传传-热热-学学一、一、热量量传递的三种基本方式的三种基本方式导热( (热传导) )对流流( (热对流流) ) 三种基本模式的定三种基本模式的定义、实例例热辐射射二、导热1、导热基本定律基本定律(Fouriers law）1822年年，法法国国数数学学家家傅傅里里叶叶（Fourier）在在实实验验研研究究基基础础上上，发现发现导热基本规律导热基本规律 傅里叶定律傅里叶定律垂垂直直导过等等温温面面的的热流流密密度度，正正比比于于该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反导热系数系数（热导率率）直角坐标系中：直角坐标系中：注：傅里叶定律只适用于各向同性材料注：傅里叶定律只适用于各向同性材料各向同性材料：各向同性材料：导热系数在各个方向是相同系数在各个方向是相同上式称上式称为FourierFourier定律定律，号称，号称导热基本定律，是一个一基本定律，是一个一维稳态导热。其中：。其中： ：热流量，流量，单位位时间传递的的热量量WW；q q：热流密度，流密度，单位位时间通通过单位面位面积传递的的热量；量；A A：垂直于：垂直于导热方向的方向的截面截面积m2m2； ：导热系数（系数（热导率）率）W/( m K)W/( m K)。 一一维稳态平板内平板内导热t0x dxdtQ数数值：就是物体中：就是物体中单位温度梯度、位温度梯度、单位位时间、通、通过 单位面位面积的的导热量量 物物质的重要的重要热物性参数物性参数影响影响导热系数的因素：温度、材料种系数的因素：温度、材料种类导热系数的数系数的数值表征物表征物质导热能力大小。能力大小。实验测定定2 2、导热系数（系数（ Thermal conductivity Thermal conductivity ）导热系数表征材料系数表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，能力的大小，是一种物性参数，与材料种与材料种类和温度关。和温度关。保温材料及其表保温材料及其表观导热系数系数多孔性多孔性结构的保温材料构的保温材料3、导热微分方程及微分方程及边界条件界条件导热分分为稳态导热和非和非稳态导热。边界界条条件件：说明明导热体体边界界上上过程程进行行的的特特点点反反映映过程程与与周周围环境相互作用的条件境相互作用的条件边界条件一般可分界条件一般可分为三三类：第一第一类、第二、第二类、第三、第三类边界条件界条件Q导热热阻的阻的图示示 t0x dxdtQ导热热阻阻单位面位面积导热热阻阻导热热阻：平壁，阻：平壁，圆筒壁筒壁4、 通通过肋片的肋片的导热及及传热强化化第三第三类边界条件下通界条件下通过平壁的一平壁的一维稳态导热：为了增加了增加传热量，可以采取哪些措施量，可以采取哪些措施?（1）增加温差（）增加温差（tf1 - tf2），但受工），但受工艺条件限制条件限制（2）减小）减小热阻：阻： a) 金金属属壁壁一一般般很很薄薄( 很很小小)、热导率率很很大大，故故导热热阻阻一一般般可可忽忽略略b) 增大增大h1、h2，但提高，但提高h1、h2并非任意的并非任意的c) 增大增大换热面面积 A 也能增加也能增加传热量量肋片肋片强化化传热的原理的原理肋片效率：肋片效率：肋面肋面总效率：效率：等截面直肋：等截面直肋：（2） 物理意物理意义无量无量无量无量纲纲热热阻阻阻阻无量无量无量无量纲纲时间时间Fo越大，越大，热扰动就能越深入地就能越深入地传播到物体播到物体内部，因而，物体各点地温度就越接近周内部，因而，物体各点地温度就越接近周围介介质的温度。的温度。5 5、非、非稳态导热（1 1）定）定义：物体的温度随：物体的温度随时间变化的化的导热过程。程。非非稳态导热过程中，物体的温度程中，物体的温度t t和和导热量量 随随时间变化。化。6、求解导热问题的三种基本方法：、求解导热问题的三种基本方法：(1) 理论分析法；理论分析法；(2) 数值计算数值计算 法；法；(3) 实验法实验法 7 7、导热部分作部分作业题1102324251二、二、对流流换热1、对流流换热的定的定义和性和性质对流流换热是指流体流是指流体流经固体固体时流体与固体表面之流体与固体表面之间的的热量量传递现象象。 对流流换热实例：例：1) 暖气管道暖气管道; 2) 电子器件冷却；子器件冷却；3)电 风扇扇(1) 导热与与热对流同流同时存在的复存在的复杂热传递过程程(2) 必必须有直接接触（流体与壁面）和宏有直接接触（流体与壁面）和宏观运运动； 也必也必须有温差有温差(3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧 贴壁面壁面处会形成速度梯度很大的会形成速度梯度很大的边界界层2、对流流换热的特点的特点3、对流流换热的基本的基本计算式算式牛牛顿冷却式冷却式: 当当流流体体与与壁壁面面温温度度相相差差1 1度度时时、每每单单位位壁壁面面面面积积上、单位时间内所传递的热量上、单位时间内所传递的热量影响影响h h因素：流因素：流动形式、物性、几何形状、形式、物性、几何形状、对流流类型等型等（Convection heat transfer coefficientConvection heat transfer coefficient）3 3、对流表面传热系数、对流表面传热系数4、对流流换热的影响因素的影响因素对流流换热是流体的是流体的导热和和对流两种基本流两种基本传热方式共同作用的方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流流动起因起因; (2)流流动状状态; (3)流体有无相流体有无相变; (4)换热表面的几何因素表面的几何因素; (5)流体的流体的热物理性物理性质(1) 