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1、第三章第三章 传热原理传热原理1 1 传热，它是极为普遍而又重要的物理现象。冶金生传热，它是极为普遍而又重要的物理现象。冶金生产过程无论是否伴随化学反应或物态转变，热量传输产过程无论是否伴随化学反应或物态转变，热量传输往往对该过程起限制作用。往往对该过程起限制作用。传热的动力：温差传热的动力：温差 本章研究传热的内容：1.传热方式 2.特定条件下传热速率 提高传热速率提高生产率 降低传热速率提高热效率（节能）2 2 导热 对流 辐射 传热方式传热方式传热学的任务传热学的任务 研究不同条件下热压和热阻的具体内容和数值，研究不同条件下热压和热阻的具体内容和数值，从而能计算出传热量大小，并合理地控制
2、和改善传热过从而能计算出传热量大小，并合理地控制和改善传热过程。程。在学习过程中，首先分别研究各种传热方式单独存在在学习过程中，首先分别研究各种传热方式单独存在时的传热规律和热阻，然后再扩大到研究一般的实际传时的传热规律和热阻，然后再扩大到研究一般的实际传热过程。热过程。3 3(1)(1)传导传热（导热）传导传热（导热）定义：在一个连续介质内若有温差存在，或者定义：在一个连续介质内若有温差存在，或者 两温度不同的物体直接接触时，在物体两温度不同的物体直接接触时，在物体 内没有可见的宏观物质流动时所发生的内没有可见的宏观物质流动时所发生的 传热现象叫导热。传热现象叫导热。条件：温差、无物质宏观运
3、动。条件：温差、无物质宏观运动。取决于：物质本身的物性。取决于：物质本身的物性。4 4（2）对流传热（对流）对流传热（对流）定义：有流体存在，并有流体宏观运动情况 下所发生的传热叫对流。条件：温差、有物质宏观运动。取决于：物质本身的物性、流动状态。5 5（3 3）辐射传热（辐射）辐射传热（辐射）定义：物体因受热发出热辐射能，高温 物体失去热量而低温物体得到热 量，这种传热方式叫辐射传热。条件：温差、发射电磁波。取决于：两物体空间位置（角度系 数）、表面特性（黑度）。6 63.1 稳定态导热稳定态导热 定义：即导热系统内各部分的温度不随时间发生变化，定义：即导热系统内各部分的温度不随时间发生变化
4、，或者说同一时间内传入物体任一部分的热量与该部分物体传或者说同一时间内传入物体任一部分的热量与该部分物体传出的热量是相等的。出的热量是相等的。等温面：物体内温度相同的所有点联成的面积称为等温面。等温面：物体内温度相同的所有点联成的面积称为等温面。导热作用是物体内部两相邻质点（如分子，原子，离子）导热作用是物体内部两相邻质点（如分子，原子，离子）通过热振动，将热量依次传递给低温部分，如炉壁的散热，通过热振动，将热量依次传递给低温部分，如炉壁的散热，就存在导热作用。就存在导热作用。7 73.1.1 导热的基本方程式（傅立叶方程式）导热的基本方程式（傅立叶方程式）如图如图3-1所示：设两等温面间距离
5、为所示：设两等温面间距离为dx，温差为，温差为dt，则传导的热量，则传导的热量Q（W），应与），应与温度差及传热面积成正比温度差及传热面积成正比,而与距离成反比：而与距离成反比：W 得：的单位为：的单位为：8 83.1.2 导热系数导热系数 1）单位：w/mc 2）物理意义：物体的导热能力，q导热能力 3）影响因素：a.物质种类：气：0.0060.6 w/mc 液：0.070.7w/mc 金属：2.2420w/mc；其中纯银最高，铜、金、铝次之。b.物理状态：温度、压力、密度、湿度等，其中温度是 最重要的因素。4）函数：t0+b t W/m 导热系数：单位时间、单位面积、温差为1C传 递的热量
