传热学复习资料教学课件PPT

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1、 传 热 学 复 习 绪绪 论论0-1 热量传递的三种基本方式的概念、特点及基本定律热量传递的三种基本方式的概念、特点及基本定律 1）导热）导热概念：概念：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自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产生的热量传递称导热。由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。 导热的的计算：算： 定定义义：流流体体中中（气气体体或或液液体体）温温度度不不同同的的各各部部分分之之间间，由由于于发发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。2） 对流（流（热对流）流

2、）对流换热：对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，与当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，与单纯的对流不同。单纯的对流不同。 对流换热的基本计算公式对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式 定义：定义：物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。 因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。 3）热辐射射黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律定律 真实物体则为：真实物体则为： 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 辐射换热：辐射换热：物体间靠热辐射进行的

3、热量传递物体间靠热辐射进行的热量传递 与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。 传热过程中传递的热量为：传热过程中传递的热量为：传热系数传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。性参数，与过程有关。0-2 传热过程和传热系数传热过程和传热系数传热过程的定义：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热2. 傅里叶定律傅里叶定律垂垂直直导导过过等等温温面面的的热热流流密密度度，正正比比于于该该处处的的温温度度梯梯度度，方方向向与与温度梯度相反。温度梯度相

4、反。第一章第一章 导热理论基础导热理论基础1. 基本概念：基本概念：温度场；等温面；等温线；温度梯度温度场；等温面；等温线；温度梯度3.导热系数导热系数单位时间，单位面积，单位负温度梯度下的导热量。单位时间，单位面积，单位负温度梯度下的导热量。导热系数的数值表征物质导热能力大小。导热系数的数值表征物质导热能力大小。影响热导率的因素：影响热导率的因素：物质的种类、材料成分、温度、湿度、压物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等力、密度等4. 导热微分方程式导热微分方程式若物性参数若物性参数 、c 和和 均为常数：均为常数：理论基础：傅里叶定律理论基础：傅里叶定律 + 热力学第一定律热力学第

5、一定律热热扩扩散散率率：表表征征物物体体被被加加热热或或冷冷却却时时，物物体体内内各各部部分分温温度度趋趋向向于于均均匀匀一一致致的的能能力力。a 值值大大（即即 值值大大或或 c 值值小小）说说明明物物体体的的某某一一部部分分一一旦旦获获得得热热量量，该该热热量量能能在在整整个个物物体体中中很很快快扩扩散散。在在同同样样加加热热条条件件下下，物物体体的的热热扩扩散散率率越越大大，物体内部各处的温度差别越小。物体内部各处的温度差别越小。5. 导热导热过程过程的的单值性条件单值性条件 定解条件：定解条件：1 初始条件初始条件： = 0 时的温度分布时的温度分布 t = 0 =f (x,y,z)2

6、 边界条件边界条件：边界上的温度分布或换热条件。边界上的温度分布或换热条件。 （1） 第一类边界条件第一类边界条件已知任一瞬间导热体边界上已知任一瞬间导热体边界上温度值：温度值：（2）第二类边界条件第二类边界条件已知物体边界上已知物体边界上热流密度热流密度的分布及变化规律：的分布及变化规律：（3）第三类边界条件第三类边界条件当当物物体体壁壁面面与与流流体体相相接接触触进进行行对对流流换换热热时时，已已知知任任一一时时刻刻边边界面界面周围流体的温度周围流体的温度和和表面传热系数表面传热系数牛顿冷却定律：牛顿冷却定律：1.通过平壁的导热通过平壁的导热 控制方程控制方程第二章第二章 稳态导热稳态导热

7、热流密度热流密度第一类边界条件：温度分布第一类边界条件：温度分布第三类边界条件：第三类边界条件：多层平壁、第三类边界条件多层平壁、第三类边界条件线性线性分布分布2.通过圆筒壁的导热通过圆筒壁的导热单层圆筒壁，第三类边界条件，稳态导热单层圆筒壁，第三类边界条件，稳态导热单层圆筒壁，第一类边界条件，稳态导热单层圆筒壁，第一类边界条件，稳态导热3.通过肋片的导热通过肋片的导热肋片效率肋片效率 第三章第三章 非稳态导热的基本概念非稳态导热的基本概念1、非稳态导热的定义、非稳态导热的定义 物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。周期性非稳态导热、瞬态非