流流动起因起因自然自然对流流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产 生的流生的流动强制制对流流：由外力（如：由外力（如：泵、风机、水机、水压头）作用所）作用所产生生 的流的流动 (2) 流流动状状态(3) 流体有无相流体有无相变层流：整个流流：整个流场呈一簇互相平行的流呈一簇互相平行的流线湍流：流体湍流：流体质点做复点做复杂无无规则的运的运动（紊流）（紊流）（Laminar flow）（Turbulent flow）单相相换热：相相变换热：凝：凝结、沸、沸腾、升、升华、凝固、融化等、凝固、融化等（Single phase heat transfer）（Phase change）（Condensation）（Boiling）(4) 换热表面的几何因素表面的几何因素：内部流内部流动对流流换热：管内或槽内：管内或槽内外部流外部流动对流流换热：外掠平板、：外掠平板、圆管、管束管、管束(5) 流体的流体的热物理性物理性质：导热系数系数密度密度比比热容容动力粘度力粘度运运动粘度粘度体体胀系数系数综上所述，上所述，表面表面传热系数是众多因素的函数系数是众多因素的函数：5、对流流换热的分的分类：6、对流流换热边界界层微分方程微分方程组:(常物性、常物性、稳态、无内、无内热源、源、二二维、不可、不可压缩牛牛顿流体流体)求出温度求出温度场之后，可以利用牛之后，可以利用牛顿冷却微分方程冷却微分方程：计算当地表面算当地表面对流流传热系数系数3个方程，个方程，3个未知量个未知量, dp/dxdp/dx可由可由边界界层外理想流体的外理想流体的伯努利方程确定伯努利方程确定. . 可求得速度场可求得速度场(u,v)和温度场和温度场(t)，既适用于层流，既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）也适用于紊流（瞬时值）7 7 7 7 无量无量无量无量纲纲量的量的量的量的获获得得得得：相似分析法和相似分析法和相似分析法和相似分析法和量量量量纲纲分析法分析法分析法分析法(1)相似分析法：相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。以左图的对流换热为例，以左图的对流换热为例，现象象1 1：现象象2 2：数学描述：数学描述：对自然自然对流的微分方程流的微分方程进行相行相应的分析，可得到一个的分析，可得到一个新的无量新的无量纲数数格拉格拉晓夫数夫数式中：式中： 流体的体流体的体积膨膨胀系数系数 K K-1-1 Gr Gr 表征流体浮生力与粘性力的比表征流体浮生力与粘性力的比值 (2) (2) 量量纲分析法：分析法：在在已知相关物理量已知相关物理量的前提下，采用的前提下，采用量量纲分析分析获得无量得无量纲量。量。8 8 8 8 常常见无量无量纲( (准准则数数) )数的物理意数的物理意义及表达式及表达式( (很重要）很重要）9 9 9 9 实验数据整理数据整理特征关特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征式的具体函数形式、定性温度、特征长度等度等的确定具有一定的的确定具有一定的经验性性目的：目的：完完满表达表达实验数据的数据的规律性、便于律性、便于应用，特征数用，特征数关关联式通常整理成已定准式通常整理成已定准则的的幂函数形式函数形式：式中，式中，c、n、m 等需由等需由实验数据确定，数据确定，通常由通常由图解法和解法和最小二乘法确定最小二乘法确定自然自然对流流换热：混合混合对流流换热：强制制对流流:常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义物理意义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数据的整理形式：自然自然对流流换热：混合混合对流流换热：强制制对流流:常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义物理意义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数据的整理形式：10. 10. 管槽内部流动强制对流传热实验关联式管槽内部流动强制对流传热实验关联式湍流：湍流：加热流体时：加热流体时：n=0.4;n=0.4;冷却流体时：冷却流体时：n=0.3n=0.3影响：影响：（1 1）入口段的热边界层薄，表面传热系数高入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 层流入口段长度层流入口段长度: 湍流时湍流时:（2 2）螺旋管等弯管）螺旋管等弯管弯管效弯管效应：二次：二次环流流强化化传热（3 3）非）非圆形截面槽道形截面槽道当量直径：当量直径：层流层流湍流湍流1111、 横掠管束横掠管束换热实验关关联式式外外掠掠管管束束在在换热器器中很常中很常见。通通常常管管子子有有叉叉排排和和顺排排两两种种排排列列方方式式。顺叉叉排排换热的的比比较：叉叉排排换热强、阻阻力力损失大、失大、难于清洗。于清洗。影响管束影响管束换热的因的因素除素除 数外，数外，还有：叉排或有：叉排或顺排；排；管管间距；管束排数距；管束排数等等。