高等传热学(研究生学习).ppt

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1、传 热 学,第一节 概 述,一、传热学与热力学的区别：（1）研究工质不一样；（热：气体；传：固、液、气）（2）热力学研究可逆过程，无温差传热；而传热学则是温差传热，为不可逆过程。（3）热力学研究热量和功之间的相互转换关系，而传热学则是无做功过程。（4）热力学研究热量在一段时间内总的交换量（J），而传热学着重于单位时间的换热量（W）。,传 热：由于温差而引起的能量的转移。传热学：研究热量传递规律的一门学科。,二、传热学重要性a 日常生活中：冰箱和电视机放置暖气片的设计保温温度的选择b 工业生产中:输油管道（埋深、保温）换热器 锅炉,三、两种热传递过程 稳态过程：温度不随时间变化 非稳态过程：,四

2、、传热学解决两大类问题1.计算热量传递速率 a 加速热量传递 b 减慢热量传递2.传热物体的温度分布 柴油机气缸温度分布 电子元器件温度分布,五、研究方法 1.理论分析法：a.解析法 b.数值解法 2.实验研究方法：a.测定有关热物体的性质 b.模型试验,第二节 热量传递的三种基本方式,分析室内热量传给室外的热传递过程（1）室内内墙：对流换热，热辐射（2）内墙外墙：导热（3）外墙大气：对流换热，热辐射,三种热量传递方式：导热、对流和热辐射,1.导热（热传导）conduction heat transfer,（1）定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而

3、产生的热量传递。,，tf1,2 tf2,tw1,tw2,Q,（2）特征：a.物体间无相对位移；b.物体间必须相互接触；b.没有能量形式的转化。,（3）导热量的计算(傅里叶定律)如上图所示的大平壁，若其两侧壁面各点温度保持不变，分别保持为tw1及tw2，且，则热量将从tw1一侧传向tw2一侧。此时通过大平壁的热流量Q可表示为：,2.热对流（convection heat transfer）,式中：A垂直于导热方向的截面积，m2 平壁厚度，m 导热系数（热导率），w/（m。）,（1）热对流：流体的各部分之间由于相对宏观位移而引起的热量传递。,（2）对流换热：流体流过与之温度不同的固体壁面时引起的热

4、量传递。,（3）特征：有相对位移；一定伴随着流体的导热；没有能量形式之间的转换；流体和固体壁面相互接触。,（4）牛顿冷却公式,3.热辐射(radiation heat transfer),1）定义：由于温度的原因而导致的能量辐射。（2）特征：有能量形式间的转化：热能辐射能热能不需直接接触T0就有能量辐射与绝对温度呈4次方关系,（3）辐射力的计算公式（斯忒藩-波尔兹曼定律、四次方定律）,（4）辐射换热,tw1 tf tw2 透明气体,第三节 热阻的概念,热阻是一个非常重要的概念，对以后的分析有非常重要的作用。,2 导热基本定律及稳态导热的分析计算,第一节 导热的基本概念和定律,一、温度场定义：在

5、某一瞬间，物体内各点温度分布的集合或总称。一般情况下，温度场可以表示成t=f(x,y,z,)其中，x,y,z空间坐标函数 时间坐标函数如果温度分布不随时间变化，称之为稳定温度场稳态温度下的导热称稳态导热。,温度场某一瞬间同温度各点连成的面（线）称等温面（线）。说明：不同的等温线（面）不能相互相交等温面可以是完全封闭的曲线（面）或终止于物体的边缘,二、等温面（线）,用数学表达为：,定义：等温面的法线方向温度的增量与法向距离比值的极限。,说明：因二相邻等温面之间以法线方向的热量变化最显著。温度梯度是一个矢量，也可表示成,三、温度梯度,温度降度：由于传热总是从高温到低温物体，为了便于以后的计算，定义

6、负的温度梯度称温度降度。由定义可知：热流密度的方向与温度降度方向一致。热流线：表示热流方向的线。热流线与等温面处处正交。,四、导热的基本定律付里叶定律,文字表达式：单位时间内传递的热量与温度梯度及垂直于热流体方向的截面积成正比。即：,说明：1.此定律是一个向量表达式，热流体的热流密度垂直于等温面，而且向着温度降低的方向。2.适用于固体、液体及气体。,五、导热系数及导热机理,三种状态的导热机理是不同的固体金属（以自由电子的迁移为主）金属T，；合金T，非金属（以弹性波）T，气体 分子间的相互碰撞 T，液体 分子运动、弹性波 T，,1、定义：数值上等于单位温度梯度下的热流密度。2、导热机理,在一般情

