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《传热学》试题库
7． 单位面积热阻rt的单位是
；总面积热阻Rt的单位是
（m2·K/W，K/W）
8． 单位面积导热热阻的表达式为。
9． 单位面积对流传热热阻的表达式为。
10． 总传热系数K与单位面积传热热阻rt的关系为
（rt=1/K）
11． 总传热系数K与总面积A的传热热阻Rt的关系为
（Rt=1/KA）
12． 稳态传热过程是指
（物体中各点温度不随时间而改变的热量传递过程。）
13． 非稳态传热过程是指
（物体中各点温度随时间而改变的热量传递过程。）
14． 某燃煤电站过热器中，烟气向管壁传热的辐射传热系数为30W/(m2.K)，对流传热系数
为70W/(m2.K),其复合传热系数为
（100 W/(m2.K)）
15．由炉膛火焰向水冷壁传热的主要方式是。
（热辐射）
16．由烟气向空气预热器传热的主要方式是。
（热对流）
17．已知一传热过程的热阻为0.035K/W，温压为70℃，则其热流量为。
18．一大平壁传热过程的传热系数为100W/(m2.K)，热流体侧的传热系数为200W/(m2.K)，
冷流体侧的传热系数为250W／(m2.K)，平壁的厚度为5mm，则该平壁的导热系数
，导热热阻为
（5 W/(m.K)，0.001(m2.K)/W）
19．总传热方程式可表示为θ＝或q＝。
（KAΔt，KΔt）
20．已知平壁厚0.02m，热阻为0.02m2.K/W，其导热系数为
（1 W/(m·K)）
三、选择题
1．下列哪几种传热过程不需要有物体的宏观运动?
(4)复合传热
2．热流密度q与热流量的关系为（以下式子A为传热面积，λ为导热系数，h为对流传热
3．如果在水冷壁的管子里结了一层水垢，其他条件不变，管壁温度与无水垢时相比将：
(4)随机改变
4．下列哪一种表达式是错误的?
(1)q＝λΔt/δ
(2)q＝hΔt
(3)q＝kΔt
5．导热系数的单位是：
(1)W/(m2.K)
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你可能喜欢干货 | 大功率LED实时热阻分析
随着半导体照明技术的不断发展，LED已经被应用于越来越多的照明领域，大功率LED也就应运而生。但是，伴随着LED功率的逐渐增大，散热问题就变得极为突出了。而热阻作为衡量散热性能好坏的关键参数，对它的分析就具有重要的理论及实际意义。热阻过大会使温度过高，直接影响了大功率LED波长、发光效率、正向压降以及使用寿命等。因此，本文提出了一种基于多点温度测量的大功率LED实时热阻分析方法。本文设计了一种数据采集方案，对大功率LED热阻分析的不确定度进行了计算，验证了整个分析方法的真实性和可靠性。
伴随着LED功率的不断增加，散热问题已经成为制约大功率LED推广的主要因素。当LED的功率越大，它的封装结构越复杂，而它的体积变得更小，也就使LED的功率密度愈来愈大。功率密度越大，则散热问题就越严重，散热不好将会导致大功率LED的PN结结温升高，进而使LED产生光衰现象，使用寿命变短，严重可能导致芯片被烧毁。对于大功率LED散热问题的研究将对大功率LED的未来的推广起到十分重要的作用。对于热阻的分析是具有重要的理论意义和实际意义的。
大功率LED热阻理论及模型建立
对于大功率LED来说，热量主要靠热传导和热对流两种方式。
热传导的原理遵循傅立叶定律，可以表述为在单位时间内热传导过程中，通过一定截面的热量与垂直于此截面上的截面面积和温度变化率成正比，如公式(1)所示：
对于热对流来说，液体的热对流现象没有气体的明显。用牛顿冷却公式来表达：