8、稳态导热周期性非稳态导热、瞬态非稳态导热 2、瞬态非稳态导热两个不同的阶段、瞬态非稳态导热两个不同的阶段 非正规状况阶段非正规状况阶段(右侧面不参与换热右侧面不参与换热)：温度分布显现出部分温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布，即：为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布，即：在此阶段物体温度分布受在此阶段物体温度分布受 t0 分布的影响较大分布的影响较大 正规状况阶段正规状况阶段(右侧面参与换热右侧面参与换热)：当右侧面参与换热以后，当右侧面参与换热以后，物体中的温度分布不受物体中的温度分布不受 t0 影响，主要取决于边界条件及物性，影响，主要取决于

9、边界条件及物性，此时，非稳态导热过程进入到正规状况阶段。此时，非稳态导热过程进入到正规状况阶段。 3 无限大平壁的瞬态导热无限大平壁的瞬态导热 当当 取级数的首项，板中心温度误差小于取级数的首项，板中心温度误差小于1%1% 傅立叶数傅立叶数毕渥数毕渥数 , ,固体内的温度趋于一致，此时可固体内的温度趋于一致，此时可认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度下，这时需求解的温度仅是时间的一元函下，这时需求解的温度仅是时间的一元函数，而与坐标无关，数，而与坐标无关，好象该固体原来连续分布的质量与热容量好象该固体原来连续分布的质量与热容量汇总到一点上，而只有一个温度值那

10、样。汇总到一点上，而只有一个温度值那样。 忽略物体内部导热阻、认为物体温度均匀一致的分析忽略物体内部导热阻、认为物体温度均匀一致的分析方法。方法。4. 集总参数法：集总参数法：5.其他形状物体的瞬态导热其他形状物体的瞬态导热1）无限长圆柱体和球体）无限长圆柱体和球体2）无限长方柱体）无限长方柱体3）短圆柱体）短圆柱体4）正六面体）正六面体2.稳态导热问题的数值计算稳态导热问题的数值计算第四章第四章 导热问题数值解法基础导热问题数值解法基础1.数值解法的实质：数值解法的实质： 把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量的场，把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量的场，用有限个离散点上的值的集合来代替

11、，通过求解按一定方法建用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求物理量立起来的关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求物理量的值。该方法称为数值解法。的值。该方法称为数值解法。 这些离散点上被求物理量值的集合称该物理量的数值解。这些离散点上被求物理量值的集合称该物理量的数值解。 数学描述数学描述区域离散化区域离散化代数方程的建立代数方程的建立 内节点离散方程的建立内节点离散方程的建立(泰勒级数展开、热平衡法泰勒级数展开、热平衡法) 边界节点离散方程的建立边界节点离散方程的建立(热平衡法热平衡法)节点离散方程组的求解节点离散方程组的求解

12、例：针肋如右图所示，碳钢例：针肋如右图所示，碳钢 =43.2W/(m.K)，求其温度求其温度分布。分布。 该问题的数学描述为该问题的数学描述为网格划分如右图：网格划分如右图：节点节点2：同理得节点同理得节点3：节点节点4 用热力学第一定律，导入的热量应等于对流散出的热量：用热力学第一定律，导入的热量应等于对流散出的热量：节点节点1：3. 节点离散方程组的求解节点离散方程组的求解雅可比迭代法雅可比迭代法:（1 1）将三元方程变形为迭式方程：）将三元方程变形为迭式方程： （2 2）假设一组解（迭代初场），）假设一组解（迭代初场），记为记为： 并代入迭代方程求得第一次解并代入迭代方程求得第一次解 ；

13、（3 3）以新的初场）以新的初场 重复计算，重复计算，直到相邻两次迭代值之差小于直到相邻两次迭代值之差小于允许值，则称迭代收敛，计算终止。允许值，则称迭代收敛，计算终止。 GaussSeidelGaussSeidel迭代：迭代：（1 1）将三元方程变形为迭式方程：）将三元方程变形为迭式方程： （2 2）假设一组解（迭代初场），）假设一组解（迭代初场），记为记为： 并代入迭代方程求得第一次解并代入迭代方程求得第一次解 ，每次计算均用每次计算均用最新值代入。最新值代入。 （3 3）以新的初场）以新的初场 重复计算，重复计算，直到相邻两次迭代值之差小于直到相邻两次迭代值之差小于允许值，则称迭代收敛，