7、况下：固液气；导非导；湿干；多孔实体习惯上把平均温度不高于350时的导热系数0.12W/(m.K)的材料称为保温材料(GB4272-92)。隔热材料一般利用气体导热系数小的特点，把材料做成蜂窝状多孔性。,第二节 导热微分方程,一、直角坐标系中的导热微分方程,假设：（1）物性参数为常数（，c）（2）材料各相同性（3）物体内具有内热源qv，单位时间体积发出的热量。,根据能量守恒有：（流入控制体能量流出控制体能量）内热源 第 1项 第2项 控制体内内能的变化 第 3项,思路：取一微元体平行六面体 dv=dxdydz,Qx,Qz,Qy,dy,dz,dx,第一项 求沿x、y、z三个方向流入和流出的热量,

8、把1、2、3项代入能量方程式可得到以下的公式,导温系数的物理意义：a 越大，表明越大或C越小。大，表示在相同的温度梯度下可以传递更多的热量；C小表明温度上升1所吸收的热量越小，从而可使相同的热量传递得更远，物体内各点温度更快地随界面温度的升高而升高。表示物体内部温度趋向一致能力的大小,二、圆柱体坐标中的导热微分方程,三、单值性条件,1 几何条件 物体的形状、大小及相对位置。2 物理条件 热物性、Cp等3 时间条件（初始条件）t=0=f(x,y,z)4 边界条件 表征导热体的边界与导热现象有关的特点。,边界条件有三类,a 已知边界上的温度（规定了边界上的温度值）tw=f(x,y,z,)特例：壁温

9、为常数tw=const.b 已知边界上的热流密度qW（规定了边界上的热流密度值）,t1,t2,tw,qw=0,c 壁面与流体相接触（规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数 及周围流体的温度）,t1,t2,tf1,tf2,思考题：1、三种边界条件可以有多少不同的组合。2、哪一种组合是不存在的。,第三节 一维稳态导热,一、平壁的一维稳态导热,1 单层平壁（1）壁面等温已知有一平壁，导热系数为，且为常数，二壁温为t1和t2（t1t2），壁面截面积为A，厚为，无内热源。求（1）温度分布；（2）热流量Q（q）,t1,t2,t,x,方法一：利用导热微分方程式,方法二：直接利用付里叶定律,(2)导热系数

10、不为定值，但接近线性变化,2.多层平壁,已知有一二层平壁，厚度为1及2，导热系数为1及2,壁温为t1及t3，墙与墙之间接触良好。求（1）Q；（2）t2。根据单层平壁有：,二、圆筒壁的一维稳态导热,1.单层圆筒壁已知管子总长l；内表面r=r1，t=t1=const；外表面r=r2，t=t2=const；lr1(r2)，无内热源。求（1）温度分布；（2）Q。解：等温面为圆柱面，由于lr1(r2)，因而可不考虑z方向及方向的导热，为一维稳态传导。,t,r,导热微问分方程式为,求Q,2.多层圆筒壁 设有两层圆筒壁组成。与多层平壁相似有,例题：一块无限大平壁，厚为，左侧绝热，右侧与某种流体进行对流换热，

11、换热系数为，流体温度为tf。平壁本身具有均匀的内热源qv，求平壁中的温度分布t1及t2（传热是稳定的）,t1,t2,x,tf,t,3 非稳态导热,第一节 非稳态导热的基本概念,非稳态导热可以分为周期性和非周期性两种形式。周期性非稳态导热过程中导热体内部各点温度以一定的规律随时间作周期性变化。更常见的是非周期性热传导，也叫瞬态导热。,x,C,D,A,B,温度变化可分为两个阶段 有一无限大平板（右图所示），放于一环境之中，平板的温度与环境温度一样。由于某种原因，使平板右侧的温度突然升高到某一温度t1并保持不变。（温度大于环境温度）,（1）右侧面换热不参与过程的阶段：温度分布呈现出部分为非稳态导热规

12、律，控制区和部分为初始稳定区的混合分布。（2）右侧面换热参与过程的阶段：物体内各点的温度变化速度具有一定的规律。,Q,Q1,Q2,0 0 Q,开始的一段时间，物体内部温度变化一层层逐渐深入到内部，温度变化速度不一样，反映到吸热量上，吸热量不一样。,从热交换看,两个特点：（1）两个阶段的过程是有区别的；（2）与热流方向向垂直的截面上热流量处处不等。研究非稳态导热的目的：（1）温度达到某一值时所需时间（管道运输、人体测温、蒸汽驱）（2）温度随时间的变化规律（温度分布、热应力）,第四节 集总参数法的简化分析,分析一个金属球瞬态导热的问题（如右图）若RR，即固体内部的热阻远远小于其表面的换热热阻时，内