6、，即单位传热量。9 91、单层平壁的稳定态导热、单层平壁的稳定态导热 设壁两侧温度分别为设壁两侧温度分别为t1、t2，壁厚为，壁厚为S。稳定热态下的。稳定热态下的导热方程：导热方程：可见：可见：平壁稳定导热时的平壁稳定导热时的“热压热压”即为壁两即为壁两侧的温度差，而侧的温度差，而“热阻热阻”则为则为：/w w即热阻与壁厚成正比，而与平均导热系数及传热面积成反比即热阻与壁厚成正比，而与平均导热系数及传热面积成反比 10102、多层平壁的稳定态导热、多层平壁的稳定态导热 已知壁内外两侧温度为各层厚度为已知壁内外两侧温度为各层厚度为t1、t3，各层壁厚为，各层壁厚为S 1及及S 2，导热系数分别为
7、，导热系数分别为1、2。假定两层壁为紧密接触，且接触面。假定两层壁为紧密接触，且接触面两边温度相同，并假令其为两边温度相同，并假令其为t2（图（图33）。）。第一层平壁：第一层平壁：第二层平壁：第二层平壁：假定均为稳定热态，通过物体的热流应相等，即假定均为稳定热态，通过物体的热流应相等，即Q1=Q2Q1111按和比定律得：按和比定律得：对平壁，若内外侧面积都相等，也可将对平壁，若内外侧面积都相等，也可将F提出：提出：可看出：通过两层平壁导热的热流等于两层的热压之可看出：通过两层平壁导热的热流等于两层的热压之和与两层热阻之和的比值，即和与两层热阻之和的比值，即 1212当当Q求出后，可求出中间温
8、度求出后，可求出中间温度t2:或 可用同样方法证明，通过几层平里的导热量为：可用同样方法证明，通过几层平里的导热量为：式中：式中：1313注意：（注意：（1）在推导多层平壁公式时，曾假定各层紧密接触，）在推导多层平壁公式时，曾假定各层紧密接触，而接触的两表面温度相同。实际中往往由于表面不平滑两相邻而接触的两表面温度相同。实际中往往由于表面不平滑两相邻面很难紧密贴在一起，而且由于空气薄膜的存在，将使多层热面很难紧密贴在一起，而且由于空气薄膜的存在，将使多层热阻增加。这种附加热阻称为阻增加。这种附加热阻称为“接触热阻接触热阻”，其数值与空隙大小，其数值与空隙大小，充填物种类及温度高低都有关系。充填
9、物种类及温度高低都有关系。（2）当应用公式时，须要确定各层的平均导热系数。）当应用公式时，须要确定各层的平均导热系数。因而要知道各接触面的温度。但实际中往往难于测定这些温度。因而要知道各接触面的温度。但实际中往往难于测定这些温度。为解决这一问题，一般采用试算逼近法。为解决这一问题，一般采用试算逼近法。（a）先假定接触面温度为两极端温度的某种中间值，依此算）先假定接触面温度为两极端温度的某种中间值，依此算出出Q值后，再验算中间温度（见下例）。值后，再验算中间温度（见下例）。（b）若相差太多则以验算结果为第二次假定温度，再算一次。）若相差太多则以验算结果为第二次假定温度，再算一次。直至两个数值相近
10、为止。直至两个数值相近为止。14143.l.4 圆筒壁的稳定态导热圆筒壁的稳定态导热 1、单层圆筒壁导热、单层圆筒壁导热 平壁导热的特点是导热面保持不变，筒壁导热导热面平壁导热的特点是导热面保持不变，筒壁导热导热面积不断地增大。积不断地增大。假定温度沿表面分布均匀，而且等温面都与表面平行假定温度沿表面分布均匀，而且等温面都与表面平行,即温度只沿径向改变。即温度只沿径向改变。假设假设 （1）圆筒的内半径为）圆筒的内半径为r1，内壁温度为，内壁温度为t1，半径为，半径为r2，外壁温度为，外壁温度为t2。（2）温度只沿半径方向变化，等温面为）温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。同心圆柱面。在半