14、计算终止。允许值，则称迭代收敛，计算终止。 1）时间向前差分，空间中心差分）时间向前差分，空间中心差分称为显示格式称为显示格式称为隐示格式称为隐示格式2）时间向后差分，空间中心差分）时间向后差分，空间中心差分2.非稳态导热问题的数值计算非稳态导热问题的数值计算第五章第五章 对流换热分析对流换热分析(1) (1) 流体流动的起因及流体的流动状态流体流动的起因及流体的流动状态1.影响对流换热系数的因素影响对流换热系数的因素(2) (2) 流体的热物理性质流体的热物理性质1.影响对流换热系数的因素（续）影响对流换热系数的因素（续）(3) (3) 流体有无相变流体有无相变(4) (4) 换热表面的几何

15、因素换热表面的几何因素2）连续性方程）连续性方程(continuity equation)3）动量方程）动量方程(momentum equation)4）能量守恒方程）能量守恒方程 （energy equation)2.对流换热微分方程组对流换热微分方程组1）换热微分方程）换热微分方程边界层的提出边界层的提出1）流动（速度）边界层）流动（速度）边界层2）热（温度）边界层）热（温度）边界层 3、边界层换热微分方程组、边界层换热微分方程组 局部表面传热系数局部表面传热系数 的表达式的表达式注意：层流注意：层流求解求解层流边界层对流换热微分方程组，可得：层流边界层对流换热微分方程组，可得：离平板前缘

16、离平板前缘 x x 处处边界层厚度边界层厚度范宁局部摩擦系数范宁局部摩擦系数平均换热系数平均换热系数流动边界层与热边界层之比流动边界层与热边界层之比4.边界层换热积分方程边界层换热积分方程1. 动量积分方程动量积分方程2. 能量积分方程能量积分方程当当 Pr = 1时，时，5. 动量传递和热量传递的类比动量传递和热量传递的类比实验测定平板上湍流边界层阻力系数为：实验测定平板上湍流边界层阻力系数为：常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义6. 相似原理及量纲分析相似原理及量纲分析自然对流换热：自然对流换热：混合对流换热：混合对流

17、换热：强制对流强制对流:模化试验应遵循的准则数方程模化试验应遵循的准则数方程试验数据的整理形式：试验数据的整理形式：第六章第六章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式一、紊流换热一、紊流换热6-1 管内受迫对流换热管内受迫对流换热流体与壁面温度差不大流体与壁面温度差不大(空气空气50C;液体液体10, m=0.36.C, n: 表表 6-1适用条件：适用条件：ReCn1-400.750.440-10000.510.5103-2 1050.260.62 105-1060.0760.7 流体横掠管束的平均换热系数计算式流体横掠管束的平均换热系数计算式1）s1横向节距, m2）s

18、2纵向节距, m3）系数和指数c, m, n, p，表表6-24）cz管排修正系数， 表表6-3；z20时， cz=15）c流体斜向冲刷管束时的修正系数，本书略本书略6）定性温度7）定型尺寸：管外径8）Re中的速度用管束中的最大流速umax（6-14）6-3 自然对流换热自然对流换热 一一 、无限空间自然对流换热、无限空间自然对流换热 格拉晓夫数1. 准则数准则数瑞利数1)常壁温条件常壁温条件 2. 准则关联式准则关联式特征温度：tm= (tw+tf)/2C, n, 特征长度：表6-4, pp.1702)常热流条件常热流条件引入包含热流密度的Gr*层流：紊流：注意：注意：倾斜表面，用gcos替

19、代g。 为表面与g的夹角。二、二、 有限空间中的自然对流换热有限空间中的自然对流换热 特点：特点：壁面上边界层的发展受到限制 形式：形式：竖直夹层；水平夹层；倾斜夹层总热流密度表达方式：总热流密度表达方式：导热；对流 经验关联式式中常数C，m，n 取值如 表6-5凝结：凝结：气体遇冷而变成液体。气体遇冷而变成液体。凝结换热：凝结换热：蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。沸腾：沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程。态的一种剧烈的汽化过程。沸腾换热：沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使指工