13、物体内部温度可以看作是均匀的，这时温度仅仅是时间的函数。称这种方法为集总参数法（准零维近似法）,tf,已知有一任意形状的固体，体积为V，表面积为A，初始温度为t，突然放置于一恒定温度为t f的流体中，且ttf，固体与流体间的换热系数为，求t=f()，物性参数为，Cp。解：,3、Bi和Fo的物理意义(毕渥准则),Bi物理意义：反映单位面积的内部热阻与外部热阻的相对程度。Bi越小，说明内部热阻越小（或外部热阻越大），采用集总参数法就越精确。（Bi0.1可用集总参数法求解非稳态导热问题，为一判别依据）,Fo物理意义：可以理解为两个时间间隔相除所得的无量纲时间。从边界上开始发生扰动的时刻起到所计算时刻

14、为止。(产生不稳定导热的时间)L2/a 可视为使热扰动扩散到L2 的面积上所需时间。Fo 越大，物体内部温度越能接近流体温度。,例题：一直径为5cm的钢球，初试温度为450，突然被置于温度为30 的空气中。设钢球表面与周围环境间的总换热系数为24 w/（m2），试计算：1.时间常数2.钢球冷却到300所需时间。已知钢球的cp=0.48 kJ/（kg），=7753kg/m3，=33 w/（m）解 首先检查是否可用集总参数法。为此计算Biv准则：,时间常数：,4 流体无相变时的对流换热,一、对流换热概述,1.定义：流体流过与其温度不同的固体壁时所发生的热量传递称对流换热。对流换热是由热对流与热传导

15、两部分组成的。2.牛顿冷却公式对流换热的换热量由牛顿冷却公式计算。,从公式可知，要计算换热量，需要知道对流换热系数、温度、面积。温度及面积比较容易得到，主要任务是如何求得对流换热系数。3.求换热系数的两种基本途径（1）分析法（解析解，理论分析法）a.建立边界层内的微分方程组求解思路：取控制体，利用能量守恒和动量守恒建立微分方程组结合单值性条件。b.建立边界层的积分方程组求解（近似解法）c.利用动量和能量的比拟方法（类比法）,（2）实验研究方法：用相似原理或量纲分析法，将众多的影响因素归纳成为数不多的几个无量纲的准则，通过实验确定的具体关系式。（3）两者的联系和区别（理论分析法和实验研究方法）两

16、种方法在解决对流换热问题上起相辅相成的作用。虽然解析解不能求解各种各样对流换热问题，但能深刻地揭示出各个物理量对换热系数的影响，而且也是评价其它方法所得结果的标准和依据，而实验研究方法可以得到具体的表达方式，而且是设计计算的主要计算式，是必须掌握的内容。,4.对流换热问题的分类,对流换热,无相变,有相变,强制对流,内部流动,外部流动,自然对流,混合对流,沸腾换热,凝结换热,5.影响对流换热的影响因素（1）流体流动的起因：强制对流换热和自然对流换热流动的成因不同，流体中的速度场也有差别，换热规律不一样。（2）流体有无相变：无相变显热；有相变潜热（3）流体的流动状态：层流、湍流（4）换热表面的几何

17、因数：换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向的相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙）（5）流体的物理性质：流体密度、动力粘度、导热系数及定压比热容等,6.边界层（附面层）的概念由于流体都存在着粘性，所以流体流过壁面时，在壁面附近区域的流体温度和速度均发生了很大的变化。实验研究表明，换热系数的大小主要取决于这一区域内流体的流动情况，这一区域称边界层。（1）速度边界层（以流过平壁为例）如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截面上一直保持不变。如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上，即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，

18、流速急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度，普朗特研究了这一现象，并且在1904年第一次提出了边界层的概念。,a.边界层产生原因：由于粘性的作用，流体与壁面之间产生一粘滞力，粘滞力使得靠近壁面处的速度逐渐下降，最后使壁面上的流体速度降为零，流体质点在壁面上产生一薄层。随着流体的流动，粘滞力向内传递，形成的薄层又阻碍邻近流体层中微粒运动的作用，依此类推，形成的薄层又阻碍邻近流体层微粒运动，到一定程度，粘滞力不再起作用。,流体无粘性时,流体有粘性时,u,u,u,u,形象说明边界层的形成过程,b.两个概念：速度（流动）边界层和边界层厚度速度边界层：近壁处有一法向速度梯度的薄层。边界层厚度：从

19、速度为零的壁面到速度达到u的99处的法向距离，用表示。边界层厚度是随x的增加而增加的，但是一个很小的量。为定量地说明它的大小，下面举例说明：20的空气以uf=10 m/s流过平板时，在x=100mm处，=1.8mm；x=200mm处，=2.5mm。从这个例子可以看出，x(l)，在这样薄的流体内，速度从零变化到接近来流速度uf，可见平均速度是很大的。为定性地说明速度的变化，人为地把边界层夸大了。,c.流场的划分从分析速度边界层中知，在边界层外，法向速度已接近或达到来流速度，粘性已不起作用，称主流区（自由区），可看作理想流体。流场可以化分为边界层区和主流区d.流动状态流体的流动可分为层流和紊流，在

