濕磚的λ可以高達1W/（m·K）。因此，對于絕熱材料應適當采取防潮措施。

此外，還有些材料在各個方向上的結構不同，因此熱導率也隨方向不同而有很大的差異，這種材料稱為各向異性材料。石墨、石英晶體、木材、竹子、膠合板等都是這類材料。例如木材沿順紋方向的λ值，為橫紋方向的2～4倍。因此，在進行導熱計算時，應根據導熱方向的不同選取不同的λ值。

2.4.2.3　通過平壁的穩定導熱計算

（1）單層壁　設有一個厚度為δ的所謂無限大平壁（即指平壁的長度與寬度遠比厚度大），如圖2-7所示。設平壁兩表面溫度各為t₁及t₂；平壁的面積為A；熱導率λ取為常數；平壁的溫度只沿x方向發生變化。

①求熱流率　根據式（2-18），經過分離變量、積分等數學運算，可求得通過單層平壁的熱流率為：

　　（2-20）

已知平壁面積為A（m²），則通過整個平壁的導熱量為：

　　（2-21）

②平壁內溫度分布　根據式（2-18）經過相關的數學運算，可求得平壁內任意x處的溫度為：

　　（2-22）

由此看出單層平壁內溫度分布是按直線規律變化的。

③導熱熱阻　若將式（2-20）改寫成q=Δt（δ/λ），并與電學中的歐姆定律I=ΔE/R做比較，可以看出熱流量q與電流I類似；溫度差Δt（也稱溫壓）與電位差ΔE的作用相當；而δ/λ的作用與電阻R的作用相當，稱為熱阻用R_t表示。即：

　　（2-23）

【例2-6】太陽能集熱器的透明蓋板采用厚為0.5cm、面積為12m²的玻璃。已知玻璃的熱導率為0.8W/（m·K）。玻璃兩面的溫度分別為33℃及35℃，試求通過玻璃的熱流率。

解：結合（2-20）及集熱器的面積

（2）多層平壁　凡是由幾層不同材料疊在一起組成的復合壁都稱為多層壁。工程上遇到的平壁常常屬于多層壁，如圖2-8所示為一種三層平壁，各層的熱導率（設為常數）和厚度分別為λ₁、λ₂、λ₃和δ₁、δ₂、δ₃，內、外表面的溫度t₁、t₄為已知，且t₁>t₄。設各層接觸良好，互相接觸的表面具有相同的溫度，分別為t₂及t₃，一般t₂、t₃為未知數。

在穩定導熱的情況下，通過各層的熱流量均相同，于是按式（2-23），每一層的熱阻應為：

　　（2-24）

將式（2-24）相加得：

　　（2-25）

由式（2-23）得：

　　（2-26）

對于n層平壁的導熱量可以類推為：

　　（2-27）

式中，λ_i、δ_i分別為第i層壁的熱導率及厚度。

由式（2-26）及式（2-27）可以看出，多層壁導熱的總熱阻等于各層分熱阻之和，各層平壁熱阻的疊加，正像電阻的串聯一樣。

根據式（2-24）可求得各層之間接觸分界面的未知溫度為：

　　（2-28）

由此看出，對于多層壁的每一層，溫度分布仍按直線規律，但就整個多層壁來說，由于各層的λ不同，即各層溫度線的斜率不同，所以是一條折線。

【例2-7】設房子的墻壁由厚度為0.1m的普通磚及一層0.0375m厚的灰泥組成。磚及灰泥的熱導率分別為0.70W/（m·K）及0.48W/（m·K）。求通過此墻的熱流率。如果在磚及灰泥之間添加一層0.0508m厚的石棉隔熱材料，熱流率將是多少？石棉的熱導率為0.065W/（m·K）。

解：設壁的內外溫差為ΔT。

①兩層墻壁時的熱流率

②添加了石棉隔熱層的墻

2.4.3　對流換熱

2.4.3.1　對流換熱的類型與影響因素

（1）自然對流與強制對流　根據引起流動的原因，可分為自然對流和強制對流兩大類。

自然對流傳熱是指由流體中因密度不同而產生浮升力所引起的換熱現象。沒有風機的太陽能干燥室內，空氣與吸熱板或物料間的傳熱，即屬于自然對流換熱。自然對流的運動強度主要取決于流體的受熱情況，流體內部的溫度差越大，對流的運動越激烈。一般用格拉曉夫數Gr（無量綱數）來衡量。Gr值大，自然對流強；反之自然對流弱。Gr數值與流體內溫差Δt成正比，而與流體的運動黏度ν成反比（詳見有關的傳熱學書籍）。