气体横掠气体横掠1010排以上管束的实验关联式为排以上管束的实验关联式为 式式中中：定定性性温温度度为为 特特征征长长度度为为管管外外径径d d， 数数中中的的流流速速采采用用整整个个管管束束中中最最窄窄截截面面处处的流速。的流速。 实验验证范围：实验验证范围： C C和和m m的值见下表。的值见下表。后排管受前排管尾流的后排管受前排管尾流的扰动作用作用对平均表面平均表面传热系数的影系数的影响直到响直到1010排以上的管子才能消失。排以上的管子才能消失。这种情况下，先种情况下，先给出不考出不考虑排数影响的关排数影响的关联式，再采用管式，再采用管束排数的因素作束排数的因素作为修正系数。修正系数。1212、自然对流换热及实验关联式、自然对流换热及实验关联式 自自然然对对流流：不不依依靠靠泵泵或或风风机机等等外外力力推推动动，由由流流体体自自身身温温度度场场的的不不均均匀匀所所引引起起的的流流动动。一一般般地地，不不均均匀匀温温度度场场仅仅发发生生在在靠靠近换热壁面的薄层之内。近换热壁面的薄层之内。 自然对流的自模化现象：紊流时换热系数与特征尺度无关。自然对流的自模化现象：紊流时换热系数与特征尺度无关。大空间自然对流换热的实验关联式：大空间自然对流换热的实验关联式：定性温度采用定性温度采用 Gr Gr数中的数中的 为为 - -对于符合理想气体性质的气体，对于符合理想气体性质的气体， 。 特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。 常数常数C C和和n n的值见下表。的值见下表。 层流时：层流时： n=1/4 湍流时：湍流时： n=1/31313、有相、有相变的的对流流换热凝凝结换热和和沸沸腾换热相相变换热的特点：由于有潜的特点：由于有潜热释放和相放和相变过程的复程的复杂性，比性，比单相相对流流换热更复更复杂，因此，目前，工程上也，因此，目前，工程上也只能助于只能助于经验公式和公式和实验关关联式。式。（1 1）凝）凝结传热凝凝结可能以不同的形式可能以不同的形式发生，膜状凝生，膜状凝结和珠状凝和珠状凝结冷凝物相当于增加了冷凝物相当于增加了热量量进一步一步传递的的热阻阻膜状凝膜状凝结的影响因素的影响因素及其及其传热强化化 膜状凝膜状凝结沿整个壁面形成一沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力薄膜，并且在重力的作用下流的作用下流动，凝，凝结放出的汽化潜放出的汽化潜热必必须通通过液膜，因此，液膜厚度直接影响液膜，因此，液膜厚度直接影响了了热量量传递。珠状凝珠状凝结当凝当凝结液体不能很好的浸液体不能很好的浸润壁面壁面时，则在壁面上在壁面上形成形成许多小液珠，此多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此接接触，因此，换热速率速率远大于膜状凝大于膜状凝结（可能（可能大几倍，甚至一个数量大几倍，甚至一个数量级）gg 工工程程实实际际中中所所发发生生的的膜膜状状凝凝结结过过程程往往往往比比较较复复杂杂，受受各各种种因素的影响。因素的影响。1. 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降，减小了凝结的驱动力2. 2. 蒸气流速蒸气流速 流速流速较高高时，蒸气流，蒸气流对液膜表面液膜表面产生模型的粘滞生模型的粘滞应力。力。 如果蒸气流如果蒸气流动与液膜向下的流与液膜向下的流动同向同向时，使液膜拉薄，使液膜拉薄， 增大；反之使增大；反之使 减小。减小。 3. 凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状强强化化凝凝结结换换热热的的原原则则是是尽尽量量减减薄薄粘粘滞滞在在换换热热表表面上的液膜的厚度。面上的液膜的厚度。可用各种带有尖峰可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄，或凝的液膜拉薄，或 者使已凝结的液体者使已凝结的液体 尽快从换热表面上尽快从换热表面上 排泄掉。排泄掉。（2 2）大容器沸大容器沸腾传热模式及模式及临界界热流密度流密度CHFCHF 1414、对流部分作流部分作业题112614616636三三 、热辐射的基本概念射的基本概念1. 热辐射特点热辐射特点(1)(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)(2) 特点特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0 K，就会不停地向周，就会不停地向周围空间发出热辐射；围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形伴随能量形式的转变；式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长辐射能与温度和波长均有关；均有关；f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。电磁磁辐射包含了多种形式，而我射包含了多种形式，而我们所感所感兴趣的，即工趣的，即工业上有上有实际意意义的的热辐射区域一般射区域一般为0.11000.1100mm。电磁波的磁波的传播速度：播速度： c = f c = f 式中：式中：f f 频率，率，s-1; s-1; 波波长，mm当当热辐射投射到物体表面上射投射到物体表面上时，一般，一般会会发生三种生三种现象，即吸收、反射和穿象，即吸收、反射和穿透透，如，如图所示。