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1、传热原理课件传热原理课件本章节主要内容：本章节主要内容：n传热的基本概念传热的基本概念n传导传热传导传热n对流换热对流换热n辐射传热辐射传热2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。律和热力学第二定律。在材料技术领域大量存在传热问题在材料技术领域大量存在传热问题3在材料技术领域存在节能问题在材料技术领域存在节能问题42.1传热基本概念2.1.1 传热基本条件传热基本条件传热传热热量传递的过程热量传递的过程基本条件基本条件物体间存在温度差物体间存在温度差低温端高温端5特点：特点：物体各部位不发生宏观相对
2、位移物体各部位不发生宏观相对位移热量从铁丝的高温端传热量从铁丝的高温端传递到低温端，但铁丝外观未递到低温端，但铁丝外观未变化。变化。2.1.2 传热的基本方式传热的基本方式（1）传导传热传导传热：依靠物体微观粒子的热运动而传递热量。依靠物体微观粒子的热运动而传递热量。6导热机理：导热机理：气体分子不规则运动时相互碰撞；气体分子不规则运动时相互碰撞；导电固体自由电子；导电固体自由电子；非导电固体晶格振动产生的弹性波；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。液体兼有气体和非导电固体的机理。7 （2）对流传热：）对流传热：依靠流体质点的宏观位移而传热。依靠流体质点的宏观位移而
3、传热。火焰通过周围气体火焰通过周围气体的运动对流能将热的运动对流能将热量从周围向其它地量从周围向其它地方传递方传递单纯对流传热单纯对流传热发生于流体内、流体之间发生于流体内、流体之间流体与固体表面之间的传热流体与固体表面之间的传热对流换热对流换热8（3）辐射传热）辐射传热：不借助于媒介物，热量以热射线形式从不借助于媒介物，热量以热射线形式从 高温物体传向低温物体高温物体传向低温物体太阳能以辐射形式透过太阳能以辐射形式透过广阔真空，传递到地球，广阔真空，传递到地球，不需要媒介。不需要媒介。9导热、对流、辐射的评述导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在导热、对流两种热量
4、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，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可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。最有效。在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。随有能量形式的转化。10在辐射时，辐射体内热能在辐射时，辐射体内热能 辐射能；在吸收时，辐射能；在吸收时，辐射能辐射能 受射体内热能，因此，辐射换热过程受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。是一种能量互变过程。辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，辐射换热是一种双向热流
5、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。物体向高温物体辐射热能。11辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，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。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。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。射区别于导热，对流的基本特点。12稳定温度场稳
6、定温度场：t=f(x,y,z)热量从高温面热量从高温面向其对面传递向其对面传递2.1.3 温度场温度场 等温面等温面 等温线等温线 温度梯度温度梯度（1）温度场）温度场定义：定义：传热过程中，物体内部所有点的温度分布情况。传热过程中，物体内部所有点的温度分布情况。不稳定温度场不稳定温度场：t=f(x,y,z,)类型类型一维稳定温度场：一维稳定温度场：t=f(x)13热量从高温面向侧面、热量从高温面向侧面、对面传递对面传递二维稳定温度场：二维稳定温度场：t=f(x,y)14热量从高温面向两侧面、热量从高温面向两侧面、对面、上下底面传递对面、上下底面传递三维稳定温度场：三维稳定温度场：t=f(x,
7、y,z)15等温面被平面所切产生等温面被平面所切产生等温线等温线定义：定义：温度场中所有温度相同温度场中所有温度相同 的点构成的面。的点构成的面。（2）等温面）等温面（3）等温线）等温线定定义义：用用一一个个平平面面与与各各等等温温面面相相交交，在在这这个个平平面面上上得得到到一一个个等等温温线线簇。簇。16等温面与等温线的特点：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。）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）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