11、径在半径r处取一厚度为处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为的薄层，若圆筒的长度为L，则半径为则半径为r处的传热面积为处的传热面积为A=2rL。1515根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为：根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为：W 以以表示平均导热系数，分离变量后积分得：表示平均导热系数，分离变量后积分得：整理后得：整理后得：式中：式中：称为称为F2与与F1的对数平均值。的对数平均值。于是于是 16162、多层圆筒壁的导热、多层圆筒壁的导热图3-5 多层圆筒壁的导热假设：假设：（1）各层之间接触很好，两接触面具）各层之间接触很好，两接触面具有同有同 样的温度；样的温度；（2
12、）已知多层壁内外表面温度为）已知多层壁内外表面温度为t1和和t4，各层内、外半径为，各层内、外半径为r1、r2、r3、r4，各，各层导热系数为层导热系数为1、2、3。（3）层与层之间两接触面的温度）层与层之间两接触面的温度t2和和t3是未知数。是未知数。1717通过各层的热量：通过各层的热量：在稳定状态下，通过各层的热量都是相等的，即在稳定状态下，通过各层的热量都是相等的，即:Q1Q2Q3Q。1818即有：即有：将上面方程组中各式相加得多层总温差：将上面方程组中各式相加得多层总温差：1919得热流得热流Q的计算式：的计算式：同理，几层圆筒壁的导热计算公式为：同理，几层圆筒壁的导热计算公式为：或
13、或 式中式中:2020求得各层的接触面温度求得各层的接触面温度 或或 （1）多层平壁导热中，温度变化是一条连续的直线；（2）多层圆筒壁中，每一层内的温度是按照对数曲线变化，而整个多层壁内温度变化曲线则是一条不连续的曲线 注意注意2121为了简化计算，常把圆筒壁当作平壁计算。为了简化计算，常把圆筒壁当作平壁计算。各层内外表面的对数平均值，各层内外表面的对数平均值，m2。22223.2 对流给热对流给热3.2.1 对流给热的分析对流给热的分析1、对流给热的机理、对流给热的机理 运动的流体与固体表面之间通过热对流和导热作用所进行运动的流体与固体表面之间通过热对流和导热作用所进行的热交换过程，称为对流
14、给热或对流换热。的热交换过程，称为对流给热或对流换热。对流给热既具有分子间的微观导热作用，又具有流体对流给热既具有分子间的微观导热作用，又具有流体宏观位移的热对流作用，所以必然受导热规律和流体流宏观位移的热对流作用，所以必然受导热规律和流体流动规律的制约，是一个较复杂的热传递过程。动规律的制约，是一个较复杂的热传递过程。23232、几个名词、几个名词c、传热边界层、传热边界层a、流体边界层（动力边界层）、流体边界层（动力边界层）b、主流、主流 流体在流动时，与固体接触的表面出形成一个流速近似等于零的薄流体在流动时，与固体接触的表面出形成一个流速近似等于零的薄膜层，从这个薄膜层到流速恢复远方来流