所示。2.2. 物体物体对热辐射的吸收、反射和穿透射的吸收、反射和穿透 物体物体对热辐射的吸射的吸收反射和穿透收反射和穿透吸收率、反射率和透吸收率、反射率和透过率率（1 1）黑体概念）黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体上的所有热辐射能的物体，是，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。 黑体模型黑体模型3 3、黑体、黑体辐射的基本定律射的基本定律辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。长的能量总和。 (W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力E E：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内( (包含某一给定波长包含某一给定波长) )，物体，物体的单位表面积向半球空间发射的能量的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)；（2 2）热辐射能量的表示方法）热辐射能量的表示方法E E、EE关系关系: :显然，然， E E和和EE之之间具有如下关系：具有如下关系：黑体一般采用下黑体一般采用下标b b表示，如黑体的表示，如黑体的辐射力射力为EbEb，黑，黑体的体的光光谱辐射力射力为EbEb（3）黑体辐射的三个基本定律及相关性质黑体辐射的三个基本定律及相关性质 式中，式中， 波长，波长，m m ； T T 黑体温度，黑体温度，K K ； c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.742103.74210-16-16 W W m m2 2； c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 W W K K； PlanckPlanck定律定律( (第一个定律第一个定律) )：黑体光谱辐射力随波长和温度的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系依变关系。维恩位移定律：恩位移定律：mm与与T T 的的关系关系，Planck Planck 定律的定律的图示示Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律定律( (第二个定律第二个定律) )： 式中，式中，= 5.6710-8 w/(m2= 5.6710-8 w/(m2 K4)K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。黑体黑体辐射函数射函数黑体在波黑体在波长11和和22区段区段内所内所发射的射的辐射力射力特定波特定波长区段内的黑体区段内的黑体辐射力射力定定义：球球面面面面积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为立立体体角角，单位位：sr(sr(球面度球面度) )，立体角立体角黑体黑体辐射函数射函数: :定定义：单位位时间内，物体在垂直内，物体在垂直发射方向的射方向的单位面位面积上，在上，在单位立体角内位立体角内发射的一切波射的一切波长的能量的能量。 定向定向辐射射强度度L L( ( , , ) )：定向定向辐射射强度的定度的定义图Lambert Lambert 定律定律( (黑体黑体辐射的第三个基本射的第三个基本定律定律) )它它说明明黑体的定向黑体的定向辐射力随天射力随天顶角角 呈余弦呈余弦规律律变化，因此，化，因此， LambertLambert定律也称定律也称为余弦定律。余弦定律。LambertLambert定律定律图示示沿半球方向沿半球方向积分上式，可分上式，可获得了半球得了半球辐射射强度度E:E:4 4、固体和液体的、固体和液体的辐射特性射特性（1 1）发射率射率前面定前面定义了黑体的了黑体的发射特性：同温度下，黑体射特性：同温度下，黑体发射射热辐射射的能力最的能力最强，包括所有方向和所有波，包括所有方向和所有波长；真真实物体表面的物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；射能力低于同温度下的黑体；因此，定因此，定义了了发射率射率 ( (也称也称为黑度黑度) ) ：相同温度下，：相同温度下，实际物体的半球物体的半球总辐射力与黑体半球射力与黑体半球总辐射力之比射力之比: : 对应于黑体的于黑体的辐射力射力E Eb b，光，光谱辐射力射力E Eb b 和定向和定向辐射射强度度L L，分分别引入了三个修正系数，即，引入了三个修正系数，即，发射率射率 ，光，光谱发射率射率 ( ( ) )和定和定向向发射率射率 ( ( ) )，其表达式和物理意其表达式和物理意义如下如下实际物体的物体的辐射力与射力与黑体黑体辐射力之比射力之比: :实际物体的光物体的光谱辐射射力与黑体的光力与黑体的光谱辐射射力之比：力之比：实际物体的定向物体的定向辐射射强度与黑体的定向度与黑体的定向辐射射强度之比：度之比：漫漫发射的概念：表面的方向射的概念：表面的方向发射率射率 ( ( ) ) 与方向无关，即定与方向无关，即定向向辐射射强度与方向无关，度与方向无关，满足上足上诉规律的表面称律的表面称为漫漫发射射面面，这是是对大多数大多数实际表面的一种很好的近似。表面的一种很好的近似。