8、的边界上。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。同一等温面、线上无热流，不同的等温面、线之间存在热流。（4）若若温温度度间间隔隔相相等等时时，等等温温线线的的疏疏密密可可反反映映出出不不同同区区域域导导热热热热流密度的大小。流密度的大小。17（4）温度梯度）温度梯度定义：定义：温度场中，两等温面间温度差与其法线方向温度场中，两等温面间温度差与其法线方向 两等温面间距离比值的极限。两等温面间距离比值的极限。(/m)(/m)注意：温度梯度方向注意：温度梯度方向指向指向温度升高温度升高方向，方向，与热流方向相反与热流方向相
9、反数学表达式：数学表达式：单向稳定温度场：单向稳定温度场：tt-tt+t182.1.4 热流热流 传热量传热量温度场内有温度差存在时，热量将从高温流向低温。温度场内有温度差存在时，热量将从高温流向低温。热流热流定义定义：单位时间内，通过单位面积传递的热量称为热流，用单位时间内，通过单位面积传递的热量称为热流，用q表示，单位表示，单位W/m2。热流是矢量，与温度梯度方向相反。热流是矢量，与温度梯度方向相反。传热量传热量：单位时间内，通过总传热面积单位时间内，通过总传热面积F传递的热量，用传递的热量，用Q表示。表示。（W）192.1.5 稳定传热与不稳定传热稳定传热与不稳定传热稳定传热稳定传热稳定
10、温度场内的传热稳定温度场内的传热传热量不随时间变化传热量不随时间变化不稳定传热不稳定传热不稳定温度场内的传热不稳定温度场内的传热传热量随时间变化传热量随时间变化202.2 传导传热传导传热 2.2.1导热的基本定律（傅立叶定律）导热的基本定律（傅立叶定律）数学表达式数学表达式 热流的方向热流的方向与温度梯度相反与温度梯度相反（w/m2）导热系数导热系数单位时间、单位面积上通过单位时间、单位面积上通过的热量与温度梯度成正比。的热量与温度梯度成正比。内容内容21应用傅立叶定律时注意点：应用傅立叶定律时注意点：1、负号、负号“”表示热量传递指向温度降低的方向，表示热量传递指向温度降低的方向，n是通过
11、该点的等温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；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；、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、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；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、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。论物质的形
12、态（固、液、气），傅立叶定律都是适用的。222.2.2 导热系数导热系数(w/m.）物体内温度梯度为物体内温度梯度为1/m时，时，单位时间、单位面积上的传热量。单位时间、单位面积上的传热量。2.2.2.1 气体导热系数气体导热系数大小：大小：0.00580.58 W/m.特点：特点：（1）t,（2）在不太大的压力下）在不太大的压力下,可以认为可以认为与压力无关与压力无关 （3）混合气体的导热系数不遵循加和法则。）混合气体的导热系数不遵循加和法则。232.2.2.2 液体的导热系数液体的导热系数 =0.0930.7 W/m.特点：特点：除水、甘油外，一般液体除水、甘油外，一般液体t,2.2.2.
13、3 固体导热系数固体导热系数（1 1）金属）金属 =2.3418 W/m.，纯银最大，纯铜次之，纯银最大，纯铜次之 特点：特点：t,合金合金纯金属纯金属（2）建筑材料）建筑材料 =0.162.2 W/m.24（4）绝热材料）绝热材料 0.25 W/m.特点：特点：t,晶体晶体（3）耐火材料）耐火材料 =1.116 W/m.特点：特点：t,，镁质耐火材料例外。，镁质耐火材料例外。特点：特点：t,与材料结构、空隙率、湿度、密度等因素有关。与材料结构、空隙率、湿度、密度等因素有关。25说明：说明：导热系数导热系数 是表征材料导热性能优劣的参数，是一种是表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，与材
14、料的种类和温度有关。物性参数，与材料的种类和温度有关。单位：单位：W/m。262.2.2.4 影响影响的因素的因素 温度的影响温度的影响与温度间呈线性关系与温度间呈线性关系t=0+bt密度密度,密度的影响密度的影响湿度的影响湿度的影响湿度湿度，27导热微分方程导热微分方程热焓的增量热焓的增量=传入物体的热量传入物体的热量传出物体的热量传出物体的热量282.2.3稳定导热传热量的计算稳定导热传热量的计算2.2.3.1单层平壁导热单层平壁导热分离变量并积分分离变量并积分:据付立叶定律据付立叶定律29平均温度平均温度时时平壁的导热系数平壁的导热系数单层壁的导热热阻：单层壁的导热热阻：单层壁的导热量：
15、单层壁的导热量：热阻分析法适用于一维、稳态、无内热源的情况热阻分析法适用于一维、稳态、无内热源的情况30导热导热比较比较电流从高电位到低电位电流从高电位到低电位电流电流产生电流的基本条件是电位差产生电流的基本条件是电位差物体对电流有电阻物体对电流有电阻热流量与温度差成正比热流量与温度差成正比与热阻成反比与热阻成反比热流从高温到低温热流从高温到低温热流热流产生热流的基本条件是温度差产生热流的基本条件是温度差物体对热流有热阻物体对热流有热阻热流量与温度差成正比热流量与温度差成正比与热阻成反比与热阻成反比导电导电31计算所需保温层的厚度计算所需保温层的厚度已知已知q，t1，t2，求，求 计算物质的计