20、边界层内，流型也可以分为层流和紊流。在紊流边界层中，又可以人为地划分成三个区域：层流底层缓冲层紊流核心,e.边界层发展过程（见上图）f.判别依据（流态）用xc（临界长度）行不通，因为xc随流体的性质、流速、壁面情况及扰动情况有关，可以用雷诺数来判断。,层流,雷诺数的物理意义：惯性力与粘滞力之比的相对大小,g.x 的变化趋势(见右图)h.对流换热微分方程式：,边界层示意图表示了近壁处流速的变化。贴壁处这以及薄的流体层相对于壁面是不流动的，壁面与流体间的热量传递必须穿过这个流体层，而穿过不流动的流体层的热量传递方式只能是导热。因此，对流换热量就等于贴壁流体层的导热量。,将傅里叶定律应用与贴壁流体层

21、，可得：,二、对流换热微分方程组,由换热微分方程可知，要求需先知道温度分布（能量方程），而速度分布影响温度分布。要求速度分布，需连续性方程和动量微分方程。下面就逐个建立这三个方程。先作假设：（1）仅考虑二维问题；（2）流体为不可压缩的牛顿流体，稳定流动；（3）常物性，无内热源；（4）忽略由粘性摩擦而产生的耗散热。,一、连续性方程取一控制体（如右图）根据质量守恒定律：对于不可压缩的流体，从各个方面上流入、流出为原体质量流量差值的总和等于零。,dy,dx,dz,y,x,z,：,定解条件,方程组为：,三、相似理论（原理）,影响换热系数的因素很多，要找出众多变量间的函数关系，实验次数非常之多，以致无法

22、实现。通过相似原理的理论分析：可以大幅度地减少变量；代表性提高；可减少盲目性。1.物理量的相似 对于几何相似有：几何体各对应边应成同一个比例。,2.物理现象相似的性质要做实验，首先必须解决以下几个问题：（1）实验中应测那些量；（2）实验结果如何表达整理？（3）物理现象相似应遵守什么条件。如果这些问题解决了，可以大大减少实验的次数，并使结果反映一类现象的规律性。要解决以上三个内容必须解决物理现象相似的性质，相似准之间的关系以及判别相似的条件。必须知道，只有同类的物理现象才能谈论相似问题。同类现象：有相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。,如：强制对流换热和自然对流换热，虽然都是对流换热

23、现象，但它们不是同类现象。点场和温度场也不是同类现象。两个物理现象相似时，其有关的物理量场分别相似。重要性质：彼此相似的现象，它们的同名准则必定相等。,各物理场应相似：,(c)式代入(a)式：,比较(d)和(b)有：,将(c)代入(e)有：,同样两流体的运动相似，应有,两热量传递现象相似有,贝克利准则,对于自然对流，则须,格拉晓夫准则,则：换热现象的相似要求努谢尔特准则相似。,几个准则的物理意义：雷诺准则：反映流体的惯性力与粘滞力之比的相对大小。格拉晓夫准则：反映流体的浮升力与惯性力的相对大小。普朗特准则：反映流体的动量传递能力与能量传递能力的相对大小。努谢尔特准则：反映实际热量传递与导热分子

24、扩散量传递的比较；Nu越大，则换热越强。Bi和Nu的区别：1、不同。前者为固体，后者为流体2、物理意义不同。,相似准则之间的关系紊流强制对象：过渡区：自然对流：其中：,.判别相似的条件相似的条件：同类现象，单值性条件相似，同名已定准则相似，则现象必相似。5.实验数据的适用整理方法,四、强制对流换热及其实验关联式,1.管内强制对流换热流动和换热的特征（1）层流和紊流Re104 紊流紊流的换热效果比层流的好，所以在一般的换热设备中都在紊流范围内工作（但也有例外，因短管较大）。（2）管内对流换热需要考虑的几个因素a.入口效应的影响（入口段的流动和换热情况对于换热系数的影响，主要受Pr和Re的影响）,

25、层流,紊流,x的变化趋势,入口效应：指进口段的流动情况对换热系数的影响。对于紊流，L/d60，称长管，可不考虑入口效应的影响；L/d60，称短管，需考虑入口效应的影响。,b.温度对流动和换热的影响 温度主要是影响物性参数。在一般情况下，流体的粘度和密度随温度的变化较大。对速度分布影响也较大，管道安放的方位及热流密度的方向不同而异。粘度随温度变化产生的影响 以层流为例：,恒温下，速度分布为一抛物线分布，如图1所示。1恒温2加热3冷却,变化的原因：当流体被加热时，由于twtf，使靠近壁面处的流体温度较高，中心轴线处流体温度较低，对于大多数液体，t，因而靠近壁处粘度较小，中心轴线处较大，从而粘度小的