几种金属几种金属导体在不同方向上的定向体在不同方向上的定向发射率射率 ( ( )(t=150)(t=150) )黑黑体体、灰灰体体、白白体体等等都都是是理理想想物物体体，而而实际物物体体的的辐射射特特性性并并不不完完全全与与这些些理理想想物物体体相相同同，比比如如，(1)(1)实际物物体体的的辐射射力力与与黑黑体体和和灰灰体体的的辐射射力力的的差差别见图；(2)(2) 实际物物体体的的辐射射力力并并不不完完全全与与热力力学学温温度度的的四四次次方方成成正正比比；(3)(3) 实际物物体体的的定定向向辐射射强度度也也不不严格格遵遵守守LambertLambert定定律律，等等等等。所所有有这些些差差别全全部部归于于上上面面的的系系数数，因因此此，他他们一一般般需需要要实验来来确确定定，形形式式也也可可能能很很复复杂。在在工工程程上上一一般般都都将将真真实表表面假面假设为漫漫发射面。射面。实际物体、黑体和灰体的物体、黑体和灰体的辐射能量光射能量光谱选择性吸收选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际 物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变 化，这叫选择性吸收化，这叫选择性吸收（2 2） 吸收率：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用吸收率：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表示表示，即，即非非导电体材料的光体材料的光谱吸收比同波吸收比同波长的关系的关系（4 4）灰体：光）灰体：光谱吸收比与波吸收比与波长无关的物体称无关的物体称为灰体。此灰体。此时，不管投入，不管投入辐射的分布如何，吸收比射的分布如何，吸收比 都是同一个常数。都是同一个常数。 物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同时，也为其伤透了脑筋，这是时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有灰体法，即将光谱吸收比般有灰体法，即将光谱吸收比 ( ( ) ) 等效为常数，即等效为常数，即 = = ( ( ) = const) = const。并将。并将 ( ( ) )与波长无关的物体称为灰体，与黑与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以接受的；灰体假设带来的误差是可以接受的；层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件， 为天顶角为天顶角漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面 Kirchhoff Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式注：注：(1)(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；(2)(2)灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。比例。5、辐射射传热的角系数的角系数 热热辐辐射射的的发发射射和和吸吸收收均均具具有有空空间间方方向向特特性性，因因此此，表表面面间间的的辐辐射射换换热热与与表表面面几几何何形形状状、大大小小和和各各表表面面的的相相对对位位置置等等几几个个因因素素均均有有关关系系，这这种种因因素素常常用用角角系系数数来来考考虑虑。角角系系数数的的概概念念是是随随着着固固体体表表面面辐辐射射换换热热计计算算的的出出现现与与发发展展，于于2020世世纪纪2020年年代代提提出出的的，它它有有很很多多名名称称，如如，形形状状因因子子、可可视视因因子子、交交换换系系数数等等等等。但但叫叫得得最最多多的的是是角角系系数数。值值得得注注意意的的是是，角角系系数数只只对对漫漫射射面面( (既既漫漫辐辐射射又又漫漫发发射射) )、表表面面的的发发射射辐辐射射和和投投射辐射均匀的情况下适用。射辐射均匀的情况下适用。（1 1）角系数的定义）角系数的定义 投投入入辐辐射射：单单位位时时间间内内投投射射到到单单位位面面积积上上的的总总辐辐射射能能，记记为为G G。角角系系数数：有有两两个个表表面面，编号号为1 1和和2 2，其其间充充满透透明明介介质，则表表面面1 1对表表面面2 2的的角角系系数数X X1,21,2是是：表表面面1 1直直接接投投射射到到表表面面2 2上的能量，占表面上的能量，占表面1 1辐射能量的百分比射能量的百分比。即。即有有效效辐辐射射：单单位位时时间间内内离离开开单单位位面面积积的的总总辐辐射射能能为为该该表表面面的的有有效效辐辐射射，包包括括了了自自身身的的发发射射辐辐射射E和和反射辐射反射辐射 G。G为投射辐射。为投射辐射。有效辐射示意图 同同理理，也也可可以以定定义表表面面2 2对表表面面1 1的的角角系系数数。从从这个个概概念念我我们可可以以得得出出角角系系数数的的应用用是是有有一一定定限限制制条条件件的的，即即漫射面、等温、物性均匀漫射面、等温、物性均匀（2 2） 角系数性角系数性质根据角系数的定根据角系数的定义和和诸解析式，可解析式，可导出角系数的代数性出角系数的代数性质。相相对性性 上式称上式称为角系数的完整性。若表面角系数的完整性。