16、算物质的导热系数导热系数已知已知q q，t t1 1，t t2 2，求求工程上的应用：工程上的应用：计算炉墙等物计算炉墙等物体的散热损失体的散热损失已知已知，t1，t2，求，求q32计算炉墙等物体计算炉墙等物体的内外壁温度的内外壁温度已知已知q q，t t1 1（t t2 2），求），求t t2 2（t t1 1）【例例】假设某窑炉耐火砖壁厚假设某窑炉耐火砖壁厚0.5米，内壁面温度为米，内壁面温度为1000，外壁面温度，外壁面温度0，耐火砖导热系数为：，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，求通过炉壁的热流及炉壁内的温度分布？度分布？推算炉壁不
17、同厚度处的推算炉壁不同厚度处的温度分布温度分布33（2）平壁的平均导热系数：）平壁的平均导热系数：（3）平壁的热流：）平壁的热流：（w/m.）【解解】（1）炉壁的平均温度）炉壁的平均温度:342.2.3.2 多层平壁的导热多层平壁的导热v多层平壁：多层平壁：由几层不同材料组成由几层不同材料组成v例例：房房屋屋的的墙墙壁壁 白白灰灰内内层层、水水泥泥沙沙浆浆层层、红红砖砖（青青砖）主体层等组成砖）主体层等组成v假假设设各各层层之之间间接接触触良良好好，可可以以近近似似地地认认为为接接合合面面上上各各处处的的温度相等温度相等35如图：如图：三层壁厚度分别为三层壁厚度分别为1、2、3，平均导热系数分
18、别为，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，各层材料间接触良好，相接触的两表面具有相同的温度。表面具有相同的温度。稳定传热稳定传热q=q1=q2=q3据单层平壁导热公式可推得：据单层平壁导热公式可推得：36n层层平壁的导热平壁的导热：多层壁的导热与串多层壁的导热与串联电路类似联电路类似总热阻为各层总热阻为各层热阻之和热阻之和37应用公式应用公式注意的问题注意的问题（1）多层壁中，壁与壁的接触应良好，相接的两表面应具有相多层壁中，壁与壁的接触应良好，相接的两表面应具有相同的温度。避免接触热阻产生大的计算误差。同的温度。避免接触热阻产生大的计算误差。（2）导热系数与温度有关
19、，而中间层温度未知时，各层材料的导热系数与温度有关，而中间层温度未知时，各层材料的平均值无法求得，可采用尝试误差法求解。平均值无法求得，可采用尝试误差法求解。38交界面交界面温度未知温度未知热流热流（W/m.）（W/m.）(W/m2)【例例】设有一窑墙，用粘土砖和红砖砌筑，厚度均为设有一窑墙，用粘土砖和红砖砌筑，厚度均为230毫米，毫米，窑墙内表面温度窑墙内表面温度1200，外表面温度，外表面温度100，求每平方米窑墙散，求每平方米窑墙散热损失（热损失（粘土砖粘土砖=0.70+0.5510-3t，红砖红砖=0.46+0.4410-3t）。）。【解解】假设交界面温度为假设交界面温度为600600
20、，则：，则：39校核交界面温度：校核交界面温度：（）与假设相比，误差与假设相比，误差=重新假设交界面温度为重新假设交界面温度为830（W/m.）（W/m.）误差超过误差超过5%热流热流(W/m2)40（）校核交界面温度：校核交界面温度：与假设温度相比，误差与假设温度相比，误差由此可知窑墙散热损失由此可知窑墙散热损失2080w/m2。误差小于误差小于5%41【例】：【例】：某窑炉炉墙由耐火粘土砖、硅藻土砖与红砖砌成，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硅藻土砖与红砖的厚度分别为40mm和和250mm，导热系数分，导热系数分别为别为0.13和和0.39W/m，如果
21、不用硅藻土层，但又希望窑炉墙，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？的散热维持原状，则红砖必须加厚到多少毫米？422.2.3.3复合平壁导热复合平壁导热 复合壁：复合壁：高度和宽度方向上，由几种不同材料砌成。高度和宽度方向上，由几种不同材料砌成。2 2 、3 3 、4 4应接近应接近利用热阻串联和利用热阻串联和并联的方法确定并联的方法确定总热阻总热阻R432.2.3.4单层圆筒壁导热单层圆筒壁导热据付立叶定律可导出公式据付立叶定律可导出公式:44:对数平均半径对数平均半径对数平均面积对数平均面积圆筒壁热阻圆筒壁热阻公式另一表达式公式另一表达式:当当r2/r1
22、109时，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。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。86工程中广泛使用的是下面的关联式：工程中广泛使用的是下面的关联式：式中：式中：定性温度定性温度采用采用 定性长度定性长度的选择：的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。柱取外径。8788【例】【例】有一根水平放置的有一根水平放置的高压水蒸气管道，绝热层外径高压水蒸气管道，绝热层外径d583mm，外，外壁温度壁温度tw=48，周围空气温度，周围空气温度tf=23，试计算每米蒸汽管道上通过自，试计算每米蒸汽管道上通过自然对流的散热量。然对流的散热量。