由式（2）和（3）可知，对流传热传递的热量与流体与固体表面的温差及它们之间的换热面积成正比，比例系数即为表面传热系数。对流换热的过程是比较复杂的，换热表面的几何形状、流体的物理性质和物理状态的改变以及换热面的边界条件等都会对对流换热造成一定的影响。
热阻的概念与电阻相类似，热传递路径上两点的温差相当于电压，热传递过程产生的热量相当于电流，而热阻就相当于电阻。热阻定义为在热平衡状态下，两个规定点或者区域之间的温度差与产生这两点之间热耗散功率之比，单位是℃/W，用公式表达为：
其中，Rth为热阻，t1和t2分别为两点的温度，P为消耗功率。
对于大功率LED热传递方式的分析可知，对于壁厚为单层平壁热传导过程，若两个表面的温度分别为t1和t2，则由傅立叶定律，即式(1)可知：
对于大功率LED，这种在固体之间以热传导的方式传递热量的过程中遇到的热阻被称作导热热阻。
而在对流换热的过程中，根据牛顿冷却公式，即式(2)和式(3)可以得出：
大功率LED的散热结构通常是由以下几个部分组成的：大功率LED芯片模组、金属线路板以及外部热沉，芯片通过焊盘被焊接在金属线路板上，而印刷电路板与外部热沉相接来向外部散热，典型的大功率LED散热结构图如图1所示。
图1 大功率LED散热结构图
根据大功率LED的散热结构可知，大功率LED的散热过程如下：大功率LED芯片发光产生热量，热量通过热传导方式从芯片内部向金属线路板传递，再经过金属线路板向外部热沉传递，最后通过热对流的方式实现外部热沉与外界空气之间的热量传递。
图2 大功率LED热阻模型
根据大功率LED的整体结构以及它的散热过程可以总结出大功率LED的热阻模型，具体如图2所示。大功率LED的总热阻Rth，即为从LED芯片到外界环境的散热路径上的各个热阻的和，主要包括LED芯片内部热阻RS-B，即在热传导过程中LED芯片到金属线路板之间的热阻；金属线路板到外部热沉之间的热阻RB-S；热对流过程中外部热沉到外界空气之间的热阻RS-A，还有芯片与空气热对流过程的热阻，但是由于芯片与外界环境的散热作用不明显，因此可以忽略不计，所以大功率LED热阻的总和为：
LED热阻分析
根据大功率LED的热阻分析主要从以下三个方面阐述：大功率LED热阻分析数据的采集方案设计、大功率LED的实时热阻分析以及利用Hilbert-Huang变换对热阻的进一步分析。
数据采集设计
以单片机为核心的数据采集系统的硬件设计和软件设计，系统的结构图如图3所示。
图3 系统总体结构图
以PIC单片机为核心应用数字温度传感器对大功率LED多点温度数据进行采集，通过数字温度传感器将数字温度信号直接送到PIC单片机进行处理，实现对大功率LED的多点温度数据采集。同时对大功率LED两端的电压电流信号进行采集，并且通过PIC单片机进行A/D转换，将处理后的电压值送入计算机中。最后将处理后的多点温度数据和电压、电流数据通过RS-232接口传递给上位机，为大功率LED的实时热阻分析提供数据支持。
数据采集系统硬件设计
本文核心控制芯片采用Microchip公司生产的PIC16F877单片机。本系统的多点温度数据检测采用了美国Dallas公司推出的新一代单总线式数字温度传感器DS18B20。采取单总线形式，即将多个DS18B20挂在同一管脚上，根据ROM码分别进行操作。其硬件原理图如图4所示，其中，GND为地线；DQ为数据线，既可以向外部发送数据，也可以接受数据，该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平；VDD是可选外部电源端，可接+5V，当使用寄生电源供电时应接地。本系统是采用VDD供电，DQ与单片机相连的方式来实现温度检测的。
图4 DS18B20的引脚配置图
本文将运算放大器AD620AN的输入端即其+IN脚和-IN脚接R2的两端，输出端OUT的电压即为R2两端的电压，把得到的电压信号送到单片机的A/D转换端口AN0端处理，再根据R1、R2的阻值比求出LED两端的电压。具体电路如图5所示。