若表面1 1为非凹表面非凹表面时，X X1,11,1 = 0 = 0。角系数的完整性角系数的完整性完整性完整性 对于有于有n n个表面个表面组成的封成的封闭系系统，见图所示，据能量守所示，据能量守恒可得恒可得: :可加性可加性 如如图所示，表面所示，表面2 2可分可分为2a2a和和2b2b两个面，当然也可以分两个面，当然也可以分 为n n个面，个面，则角系数的可加性角系数的可加性为（3 3）角系数的）角系数的计算方法算方法 求求解解角角系系数数的的方方法法通通常常有有直直接接积分分法法、代代数数分分析析法法、几几何分析法以及何分析法以及Monte-CarloMonte-Carlo法。法。 代代数数分分析析法法是是利利用用角角系系数数的的各各种种性性质，获得得一一组代代数数方方程程，通通过求求解解获得得角角系系数数。值得得注注意意的的是是，(1)(1)利利用用该方方法法的的前前提提是是系系统一一定定是是封封闭的的，如如果果不不封封闭可可以以做做假假想想面面，令令其其封封闭；(2)(2)凹凹面面的的数数量量必必须与与不不可可见表表面面数数相相等等。下下面面以以三三个个非非凹凹表表面面组成成的的封封闭系系统为例例，面面积分分别为A A1 1，A A2 2和和A A3 3 ，则根据角系数的相根据角系数的相对性和完整性得性和完整性得: :通通过求解求解这个封个封闭的方程的方程组，可得所，可得所有角系数，如有角系数，如X X1,21,2为: :三个非凹表面三个非凹表面组成的封成的封闭系系统对于三角形封闭系统：对于三角形封闭系统：若系若系统横截面上三个表面的横截面上三个表面的长度分度分别为l l1 1，l l2 2和和l l3 3，则上式可写上式可写为下面考察两个表面的情况，下面考察两个表面的情况，假想面如假想面如图所示，根据完整所示，根据完整性和上面的公式，有性和上面的公式，有: :两个非凹表面及假想面两个非凹表面及假想面组成的封成的封闭系系统解方程解方程组得得: :该方法又被称方法又被称为交叉交叉线法法。注意：。注意：这里所里所谓的交叉的交叉线和和不交叉不交叉线都是指虚都是指虚拟面断面的面断面的线，或者，或者说是是辅助助线6 6、两表面封两表面封闭系系统的的辐射射换热两个两个稳态辐射射换热的例子，即分的例子，即分别由等温的两黑体或等温由等温的两黑体或等温的两漫灰体的两漫灰体组成的封成的封闭系系统内的表面内的表面间辐射射换热。封。封闭系系统内充内充满不吸收任何不吸收任何辐射的透明介射的透明介质。所采用的方法称。所采用的方法称为“净热量量”法。法。黑体系黑体系统的的辐射射换热（1）黑体表面）黑体表面 如图所示，如图所示，黑表面黑表面1 1和和2 2之间的辐射换热量为之间的辐射换热量为（2 2）漫灰表面）漫灰表面 灰灰体体间的的多多次次反反射射给辐射射换热的的计算算带来来麻麻烦，此此时需需要要采采用用前前面面讲过的的投投入入辐射射G G和和有有效效辐射射J J的的概概念念。下下面面在在假假设表表面面物物性性和和温温度度已已知知的的情情况况下下，考考察察J J与与表表面面净辐射射换热量量之之间的的关关系系，为计算算漫漫灰灰表表面面间的的辐射射换热作作准准备。如如图所示，所示，对表面表面1 1来来讲，净辐射射换热量量q q为消去上式中的消去上式中的G G1 1，并考，并考虑到到 ，可得，可得即：即：于是有于是有 两个物体两个物体组成的成的辐射射换热系系统7 7、多表面系多表面系统的的辐射射传热 净热量量法法虽然然也也可可以以用用于于多多表表面面情情况况，当当相相比比之之下下网网络法法更更简明明、直直观。网网络法法( (又又称称热网网络法法，电网网络法法等等) )的的原原理理，是是用用电学学中中的的电流流、电位位差差和和电阻阻比比拟热辐射射中中的的热流流、热势差差与与热阻阻，用用电路路来来比比拟辐射射热流流的的传递路路径径。但但需需要要注注意意的的是是，这两两种种方方法法都都离离不不开开角角系系数数的的计算算，所所以以，必必须满足足漫漫灰灰面面、等等温温、物物性性均均匀匀以以及及投投射射辐射射均均匀匀的四个条件。的四个条件。(1) 热势差与热阻热势差与热阻改写为：改写为：式中，式中， 称为表面热势差；称为表面热势差； 被称为辐射被称为辐射的的表面热阻表面热阻。外部：外部：内部：内部：式中，式中， 是空是空间热势差，差， 则是空是空间辐射射热阻，如阻，如图所示，可所示，可见，每一，每一对表面就有一个表面就有一个辐射的射的空空间热阻阻。 空空间辐射射热阻阻求解上面方程求解上面方程组获得得 ，根据：，根据： 计算算净辐射射热流，其中流，其中i i 代表表面代表表面1 1或表面或表面2 2。在在上上面面的的过程程中中需需要要注注意意的的是是(1)(1)节点点的的概概念念；(2)(2)每每个个表表面面一一个个表表面面热阻阻，每每对表表面面一一个个空空间热阻阻；(3)(3)以以及及画画电路路图的的一一些些基基本本知知识。下下面面再再来来看看一一下下三三个个表表面面的的情情况况，与与两两个个表表面面相相似似，首首先先需需要要画画出等效网出等效网络，然后，列出各，然后，列出各节点的方程。点的方程。由三个表面由三个表面组成的封成的封闭系系统三表面封三表面封闭腔的等效网腔的等效网络图节点点 的的热流方程如下流方程如下：求解上面的方程求解上面的方程组，再，再计算算净换热量量。A A 画等效电路图；画等效电路图；B B 列出各节点的热流列出各节点的热流( (电流电流) )方程组；方程组；C C 求解方程组，以获得各个节点的等效辐射；求解方程组，以获得各个节点的等效辐射；D D 利用公式利用公式 计算每个表面的净辐计算每个表面的净辐 射热流量。