23、【解】【解】每米管道上的对流散热量每米管道上的对流散热量关键：求出关键：求出先计算先计算Gr以判别流态。以判别流态。根据流态性质查表根据流态性质查表26求出相关参数求出相关参数89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。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，引入当量导热系数数2.3.6.2 有限空间中的自然对流换热有限空间中的自然对流
24、换热90对流换热量：对流换热量：（W/m2）相当于对流相当于对流换热换热Nu查表查表2-7所得。所得。91（1）竖夹层竖夹层恒壁温条件下空气在竖夹层的准则关系式为：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：公式准则的定性温度为：tm=(tw1+tw2)/292（2）水平夹层）水平夹层水平夹层中在恒壁温情况下的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：空气自然对流换热计算公式为：93【例】【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。已知夹层厚度为度为25.0mm，高为，高为200mm，热表面温度为，热
25、表面温度为150，冷表面温度为，冷表面温度为50。【解】先计算夹层中空气的平均温度：【解】先计算夹层中空气的平均温度：查附录五得查附录五得100空气的物性参数：空气的物性参数：W/(m)m2/s计算计算Grf：94查表查表27中的计算式，求中的计算式，求W/(m)计算对流还热量为：计算对流还热量为：W/m2952.3.7 流体强制流动时的对流换热流体强制流动时的对流换热 2.3.7.1 管内强制对流管内强制对流 2.3.7.1.1 管内强制对流流动和换热的特征管内强制对流流动和换热的特征 （1）流流动动有有层层流流和和湍湍流流之之分分。无无论论是是层层流流还还是是湍湍流流，都都存存在在入口段，
26、且入口处的换热很强。入口段，且入口处的换热很强。层流：层流：Re 2300 过渡区：过渡区：2300 Re 10496（2）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。管内流动换热示意图管内流动换热示意图97表面传热系数随边界层发展的变化情况：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。从入口处的最大值逐渐下降，最后趋于一个稳定值。(a)层层 流流 (b)湍湍 流流98（3）热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种）热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种 湍流：湍流：两种边界条件影响可忽略不计，即换热的两种边界条件影响可忽略不计，即换热
27、的Nu一样。一样。层流：层流：两种边界条件下的换热系数差别明显（两种边界条件下的换热系数差别明显（Nu有差别有差别)。99（4）特征速度及定性温度的确定）特征速度及定性温度的确定 特特征征速速度度：计计算算Re数数时时用用到到的的流流速速，一一般般多多取取截截面平均流速。面平均流速。定定性性温温度度：计计算算物物性性的的定定性性温温度度多多为为截截面面上上流流体体的平均温度的平均温度（或进出口截面平均温度）。（或进出口截面平均温度）。100（一）湍流对流换热（一）湍流对流换热DittusBoelter迪贝公式：迪贝公式：式中：式中：定定性性温温度度为为管管道道进进、出出口口两两个个截截面面处处
28、流流体体平平均均温温度度的的算算术术平平均均值值，特特征征流流速速为为馆馆内内平平均均流流速速，特特征征长长度度为为管管内内径径。当当管管子子为为非园截面时，取当量直径：非园截面时，取当量直径：2.3.7.1.2管内强制对流换热管内强制对流换热 加热流体时加热流体时n=0.4冷却流体时冷却流体时n=0.3F通道截面积通道截面积U润湿周长润湿周长101公式适用范围：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的水力光滑管。此时入口段的影响可忽略不计；计；2）流体与壁面具有中等以下温差，一般气体不超过）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，水不超过2030
29、，油不超过，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；）对恒壁温和恒热流边界条件均适用；5）不适用于）不适用于Pr数很小的液态金属。数很小的液态金属。102按上式求出按上式求出Nu及对流换热系数及对流换热系数，即可按下式，即可按下式求出热流量求出热流量q或或Q：103温度超过以上温度超过以上 幅度时，可用公式：幅度时，可用公式：其中，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。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。管内径作为定性尺寸。适用范围：适用范围：Ref=1045106