15、速的区域就是流体边界层。膜层，从这个薄膜层到流速恢复远方来流速的区域就是流体边界层。基本上没有速度梯度的流体部分称为基本上没有速度梯度的流体部分称为“主流主流”或或“流体核心流体核心”。在有放热现象的系统中，流体与固体壁面的温度降主要集中在在有放热现象的系统中，流体与固体壁面的温度降主要集中在靠近边界的这一薄膜层内，这种有温度变化（即温度梯度）的边界层称靠近边界的这一薄膜层内，这种有温度变化（即温度梯度）的边界层称为为“传热边界层传热边界层”。当流体的紊乱程度较大时，边界层内的一部分流体由层流变成当流体的紊乱程度较大时，边界层内的一部分流体由层流变成紊流。只是靠近固体壁面处，仍然保持一层小小的
16、作层流流动的薄膜层，紊流。只是靠近固体壁面处，仍然保持一层小小的作层流流动的薄膜层，即即“层流底层层流底层”或叫或叫“层流内层层流内层”。24243、对流给热的分析、对流给热的分析 （1）流体流经固体壁面时形成流体边界层，）流体流经固体壁面时形成流体边界层，边界层内边界层内存在速度梯度；存在速度梯度；（2）当形成湍流边界层，在此薄层内流体呈层流流动。因此在层流内层中，沿壁面的法线方向上没有对流传热，该方向上热的传递仅为流体的热传导。（3）在湍流主体中，层流内层流体质点剧）在湍流主体中，层流内层流体质点剧烈混合并充满了漩涡，湍流主体中的温度差烈混合并充满了漩涡，湍流主体中的温度差(温温度梯度度梯
17、度)极小，各处的温度基本上相同。极小，各处的温度基本上相同。（4）在湍流主体和层流内层之间的过渡层）在湍流主体和层流内层之间的过渡层内，热传导和对流传热均起作用，在该层内温内，热传导和对流传热均起作用，在该层内温度发生缓慢的变化。度发生缓慢的变化。25254、对流给热的分类、对流给热的分类 根据流动的原因不同，可将对流给热分为两大类：自根据流动的原因不同，可将对流给热分为两大类：自然对流给热和强制对流给热。然对流给热和强制对流给热。在自然对流给热中，流速主要取决于其内部的温度差，在自然对流给热中，流速主要取决于其内部的温度差，所以所以QQ对对对对也主要取决于温度差的大小；在强制对流给热中，也主
18、要取决于温度差的大小；在强制对流给热中，QQ对对对对直接受到流速的极大影响。此外，在给热过程中，如直接受到流速的极大影响。此外，在给热过程中，如果伴随有流体的相变发生（如沸腾、凝结），则果伴随有流体的相变发生（如沸腾、凝结），则Q对就不对就不仅仅取决于温度差和流体的流动状态了，而更主要的将是仅仅取决于温度差和流体的流动状态了，而更主要的将是流体的汽化（或液化）潜热的大小和产生新相的性质。流体的汽化（或液化）潜热的大小和产生新相的性质。26263.2.2 无相变时的对流给热公式（牛顿公式）无相变时的对流给热公式（牛顿公式）对流给热量对流给热量Q可用下面的公式表示：可用下面的公式表示：由上式可得：
19、由上式可得：对的物理意义：对的物理意义：当流体与壁面的温差为当流体与壁面的温差为1时，单位面时，单位面积上单位时间内的对流给热量，它的单积上单位时间内的对流给热量，它的单位是位是W/m2。牛顿公式的局限：牛顿公式的局限：只给出了计算对流给热的方法，但未只给出了计算对流给热的方法，但未解决对流给热的计算问题。解决对流给热的计算问题。2727把对流给热量写成欧姆定律的形式：把对流给热量写成欧姆定律的形式：对流给热的热阻：对流给热的热阻：28283.2.3 对流给热系数的确定及相似理论在对流给热中的应用对流给热系数的确定及相似理论在对流给热中的应用1、相似的概念、相似的概念 所谓同类现象，是指不但现