強制對流是指流體在外力（泵、風機等）作用下引起流體的流動。集熱器型太陽能干燥裝置內空氣的流動，即屬于強制對流換熱。強制對流的強度，主要取決于外力所引起的流速的大小。一般用雷諾數Re（無量綱數）來衡量。Re數值大，強制對流激烈；反之強制對流弱。

　　（2-29）

式中，ω為平均流速，m/s；l為流道特征尺寸，m；ν為運動黏度，m²/s。

（2）層流與紊流　根據流體運動的狀態可分為層流和紊流（又稱湍流）兩種流態。

層流是指流體質點做平行于流道的有規則的直線運動，一般發生在流速較小時，換熱強度也小，其雷諾數Re<2200。

紊流是指體質點一面向著主流方向運動，一面作不規則的脈動，形成具有漩渦的混亂運動，這種流動狀態稱為紊流，亦稱湍流。介于層流與紊流之間的流動狀態稱為過渡流動狀態。紊流狀態時流體流速大，換熱強度明顯高于層流狀態，其雷諾數Re>10⁴。

（3）流體的物理性質與放熱面的幾何特征　除引起流動的原因和流態是影響對流換熱的主要因素外，流體的物理性質、接觸面的形狀、表面光潔度和幾何尺寸等因素也影響對流換熱的強度。

影響放熱過程的流體物理性質主要是比熱c_p、熱導率λ、密度ρ、運動黏度ν和容積膨脹系數等。例如水的熱導率為空氣的20余倍，而水的放熱系數約為空氣的200倍。

同一換熱平板，豎放、平放或斜放，其換熱效果不同；同一換熱平板，換熱面向上或向下，其換熱強弱也不同。例如自然對流換熱時，換熱面向上的換熱強度明顯大于換熱面向下的換熱強度。

關于流體物理性質和換熱面幾何特征的影響，都已綜合反應在自然對流格拉曉夫數Gr或強制對流的雷諾數Re中。表2-6中列出了常壓下空氣的熱物性參數。

總之，在所有影響對流換熱的諸因素中，一切能使流體運動強度提高的因素，都能增強放熱。

2.4.3.2　牛頓冷卻定律和放熱系數

（1）牛頓冷卻定律　固體與流體接觸面的對流換熱量可以用牛頓冷卻定律表示，其數學式為：

Q=hFΔt　q=hA（T_w－T_∞）　q=hΔt（W/m²）

式中，Q為對流換熱熱流量，即單位時間內通過放熱面的換熱量，W；q為對流換熱熱流率，即單位時間內，通過單位面積放熱面的換熱量，W/m²；Δt為對流換熱溫差，即流體溫度t_f與壁面溫度t_w之差，K；A為固體與流體的對流換熱面積，m²；h為對流換熱系數也稱為放熱系數，W/（m²·K）。

（2）放熱熱阻　類似于導熱熱阻，對流熱阻為：

（3）放熱系數　放熱系數h是一個表征放熱強度的量，根據牛頓公式可得：

當Δt=1K時，即當換熱溫差為1K時，放熱系數在數值上與換熱熱流密度相等。顯然放熱系數越大，對流換熱就越強烈。當放熱系數h和溫差Δt已知時，按牛頓冷卻公式可以進行換熱量計算，但一般情況下放熱系數是未知量，所以求取放熱系數是解決放熱問題的關鍵。除了極簡單情況可以用分析法計算換熱系數h以外，一般都用實驗方法求得。

常見的幾種對流換熱的放熱系數大致范圍參見表2-7。

2.4.3.3　平板表面對流換熱的經驗計算式

（1）風吹過平板表面的對流換熱　當有風吹過平板集熱器透明蓋板表面時，蓋板的對流換熱系數h可直接利用下式：

h=5.7+3.8v　　（2-30）

式中，v為風速，m/s。

（2）兩平行平板之間的自然對流換熱　在平板集熱器的吸熱板與透明蓋板之間和被動式太陽房的貯熱墻與玻璃壁之間的對流換熱就是屬于這種情況。對于三種特殊傾角s的平板，其間以空氣為介質，為了計算方便，可將相關公式做適當處理。先假定空氣溫度為10℃，則可得到對流換熱系數h三個公式，即：