图5 电压采集原理图
接阻值为1K采样电阻，测量采样电阻的电压信号，送入单片机的A/D转换端口AN1端处理，获得通过LED的电流值。
最后把DS18B20的温度数据和大功率LED两端的电压电流数据传入到PIC16F877单片机，再由PIC16F877统一通过串口传给计算机进行处理。本系统采用RS-232连接单片机与上位机进行串行通信。
数据采集系统的软件设计
PIC16F877单片机是温度数据采集系统的数据采集端，它主要完成对三个数字温度传感器DS18B20的控制，实现读取温度数据，采集DS1302的实时时间数据以及同上位机的通讯功能。根据系统功能的要求，多点温度数据采集系统的程序主要有四个模块：主程序、温度数据采集模块、电压数据采集模块以及串行通信模块。其流程图如图6所示。
图6 温度采集流程图
大功率LED实时热阻分析
本文通过单片机与计算机之间的RS-232串口实现了数据的实时传输，并且根据大功率LED热阻的分析方法通过VC++编程，实现了对热阻的实时分析，包括全部暂态和稳态过程。
数据采集完成后，需要完成大功率LED热阻分析的可视化系统设计，通过RS-232串口将温度及电压数据传给计算机，显示并处理数据。主要包括以下三个模块：串口通信模块、数据显示模块以及数据处理模块，下面将对它们进行详细阐述。本系统采用MSComm控件来完成串口通信模块的设计。
通过串口实现了三点温度数据、电压以及电流数据传递后，就要实现对数据处理了，包括热阻分析实时显示、温度和功率参数的显示。
为了能够实时分析热阻，本文将热阻用实时绘制动态曲线的方式给出。先将热阻分析结果存放在全局数据结构中，通过传递的数据触发事件，在函数中实现读取数据以及根据数据绘制曲线的功能，并实时显示温度及功率值，具体如图7所示。
图7 软件界面
热阻分析实例
以实际大功率LED为例，将热阻分析应用于实际工程中，针对不同热沉的条件下的热阻进行分析。由于选用合适的热沉材料对于大功率LED热阻具有较大的影响，因此可以通过对热阻的分析实现对大功率LED散热性能的改善。
本文采用不同的铝基板作为热沉，通过基于多点温度测量对不同的大功率LED铝基板下热阻的变化情况进行分析，并最终得出一个最优的热沉设计方案。表1为在不同热沉下获得的热阻。
其中，基板热阻为大功率LED的PN结到基板的热阻；空气热阻为LED器件PN结到空气的热阻，它们根据不同点的温度值得到不同的热阻。由表1可知，以AlN做为热沉的大功率LED基板热阻最小，散热性能最好；而以Al做为热沉的大功率LED基板热阻最大，散热性能最差，因此可以选择AlN作为热沉材料降低LED器件的热阻值。如表4-1所示，不同的铝基板不但使基板热阻有所不同，还使环境的热阻也发生了变化。这说明选择合适的热沉，对大功率LED热阻是有很大的影响的，会决定了整个大功率LED散热性能的好坏。
表1 不同热沉下热阻分析结果
基于Hilbert-Huang变换的热阻分析
由于实验所获得的热阻分析结果可能会夹杂着噪声信号，因此本文采用基于经验模态分解(即EMD)的HilbertHuang变换对基于多点温度测量的热阻分析结果进行进一步处理。Hilbert-Huang变换对信号处理主要有两个步骤：首先应用EMD获得有限数目的IMF，再应用Hilbert变换和瞬时频率方法获得信号的Hilbert谱。
对于热阻分析来说，EMD的过程如下：
首先要根据热阻分析结果X（t）确定其全部局部极值点，令m1为上包络线和下包络线的平均值，h1为与平均值m1之差，则
当h1（t）满足固有模态函数的定义，那么h1（t）就作为X（t）的第一个IMF分量；当h1（t） 不满足IMF的定义，就将h1 （t）作为数据重复以上步骤，那么：