20、象的性质相同，而且所谓同类现象，是指不但现象的性质相同，而且还能用同样形式和同样内容的方程式来描述。还能用同样形式和同样内容的方程式来描述。同类现象相似的条件是：不同现象之间，在空间同类现象相似的条件是：不同现象之间，在空间上相对应的各点，在时间上相对应的瞬间以及表征现象上相对应的各点，在时间上相对应的瞬间以及表征现象特性的同类物理量之间各自成常数比例。特性的同类物理量之间各自成常数比例。在空间相对应的各点是指几何相似；在时间上相在空间相对应的各点是指几何相似；在时间上相对应的瞬间是指时间相似；同类物理量之间各自成常数对应的瞬间是指时间相似；同类物理量之间各自成常数比例是指物理量的相似。比例是
21、指物理量的相似。29292、相似准数的物理意义、相似准数的物理意义 A、几何相似准数、几何相似准数 相似比相似比C1相等的两个三角形必相似。相等的两个三角形必相似。C1就称为几何相似准数。就称为几何相似准数。它是表征体系几何形状特点的无因次数群。它是表征体系几何形状特点的无因次数群。B、雷诺准数、雷诺准数Re 在流体流动中决定流动性质的就是惯性力与粘性力之比在流体流动中决定流动性质的就是惯性力与粘性力之比.C、格拉斯霍夫淮数格拉斯霍夫淮数Gr 在系统的几何相似条件下，如果两流体的格拉斯霍夫准数在系统的几何相似条件下，如果两流体的格拉斯霍夫准数Gr相等，则表明它们自然对流发展的程度是完全相同相等
22、，则表明它们自然对流发展的程度是完全相同,Gr的物理意义就的物理意义就是以其值的大小来表征流体自然对流发展的程度。是以其值的大小来表征流体自然对流发展的程度。3030D、奴歇尔准数、奴歇尔准数Nu 为了表明流体因扰动与混合作用的换热量（即纯对为了表明流体因扰动与混合作用的换热量（即纯对流）到底发展的程度如何，就必须从纯对流与导热两者流）到底发展的程度如何，就必须从纯对流与导热两者同时作用并从它们的相互关系中去考虑整个对流给热过同时作用并从它们的相互关系中去考虑整个对流给热过程才能真实说明问题的实质。也就是应当从与相对比例程才能真实说明问题的实质。也就是应当从与相对比例中去加以考虑才能得出正确结
23、论中去加以考虑才能得出正确结论 E、普朗将准数、普朗将准数Pr不同的流体本身有着自己的物理特征，不同的流体本身有着自己的物理特征，Pr数是反映流体数是反映流体本身物理特性的准数，它的定义式为：本身物理特性的准数，它的定义式为：若两物理现象相似，则其同名相似准数相等，此即相若两物理现象相似，则其同名相似准数相等，此即相似第一定理。似第一定理。31313、准数方程（相似第二定理）、准数方程（相似第二定理）相似第二定理相似第二定理（亦称（亦称定理）：定理）：描述一组相似现象的每个变量间的关系，把这种相似描述一组相似现象的每个变量间的关系，把这种相似准数之间的函数关系叫做准数之间的函数关系叫做“准数方
24、程准数方程”。从上面对相似准数的物理意义讨论中已经知道：从上面对相似准数的物理意义讨论中已经知道：Nu数代表着对流现象的本质；数代表着对流现象的本质；Re，Gr则分别代表强制流动和自然流动的本质；则分别代表强制流动和自然流动的本质；Pr数代表流体本身的热物理特征；数代表流体本身的热物理特征；l1/l2代表系统的几何特征。代表系统的几何特征。3232按照按照定理，把各相似准数列成相应的函数式，即定理，把各相似准数列成相应的函数式，即:Nu=f(Re、Gr、Pr、l1/l2)（1）当给热系统的几何条件确定后，）当给热系统的几何条件确定后，l1/l2为常数为常数 Nu=f(Re、Gr、Pr)（2）如