26、区域流速较大，速度分布变化平坦（换热系数增大）。同理，当流体被冷却时，换热系数减小。,c.其它影响因素（1）弯曲管道：对于弯曲管道，由于离心力的作用，流体会形成二次环流，因而增强了对流换热，需乘以一修正系数：,（2）粗糙度层流时，影响不大。紊流时，层流底层厚度大于粗糙度（螺纹管、壁面敷设金属丝）,2、管内强制对流换热的经验关系式,如果温度较大时，须考虑粘度的影响：,液体：,气体：,说明：（1）对于非圆形截面管道（速度分布和温度分布影响主要取决于粘性地层），可以引进当量直径来处理。,（2）强化管内紊流换热的措施,可以看出：增加流速和减小管径都可以增强传热,3、层流时的换热（Re2200）,4、过

27、渡状态时的换热（2200Re104）,计算管内换热的步骤（1）求定性温度，查物性参数；（2）计算Re，判别流型；（3）根据Re，选公式，并求Nu及；（4）根据能量守恒，求管子长度。,例题1：恒定壁温tw=90的光管，内直径d=12cm，水以2m/s的速度通过该管，水的进口温度tf1=40，出口温度tf2=60，为满足这一加热过程，求光管所需的长度。,例题2：流体受迫流过一内直径为25 cm的长直管，实验测得管内壁温度为100，流体的平均温度为60，流体与管壁间的对流换热系数为150w/（m2）。试计算单位管长流体与管壁间的换热量。,五、流体自然对流时的换热,1.形成的主要原因固体壁面与流体间的

28、温度差是流体产生自然对流和换热的根本原因。2.自然对流边界层及局部对流换热系数(竖壁为例)从图中可以知道，换热系数开始时逐渐减小，后又突变，有所增大（层流紊流），最后基本稳定。,3.边界层内速度分布的特点中间大，两头小。原因：在壁面上，由于粘性作用，速度为零，在边界层外，由于无温度梯度，则浮生力为零，从而速度也为零。,4.自然对流的分类 大空间自然对流换热和有限空间自然对流换热大空间自然对流：边界层发展不受空间干扰的换热（或称不受其他避免的干扰）小空间（有限空间）自然对流换热：热边界层相互干扰的换热,5.大空间自然对流换热关联式主要介绍恒壁温情况下流型的判别不能用雷诺数而用雷利数（GrPr）,

29、几点讨论1.对于紊流：与特征尺度无关。从而在做实验时，尺寸可缩小，只要满足紊流即可（自模区）。2.推荐的公式均可以流体被加热的实验为依据。3.注意公式的适用条件。,小 结,一、概念对流换热的影响因素对流换热的分类求解对流换热系数的方法对流换热微分方程式及与第三类边界条件的区别速度、温度边界层的大小（纵掠平板层流）；l t 与l f 的大小边界层理论的四个基本要点了解动量及能量积分方程式相似需满足的几个条件定性温度、特征尺度入口段距离自然对流换热定义以及大空间自然对流横掠圆管尤其是单管Nu的变化趋势（解释）影响管束换热的因素,二、几个无量纲准则Re、Nu、Pr、Gr的公式，公式中的符号以及准则的

30、物理意义Nu与Bi的区别三、经验公式管槽内强制（尤其是紊流）：要求：会选关联式（注意适用条件）以及计算步骤，尤其要注意l 的取法自然对流：,尤其是层流,返回,5 流体有相变时对流换热,5-1 凝结换热现象,一、凝结换热 蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。各种液体,二、凝结换热的分类 1.膜状凝结(filmwise condensation):在壁面形成完整的液膜的凝结。,2.珠状凝结(dropwise condensation)：凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热。,是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力，而润湿能力又取决于表面张力。表面张力小的润湿能力强。实践表明，几乎所有的

31、常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状凝结。,珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途清扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的液珠。在珠状凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热大的加强，一般,在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在壁面上凝结成液体，沿壁面下流，逐渐形成液膜。膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热必须穿过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要热阻。,珠状凝结好 难于获得,5-2 膜状凝结分析解及实验关联式,一、纯净蒸气层流膜状凝结分析解,凝结换热是一个非常复杂的现象，如要考虑所有因素将无法进行分析。传热学中惯用的方法是进