其中：数据h1（t）的上下包络线的平均值为m11(t)。
从原始数据X（t）中将c1分离出来可得：
再重复以上步骤，把r1(t)作为新的原始数据，直到出现第二个满足IMF的分量c2，如此循环下去直到原信号里不含有IMF分量：
为了确保每一个IMF具有实际的物理意义，可以将IMF的第二条判定条件转化为以下标准，如式(13)所示：
其中，0,1，…，T是平均包络线包含的所有时刻；m1k(t) 是本次循环过程中IMF分量提取模块中求得的平均包络；m1(k-1)(t)是上一次循环过程中IMF分量提取模块中求得的平均包络；而合理的SD在0.2～0.3之间的取值范围内。直到不能提取满足IMF的分量，rn(t)成为一个单调函数时，整个循环结束。原始数据则可以由IMF分量与最后残量之和表示，记为：
应用EMD方法对大功率LED热阻分析结果进行分解的整个过程，如图8所示。
图8 EMD流程图
基于EMD的Hilbert-Huang变换
应用EMD获得有限数量的IMF后，就要对每个IMF进行希尔伯特变换，对实函数的变换公式如下：
由卷积定理可知：
因此Hilbert变换的实质其实就是x(t)通过Hilbert滤波器，而Hilbert滤波器其实就是冲激响应为1/πt的一个线性网络，它的传递函数如公式所示：
φ(t)和A（t）分别称为瞬时相位与瞬时包络，φ(t)的导数ω(t)叫做瞬时频率，表达式如下：
因此从本质上讲，对信号的瞬息参数的求取就是对共轭信号的求取。Hilbert变换实现了提取稳态信号的瞬时特征，尤其是提取了瞬时频率特征，这具有很重要的工程实际意义。因此我们说非稳态数据通过EMD分解后再进行变换可以确保其原有的物理意义。
原信号X（t）的希尔伯特变换表示为：
定义实部是希尔伯特谱，记作，则
Hilbert谱反应了每一个IMF分量在频率上分布的总振幅或能量。
图9 热阻分析原始数据
大功率LED热阻分析的原始数据如图9所示。通过Hilbert-Huang变换把大功率LED热阻分析结果分为12个IMF分量，经过EMD后热阻分析结果的前11阶IMF能量小、频谱宽，根据其具有的噪声特性，因此可以将当作噪声去掉。由于EMD分解实质上是筛选分离的过程，把原信号分解为全部IMF和剩余总趋势之和，因此可以直接把噪声分量从原信号中直接减去，这就是去噪的过程。图10为HilbertHuang变换后热阻分析结果。
图10 基于Hilbert-Huang变换的热阻分析结果
热阻作为衡量散热性能好坏的关键参数，对它的分析就具有重要的理论及实际意义。热阻过大会使温度过高，直接影响了大功率LED波长、发光效率、正向压降以及使用寿命等。本文针对大功率LED热阻分提出了一种新的分析方法根据对热阻基本理论的研究，提出了一种基于多点温度测量的实时热阻分析方法，并且成功应用于实际大功率LED中，实现了对热阻的分析，并将其应用于铝基板散热性能的优化中，而且将Hilbert-Huang变换应用于热阻分析中，对热阻实现了进一步分析。通过应用于实际大功率LED中进行验证，为大功率LED的进一步推广起到积极推动作用。
供稿：佟勇
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关于建筑墙体热阻现场检测方法的分析
　　[摘 要]文章首先针对材料传热及影响因素进行了分析，然后特别针对建筑材料的保温性能进行论述，最后阐述了当前对于建筑墙体热阻现场检测的基本方法及使用要求，对于从事建筑节能检测相关工作人员有较好的参考意义。 中国论文网 http://www.xzbu.com/1/view-6480291.htm　　[关键词]建筑节能；墙体热阻；检测；分析 　　中图分类号：TU111.3 文献标识码：A 文章编号：X（9-01 　　1.建筑传热及影响因素分析 　　1.1 传热原理分析 　　传热指包括各种形式热能转移现象的总称。