當s=0°，熱流向上，10⁴<Gr<10⁷時，則h₁₀=1.613；

當s=45°，熱流向上，10⁴<Gr<10⁷時，則h₁₀=1.14；

當s=90°，1.5×10⁴<Gr<10⁷時，則h₁₀=0.82。

式中，h的單位為W/（m²·℃）；ΔT的單位為℃；b是兩平行平板間的距離，單位為cm。當任何溫度t時，可用下式來修正物性的變化：

式中，為兩平行平板的平均溫度，℃。

對于任何傾角s及Gr>2×10⁴時，也有相關的公式計算，詳見有關的傳熱學書籍。

（3）平行平板間的強制對流換熱　太陽能空氣集熱器中，其中的空氣與平板作強制對流換熱。對于空氣，在一面加熱而平行平板間作充分開展后的湍流流動的對流換熱，對于101325Pa的空氣流過兩平板之間的湍流流動，如果只有一塊平板是熱面，而且空氣溫度在300～380K之間，則可直接算出h為：

式中，v是空氣流速，m/s；d是兩平板的間距，m；h的單位為W/（m²·K）。

（4）卵石床中的對流換熱　空氣集熱器系統中，往往采用卵石床作為貯熱器。計算空氣通過卵石床時空氣與卵石床之間的對流換熱系數，可以利用下列經驗式：

式中，h_v為容積換熱系數，W/（m³·K）；為空氣的質量流率，kg/s；A為垂直于空氣流動方向的卵石床的橫截面積，m²；d_s為卵石的當量直徑，m。d_s可按下式計算：

【例2-8】窗玻璃的厚度為0.3175cm、玻璃的熱導率λ為0.779W/（m·K）、室內溫度為t₁=20℃、室外溫度為t₂=6.1℃、窗內外側的對流換熱系數h₁=5.67W/（m²·K）、h₂=22.68W/（m²·K）。求：通過單位面積窗玻璃的熱損失。如用兩層玻璃窗，兩層間距離為1.11cm。單位面積熱損失是多少？夾層中空氣（靜止）的熱導率λ=0.0242W/（m·K）。

解：根據導熱熱阻和放熱熱阻的概念，通過單位面積玻璃的熱損為：

式中說明如下。

窗內對流熱阻：

窗玻璃導熱熱阻：

窗外對流熱阻：

則通過單層窗玻璃的熱損為：

若采用兩層玻璃窗，其R₁、R₂、R₃不變，只要求出兩層玻璃之間夾層空氣的熱阻R₂，如圖2-8所示。

則

通過兩層玻璃單位面積的熱損為：

2.4.4　輻射換熱

2.4.4.1　熱輻射的基本概念

（1）熱輻射的特點　熱輻射是物體通過電磁波傳遞熱量的現象，其主要特點是不需要物體間直接接觸，可以在真空中傳播；而且還伴隨著能量形式——熱能及輻射能的相互轉化。

（2）熱射線　熱射線是指具有熱效應的射線，即能被物體吸收，且吸收后又能重新轉變為熱能的那些射線。熱射線包括部分紫外線、全部可見光和紅外線，其波長主要位于0.10～40μm范圍內（圖2-9）。然而在工業上常遇到的溫度范圍內，即2000K以下，絕大部分能量（>98%）在紅外線區段的0.76～40μm范圍內，因此除了太陽能熱利用（太陽表面溫度約6000K，紅外線僅占全部輻射能的43%）外，一般可將熱輻射看作紅外線輻射。

（3）輻射力　物體輻射能力的大小以輻射力來表示，所謂輻射力是指在單位時間內，物體每單位表面積上發射出去的全波長（λ=0～∞）范圍的總能量，以E表示，單位為W/m²。

（4）輻射強度　垂直于某發射方向的單位面積，在單位時間、單位立體角內所發射的全波長（λ=0～∞）范圍的能量，用符號I表示，其單位為W/（m²·sr），這里的sr表示立體角，輻射強度可以用專門的輻射儀來測定。輻射力與輻射強度的區別在于，前者以發射體的單位面積為基準，而后者以垂直于發射方向的單位投影面積為基準。

（5）輻射的吸收、反射和穿透　當熱射線投射到物體表面上時，它和可見光一樣，也會發生吸收、反射和穿透現象。在外界投射到物體表面上的總能量Q中，一部分Q_α被物體吸收，另一部分Q_ρ被物體反射，其余部分Q_τ穿透物體。由能量守恒定律得：

Q=Q_α+Q_ρ+Q_τ　　（2-31）

或

其中各能量百分數分別稱為該物體的吸收率α、反射率比ρ和穿透率τ。于是有：

α+ρ+τ=1　　（2-32）

α、ρ、τ都是無量綱量，它們的數值都在0～1之間變動，其具體數值的大小與物體的性質、溫度、表面狀況（粗糙程度）及熱射線的波長有關。

如果α=1，ρ=0，τ=0，說明所有投射到物體上的輻射能，全部被該物體吸收，這類物體稱為絕對黑體或簡稱黑體。以后對于黑體的一切量，都用腳注“b”標明。例如它的輻射能力以E_b表示。