25、果流体的种类已限定（即）如果流体的种类已限定（即Pr为常数），则为常数），则 Nu=f(Re、Gr)a、若又已知是自然流动（即可不考虑、若又已知是自然流动（即可不考虑Re）b、在强制流动中的紊流状态时，自然流、在强制流动中的紊流状态时，自然流动因素可以不考虑，即动因素可以不考虑，即Gr可以忽略可以忽略 Nu=f(Gr)Nu=f(Re)33334、准数方程的确定、准数方程的确定相似第三定理相似第三定理 若两现象为同一个关系方程式所描绘，其单值条件相若两现象为同一个关系方程式所描绘，其单值条件相似并且单值条件所组成的决定性准数的数值相等时，则此似并且单值条件所组成的决定性准数的数值相等时，则此两个
26、现象相似。两个现象相似。单值条件包括：几何条件、单值条件包括：几何条件、物理条件、边界条件、物理条件、边界条件、初始条件初始条件等。等。如果这些条件都一一对应成比例就称为单值条件相似。如果这些条件都一一对应成比例就称为单值条件相似。单值条件相似是现象相似的必要条件。单值条件相似是现象相似的必要条件。3434第三定理的实际意义：第三定理的实际意义：从理论上允许我们把某些设备内的复杂现象从理论上允许我们把某些设备内的复杂现象采用较小的模型在实验室里进行模拟化实验，并采用较小的模型在实验室里进行模拟化实验，并进而把测定模型的实验结果推广应用到这些设备进而把测定模型的实验结果推广应用到这些设备中去。中
27、去。35353.2.3 对流给热系数的若干实验公式对流给热系数的若干实验公式1、强制对流、强制对流 a、流体在管内作紊流运动时的对流给热、流体在管内作紊流运动时的对流给热在此条件下适用于各种气体和液体的公式是：在此条件下适用于各种气体和液体的公式是：Nu=0.023Re0.8Pr0.4此时适用范围是此时适用范围是Re104，Pr=0.72500，以及，以及L/d50。导温系数导温系数 有：有：即 3636令令 则则 若若L/d50，则则k1值取决于换热管段进口处的形状，管内流动值取决于换热管段进口处的形状，管内流动Re的大小等。的大小等。3737b、流体横向流过单管时的对流给热、流体横向流过单
28、管时的对流给热图 312 流体横向流过管面的流动情况 1、在圆管的正面，有较多的质点透过、在圆管的正面，有较多的质点透过边界层而直接冲击到壁面上，所以这里边界层而直接冲击到壁面上，所以这里（0）的放热系数最大；）的放热系数最大；2、顺着流体流动的方向边界层的厚度、顺着流体流动的方向边界层的厚度逐渐增加，所以给热系数的数值迅速降低；而在逐渐增加，所以给热系数的数值迅速降低；而在90100时降到最低值；时降到最低值；3、在管的后面部分，流体具有强烈的旋涡，因而给热系、在管的后面部分，流体具有强烈的旋涡，因而给热系数又重新变大。数又重新变大。此情况下的准数关系式为此情况下的准数关系式为:Nu=CRe
29、nPrn3838 C和和n的数值依的数值依Re的大小而定的大小而定(见表见表310)，m=0.4。只有当流体流动的方向与管子轴心线之间的夹角只有当流体流动的方向与管子轴心线之间的夹角=90时，上式才正时，上式才正确确。如果冲击角如果冲击角90，则再乘以修正系数，则再乘以修正系数。即 令令 则则 3939C、流体横向流过管束时的对流给热、流体横向流过管束时的对流给热管束排列方式有顺排和错排两种管束排列方式有顺排和错排两种 1、从第二排起，每排管都正处于前排产生的漩涡区的尾流内，所受到的冲击情况不如错排时强烈。错排内的给热过程一般较顺排略为强烈。2、沿流动纵深方向管束排数多少也将影响平均给热系数。