20、质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式。其冷却的一种传热方式。相变换热的相变换热的特点：特点：由于有潜热释放和相变过程的由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。工程上也只能助于经验公式和实验关联式。第七章 凝结与沸腾换热(2) (2) 局部对流换热系数局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数整个竖壁的平均表面传热系数(3) (3) 修正：修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强 化，因此，实验值比上述得理论值高化，因此，实验值

21、比上述得理论值高2020左右左右修正后：修正后：定性温度：定性温度：注意：注意：r 按按 ts 确定确定1 层流膜状凝结理论解层流膜状凝结理论解(4) (4) 水平圆管水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结膜状凝结式中：下标式中：下标“ H H ”表示水平管，表示水平管，“ S S ”表示球；表示球；d d 为水为水 平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同。平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同。横管与竖管的对流换热系数之比：横管与竖管的对流换热系数之比：3. 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热液膜从层流转变为湍流的临

22、界雷诺数可定为液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1800。横管因。横管因直径较小，实践上均在层流范围。直径较小，实践上均在层流范围。对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强。热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强。对对竖壁的湍流凝结换热竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的，其沿整个壁面的平均表面传热平均表面传热系数系数计算式为：计算式为：式中：式中：hl 为层流段的传热系数；为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数；为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的

23、高度为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度为竖壁的总高度准则关联式：准则关联式：Galileo Number4. 4. 影响膜状凝结的因素及增强换热的措施影响膜状凝结的因素及增强换热的措施1） 不凝结气体不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力 严重性：1% 的不凝结气体能使 h降低 50%左右 措施：有效排除不凝气体，使设备正压运行，加装抽气装置（负压运行时）2） 蒸气流速蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，如果蒸气流动

24、与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，h增大；反之使增大；反之使h减小。减小。 吹气速度过大，液膜脱离避免，增强凝结，吹气速度过大，液膜脱离避免，增强凝结， h 增大。增大。 4 4） 液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替 计算公式中的r， 5 5） 管子排数管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。3 3） 过热蒸气过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。 计算中，将潜热改为过热蒸汽与饱和液体的焓差。计算中，将潜热改为过热蒸汽与饱和液体的

25、焓差。 7）凝结表面的几何形状强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结，表面涂层（油脂、纳米技术等等。a 过冷沸腾：过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾。态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾。b 饱和沸腾：饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾。饱和温度所发生的沸腾，称之为饱

26、和沸腾。按主体温度分：按主体温度分：7-2 沸腾换热沸腾换热a 大容器沸腾大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；体中所发生的沸腾；b 强制对流沸腾：强制对流沸腾强制对流沸腾：强制对流沸腾分类分类：按流动动力分为按流动动力分为F ABCDE4大容器饱和沸腾曲线：大容器饱和沸腾曲线：5 表征了大容器饱和沸腾表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括的全部过程，共包括4个个换热规律不同的阶段。换热规律不同的阶段。几点说明：几点说明：上述热流密度的峰值上述热流密度的峰值qmax 有重大意有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁义，称为临

27、界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点点。一般用核态沸腾转折点DNB作作为监视接近为监视接近qmax的警戒。这一点对的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。况都非常重要。对对稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾，因因为为热热量量必必须须穿穿过过的的是是热热阻阻较较大大的的汽汽膜膜，所所以以换换热热系数比凝结小得多。系数比凝结小得多。书中分别推荐了两个计算式书中分别推荐了两个计算式（1 1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海 耶夫公式，压力范围：耶夫公式，压力范围：10105 54 4 10106

28、 6 Pa Pa按按 （7-11a）（7-11b）5. 沸腾换热计算式沸腾换热计算式可见，可见， ，因此，尽管有时上述计算公式得到的，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达与实验值的偏差高达 100，但已知，但已知q计算计算 时，则可以时，则可以将偏差缩小到将偏差缩小到 33。这一点在辐射换热种更为明显。计算。这一点在辐射换热种更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。时必须谨慎处理热流密度。（2）罗森诺公式）罗森诺公式广泛适用的强制对流换热公式广泛适用的强制对流换热公式式中，式中， q 沸腾传热的热流密度；沸腾传热的热流密度； l 饱和液体的动力粘饱和液体的动力粘度；度； r 汽化