32、行简化，忽略次要因素，突出主要因素，使理论分析可以进行。Nusselt 1916年成功地用理论分析法求解了膜状凝结问题。下面即为此理论：,1.物理问题：蒸气在冷壁面凝结，形成液膜，蒸气凝结将热量传给冷壁面，求换热系数。2.基本假设：1）常物性；2）蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力；3）液膜惯性力可以忽略；4）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度；5）膜内温度分布是线形的，即认为液膜内的热量转移只有导热，而无对流作用；6）液膜的过冷度可以忽略；7）vl，l可忽略不计；8）液膜表面平整无波动。,3.数学描述：取如右图所示的坐标系，因为液膜具有边界层的特性，故满足边界层微分方程组，

33、但要加上重力项。,Bernoulli方程 边界层外,4.求解,？x 处的质量流量,X+dx 处质量流量的增加,对微元体应用热力学第一定律,即,分离变量积分,5.局部表面传热系数 Newton cooling Law（忽略过冷度）,竖壁的平均表面传热系数：,得,液膜厚度,倾斜壁,水平管 Nusselt 采用图解积分得,球表面,6.几点说明 定性温度，除r 用 ts 外其余皆为(tw+ts)/2 公式使用范围，层流 Re1600,Reynolds Number,当量直径,横管：用d 代替 L,7.准则关系,Galileo Number,Jacob Number,Condensation Numbe

34、r,横管,惯性力项及液膜过冷度的影响均可略而不计。,实验表明，液膜由层流转变为湍流的临界雷诺数为 1600。,对于Pr数接近于1或大于1的流体，只要,8.理论公式的修正,横管吻合很好。竖壁，Re20时，实验值高20%,二、湍流膜状凝结换热：,对于Re 1600 的湍流液膜，热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外以湍流传递为主，换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数按下式计算：,除Prw 的定性温度用 tw 外，其余均用ts，物性为凝结液的,例题 5-1 压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸

35、为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,解：先假设液膜为层流。根据 ts=100，查得r=2257kJ/kg。其他物性按液膜平均温度 tm=(100+98)/2=99 查取，得：=958.4kg/m3,=2.825 10-4kg/(m.s),=0.68W/(m.K),则有：,核算Re准则：,说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算：,凝结蒸汽量为：,5-3 影响膜状凝结因素的讨论,1.不凝结气体：由于不凝结气体形成气膜，故：1).蒸气要扩散过气膜，形成阻力；2).气膜导致蒸气分压力降低，从而使 ts 降低：,严重性：1%的不凝结气体能使 h降低 60%

36、凝汽器,2.蒸气流速：前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。u 向上 液膜增厚 h；u 液膜破裂 h u 向下 液膜减薄 h；u 液膜破裂 h,3.过热蒸气：实验证实 h-h 代替 r 即可,4.液膜过冷度及温度分布的非线形：只要用r 代替计算公式中的 r，即可：,5.管子排数n排 特征长度 d nd 由于凝结液落下时要产生飞溅以及对液膜的冲击扰动，会使 h 增大。,6.管内冷凝,7.凝结表面情况 凝结换热的放热系数一般比较大，故在常规冷凝器中其热阻不占主导地位。但实际运行中凝汽器的泄漏是不可避免的，空气的漏入使冷凝器平均表面传热系数明显下降。实践表明，采用强化措施可以收到实际效益。某些制冷剂的

37、冷凝器中，强化有更大现实意义。,强化的原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。,实现的方法：尖锋的表面 使凝结液尽快从换热表面上排泄掉 如低肋管、纵向沟槽等 表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结 表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入,6 辐 射 换 热,第一节 热辐射的基本概念,一、热辐射的本质辐射：物体以电磁波方式向外传递能量的过程。热辐射：由于热的原因而产生的电磁波辐射。特征：不需物体间直接接触（在真空中，无需媒介）；有能量形式的转变；与温度的关系不同。由于热辐射也属于一种辐射现象，从而也遵循,在这一温度范围内，射线波长在0.38100m之间，可见光0.380.76m，比重不大，如果太阳辐射

38、包括在内，则为0.1100m，按照不同的波长范围，电磁波可分为许多区段，每个区段有相应的名称。,从理论上讲，热辐射的波长范围可在0之间，但在工业范围内，一般温度不超过2000K。,热辐射线组成：部分紫外线、可见光以及红外线。（见图）从图中可以看出，热辐射线分布中，红外线占优。但反过来说，在某一具体热辐射中，热辐射不一定也是占优的（看温度大小）,二、辐射能的吸收、反射和透射 如右图。当热辐射的能量投射到物体表面时，和可见光一样，也发生吸收，反射和穿透现象。,根据能量守恒有：,在一般情况下，对于固体和液体而言，=0。+=1（原因：因分子间排列非常紧密，当热辐射能投射到固体表面时，马上被相邻的分子所

