传热原理ppt课件.ppt

《传热原理ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传热原理ppt课件.ppt（197页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、1,第二章 传热原理,2,本章节主要内容：传热的基本概念传导传热对流换热辐射传热,3,传热学概述,传热学是研究热量传递规律的学科，其基础为热力学第一定律和热力学第二定律。,在材料技术领域大量存在传热问题,4,在材料技术领域存在节能问题,5,2.1 传热基本概念,2.1.1 传热基本条件,6,特点：物体各部位不发生宏观相对位移,热量从铁丝的高温端传递到低温端，但铁丝外观未变化。,2.1.2 传热的基本方式,（1） 传导传热：依靠物体微观粒子的热运动而传递热量。,7,导热机理： 气体分子不规则运动时相互碰撞； 导电固体自由电子； 非导电固体晶格振动产生的弹性波； 液体兼有气体和非导电固体的机理。,

2、8,（2）对流传热：依靠流体质点的宏观位移而传热。,火焰通过周围气体的运动对流能将热量从周围向其它地方传递,（3）辐射传热：不借助于媒介物，热量以热射线形式从 高温物体传向低温物体,太阳能以辐射形式透过广阔真空，传递到地球，不需要媒介。,10,导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。,11,在辐射时，辐射体内热能 辐射能；在吸收时，辐射能 受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。 辐射换热是一种双向热流

3、同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。,12,辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又称其为非接触性传热。 热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。 物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。,13,稳定温度场：t=f(x,y,z),热量从高温面向其对面传递,2.1.3 温度场 等温面 等温线 温度梯度,（1）温度场,定义：传热过程中，物体内部所有点的温度分布情况。,不稳定温度场：t=f(x,y,z,),类型,14,热量从高温面向侧面、对面传递,15,热量从高温面向两侧面、对

4、面、上下底面传递,16,等温面被平面所切产生等温线,定义：温度场中所有温度相同 的点构成的面。,（2）等温面,（3）等温线,定义：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇。,17,等温面与等温线的特点：,（1）温度不同的等温面或等温线，彼此不能相交。 （2）在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界上。（3）同一等温面、线上无热流，不同的等温面、线之间存在热流。（4）若温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。,18,（4）温度梯度,定义：温度场中，两等温面间温度差与其法线方向 两等温面间距离比值

5、的极限。,(/m),(/m),注意：温度梯度方向指向温度升高方向，与热流方向相反,数学表达式：,单向稳定温度场：,19,2.1.4 热流 传热量,温度场内有温度差存在时，热量将从高温流向低温。热流 定义：单位时间内，通过单位面积传递的热量称为热流，用q 表示，单位W/m2。热流是矢量，与温度梯度方向相反。 传热量：单位时间内，通过总传热面积F传递的热量，用Q表示。,（W）,20,2.1.5 稳定传热与不稳定传热,21,2.2 传导传热,2.2.1导热的基本定律（傅立叶定律）,数学表达式,热流的方向与温度梯度相反,（w/m2）,导热系数,单位时间、单位面积上通过的热量与温度梯度成正比。,内容,2

6、2,应用傅立叶定律时注意点：1、负号“”表示热量传递指向温度降低的方向，n是通过该点的等温线上法向单位矢量，指向温度升高的方向；2、热流方向总是与等温线（面）垂直；3、物体中某处的温度梯度是引起物体内部及物体间热量传递的根本原因；4、傅立叶定律是实验定律，是普遍适用的，即不论是否变物性，不论是否有内热源，不论物体的几何形状如何，不论是否非稳态，也不论物质的形态（固、液、气），傅立叶定律都是适用的。,23,2.2.2 导热系数,(w/m.）,物体内温度梯度为1 / m时，单位时间、单位面积上的传热量。,2.2.2.1 气体导热系数 大小：0.00580.58 W/m. 特点：（1）t, （2）在

7、不太大的压力下,可以认为与压力无关 （3）混合气体的导热系数不遵循加和法则。,24,2.2.2.2 液体的导热系数 =0.0930.7 W/m. 特点：除水、甘油外，一般液体t, ,2.2.2.3 固体导热系数（1）金属 =2.3418 W/m.，纯银最大，纯铜次之 特点：t, 合金纯金属,（2）建筑材料 =0.162.2 W/m.,25,（4）绝热材料 0.25 W/m. 特点： t, ,晶体,（3）耐火材料 =1.116 W/m. 特点：t, ，镁质耐火材料例外。,特点：t, 与材料结构、空隙率、湿度、密度等因素有关。,26,说明：导热系数 是表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，与