29、潜热；汽化潜热； Cpl 饱和液体的比定压热容；饱和液体的比定压热容；g 重力加速度；重力加速度；Cwl 取决于加热表面液体组合情况的经验取决于加热表面液体组合情况的经验常数常数(表表7-1)；s 经验指数，水经验指数，水s = 1,否则，否则，s=1.76. 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素1） 不凝结气体不凝结气体 对膜状凝结换热的影响？对膜状凝结换热的影响？与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化。得到某种程度的强化。2） 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，只影响过冷沸腾，不影

30、响饱和沸腾，因自然对流换热时， ，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。3） 液位高度液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液会明显地随液 位的降低而升高位的降低而升高(临界液位临界液位)。4） 沸腾表面的结构沸腾表面的结构 沸沸腾腾表表面面上上的的微微小小凹凹坑坑最最容容易易产产生生汽汽化化核核心心，因因此此，凹凹坑坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。多，汽化核心多，换热就会得到强化。8.1 基本概念基本

31、概念1.热热辐辐射射：是由于物体内部微观粒子的热运动状态改变，而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性2. 热辐射的特点热辐射的特点不依赖于物体的接触而进行热量传递。辐射换热过程伴随能量形式的两次转化，即物物体体内能内能电磁波能电磁波能物体内能物体内能。一切物体只要其温度T0K，都会不断发射热射线。（1）对于大多数的固体和液体：）对于大多数的固体和液体：（2）对于不含颗粒的气体：）对于不含颗粒的气体：（3）黑体（全吸收）：）黑体（全吸收）： （4）镜体或白体（全反射）：）镜体或白体（全反射）：（5）透明体（全透射）：）透明体（全透射）：二、二、 吸收

32、率、反射率、透射率吸收率、反射率、透射率光谱辐射力光谱辐射力E：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)；三、辐射力和有效辐射三、辐射力和有效辐射1. 辐射力辐射力：单位时间内物体的单位辐射面积向外界(半球空间)发射的全部波长的辐射能称为辐射力(或发射辐射)。E，单位为W/m2。定向辐射力定向辐射力E：单位时间内，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。2. 定向辐射定向辐射(强强)度度单位时间内，单位可见辐射面积在某一方向p的单位立体角内所发出的总辐射能(发射辐射和反射辐射)，称为该方向的定向辐射(

33、强)度。式中，dA1cos 给定方向上的可见辐射面积，也就是垂直该方向的流通面积。8.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律(1)Planck定律定律(第一个定律第一个定律)：Wien位移定律位移定律(m与与T 的关系的关系) (2) 斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律黑体波段辐射力：黑体在某一特定波长范围内的辐射能。黑体在某一特定波长范围内的辐射能。在在 1- 2的的波长范围内黑体的波段辐射函数波长范围内黑体的波段辐射函数 （3）兰贝特余弦定律）兰贝特余弦定律 黑体表面具有漫反射性质，且在半球空间各个方向上的定向辐射强度相等。即物理意义物理意义 黑体的定向辐射力随方向角按余弦规律变化，

34、法线方向的定向辐射力最大。 结论：结论： 对于漫射表面，辐射力是任意方向辐射强度的对于漫射表面，辐射力是任意方向辐射强度的 倍。倍。8.3 实际物体和灰体的辐射实际物体和灰体的辐射1. 实际物体的发射率实际物体的发射率WavelengthDirection (angle from the surface normal)2. 实际物体的吸收率实际物体的吸收率光谱吸收比光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。变化体现了实际物体的选择性吸收

35、的特性。二、灰体二、灰体(Gray surface)灰体的光谱辐射力与同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化曲线相似，或它的光谱吸收率和光谱发射率不随波长变化。灰体法灰体法，即将光谱发射率，即将光谱发射率 ( )和光谱吸收比和光谱吸收比 ( ) 等效为常数。等效为常数。 此即此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体对黑体辐射的吸收率等与热力学平衡状态下，物体对黑体辐射的吸收率等与它的发射率。它的发射率。 三、三、 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 灰体的吸收率恒等于同温度下本身的发射率！灰体的吸收率恒等于同温度下本身的发射率！工程应用，近