30、,Prf=0.62500104对于短管（对于短管（l/d50），其准数关系式为：），其准数关系式为：需乘以修正系数。需乘以修正系数。迪贝公式也可简化为：迪贝公式也可简化为：W流体在管道内的流速；流体在管道内的流速；d管道内径或内当量直径；管道内径或内当量直径；An与流体种类有关的系数，查表与流体种类有关的系数，查表29所得。所得。105（二）层流换热（二）层流换热 SiederTate公式：公式：适用范围为：适用范围为：Ref2300，Prf0.6，RefPrf(d/l)10定性温度定性温度为流体平均温度为流体平均温度tf（w按壁温按壁温tw确定确定），），管内径管内径为特为特征长度。征长度。
31、106（三）过渡流区换热（三）过渡流区换热豪森公式：豪森公式：107 外外部部流流动动：换换热热壁壁面面上上的的流流动动边边界界层层与与热热边边界界层层能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。横掠单管：横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过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，还会发生绕流脱管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。体。2.3.7.2 外部流动强制对流换热外部流动强制对流换热108109准则关系式：准则关系式：适用范围：适用范围：1Ref1000适用范围：适用范围：10001000ReRef f21021
32、05 5上两式中，上两式中，定性尺寸为管外径定性尺寸为管外径。对于气体，修正项一。对于气体，修正项一般可以略去。般可以略去。110 边边界界层层的的成成长长和和脱脱体体决决定定了了外外掠掠圆管换热的特征。圆管换热的特征。右右图图为为横横掠掠圆圆管管局局部部换换热热系系数数的的变化变化111横掠管束换热横掠管束换热v外掠管束在换热器中最为常见。外掠管束在换热器中最为常见。v通通常常管管子子有有叉叉排排和和顺顺排排两两种种排排列列方方式式。叉叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。排换热强、阻力损失大并难于清洗。影响管束换热的因素除影响管束换热的因素除 数外，还有：数外，还有：叉排或顺排叉排或顺排；管间
33、距管间距；管束排数管束排数等。等。112叉排和顺排排列方式叉排和顺排排列方式:113 后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传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热系数的影响直到10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，先给出不考虑排数影响的关联式，这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用再采用管束排数管束排数的因素作为修正系数。的因素作为修正系数。（参见表（参见表2-10）114准则关系式：准则关系式：式中，式中，x1 和和 x2 分别为垂直于流动方向和沿着流动方向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，而上的管子之间的距离，而z为
34、管排数目的修正系数。此公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。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流道中最窄处最窄处的流速，定性温度为流体平均温度。的流速，定性温度为流体平均温度。115当排数大于当排数大于10时，管簇的平均换热系数参照表时，管簇的平均换热系数参照表211公式计算。公式计算。若流体横向掠过管面的冲击角小于若流体横向掠过管面的冲击角小于90时，换热系数时，换热系数会减小，因乘以修正系数会减小，因乘以修正系数（参照表（参照表212）116流体沿平壁表面
35、流动时的对流换热流体沿平壁表面流动时的对流换热当当Ref105当当Ref105117【例】【例】空气以空气以10m/s的速度流过直径为的速度流过直径为50mm、长为、长为1.75m的管道，管壁温度为的管道，管壁温度为150，如果空气的平均温度为，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。，求空气对管道内壁的对流换热系数。118【解】【解】（1）空气在）空气在100的物性参数：的物性参数：（2）计算）计算Re，判断流动状态：，判断流动状态：（3）代入公式计算：）代入公式计算：为湍流为湍流119（4）计算对流换热系数：）计算对流换热系数：（5）故还需乘以修正系数，查表故还需乘以修
36、正系数，查表2-8W/（m2）120【例】【例】一水平封闭夹层，上下表面间距一水平封闭夹层，上下表面间距，夹层，夹层内冲面压力为内冲面压力为1.013105Pa的空气。一个表面温度为的空气。一个表面温度为80，另一个表面温度为另一个表面温度为40。试计算热表面在冷表面之上及在冷。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。表面之下两种情形通过单位面积夹层的传热量之比。121【解】本题为有限空间自然对流换热问题。【解】本题为有限空间自然对流换热问题。定性温度：定性温度：空气物性参数：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：当热表面在上时，夹层内无