8、材料的种类和温度有关。 单位： W/m 。,27,2.2.2.4 影响的因素,28,导热微分方程,热焓的增量=传入物体的热量传出物体的热量,29,2.2.3 稳定导热传热量的计算2.2.3.1 单层平壁导热,分离变量并积分:,据付立叶定律,30,平均温度 时平壁的导热系数,单层壁的导热热阻：,单层壁的导热量：,热阻分析法适用于一维、稳态、无内热源的情况,31,导热,比较,电流从高电位到低电位,电流,产生电流的基本条件是电位差,物体对电流有电阻,热流量与温度差成正比与热阻成反比,热流从高温到低温,热流,产生热流的基本条件是温度差,物体对热流有热阻,热流量与温度差成正比与热阻成反比,导电,32,工

9、程上的应用：,33,【例】 假设某窑炉耐火砖壁厚0.5米，内壁面温度为1000，外壁面温度0，耐火砖导热系数为：=1.16（1+0.001t）w/m.，求通过炉壁的热流及炉壁内的温度分布？,34,（2）平壁的平均导热系数：,（3）平壁的热流：,（w/m.）,【解】（1）炉壁的平均温度:,35,2.2.3.2 多层平壁的导热,多层平壁：由几层不同材料组成,例：房屋的墙壁 白灰内层、水泥沙浆层、红砖（青砖）主体层等组成,假设各层之间接触良好，可以近似地认为接合面上各处的温度相等,36,如图：三层壁厚度分别为1、2、3，平均导热系数分别为1、2、3，各层材料间接触良好，相接触的两表面具有相同的温度。

10、,稳定传热q=q1=q2=q3,据单层平壁导热公式可推得：,37,n层平壁的导热 ：,多层壁的导热与串联电路类似,总热阻为各层热阻之和,38,应用公式注意的问题,39,交界面温度未知,热流,（W/m. ）,（W/m. ）,(W/m2),【例】设有一窑墙，用粘土砖和红砖砌筑，厚度均为230毫米，窑墙内表面温度1200，外表面温度100，求每平方米窑墙散热损失（粘土砖=0.70+0.5510-3t，红砖=0.46+0.4410-3t）。,【解】假设交界面温度为600，则：,40,校核交界面温度：,（）,与假设相比，误差=,重新假设交界面温度为830,（W/m. ）,（W/m. ）,误差超过5%,热

11、流,(W/m2),41,（）,校核交界面温度：,与假设温度相比，误差,由此可知窑墙散热损失2080w/m2 。,误差小于5%,42,【例】：某窑炉炉墙由耐火粘土砖、硅藻土砖与红砖砌成，硅藻土砖与红砖的厚度分别为40mm和250mm，导热系数分别为0.13和0.39W/m，如果不用硅藻土层，但又希望窑炉墙的散热维持原状，则红砖必须加厚到多少毫米？,43,2.2.3.3 复合平壁导热,复合壁：高度和宽度方向上，由几种不同材料砌成。,2 、3 、4应接近,利用热阻串联和并联的方法确定总热阻R,44,2.2.3.4 单层圆筒壁导热,据付立叶定律可导出公式:,45,:,对数平均半径,对数平均面积,圆筒壁

12、热阻,公式另一表达式:,当r2/r12 筒壁可看作平壁,46,2.2.3.5 多层圆筒壁传热,或,利用单层平壁与多层平壁的关系可得此公式,47,减少筒壁散热量的措施：,48,【例】蒸汽管道内径、外径各为0.16 m、0.17 m，外包两层绝缘材料，第一层厚度0.03 m，第二层厚度0.05 m，管壁及两层绝缘材料的平均导热系数各等于1=81.5w/m.，2=0.174w/m.，3=0.093 w/m.，管道内表面温度为t1=300，第二层绝缘材料外表面温度t4=50，试求每米长蒸汽管道的热损失和各层交界面温度t2、t3。,【解】d1=0.16m d2=0.17m d3=0.17+0.06=0.