传热的基本方式分为导热、对流和辐射，其中导热是由温度不同的质点（分子、原子、自由电子），在热运动中引起的热能传递过程；对流传热只发生在流体之中，它是由温度不同的各部分流体之间发生相对运动，互相掺合而传递热能的；辐射是由于物体因自身具有一定的温度，便由表面发射出电磁波，这种电磁波的发射，即使在物体温度达到绝对温度零K时，即273.16℃时，也不会停止。所谓热辐射就是热由一物体透过真空或空气以电磁波的形式向其他物体传递的现象。 　　1.2 建筑绝热材料及其影响导热系数的因素 　　热流密度（q）。单位时间内通过单位传热面上的热量（热流量），称为热流密度或面积热流量。 　　导热系数（λ）。材料导热特性的一个物理指标。数值上等于热流密度除以温度梯度，称导热系数或称热导率。 　　热阻（R）。在稳定状态下，与热流方向垂直的物体两表面温度差除以热流密度。对于均质材料层（如聚苯板），热阻R值可由厚度和导热系数计算；对于非均质墙体构造（如空心砌块墙体），热阻R值取决于具体构造。 　　传热阻（RO）。传热系数的倒数。数值上为物体两侧环境温度差除以热流密度。在计算外墙传热阻时，一般取参考值，如取Ri=0.11，Re=0.04。 　　传热系数（K）。稳定状态下的热流密度除以物体两侧环境温度差。 　　2.建筑材料保温性能 　　2.1 各种墙体保温性能的说明与分析 　　节能墙体按其材料及组成可分为两大类：即单一材料节能墙体与复合材料节能墙体。 　　（1）单一材料节能墙体 　　主要有承重粘土空心砖、烧结页岩砖、碎砖砼空心砌块、焦渣混凝土空心砌块、矿渣混凝土空心砌块、火山渣砼空心砌块、浮石砼空心砌块、普通砼空心砌块、加气砼砌块、粉煤灰砼空心砌块、煤矸石砼空心砌块及保温承重装饰砼空心砌块等。 　　（2）复合材料节能墙体 　　这类材料是由绝热材料与传统墙体材料（各种多孔砖和混凝土）组成的。目前常用的绝热材料主要是聚苯乙烯泡沫塑料、膨胀珍珠岩、岩棉、玻璃棉制品、硬泡聚氨酯以及各种保温浆料等。 　　2.2 材料导热系数与容重的关系 　　容重是指单位体积的材料重量，它是影响材料导热系数的重要因素之一。对于大多数材料来说，都是由固体骨架和其间的气孔所组成。比如轻骨料混凝土总的孔隙率大约为30-60%，而70-40%是由固体部分组成的。所以材料的容重取决于孔隙率。当材料的比重一定时，孔隙率愈大，则容重愈小，导热系数也越小。其规律是导热系数随容重的增大而增大。 　　3.建筑墙体热阻现场检测方法分析 　　3.1 建筑材料绝热性能及其检测方法 　　（1）稳定热流法 　　稳定热流法是通过材料的热流，其数值和方向都不随时间而变，即温度场是恒定的。稳态法有防护热板法（单平板法、双平板法）和热流计法。采用标准：《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定--防护热板法和热流计法》 GB 1-88。 　　（2）非稳定热流法 　　非稳态法有热脉冲法、线热源法等采用标准：《轻骨料混凝土技术规程》 JGJ 51-2002 　　以上两种方法适用于测量试件热阻大于0.1m2？K/W的材料，适合测干燥匀质材料。其基本原理是利用恒定温度较高与一块恒定温度较低的两个等温表面之间的传热，其中传热量通过两块形状厚度及密度相同的试件。用热电偶测定材料冷热侧的表面温度，用热流计测量通过两块试件或者单块试件的热流量，利用测得的热流密度及试件温差即可计算出试件的导热系数。 　　3.2 检测的基本要求 　　（1）建筑物围护结构隔热性能的检测仅限于屋面和东、西朝向外墙、楼梯间隔墙、地下室顶板。 　　（2）围护结构隔热性能检测应在夏季进行，检测持续时间不得少于24h。