37、自然对流，仅有导热：W/mm2/s122当热面在下时，夹层中有自然对流：当热面在下时，夹层中有自然对流：查表查表2-7中的计算式，求中的计算式，求1232.3 辐射换热辐射换热1241 定义：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体的温度只要高于高于“绝对零度绝对零度”，便会不停地向外发射电磁便会不停地向外发射电磁波。波。2.3.1热辐射的基本概念热辐射的基本概念125由于热的原因而发生的辐射由于热的原因而发生的辐射热辐射热辐射取决于温度取决于温度能被物体吸收并转变成热能的部分电磁波能被物体吸收并转变成热能
38、的部分电磁波热射线热射线辐射传热辐射传热物体之间相互辐射和吸收热过程的总效果物体之间相互辐射和吸收热过程的总效果1262 特点特点a任何物体任何物体只要温度高于只要温度高于0 K，就会不，就会不停地向周围空间发出热辐射；停地向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播，不需要介质；可以在真空中传播，不需要介质；c伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；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均有关辐射能与温度和波长均有关；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。127透过率吸收率反射率A+R+D=13 物体物体对热辐对热辐射的吸收、反射和穿透射的吸收、反射和穿透1
39、28几种特殊情况几种特殊情况绝对黑体绝对黑体A=1，R=D=0绝对透热体绝对透热体D=1，A=R=0绝对白体：绝对白体：R=1，A=D=0129对于黑体：对于黑体：对于镜体或白体：对于镜体或白体：对于透热体：对于透热体：对于大多数固体和液体：对于大多数固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：130反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种镜反射镜反射 漫反射漫反射131一般来说，一般来说，物体表面愈粗糙愈接近黑体；物体表面愈粗糙愈接近黑体；白色物体吸收率不一定最小；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物性、表面状态和温度是影响热辐射吸收和反射
40、的决定性因素，而不是物体表面颜色。射的决定性因素，而不是物体表面颜色。1324 黑体辐射模型黑体辐射模型 小孔尺寸愈小，小孔尺寸愈小，愈接近黑体愈接近黑体在空心体的壁面在空心体的壁面上所开的小孔上所开的小孔具有黑体的性质具有黑体的性质黑体概念：黑体概念：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物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。却可以人工制造出近似的人工黑体。133（1）辐射力）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单位时间内，从物
41、体单位表面上向半球面空间发射的所有波长的能量总和。的所有波长的能量总和。2.3.2.1 热辐热辐射能量的表示方法射能量的表示方法2.3.2热辐射的基本定律热辐射的基本定律134（2）单色辐射力）单色辐射力E(W/m3)：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波包含某一给定波长长)，物体单位表面积向半球空间发射的能量。，物体单位表面积向半球空间发射的能量。135E、E关系关系:黑体一般采用下标黑体一般采用下标“0”“0”表示，如黑体的辐表示，如黑体的辐射力为射力为E E0 0，黑体的，黑体的单色辐射力单色辐射力为为E E,0,0 136（3）方向辐射力）方向辐射力E(
42、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。微元立体角微元立体角137是是以以球球面面中中心心为为顶顶点点的的圆圆锥锥体体所所张张的的球球面面角角,计计算算方方法法:球球面面截截面面积积除除以以球球半半径径的的平平方方，单单位位：sr(sr(球面度球面度)。立体角立体角定义：定义：138定义：定义：单位时间内，物体在垂直发射
43、方向单位面单位时间内，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。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）定向辐射强度 (W/m2Sr)：139式中，式中，波长，波长，m；T 黑体温度，黑体温度，K；c1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.74310-16 W m2；c2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.438710-2 K；（1）普朗克辐射定律（）普朗克辐射定律（Planck定律定律)：此定律描述的是黑体辐射能量沿波长分布的规律。此定律描述的是黑体辐射能量沿波长分布的规律。黑体单色辐射力黑体单色辐射力2.3.2.2 热辐热辐射的基本定律及相关性射的基