13、23m,d4=0.23+0.1=0.33m,49,交界面温度：,（）,（）,（W/m）,50,2.2.3.6 球壁传热（1）单层空心球壁,单层球壁的热阻Rt,几何平均面积Fav,51,（2）多层空心球传热,几何平均面积,或,52,2.2.3.7 形状不规则物体的导热,几何形状近似于平壁、圆筒壁、球壁的不规则物体导热：,Fx物体的核算面积，取决于物体的形状。,53,2.2.3.8 表面温度不均匀时平均温度的计算,（1）表面温度相差不大,（2）表面温度变化较大时，可将全部面积划分为若干区，每一区 用上述方法算出平均温度，计算出该区热量，总热量为：,将表面分成n块小面积,分区面积相等,54,Q：在寒

14、冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？,A：在其他条件相同时，实心砖材料如红砖的导热系数约为0.5W/(mK)(35)，而多孔空心砖中充满着不动的空气，空气在纯导热（即忽略自然对流）时，其导热系数很低，是很好的绝缘材料。因而用多孔空心砖好。,55,2.3 对流换热,2.3.1 对流换热基本概念1 对流传热与对流换热对流传热：在流体内部依靠流体的宏观位移将热量从高温处传向低温处。对流换热：流体流过固体壁面时由于流体和固体表面的温度差所导致的热量交换现象。2 对流换热与对流传热的区别传热的方式不同：对流换热包括流体位移时的对流传热，又包括流体分子间的导热作用，对流换热是导热和

15、对流总作用的结果。,56,57,(1) 导热与对流同时存在的热传递过程 ；(2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差 ；(3) 由于流体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。,对流换热的特点：,58,2.3.2 对流换热基本定律牛顿冷却定律,1 牛顿冷却定律 对流换热的热流量q与流体和固体壁面之间温度差成正比。即：,tf流体的温度；tw固体壁面的温度 ；F换热面积； 对流换热系数,59,2 的意义：是代表对流换热能力大小的一个参数，表示单位时间内，当流体与固体壁面之间温度差为1时，通过单位面积的热量。,60,3 对流换热影响因素：1） 流体运动的动

16、力（A）强制流动：受外力作用引起。（B）自由流动：流体冷热不均引起。2） 流体流动状态层流：主要依靠导热，与流体流动速度无关；湍流：依靠导热和对流，与边界层热阻有关。 最大温度梯度发生在边界层中，相应地边界热阻最大。,61,3）流体物理性质流体密度、比热越大，热流量越大；导热系数大的流体，热阻小，热流量越大；流体粘度大，边界层厚度大，热流量越小。4） 换热面的几何因素：换热面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度等5）流体有无发生相变：同种流体发生相变的换热强度比无相变时大得多。,综上所述，对流换热系数是众多因素的函数：,62,2.3.3 对流换热过程微分方程,当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的

17、作用，在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即：y=0, u=0）在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递。,对微元面积dF，根据傅里叶定律：,63, 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度。,对流换热过程微分方程式,牛顿冷却公式:,64,流体导热微分方程,65,对流换热微分方程组：,质量方程,动量方程,能量方程,能量方程,66,2.3.4 边界层概念,1）速度边界层,为什么要引入边界层？对流换热的热阻大小主要取决于紧靠壁面附近的流体流动状况，这一区域中速度和温度变化最剧烈。,速度边界层的厚度通常规定为在壁面法线方向达到主流速度99%处的距离。,67,边界层：在厚度一定的薄层内，流速从

18、零增加到接近主流速度。层流边界层速度梯度较均匀地分布于全层（边界层厚度较小）。 湍流边界层在紧贴壁面处，仍有一层极薄层保持层流状态，称为层流底层（边界层厚度超过一定数值时）。 速度梯度主要集中在层流底层。,68,边界层厚度确定：1）流体在平壁上作稳定流动时，边界层厚度：,2）平壁上湍流边界层厚度：,3）平壁上湍流边界层中的层流底层的厚度：,雷诺数Re？,69,2）热边界层 当温度均匀为tf的流体流过壁面温度为tw的平壁时，由于主流和平壁之间存在温度差，在贴近平壁的一个很小薄层内会产生法向温度梯度，这一薄层称为热边界层。温度边界层厚度为沿该方向达到主流过余温度99%处的距离。,速度边界层反映流体