天气条件应符合下列要求： 　　①检测开始前2天应为晴天或少云天气； 　　②检测当天应为晴天或少云天气，水平面的太阳辐射照度最高值不宜低于《民用建筑热工设计规范》GB50176给出的当地夏季太阳辐射照度最高值的90%； 　　③检测当天室外最高空气温度不宜低于《民用建筑热工设计规范》GB50176给出的当地夏季室外计算温度最高值2.0℃或多于2.0℃； 　　④检测当天的风速不宜过高，室外气象风速不宜超过4级（含4级）以上。 　　（3）被检围护结构内表面所在房间应有较好的自然通风环境，围护结构外表面的直射阳光在白天不应被其它物体遮挡，检测时房间的窗应全部开启且应有自然通风在室内形成。 　　（4）检测时应同时检测室内外空气温度、被检围护结构内外表面温度、室外风速、室外太阳辐射强度。 　　（5）内外表面温度的测点应对称布置在围护结构主墙体部位的两侧，且应避开热桥。每侧应至少各布置3点，其中一点取接近中央的位置。 　　（6）表面温度应取所有相应测点检测结果的平均值，如果某个测点温度出现明显异常应剔除该异常值。 　　然后，要做好相关的准备工作。 　　3.3 热流测点和温度测点的粘贴 　　热流测点：每个测点应布两片热流计，内外各一片。为保证热流计与墙体（或顶板、屋面）接触良好，常用黄油粘贴，并用透明胶带“井”字形固定，防止空气进入影响测量的准确性。外墙及屋面的外部热流计应避免阳光直射，并做好防水处理。 　　温度测点：温度测点应选择在热流测点边沿上下左右各15cm处的室内外对应位置，每一个热流测点应对应选择4对测温点，用透明胶带固定，防止空气和水进入。 　　3.4 设备的安装与数据采集 　　电源、温控仪、制冷箱（电暖气）之间的电缆线接头要严格按设备说明连接，并且拧紧。电源和温控仪插头应插在不同的插排上，防止电线超负荷。非采暖季检测用制冷箱，要用专用顶杆进行支撑，保证制冷箱与墙面（或顶板）之间的紧密性。检测时要保证房间的散热通风。采暖季用电暖气进行加热时，要将房间内的易燃、可燃物品转移，确保现场检测安全。温控仪：采用自动温控仪控制室内外温差保持在20℃以上。非采暖季检测时，调整温控仪的设定温度直到与室外温差达到20℃。采暖季检测时，自动温控仪室内温度探头一般应设在加热房间中央离地1.6m处，并采取措施避免电暖器的直接热辐射。 　　现场检测中，温度和热流的测定和计量是最重要的两个参数。主机带有自动存储功能，可以将这两个参数自动采集并存储起来，最大可存储1800的数据。并可用F2设置采集时间间隔5―30分钟，一般为30分钟。用F2设置完采集时间后，应关机重启，设置方能生效。数据采集的过程中，应每天进行两次现场巡视，巡视内容包括：现场有无断电、导线与平行线有无断路、温度与热流显示是否正常、设备降温（或升温）效果如何等，并应根据现场环境温度进行调节控温范围，使满足温差大于20℃的要求。 　　4.结论 　　我国是能源短缺的国家，节能是我国的一项重大战略决策。建筑节能是住宅建设发展的方向，建筑的节能效果直接取决于节能材料的产品质量。伴随着建筑节能工作的逐渐展开，节能材料检测成为确保居住建筑的节能质量、实现节能目标的一个至关重要的方面。因此作为建筑材料检测人员，要加强学习，不断提高检测技术水平，确保建筑节能材料的节能质量，为实现建筑节能目标作出贡献。 　　参考文献 　　[1] 高寿云，王保泉，何嘉鹏，等.建筑墙体热工性能测试技术研究[J].节能，）：23-26. 　　[2] 王珍吾，孟庆林，张百庆.双面热流计法现场测墙体构造热阻[J].墙材革新与建筑节能，2005（9）：38-40. 　　[3] 阎丽萍，王路威，王琼，等.空心墙体建筑的节能及经济性分析[J].南京工业大学学报：自然科学版，）：20-23. 　　[4] 张泽平，李珠，董彦莉.建筑保温节能墙体的发展现状与展望[J][J].工程力学，）：121-127.
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