44、本定律及相关性质质W/m3（式（式2-93）140Planck 定律的图示定律的图示T1T2T3T4T5141（1）某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；）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：）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，达到最高值后，E,0。（3）温度愈高，最大辐射强度的波长愈短；）温度愈高，最大辐射强度的波长愈短；（4）温度在）温度在2000K以下，辐射波长大部分在以下，辐射波长大部分在0.7610m的范围内，可的范围内，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见光比例相
45、当小，可以忽略。但随温度升高，可见光比例在不断增加。对对 E曲线的讨论：曲线的讨论：142（2）维恩（）维恩（Wien）位移定律）位移定律反映出黑体温度越高其单色辐射力最大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，也值所对应的波长越短的黑体辐射特征，也就是就是黑体温度越高能量分布就越向波长短黑体温度越高能量分布就越向波长短方向集中方向集中的特征。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 式式2-94143试解释：为什么随着金属试解释：为什么随着金属温度升高，其表面颜色从温度升高，其表面颜色从暗红逐
46、渐变白？暗红逐渐变白？144将将 代入式代入式2-93，求得黑体最大单色辐射力：，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。表明：最大单色辐射力与开氏温度的五次方成正比。145（3）斯蒂芬）斯蒂芬-波尔茨曼（波尔茨曼（Stefan-Boltzmann)定律定律 式中，式中，C0=5.67W/(m2 K4)，黑体黑体辐辐射系数射系数（W/m2）物理意义物理意义：说明黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比说明黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比。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。增
47、大。146黑体辐射函数：黑体辐射函数：反映黑体在波长反映黑体在波长1和和2区段内所发射的辐射区段内所发射的辐射力力特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力 147沿法线方向：沿法线方向：（4）兰贝特（）兰贝特（Lambert)定律（定律（余弦定律余弦定律）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）。法线方向最大，切线方向最小）。方向辐射力方向辐射力辐射强度辐射强度148黑度黑度物体辐射能力与同温度物体辐射能力与同温度下黑体辐射能力的比值下黑体辐射能力的比值（5）灰体）灰体1）黑
48、度与灰体黑度与灰体 单色黑度单色黑度01149理想灰体（简称灰体）理想灰体（简称灰体）灰体灰体任何温度下所有各波长射线的单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色辐射力恰都是同温度下相应黑体单色辐射力的体单色辐射力的 分数。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，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，且等于总辐射的黑度。且等于总辐射的黑度。灰体辐射能力灰体辐射能力1502）单色吸收率）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表示表示 黑体的黑体的A不随波长变化
49、而变化，且等于不随波长变化而变化，且等于1；灰体灰体A的也不随波长变化而变化，且小于的也不随波长变化而变化，且小于1；实际物体的实际物体的A随波长变化而变化，但在波长大于随波长变化而变化，但在波长大于1的热射线范围，的热射线范围，A随波长变化很小，可看作为常数随波长变化很小，可看作为常数 1513）有关辐射的几个概念）有关辐射的几个概念 11本身辐射本身辐射物物体体1向外辐射的向外辐射的能量能量投射辐射投射辐射其它物体其它物体投射到物体投射到物体1的辐射的辐射能量能量1有效辐射有效辐射物体物体1的本的本身辐射加上反射辐射身辐射加上反射辐射吸收辐射吸收辐射物体物体1吸收的吸收的部分投射辐射能量部
50、分投射辐射能量1反射辐射反射辐射物体物体1反射反射的部分投射辐射能量的部分投射辐射能量1152样品样品黑体空腔黑体空腔（6）克希霍夫定律（）克希霍夫定律（Kirchhoff）定律）定律该定律确定了物体的辐射力与吸收率之间的关系。该定律确定了物体的辐射力与吸收率之间的关系。EFE0FA153物理意义：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，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。善于吸收的物体也善于辐射。黑体的吸收率最