19、动量传递的渗透程度；热边界层反映流体热量传递的渗透程度。,70,边界层的特点：1）边界层内速度梯度和温度梯度很大；2）引入边界层后，流动区域可分为边界层区和主流区，主流区可认为是理想流体的流动；3）边界层内亦有层流和湍流两种状态。引入边界层概念的意义：1）缩小计算区域（主流区视为理想流体，对流换热问题可以集中研究边界层区；2）边界层内的流动与换热可以利用边界层特点进一步简化。,71,2.3.4 相似原理及量纲分析,通过实验求取对流换热的实用关联式，仍然是传热研究中的一个重要而可靠的手段。然而，对于存在着许多影响因素的复杂物理现象，要找出众多变量间的函数关系，实验的次数十分庞大。为了大大减少实验

20、次数，而且又可得出具有一定通用性的结果，必须在相似原理指导下进行实验。,72,相似原理在传热学中的一个重要的应用是指导试验的安排及试验数据的整理。 相似原理的另一个重要应用是指导模化试验。所谓模化试验，是指用不同于实物几何尺度的模型（在大多数情况下是缩小的模型）来研究实际装置中所进行的物理过程的试验。,（1）相似原理的重要应用：,73,（2）使用特征方程时应注意的问题：,特征长度应该按准则式规定的方式选取,特征长度：包含在相似特征数中的几何长度。,如：圆管内流动换热：取直径 d 流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取当量直径作为特征尺度：de,74,定性温度应按该准则式规定的方式选取,定性温

21、度：计算流体物性时所采用的温度。,常用的选取方式有： 通道内部流动取进出口截面的平均值 外部流动取边界层外的流体温度和固体壁面温度的平均值，也称为膜温度。,75,2.3.5 对流换热过程相似理论,1相似概念：（A）几何相似（B）物理量的分布相似（C）物理现象相似,相似,相似,76,（2）流体力学相似： 欧拉准数 表示意义：流体静压头与动压头之比 雷诺准数 表示意义：流体流动情况，表示流体惯性力与粘滞阻力之比,2相似准数 准数：具有一定物理意义的无因次数群。（1）几何相似：两个系统对应边成比例，对应角相等,77,弗鲁德准数,表示意义：重力与惯性力之比,葛拉晓夫准数,表示意义：流体浮升力与粘性力之

22、比,78,（3）热力学相似 普兰特准数： 对于原子数目相同的气体来说，Pr是常数，几乎不受温度和压力的影响。 意义：表示流体的物性参数，运动粘度与导温系数之比。表明温度场与速度场之间的相似程度。 努谢尔特准数： 意义：边界层内温度梯度与平均温度梯度之比；表明换热强度与边界层中温度分布之间的关系。,79,3. 对流换热准数方程,准数方程的简化 f（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo、Nu）=0 Nu =f（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo） 流体运动方程：Eu =f（Re、Ho、Fr） Pe =Re.Pr 稳定速度场、稳定温度场： Ho、 Fo 准数方程的一般形式：Nu =f（Re、Fr、Pr

23、） 自由流动主要是由温差引起 Nu =f（Re、Gr、Pr）,80,几种特殊情况： （1）流体强制流动：自然对流可以忽略，即Gr=0Nu=f(Re,Pr) 流体种类已知：Pr为常数，即Nu=f(Re) （2）流体自然流动：Re可忽略，Nu=f(Gr,Pr)流体种类已知：Pr为常数，即Nu=f(Gr),81,2.3.6 自然对流换热,自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀，在重力场作用下产生的流体运动过程。 自然对流换热：流体与固体壁面之间因温度不同引起的自然对流时发生的热量交换过程。,82,流动与换热的特点：,（1）流动驱动力：自然对流是由于温度场的不均匀性从而引起密度的

24、不均匀性并在重力作用下产生浮升力而引起的流动。因此，在自然对流中，没有温差就意味着没有热交换，也就没有流体的流动。但是，不均匀的温度场不不一定引起自然对流。（2）自然对流亦有层流与湍流之分。判别层流和湍流的准则数为Gr（3）按流动的边界层是否受到干扰，可将自然对流分为大空间和有限空间两种类型。,83,1 竖板 2 水平管 3 水平板 4 竖直夹板,自然对流换热可分成无限空间对流换热 和有限空间对流换热两类,84,2.3.6.1 无限空间中的 自然对流换热,无限空间，指的是空间尺寸比物体的尺寸大得多的空间，物体放热的结果不致引起空间流体温度的变化。不均匀的温度场造成不均匀的密度场从而引起流体自由