36、似认为工程应用，近似认为角角系系数数：表表面面1发发出出辐辐射射能能中中落落到到表表面面2上上的的份份额额称称为为表表面面1对对表表面面2的角系数，记为的角系数，记为X1,2。21时，时， X2,19-1 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算第九章第九章 辐射换热的计算辐射换热的计算2. 角系数性质角系数性质根据角系数的定义和诸解析式，可导出角系数的代数性质。根据角系数的定义和诸解析式，可导出角系数的代数性质。(1) 相对性相对性 (2) 完整性完整性 对于有对于有n个表面组成的封闭系统，据能量守恒可得个表面组成的封闭系统，据能量守恒可得:(3) 可加性可加性 将表面将表面2可分为

37、可分为2a和和2b两个面，当然也可以分为两个面，当然也可以分为n个面，个面， 则角系数的可加性为则角系数的可加性为3 角系数的计算方法角系数的计算方法直接积分法直接积分法按角系数的基本定义通过求解按角系数的基本定义通过求解多重积分多重积分而获得角系数的方法。而获得角系数的方法。工程上已将大量几何结构角系数的求解结果绘制成图线。工程上已将大量几何结构角系数的求解结果绘制成图线。代数分析法代数分析法是利用角系数的各种性质，获得一组代数方程，是利用角系数的各种性质，获得一组代数方程，通过求解获得角系数。通过求解获得角系数。abcdA1A2几个特殊位置的角系数几个特殊位置的角系数同一平面上的两个表面同

38、一平面上的两个表面 x1.2=x2.1=0两个无限大平板两个无限大平板x1.2=x2.1=1两个两个互相看互相看不见的不见的表面表面x1.2=x2.1=0 有两个物体有两个物体1 1和和2 2构成得封闭系统，做任意构成得封闭系统，做任意2 2、2 2”等，恰好盖住物体等，恰好盖住物体2 2，则，则9-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热1黑体表面黑体表面2 漫灰表面漫灰表面 1. 表面表面1非凹表面，非凹表面，X1,2=1暖器、管道与房间暖器、管道与房间几个特例几个特例2. 表面表面1、2面积几乎相等（面积几乎相等（A1/A21）；表面）；表面1非凹

39、（或两个表非凹（或两个表面非常接近）（面非常接近）（X1,2=1）：）：例如两块无限大平行平板、保温瓶胆例如两块无限大平行平板、保温瓶胆3. 表面表面1远远小于表面远远小于表面2（A1/A20）；表面）；表面1非凹（非凹（X1,2=1）：）：例如大空间中的小物体：房间内热管道例如大空间中的小物体：房间内热管道辐射散热计算；容器内热电偶测温时的辐射散热计算；容器内热电偶测温时的辐射误差计算辐射误差计算由三个表面组成的封闭系统由三个表面组成的封闭系统三漫灰表面封闭腔辐射换热等效网络图三漫灰表面封闭腔辐射换热等效网络图1. 画出等效网络图画出等效网络图 9-3 多表面系统辐射换热的计算多表面系统辐射

40、换热的计算(网络法网络法)2. 列出节点方程列出节点方程3. 解出节点的有效辐射解出节点的有效辐射Ji4. 表面表面净辐射换热量净辐射换热量假设表面假设表面3为黑体，则为黑体，则(3) 两个重要特例两个重要特例a 有一个表面为黑体。有一个表面为黑体。黑体的表面热阻为零黑体的表面热阻为零。此时，该表面的温度一般是已知的。此时，该表面的温度一般是已知的。b 有一个表面绝热，有一个表面绝热，即该表面的净换热量为零即该表面的净换热量为零。其网络图如。其网络图如图，与黑体不同的是，此时该表面的温度是未知的。同时，图，与黑体不同的是，此时该表面的温度是未知的。同时，它仍然吸收和发射辐射，只是发出的和吸收的