射热流量。总结上面上面过程，可以得到程，可以得到应用网用网络法的基本步法的基本步骤如下如下：b b 有一个表面有一个表面绝热，即，即该表面的表面的净换热量量为零。其网零。其网络图见图b b 和和c c，与黑体不同的是，此，与黑体不同的是，此时该表面的温度表面的温度是未知的。同是未知的。同时，它仍然吸收和，它仍然吸收和发射射辐射，只是射，只是发出的出的和吸收的和吸收的辐射相等。由于，射相等。由于，热辐射具有方向性，因此，射具有方向性，因此，他仍然影响其它表面的他仍然影响其它表面的辐射射换热。这种表面温度未定而种表面温度未定而净辐射射换热量量为零的表面被称零的表面被称为重重辐射面射面。(3) (3) 两个重要特例两个重要特例a a 有一个表面有一个表面为黑体。黑体的表面黑体。黑体的表面热阻阻为零。其网零。其网络图见图a a。此。此时，该表面的温度一般是已知的表面的温度一般是已知的。 三表面系三表面系统的两个特例的两个特例 8、辐射射传热的的强化与削弱化与削弱由于工程上的需求，由于工程上的需求，经常需要常需要强化或削弱化或削弱辐射射换热。强化化辐射射换热的主要途径有两种：的主要途径有两种： (1) (1) 增加增加发射率；射率；(2) (2) 增加角系数。增加角系数。削弱削弱辐射射换热的主要途径有三种：的主要途径有三种： (1) (1) 降低降低发射率；射率；(2) (2) 降低角系数；降低角系数； (3) (3) 加入遮加入遮热板板。插入遮插入遮热板相当于降低了表面板相当于降低了表面发射率。射率。9 9、气体气体辐射的特点及射的特点及计算算在在工工程程中中常常见的的温温度度范范围内内， 和和 具具有有很很强的的吸吸收收和和发射射热辐射射的的本本领，而其他的气体，而其他的气体则较弱。弱。气体气体辐射的特点射的特点 (1) (1) 气体气体辐射射对波波长具有具有选择性性。它只在某它只在某谱带内具有内具有发射和吸收射和吸收辐射的本射的本领，而，而对于其他于其他谱带则呈呈现透明状透明状态。 (2) (2) 气气体体的的辐射射和和吸吸收收是是在在整整个个容容积中中进行行的的。这是是由由于于辐射射可可以以进入入气气体体，并并在在其其内内部部进行行传递，最最后后有有一一部部分分会会穿穿透透气气体体而而到到达达外外部部或或固固体体壁壁面面，因因而而，气气体体的的发射射率率和和吸吸收收比比还与与容容器器的的形形状状和和容容积大大小小有关有关。 （3 3）温室效温室效应原理原理10、辐射部分作射部分作业题120926929930四、四、传热过程与程与换热器器1 1 通通过平壁的平壁的传热K K的的计算算公式？公式？说明明： (1) h (1) h1 1和和h h2 2的的计算；（算；（2 2）如果）如果计及及辐射射时对流流换热系数系数应该采用等效采用等效换热系数系数( (总表面表面传热系数系数) )2 2 通通过圆管的管的传热hiho内部内部对流流：圆柱面柱面导热：外部外部对流流：其中：其中：3 3 通通过肋壁的肋壁的传热肋面总效率：肋面总效率：各各项热阻阻其中以光壁面其中以光壁面积为基准的基准的k k：4 4带保温层的圆管传热带保温层的圆管传热临界热绝缘直径临界热绝缘直径d dcrcr=2/h=2/h圆管外敷保温管外敷保温层后：后：可可见，保温保温层使得使得导热热阻增加，阻增加，换热削弱；另一方面，降削弱；另一方面，降低了低了对流流换热热阻，使得阻，使得换热赠强，那么，那么，综合效果到底是合效果到底是增增强还是削弱呢？是削弱呢？这要看要看d d /dd/ddo2 o2 和和d d2 2 /dd/ddo2o22 2的的值可可见，确确实是有一个极是有一个极值存在，那么，到底是极大存在，那么，到底是极大值，还是是极小极小值呢？从呢？从热量的基本量的基本传递规律可知，律可知，应该是极大是极大值。也。也就是就是说，d do2o2在在d do1o1 d dcrcr之之间， 是增加的，当是增加的，当d do2o2大于大于d dcrcr时， 降低。降低。oror5 5、换热器的器的类型及平均温差的型及平均温差的计算算（1 1）换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，以）换热器的定义：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满足规定的工艺要求的装置（2 2）换热器的分类：间壁式、直接接触式、回热式）换热器的分类：间壁式、直接接触式、回热式（3 3）传热方程：传热方程：（4 4）对数平均温差）对数平均温差(LMTD)顺流：流：逆流：逆流：可以将可以将对数平均温差写成如下数平均温差写成如下统一形式一形式( (顺流和逆流都适用流和逆流都适用) )dtdth hdtdtc ct th ht tc c交叉流：交叉流：关于关于 （1 1） 值取决于无量取决于无量纲参数参数 P P和和 R R式中：下式中：下标1 1、2 2分分别表示两种流体，上角表示两种流体，上角标 表示表示进口，口， 表示出口，表示出口，图表中均以表中均以P P为横坐横坐标，R R为参量。参量。（3 3）R R的物理意的物理意义：两种流体的：两种流体的热容量之比容量之比（2 2）P P的物理意的物理意义：流体：流体2 2的的实际温升与理温升与理论上所能达到上所能达到 的最大温升之比，所以只能小于的最大温升之比，所以只能小于1 1（4 4） 对于管壳式于管壳式换热器，器，查图时需要注意流需要注意流动的的“程程”数数6 6、各种流、各种流动形式的比形式的比较(1)(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)(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，逆流布置时的换热最强。