25、运动，称为流体的自然对流。在一般情况下，不均匀的温度场仅发生在换热面附近的薄层内。,85,1） 换热过程分析,86,2） 自然对流换热准则方程式为,物理意义：反映了流体温差引起的浮升力导致的自然对流流场中的流体惯性力与其粘性力的对比关系。Gr越大，自然对流换热越强烈。,区分层流还是湍流依据：当 GrPr109 时，自然对流边界层就会失去稳定而从层流状态转变为湍流状态。,87,工程中广泛使用的是下面的关联式：,式中：定性温度采用,定性长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。,88,89,【例】有一根水平放置的 高压水蒸气管道，绝热层外径d583mm，外壁温度 tw =48，周围空气温度 t

26、f =23，试计算每米蒸汽管道上通过自然对流的散热量。,【解】每米管道上的对流散热量 关键：求出,先计算Gr以判别流态。,根据流态性质查表26求出相关参数,90,有些自然对流换热过程受到固体表面的限制而形成受限空间中的自然对流换热。靠近热面流体受热上升，靠近冷面流体冷却下降。特点：流体的受热和冷却发生在近邻地方。为计算简便，引入当量导热系数,2.3.6.2 有限空间中的自然对流换热,91,对流换热量：,（W/m2）,相当于对流换热 Nu,查表2-7所得。,92,（1） 竖夹层,恒壁温条件下空气在竖夹层的准则关系式为：,公式准则的定性温度为：,tm=(tw1+tw2)/2,93,（2）水平夹层,

27、水平夹层中在恒壁温情况下的 空气自然对流换热计算公式为：,94,【例】试求平板间空气夹层的当量导热系数和对流换热量。已知夹层厚度为25.0mm，高为200mm，热表面温度为150，冷表面温度为50。,【解】先计算夹层中空气的平均温度：,查附录五得100空气的物性参数：,W/(m),m2/s,计算Grf：,95,查表27中的计算式，求,W/(m),计算对流还热量为：,W/m2,96,2.3.7 流体强制流动时的对流换热,2.3.7.1 管内强制对流 2.3.7.1.1 管内强制对流流动和换热的特征 （1）流动有层流和湍流之分。无论是层流还是湍流，都存在入口段，且入口处的换热很强。 层流： Re

28、104,97,（2）入口段的热边界层薄，表面传热系数高。,管内流动换热示意图,98,表面传热系数随边界层发展的变化情况：从入口处的最大值逐渐下降，最后趋于一个稳定值。,(a) 层 流 (b) 湍 流,99,（3）热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种 湍流：两种边界条件影响可忽略不计，即换热的Nu一样。 层流：两种边界条件下的换热系数差别明显（Nu有差别)。,100,（4）特征速度及定性温度的确定 特征速度：计算Re数时用到的流速，一般多取截面平均流速。 定性温度：计算物性的定性温度多为截面上流体的平均温度（或进出口截面平均温度）。,101,（一）湍流对流换热DittusBoelter迪贝公式：

29、式中： 定性温度为管道进、出口两个截面处流体平均温度的算术平均值，特征流速为馆内平均流速，特征长度为管内径。当管子为非园截面时，取当量直径：,2.3.7.1.2 管内强制对流换热,加热流体时 n=0.4 冷却流体时 n=0.3,F通道截面积U润湿周长,102,公式适用范围：1）l/d60的水力光滑管。此时入口段的影响可忽略不计；2）流体与壁面具有中等以下温差，一般气体不超过50，水不超过2030，油不超过10；3）Ref=1041.2105,Prf=0.7120;4）对恒壁温和恒热流边界条件均适用；5）不适用于Pr数很小的液态金属。,103,按上式求出Nu及对流换热系数，即可按下式求出热流量q

30、或Q：,104,温度超过以上 幅度时，可用公式：,其中，Prf用壁温作为定性温度，其余均采用流体平均温度为定性温度。管内径作为定性尺寸。适用范围： Ref=1045106, Prf=0.62500,105,对于短管（l/d50），其准数关系式为：需乘以修正系数。迪贝公式也可简化为：,W流体在管道内的流速；d管道内径或内当量直径；An与流体种类有关的系数，查表29所得。,106,（二）层流换热 SiederTate公式：,适用范围为： Ref2300，Prf0.6，RefPrf(d/l) 10,定性温度为流体平均温度tf （w按壁温tw确定），管内径为特征长度。,107,（三）过渡流区换热豪森公