如果ρ=1，α=0，τ=0，說明所有投射到物體上的輻射能，全部被該物體反射出去，這類物體稱為絕對白體或簡稱白體。物體表面對熱射線的反射分為鏡反射和漫反射。凡服從射線的入射角等于反射角規律的，都稱為鏡面反射，該物體稱為鏡體；反之，凡不服從上述規律的都稱為漫反射。

如果τ=1，α=0，ρ=0，說明所有投射到物體上的輻射能全部透過該物體，這類物體稱為絕對透明體或簡稱透明體。

對于熱射線來說，固體和液體實際上都是不能穿透的，熱射線的輻射和吸收僅在表面進行，即τ=0或α+ρ=1。于是，凡是善于吸收的物體，其反射能力就小；反之，吸收能力小的物體，其反射能力就大。

在自然界中，并不存在絕對黑體、絕對白體和絕對透明體，這些概念是為了方便研究輻射現象而假定的理想物體。不過自然界有些物質與上述三種物體接近，如煤煙炱、黑絲絨及雪、霜等接近于黑體（α≈0.98）；磨光的金屬表面接近于白體（ρ≈0.97）；雙原子氣體（如O₂、N₂及干空氣等）接近于透明體（τ≈1）。

另外，有些物體對不同波長射線的吸收、反射或穿透能力是不同的（即對波長有選擇性），稱為有色體。如玻璃對可見光是透明體，對紅外線卻幾乎是不透明體，太陽能的暖房即是利用玻璃能透光而不讓暖房內的紅外線輻射出去的特性，使暖房升溫。另外太陽能吸熱板上涂刷的選擇性涂層，它使吸熱板吸收率增加，而發射率減少，就是一種典型的有色體（詳見第3章）。

2.4.4.2　熱輻射的基本定律

（1）斯蒂芬-玻爾茲曼定律（四次方定律）　此定律的內容表達如下，黑體的輻射力與熱力學溫度的四次方成正比，所以又稱為四次方定律。

E_b=σ_bT⁴　　（2-33）

式中，σ_b為斯蒂芬-玻爾茲曼常量（黑體輻射系數），其值為5.67×10^－8［W/（m²·K⁴）］。

（2）基爾霍夫定律　基爾霍夫定律可以表述為：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和吸收率的比值與物體的性質無關，而恒等于同溫下黑體的輻射力。

由于所有實際物體的吸收率總是小于1，所以在同溫度條件下黑體的輻射力最大。為了表示某一物體接近黑體的程度，引用了黑度的概念。任一物體的輻射力與同溫下黑體輻射力之比值，稱為該物體的黑度（或稱發射率），以ε表示，則：

　　（2-34）

根據基爾霍夫定律的含義和式（2-34）可得：

ε₁=α₁；ε₂=α₂；ε₃=α₃　　（2-35）

上式稱為基爾霍夫定律恒等式，它說明在熱平衡條件下，物體的黑度與它們的吸收率在數值上相等。即物體的輻射能力越大，它的吸收率也越大，或者說，善于反射的物體就不善于輻射。

必須注意，在非平衡熱輻射體系中，實際物體的吸收率和黑度兩者不一定相等。這就使研究實際物體的熱輻射問題變得復雜，從而限制了熱輻射基本定律的應用。于是為簡單起見，將實際物體理想化，引入了“灰體”的概念。

所謂灰體是指單色吸收率與波長無關，且吸收率小于黑體的物體，即A_λ=常數，且A_λ<1的物體。因此就其輻射和吸收的規律而言，灰體和黑體完全相似，只不過兩者在輻射和吸收的數量上有差異。灰體雖然也是理想物體，但它比較接近實際。大多數工程材料可當作灰體處理而不會引起太大的誤差。這種簡化處理將給輻射換熱計算帶來很大的方便。

對于灰體，即使是投射物體的溫度T₂與受射物體的溫度T₁不同，基爾霍夫定律仍然適用，即灰體的黑度恒等于同溫下它的吸收率（ε=A）。

根據物體的黑度，可求得一般物體的輻射系數σ與黑度輻射系數的σ_b關系，即：

σ=ε σ_b　　（2-36）

將上式代入式（2-33）得：

E=ε σ_bT⁴　　（2-37）

這樣，若已知物體的黑度，就可根據此式計算出一般物體的輻射力。由此式可看出，要提高物體的輻射力，除提高物體的溫度外，還可設法提高物體的黑度（如在物體表面涂炭黑）。

黑度是物質重要的物性參數，各種物質的黑度都是通過實驗測定的，常用材料的黑度（發射率）見表2-8。黑度的數值在0～1之間變化，它取決于物體的性質、表面狀況和溫度。一般來說磨光的金屬面具有較小的黑度；表面粗糙的物體或氧化的金屬表面，具有較大的黑度。