可见，逆流布置时的换热最强。InOutInOut(3(3) ) 那么是不是所有的那么是不是所有的换热器都器都设计成逆流形式的就最好呢成逆流形式的就最好呢？不是，因？不是，因为一台一台换热器的器的设计要考要考虑很多因素，而不很多因素，而不仅仅是是换热的的强弱。比如，逆流弱。比如，逆流时冷冷热流体的最高温度均出流体的最高温度均出现在在换热器的同一器的同一侧，使得，使得该处的壁温特的壁温特别高，可能高，可能对换热器器产生破坏，因此，生破坏，因此，对于高温于高温换热器，又是需要故意器，又是需要故意设计成成顺流流(4) (4) 对于有相于有相变的的换热器，如蒸器，如蒸发器和冷凝器，器和冷凝器，发生相生相变的的流体温度不流体温度不变，所以不存在，所以不存在顺流流还是逆流的是逆流的问题。xTIn OutxTIn Out冷凝冷凝蒸蒸发7 7、间壁式换热器的热设计、间壁式换热器的热设计 换热器热计算：换热器热计算：设计计算设计计算和和校核计算。校核计算。(1)(1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积(2)(2)校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设 计工况条件下，核算能否胜任规定的新任务计工况条件下，核算能否胜任规定的新任务。换热器器热计算的基本方程式是算的基本方程式是传热方程式及方程式及热平衡式平衡式式中，式中， 不是独立不是独立变量，因量，因为它取决于它取决于 以及以及换热器的布置。另外，根据器的布置。另外，根据热平衡式平衡式可知，一旦可知，一旦 和和 以及以及 中的三个已知的中的三个已知的话，我，我们就可以就可以计算出另外一个温度。因此，上面的两个方程算出另外一个温度。因此，上面的两个方程中共有中共有8 8个未知数，即个未知数，即需要需要给定其中的定其中的5 5个个变量，才可以量，才可以计算另外三个算另外三个变量。量。对于于设计计算而言，算而言，给定的是定的是 ，以及，以及进出口出口温度中的三个，最温度中的三个，最终求求对于校核于校核计算而言，算而言，给定的一般是定的一般是 ，以及，以及2 2个个进口口温度，待求的是温度，待求的是换热器的热计算有两种方法：对数平均温压法换热器的热计算有两种方法：对数平均温压法 效能效能- -传热单元数传热单元数( ( -NTU-NTU) )法法对数平均温压法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热对数平均温压法：就是直接应用传热方程和热平衡方程进行热 计算，其具体步骤如下：计算，其具体步骤如下：对于设计计算（已知对于设计计算（已知 ，及进出口温度中的三个，及进出口温度中的三个，求求 ）(1)(1)初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k k(2)(2)根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度的温度(3)(3)由冷热流体的由冷热流体的4 4个进出口温度确定平均温差个进出口温度确定平均温差 由传热方程式计算所需的换热面积由传热方程式计算所需的换热面积A A，并核算换热面流体的流，并核算换热面流体的流动阻力动阻力如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。对于校核计算（已知对于校核计算（已知 ，及两个进口温度，求，及两个进口温度，求 ）(1)(1)先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度度(2)(2)根据根据4 4个进出口温度求得平均温差个进出口温度求得平均温差(3)(3)根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k k(4)(4)已知已知kAkA和和 ，按传热方程式计算在假设出口温度下的，按传热方程式计算在假设出口温度下的(5)(5)根据根据4 4个进出口温度，用热平衡式计算另一个个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个值和，这个值和上面的上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量真实的换热量(6)(6)比较两个比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复出口温度，重复(1)(6)(1)(6)，直至满足精度要求，直至满足精度要求。 8 8、换热器的器的结垢及垢及污垢垢热阻阻 污垢增加了垢增加了热阻，使阻，使传热系数减小，系数减小，这种种热阻成阻成为污垢垢热阻，用阻，用R Rf f表示，表示，式中：式中：k k为有有污垢后的垢后的换热面的面的传热系数，系数，k0k0为洁净换热面面 的的传热系数。系数。对于两于两侧均已均已结垢的管壳式垢的管壳式换热器，以管子外表面器，以管子外表面为计算依算依据的据的传热系数可以表示成：系数可以表示成：如果管子外壁没有肋化，如果管子外壁没有肋化，则肋面肋面总效率效率 o = 1o = 1。污垢垢热阻可以在阻可以在查表得到。表得到。