31、式：,108,外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。,横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。,2.3.7.2 外部流动强制对流换热,109,110,准则关系式：,适用范围：1Ref1000,适用范围：1000Ref2105上两式中，定性尺寸为管外径。对于气体，修正项一般可以略去。,111,边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。 右图为横掠圆管局部换热系数的变化,112,横掠管束换热,外掠管束在换热器中最为常见。 通常管子有叉排和顺排两种排列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。,影响管束换热

32、的因素除 数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。,113,叉排和顺排排列方式:,114,后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失。 这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管束排数的因素作为修正系数。（参见表2-10）,115,准则关系式：,式中，x1 和 x2 分别为垂直于流动方向和沿着流动方向上的管子之间的距离，而z为管排数目的修正系数。此公式考虑了管子排列和管排数目对换热的影响。 z准则关系式的特征尺寸为管外直径，特征流速为管排流道中最窄处的流速，定性温度为流体平均温度。,116,当排数大于10时，管簇的平均换热系数参照表211公式计

33、算。若流体横向掠过管面的冲击角小于90时，换热系数会减小，因乘以修正系数（参照表212）,117,流体沿平壁表面流动时的对流换热,当Ref105当Ref105,118,【例】空气以10m/s的速度流过直径为50mm、长为1.75m的管道，管壁温度为150，如果空气的平均温度为100，求空气对管道内壁的对流换热系数。,119,【解】（1）空气在100的物性参数：（2）计算Re，判断流动状态：（3）代入公式计算：,为湍流,120,（4）计算对流换热系数：（5）故还需乘以修正系数，查表2-8,W/（m2）,121,【例】一水平封闭夹层，上下表面间距 ，夹层内冲面压力为1.013105Pa的空气。一个

34、表面温度为80，另一个表面温度为40。试计算热表面在冷表面之上及在冷表面之下两种情形通过单位面积夹层的传热量之比。,122,【解】本题为有限空间自然对流换热问题。定性温度：空气物性参数：当热表面在上时，夹层内无自然对流，仅有导热：,W/m,m2/s,123,当热面在下时，夹层中有自然对流：查表2-7中的计算式，求,124,2.3 辐射换热,125,1 定义： 由热运动产生的，以电磁波形式向外传递能量的过程。任何物体的温度只要高于“绝对零度”，便会不停地向外发射电磁波。,2.3.1 热辐射的基本概念,126,127,2 特点,a 任何物体只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；,b

35、可以在真空中传播，不需要介质；,c 伴随能量形式的转变；,d 具有强烈的方向性；,e 辐射能与温度和波长均有关；,f 发射辐射取决于温度的4次方。,128,3 物体对热辐射的吸收、反射和穿透,129,几种特殊情况,绝对黑体A=1，R=D=0,绝对透热体D=1，A=R=0,绝对白体：R=1，A=D=0,130,对于黑体：对于镜体或白体：对于透热体：对于大多数固体和液体：对于不含颗粒的气体：,131,反射又分镜反射和漫反射两种,镜反射,132,一般来说，物体表面愈粗糙愈接近黑体；白色物体吸收率不一定最小；物性、表面状态和温度是影响热辐射吸收和反射的决定性因素，而不是物体表面颜色。,133,4 黑体

36、辐射模型,小孔尺寸愈小，愈接近黑体,在空心体的壁面上所开的小孔具有黑体的性质,黑体概念：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。,134,（1）辐射力E (W/m2) ： 单位时间内，从物体单位表面上向半球面空间发射的所有波长的能量总和。,2.3.2.1 热辐射能量的表示方法,2.3.2 热辐射的基本定律,135,（2）单色辐射力E (W/m3) ：,单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体单位表面积向半球空间发射的能量。,136,E、E关系:,黑体一般采用下标“0”表示，如黑体的辐射力为E0，黑体的

37、单色辐射力为E,0,137,（3）方向辐射力E(W/m2Sr) ：,方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。,微元立体角,138,是以球面中心为顶点的圆锥体所张的球面角,计算方法:球面截面积除以球半径的平方，单位：sr(球面度)。,立体角定义：,139,定义：单位时间内，物体在垂直发射方向单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。,（4）定向辐射强度 (W/m2Sr) ：,140,式中， 波长，m ； T 黑体温度，K ； c1 第一辐射常数，3.74310-16 Wm2； c