39、吸收）,但也有特例：例如玻璃对可见光是透明体，对于其它波长的热辐射，穿透能力很差（温室效应地球变暖）。对于反射来说，又可分为二类：镜反射：表面的光洁度（粗糙度）小于波长。普通的镜子漫反射：表面的光洁度（粗糙度）大于波长。如墙的反射,注意：固体和液体的吸收和反射，均在表面进行，而与物体的内部无关（表面状况密切相关）。一般的工程材料表面都形成漫反射。,对于气体：=0，+=1 最后还须指出：在一般情况下，黑颜色物体吸收能力强，白颜色物体的反射能力强（针对于太阳能辐射）。应用到日常生活中，如在冬天穿黑色（深色衣服）为好（吸收能力强）；夏天，则穿颜色比较浅的衣服，如白色（少吸收能量），但这也不是一成不变

40、的。例如：雪，对太阳能辐射具有很好的反射能力，但对于其它的热射线，吸收率非常高，可达0.98左右。所以决定对射线的吸收和反射有重大影响的是物体的表面状况，而不是它的颜色。,第二节 黑体辐射,一、黑体模型1.黑体：能够全部吸收各种波长辐射能的物体，称黑体。黑体表面的辐射属于漫反射。在自然界中，纯粹的黑体是不存在的，例如吸收能力很强的黑丝绒，气吸收率也只有0.96，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。在空腔内经过多次的吸收和反射，最后离开小孔的能量很小很小，可以认为完全被吸收在空腔内部，所以小孔具有黑体表面的性质。如果小孔的面积越小，则小孔越接近黑体。,二、几个定律在介绍几个定律之前，先

41、介绍二个基本概念1.全辐射力（辐射力、本身辐射）E 物体在单位时间内单位表面积向周围的半球空间所有方向发射全部波长的辐射能的总量。,2.黑体的性质 a.黑体能够吸收任何波长，任何方面的全部投射辐射。b.吸收能力最大的黑体也一定具有最大的辐射能力。c.黑体的吸收和辐射能力是温度和波长的函数。,三个定律1.普朗克定律 有了黑体模型以后，许多科学家对黑体的单色辐射力与波长二者的关系进行了研究。普朗克首先试图通过热力学的理论来揭示内在关系，取得了一些进展，但不能圆满回答一些问题，后来根据电磁波的量子理论，得到了著名的普朗克定律。（同时也创立了量子学说理论）,2.单色辐射力E 物体在单位时间内单位表面积

42、向半球空间所有方向发射某一波长的辐射能。,普朗克定律,从图中可以得出以下结论：（1）黑体的辐射波谱是随波长连续地变化的（光滑曲线）；（2）对任何波长，T，Eb（3）对于某一温度而言，辐射力有最大值。T，最大值向左移动；（4）辐射能和温度有关。当温度较低时，可见光所占分额很少（800K无颜色变化），但随着T的升高，所占分额有所升高，若是太阳辐射，辐射能在可见光区所占分额很大。,一般情况下，T800K时，物体的颜色变化是看不见的（无可见光），此时均在红外谱区。加热金属，即T，颜色将由从暗红色鲜红色桔红色白炽色。（根据颜色的变化，炉钢工人就能知道炉内的大体温度）我们所用的普通灯泡，其效率为10。随着

43、科学技术的发展，必须逐渐淘汰耗能多的灯泡改用节能灯，可以大大节省电力。节能的重要性：单位国民生产总值能耗约为世界平均值的3.5倍（能源消费量与国民生产总值增长率成正比），2000年，国民经济翻两番，则能源消费也许翻两番。能源利用率为30，发达国家则达到50。,2.维恩位移定律是1896年提出来的，早于普朗克定律，从而证明二定律的正确性。用于计算物体表面的温度。（如求太阳表面的温度）3.斯蒂芬波尔兹曼定律黑体的辐射力,得,2.维恩位移定律从普朗克定律知：单色辐射力与波长之间有一最大值，从而有：,由于黑体的辐射力与绝对温度呈四次方关系，所以又叫四次方定律。说明：T0物体就有辐射力；T，Eb，若T2

44、=3T，则Eb2=81Eb1在温度较高时，必须考虑热辐射的影响（对气体）。,黑体小结：黑体的辐射力由四次方定律确定，Eb=bT4 W/m2；黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律；按空间方向的分布则服从兰贝特定律；与峰值相对应的m有维恩位移定律确定，即：maxT=2898(mK)。,第三节 实际物体的辐射,一、几个概念在介绍普朗克定律时，已知黑体的单色辐射力随波长作规律的变化（即曲线光滑）。对于实际气体，它的单色辐射力随波长作不规则的变化。因为实际物体曲线的不规则变化，使得研究起来非常复杂。但黑体的机理已经搞清楚，为了和黑体联系起来，定义以下几个概念。,2.黑度（发射率）定义：实际物体的辐射力与