41、辐射相等。由它仍然吸收和发射辐射，只是发出的和吸收的辐射相等。由于，热辐射具有方向性，因此，他仍然影响其它表面的辐射于，热辐射具有方向性，因此，他仍然影响其它表面的辐射换热。这种表面温度未定而净辐射换热量为零的表面被称为换热。这种表面温度未定而净辐射换热量为零的表面被称为重辐射面重辐射面。表面3为绝热面9-4 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱对于两个无限大平面组成的封闭系统对于两个无限大平面组成的封闭系统现在在两面之间插入一块发射率为现在在两面之间插入一块发射率为 的遮热板，的遮热板， 10-1 传热过程的分析和计算传热过程的分析和计算 式中：式中：k 是传热系数是传热系数(总传热系数

42、总传热系数)。对于对于不同的传热过程不同的传热过程，k 的计算公式也不同。的计算公式也不同。1 传热过程的定义：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热2 基本计算式基本计算式(传热方程式传热方程式)第十章第十章 传热过程分析与换热器热计算传热过程分析与换热器热计算10-2 换热器的型式及平均温差换热器的型式及平均温差1换热器的定义：换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置。以满足规定的工艺要求的装置。2 换热器的分类：换热器的分类：三种类型换热器简介三种类型换热器简介4 简单顺流及逆流换热器的

43、对数平均温差简单顺流及逆流换热器的对数平均温差传热方程的一般形式：传热方程的一般形式：7 各种流动形式的比较各种流动形式的比较(1)顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的逆流的 最大，顺流则最小；最大，顺流则最小；(2)顺流时顺流时 ， 而逆流时，而逆流时， 则可能大于则可能大于 ，可见，逆，可见，逆流布置时的换热最强。流布置时的换热最强。InOutInOut(3) 那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好呢？那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好呢？不是，因为一台换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是不是，因为一台

44、换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，有时需要故意设计成顺流。破坏，因此，对于高温换热器，有时需要故意设计成顺流。(4) 对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。xTIn OutxTIn Out冷凝冷凝蒸发蒸发 10-3

45、 换热器的热计算换热器的热计算 换热器热计算分两种情况：换热器热计算分两种情况：设计计算设计计算和和校核计算校核计算换热器热计算的基本方程式是换热器热计算的基本方程式是传热方程式传热方程式及及热平衡式热平衡式换热器的热计算有两种方法：换热器的热计算有两种方法：平均温差法平均温差法 效能效能-传热单元数传热单元数( -NTU)法法1 平均温差法平均温差法2 效能效能-传热单元数法传热单元数法(1)换热器的效能换热器的效能 定义：定义：换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。(2)传热单元数传热单元数NTU效能效能-传热单元数的关系（顺流）传热单

46、元数的关系（顺流） 10-4 传热的强化和隔热保温技术传热的强化和隔热保温技术强化传热的目的：强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全削弱传热的目的：削弱传热的目的：减少热量损失减少热量损失根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，有时则需要削弱。显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传有时则需要削弱。显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热的手段应该不同，本节主要针对热的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱。对流换热过程的强化和削弱。1 强化传热的原则和手段强化传

47、热的原则和手段(1) 强化换热的原则：强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。强化措施。举例：以气举例：以气-水型换热器为例，其传热方程式为：水型换热器为例，其传热方程式为：(2) 强化手段强化手段: 确定了需要强化的环节后，需要进一步分析，对该环节热阻的确定了需要强化的环节后，需要进一步分析，对该环节热阻的众多影响因素中的哪些因素采取措施，以实现强化换热的目的。众多影响因素中的哪些因素采取措施，以实现强化换热的目的。 a 无源技术无源技术(被动技术被动技术) ；b 有源技术有源技术(主动式技术主动式技术)举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：1.1.无源技术无源技术：涂层表面、粗糙表面、扩展表面、扩展表面、涡：涂层表面、粗糙表面、扩展表面、扩展表面、涡流发生器、螺旋管、添加物、冲击射流流发生器、螺旋管、添加物、冲击射流2. 有源技术：有源技术：对介质进行机械搅拌、对介质进行机械搅拌、 受热面振动、受热面振动、 流体振动、流体振动、 电磁场、介质种加入异物或介质电磁场、介质种加入异物或介质