38、2 第二辐射常数，1.438710-2 K；,（1）普朗克辐射定律（Planck定律)：此定律描述的是黑体辐射能量沿波长分布的规律。黑体单色辐射力,2.3.2.2 热辐射的基本定律及相关性质,W/m3（式2-93）,141,Planck 定律的图示,T1T2T3T4T5,142,（1）某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；（2）在某一温度下，其辐射能力随波长而变化： 0，E,00；，E,0； 达到最高值后，E,0。（3）温度愈高，最大辐射强度的波长愈短；（4）温度在2000K以下，辐射波长大部分在0.7610m的范围内，可见光比例相当小，可以忽略。但随温度升高，可见光比例在不断增加 。,对

39、E曲线的讨论：,143,（2）维恩（Wien）位移定律,反映出黑体温度越高其单色辐射力最大值所对应的波长越短的黑体辐射特征，也就是黑体温度越高能量分布就越向波长短方向集中的特征。,物理意义：最大辐射强度的波长与绝对温度的乘积为一常数,式2-94,144,试解释：为什么随着金属温度升高，其表面颜色从暗红逐渐变白？,145,将 代入式2-93，求得黑体最大单色辐射力：,表明：最大单色辐射力与开氏温度的五次方成正比。,146,（3）斯蒂芬-波尔茨曼（Stefan-Boltzmann )定律,式中，C0= 5.67W/(m2K4)， 黑体辐射系数,（W/m2）,物理意义：说明黑体的辐射能力与其绝对温度

40、的四次方成正比 。表明：黑体辐射力仅与温度有关，随黑体温度升高其辐射力迅速增大。,147,黑体辐射函数：,反映黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力,特定波长区段内的黑体辐射力,148,沿法线方向：,（4）兰贝特（Lambert ) 定律（余弦定律）,表明：黑体表面的辐射力在半球空间不同方向上的分布规律（沿表面法线方向最大，切线方向最小）。,方向辐射力,辐射强度,149,（5）灰体,1）黑度与灰体,单色黑度,01,150,理想灰体（简称灰体）,任何温度下所有各波长射线的单色辐射力恰都是同温度下相应黑体单色辐射力的 分数。,表明：灰体的单色辐射力都处于同一波长，即单色黑度不随波长而变，且等于总辐射

41、的黑度。,151,2）单色吸收率,物体对某种波长辐射能的吸收率称为单色吸收率，用A表示,黑体的A不随波长变化而变化，且等于1；灰体A的也不随波长变化而变化，且小于1；实际物体的A随波长变化而变化，但在波长大于1的热射线范围，A随波长变化很小，可看作为常数,152,3）有关辐射的几个概念,153,样品,黑体空腔,（6）克希霍夫定律（Kirchhoff ）定律,该定律确定了物体的辐射力与吸收率之间的关系。,EF,E0FA,154,物理意义：任何物体的辐射能力与其吸收率之间的比值，恒等于同温度下黑体的辐射能力，并且只和温度有关，与物体的性质无关。同时，善于吸收的物体也善于辐射。黑体的吸收率最大，因而

42、辐射能量就最强。,克希霍夫定律：,155,即：,克希霍夫定律另一表达式：,任何物体的吸收率等于同温度下的黑度,对于某一波长的单色辐射：,156,Kirchhoff 定律的限制： （1）整个系统处于热平衡状态； （2）如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等； （3）投射辐射源必须是同温度下的黑体。,157,综上所述，影响物体间相互辐射换热的因素，除了物体的温度、黑度、吸收率外，还有物体的尺寸、形状和相对位置等几何关系。,158,2.3.3.1 角系数,F1对F2的角系数,F2对F1的角系数,表示：从物体1向半球空间辐射的能量投射到物体2表面上的分数。,角系数,2.