45、同温度下黑体辐射力的比值。,1.单色黑度（单色发射率）实际物体的单色辐射力与同温度下黑体单色辐射力的比值。,但实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格地与绝对温度呈四次方的关系，但工程上仍采用四次方关系进行计算，而把温度项修正包括到黑度中去，因而黑度还与温度有关。4.定向黑度 对于黑体，辐射在任何方向相等。但实际物体在不同方向上有些变化，为了说明不同方向上定向辐射强度的变化，定义一个定向黑度的概念。,3.辐射力,5.影响黑度的因素=f（种类，表面温度，表面状况）=f（本身性）种类不同，黑度不同：白大理石，=0.95；镀锌铁皮，=0.23。温度不同，不同：金属T，（形成氧化膜）；非金属，T，（暗黑

46、表面、白亮表面）。表面状况不一样：不一样，磨光表面，低；粗糙表面，高。有氧化与无氧化不一样：一般氧化的金属黑度大于无氧化的金属黑度。,黑度小结：金属表面的发射率一般较小。（很小）；有氧化层可大大增大金属表面的发射率：铝：轻微氧化，=0.1；严重氧化，=0.5；非导体的发射率较大，一般0.6；金属：T，（形成氧化无薄层）；非金属：或（可增可减）。,6.吸收率 定义：物体对投射辐射所吸收的百分数。f（物体种类，表面温度，表面状况，投入辐射的特性）单色吸收率：物体对某一特定波长的透射辐射能所吸收的百分数。波长不一样，单色吸收率不一样，而波长的能量分布又取决于发出透射辐射表面的性质和温度。从而黑度比吸

47、收率来说，相对较容易。,7.灰体因单色吸收率对不同波长辐射的选择性，从而吸收率与投入辐射有关。如果=C（即单色吸收率与波长无关），从而=C。定义：单色吸收率与波长无关的物体称灰体。=C灰体和黑体一样,也是一种理想物体,但在工业中遇到的热辐射，波长主要在0.7610微米之间，在此范围内，把实际物体看作灰体误差不大，也可看作是漫射表面。,二、基尔霍夫定律（克希荷夫定律）两个平行放置无限大平板，两板相距很近，板1为黑体，其辐射力为Eb，吸收率为b=1，温度为T1，板2为实际物体，温度为T2，黑度为。求板2 的能量收支差额。,（基尔霍夫的数学表达式）,T1,T2,文字表达式：任何物体的辐射力和它对来自

48、黑体辐射的吸收率的比值恒等于Eb。注意：只有在热平衡条件下才能成立。,推论：1.善于辐射的物体必善于吸收；2.因1，所以EEb。即在同一温度下，黑体的辐射力最大；,第四节 黑体间的辐射换热及角系数,1.角系数 考察两个任意放置的黑体表面，两个表面面积分别为A1和A2，温度为T1和T2（恒温）表面之间的介质对热辐射是透明的。从表面1辐射出去的能量只有一部分可以达到表面2，同理，从表面2辐射出去的能量也只有一部分可以达到表面1。定义：表面1发出的辐射能直接落到表面2上的百分数，称表面1对表面2的角系数，记为F1,2，同理有F2,1。,Eb1,Eb2,T1,T2,如处于热平衡条件，即,2.辐射换热量

49、,说明：虽然是在热平衡条件下推出，但角系数为几何因子，其值取决于物体的几何特性（形状、尺寸及物体的相对位置）而与物体的种类和温度无关。,由于此热阻仅取决于空间参数，与表面的辐射特性无关，称空间辐射热阻3.角系数的求法a.解析法（不讲）,b.代数法 角系数的性质 有界性 互换性 完整性,对于非凹表面（平面或凸面）,例题1：求三个非凹表面组成的封闭系统,根据完整性有：,互 换 性 有：,可 得：,方法：变成一封闭系统,d.分解法,例题3：求X3，1,c.图解法 如右图的情况均可用图解法求之。,3,F1，2=F2，1=0根据角系数的完整性有：F1，2=F2，1=1根据角系数的呼换性有：F3，1=F3

50、，2=.25F3，3=1-.25-.25=.5,第五节灰体间的的辐射换热,二灰体表面之间的辐射换热,如右图。由于灰体表面存在着多次的反射和吸收现象，计算起来比黑体复杂的多，为了计算方便起见，我们引进了二个概念。,（一）二个概念1.有效辐射J：单位时间内离开灰体表面单位面积的总辐射能。W/m2。,2.投射辐射G：单位时间内投射到灰体表面的单位面积上的辐射能 W/m2。,J与的关系（见右上图）,根据定义应有：,而对于灰体有：,两个灰体构成的封闭系统间的辐射换热,1.表面1失去的能量：,网络图为,G,J,J2,Eb2,网络图为,两灰体之间的辐射换热量,J1,J2,A1 T1 1,A2 T2 2,因换