（3）蘭貝特定律簡介　蘭貝特定律可以表述為：定向輻射強度與方向無關，即在半球空間的各個方向上的定向輻射強度相等。

蘭貝特定律表明，以輻射表面dF為中心的半球上，以法線方向（?=0）的輻射力E_n為最大，隨?的增加輻射力E_?逐漸減少，當?=90°時，E_?=0。因此，在太陽能干燥裝置中，當太陽能射線垂直穿過玻璃時，吸收的輻射能最多。

2.4.4.3　物體間的輻射換熱

兩物體間的輻射換熱，可利用輻射熱阻的概念，建立輻射網絡圖求解（詳見有關傳熱學書籍）。以下只介紹在太陽能輻射中應用較多的簡單特例，即兩個平行平板間的輻射換熱。

（1）兩個平行平板間的輻射換熱　設兩板的尺寸相同且遠大于板間距離，平板1的溫度T₁高于平板2的溫度T₂，且板間充滿不吸收輻射能的透明介質。在這種情況下兩板間的輻射換熱量用可式（2-38）計算：

　　（2-38）

式中，稱為輻射系統（板1和板2）的相當黑度。

（2）輻射換熱計算舉例

【例2-9】一座太陽房屋板的透光面積為20m²，設玻璃對太陽輻射的吸收和反射率均為0.1，并已知太陽輻射強度為750W/m²，求每小時透過玻璃而到達房內的太陽輻射能有多少？

解：太陽輻射對玻璃的透過率為：

τ=1－α－ρ=1－0.1－0.1=0.8

則太陽房吸收的太陽輻射能為：

【例2-10】平板型太陽能集熱器表面對太陽輻射的吸收率為0.92，表面黑度為0.15，吸收器的表面積是20m²，表面溫度為60℃，空氣溫度為18℃，表面對流放熱系數為3W/（m²·℃），當投射的太陽輻射強度為800W/m²時，試計算該集熱器接受的太陽輻射熱和它的效率［注：黑體輻射系數σ_b=5.67×10⁸W/（m·K⁴）］。

解：①吸收器表面的輻射熱損失為：

ε σ_bT⁴=0.15×5.67×10^－8×333⁴=105（W/m²）

②吸收器表面的對流熱損失為：

αΔT=3（60－18）=126（W/m²）

③每平方米集熱器表面所接受的凈太陽能輻射為：

0.92×800－105－126=505（W/m²）

④20m²集熱器接受的太陽能輻射為：

20×505=10100（W）

吸收器效率為：

【例2-11】計算平板集熱器的吸熱板與玻璃蓋板之間單位面積的換熱量。已知：吸熱板溫T₁=360K，ε₁=0.95，玻璃蓋板的板溫T_g=340K，ε₂=0.90，吸熱板與玻璃蓋板之間的自然對流換熱系數為10W/（m²·K）。

解：此題涉及對流和輻射：

①對流熱阻

②輻射熱阻

③綜合

單位面積換熱量

q=367W

【例2-12】放在干燥室內的物料，需要每小時除去300kg水分，空氣進入干燥室之前，溫度t₁=15℃、相對濕度φ₁=40%。空氣先被加熱器加熱，然后再送去干燥物料，離開干燥室時，t₃=40℃，φ₃=85%，設空氣總壓力p=1×10⁵Pa，求為干燥物料所需的初態空氣量（m³）。

解：①求1點狀態參數，查表2-1，t₁=15℃、φ₁=40%時，d₁=4.268g/kg DA。查表2-2，15℃時的飽和壓力p_1s=1733.7Pa，則第一點的水蒸氣分壓為p_w=φ₁p_1s=0.4×1733.7=693.5Pa。

②求第2點的狀態參數。查表2-1，t₃=40℃、φ₃=85%時，d₃=41.6g/kg DA，則干燥物料所需空氣質量m_a為：

折算為狀態1空氣的容積V_1a為：

式中，R_a為空氣的氣體常數，p_1a=10⁵－693.5=99306.5（Pa），R_a=2875J/（kg·K），T₁=273+15=288K，則。