43、3.3 物体间的辐射换热,159,角系数的性质,160,一个物体表面辐射出去的能量，可能投向自身,161,透热体,如果在物体1与物体3之间设有一个不透体，则有：,162,分解性,163,常见的几种角系数值,A、两个无限大的平行平面 (如图a),B、一个平面1和一个曲面2组成的封闭体系(如图 b),164,C、一个物体1被另一个物体2包围 (如图c),对于物体1：,对于物体2：,165,D、两个曲面组成的封闭体系 (如图d),根据兼顾性：,同理，对于2：,166,2.3.3.2 两个黑体间的辐射换热,黑休辐射换热的电热网络图,167,2.3.3.3 灰体间的辐射换热,灰体表面对外界投射的投射能只

44、能吸收其中一部分，其余部分被反射回去（反射到另一表面或反射到体系的外面），灰体之间形成多次反复辐射、逐次吸收。投射辐射（G）： 单位时间内投射到单位面积上的总辐射能量。有效辐射（J）： 单位表面积在单位时间内辐射出去的总能量。,168,有效辐射,自身射辐射E,投入辐射被反射辐射的部分RG,169,从表面外部来观察，其能量收支差额应等于有效辐射与投入辐射 之差，即,从表面内部观察， 该表面与外界的 辐射换热量应为：,170,灰体的有效辐射,离开表面的净辐射换热量,当A=时,灰体辐射换热的表面热阻,（W）,171,两灰体表面间的净辐射换热:,电网络单元,空间热阻,172,式（2-147）,表面热阻

45、,空间热阻,173,两灰体表面之间的导来黑度:,两灰体表面间辐射换热计算式:,影响其辐射传热的三个基本因素： 两灰体的温度差、角系数和系统的导来黑度。,式（2-148）,174,增强辐射换热可采取的措施：提高高温物体的温度；增大低温物体的面积；采用较大黑度的材料。,削弱辐射换热可采取的措施：降低辐射物体的温度；缩小辐射物的表面积；减小系统的导来黑度。,175,几种特殊情况：,两个物体均为无限大的平行平面,如果两平行平面中：12（或21） 则：122（或121）,176,当两个物体中有一个为凸面（或平面）时：,如果两物体中，F2F1，则：121。 说明了：大表面的黑度对系统的导来黑度影响很小，可

46、以忽略不计。,177,【例】计算在厂房内的蒸气管道外表面每米长的辐射热损失。已知管外保温层的黑度10.9，外径 d583mm，外壁面温度 t150，室温 t220。,178,【解】,属一个物体被另一个物体包围时的辐射换热 因为管道表面积F1相对于厂房面积F2来说是很小,121,179,三个灰体表面的辐射换热计算,180,对于节点 1：,对于节点 2：,对于节点 3：,181,a 有一个表面为黑体。黑体的表面热阻为零。其网络图如下：,两个重要特例,182,b 有一个表面绝热，即该表面的净换热量为零。其网络图见下图：,183,遮热板 遮热板指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板。加入遮热板

47、相当于增加了辐射热阻，以减小辐射热流。削弱辐射换热方式之一,184,T1T2,185,186,稳定辐射换热时，有：,现假定 ：有：,当加入 n 块黑度相同的的遮热板时，热量将减少为原来的 1/（n+1）。,187,当各个表面的黑度不同时：,188,两平行平面加入遮热板前后，其净辐射换热量变化：,减小遮热板的黑度亦能降低辐射换热量。在生产实践中，常选用磨光过的具有高反射系数（即黑度小）的金属板作为遮热板。,189,注意：在两块无限大平行平板之间设置遮热板时，隔热效果与遮热板设置的位置无关。在球形或圆柱形体系中设置遮热罩时，其隔热效果也遮热罩设置的位置有关。由于遮热罩的表面积会随着相对位置发生变化

48、，相应的角系数也会发生改变。,190,遮热罩削弱辐射换热的方式之二,191,当两圆柱物体1与2间无遮热罩时：,当两圆柱物体1与2间设置遮热罩时：,192,净辐射热量前后变化：,193,应用：热电偶测温 见例题2-16，2-18如何减小测量误差？,194,【例】两块平行放置的平板表面，黑度均为0.8，其板间距远小于板的宽度和高度，且两表面温度分别为t1=427，t2=27。试求：（1）板1的本身辐射；（2）对板1的投入辐射；（3）板1的反射辐射；（4）板1的有效辐射；（5）板2的有效辐射；（6）板1、2间的辐射换热量。,195,【解】（1）板1的本身辐射：,W/m2,（2）对板1的投入辐射，即板2的有效辐射J2。,196,（3）板1的反射辐射：,197,（4）板1的有效辐射：,（6）板1、2间的辐射换热量：,