30、因为流体进入管束后，由于速度及方向反复变化而增加了流体的紊乱程度，因而沿着流动方向，各排管的给热系数将逐渐增加，大约到第三排以后才逐渐趋于稳定。因此，整个管束的平均给热系数将随着排数的增加而稍有增大。4040（1）错排管束）错排管束错排管束的对流给热系数的准数关系式为：错排管束的对流给热系数的准数关系式为：稍加变化则上式变为：稍加变化则上式变为：经过变化，上式可变为：经过变化，上式可变为：管束的平均对留给热系数计算公式为：管束的平均对留给热系数计算公式为：4141（2）顺排管束）顺排管束顺排的第一排管子的对流给热系数同于错排的第一排管子的顺排的第一排管子的对流给热系数同于错排的第一排管子的顺排
31、的第二排以后管子的对流给热系数的准数关系式为：顺排的第二排以后管子的对流给热系数的准数关系式为：稍加变化则为：稍加变化则为：顺排管束的平均对流给热系数可用下式计算：顺排管束的平均对流给热系数可用下式计算：4242结论：结论：1、在相同条件下，水的对流给热能力大于重油的对、在相同条件下，水的对流给热能力大于重油的对流给热能力，更大于各种气体的对流给热能力。流给热能力，更大于各种气体的对流给热能力。2、对一定流体而言，流体的温度愈高、流体的流速、对一定流体而言，流体的温度愈高、流体的流速越大、管子的管径愈小、管的间距较大、管束排数较多，越大、管子的管径愈小、管的间距较大、管束排数较多，则流体与管束
32、间的对流给热系数愈大。则流体与管束间的对流给热系数愈大。实际经验表明，当其它条件相同时，错排管束的对流实际经验表明，当其它条件相同时，错排管束的对流给热系数大于顺排管束的对流给热系数。给热系数大于顺排管束的对流给热系数。4343D、气体在蓄热室砖格子内的给热系数气体在蓄热室砖格子内的给热系数气体在热风炉或蓄热室的砖格子内呈强制紊流流动，气体与气体在热风炉或蓄热室的砖格子内呈强制紊流流动，气体与格子砖间的对流给热系数的实验式为格子砖间的对流给热系数的实验式为E、流体在管内呈层流流动时的给热系数流体在管内呈层流流动时的给热系数F、气体沿平面流动时的给热系数、气体沿平面流动时的给热系数对光滑面：对光
33、滑面：Nu=0.032Re0.8 通常用更简单的形式通常用更简单的形式:44442、自然对流、自然对流 A、影响自然对流给热的主要因素、影响自然对流给热的主要因素 产生自然对流的原因是因为固体表面的温产生自然对流的原因是因为固体表面的温度大于周围大气的温度而使大气形成了自然循环。因此，度大于周围大气的温度而使大气形成了自然循环。因此，固体表面与大气间的温度差是影响自然对流的主要因素。固体表面与大气间的温度差是影响自然对流的主要因素。上热面（如炉顶）的循环比较容易，故自然对流的能上热面（如炉顶）的循环比较容易，故自然对流的能力较强；下热面（架空炉底）的循环更难，故它的自然对流力较强；下热面（架空
34、炉底）的循环更难，故它的自然对流能力最差。显然，固体表面的存在位置是影响自然对流的因能力最差。显然，固体表面的存在位置是影响自然对流的因素之一。素之一。总之，自然对流主要受固体表面与流体的温度差和固体总之，自然对流主要受固体表面与流体的温度差和固体表面存在位置的影响。因此，自然对流给热系数也多由表示表面存在位置的影响。因此，自然对流给热系数也多由表示这两个影响因素的参数所组成这两个影响因素的参数所组成 4545B、固体表面向无限空间的自然对流、固体表面向无限空间的自然对流准数关系式的具体形式为准数关系式的具体形式为:NuC(GrPr)n 定性温度：采用边界层的平均温度定性温度：采用边界层的平均
35、温度tm1/2(t+tf)，此处，此处t为壁面温度，为壁面温度，tf为远离壁面的流体温度。为远离壁面的流体温度。适用于任何液体和气体以及任何形状和大小的物体，适用于任何液体和气体以及任何形状和大小的物体，也可以用来计算横板的放热。也可以用来计算横板的放热。必须指出：在紊流放热过程中，必须指出：在紊流放热过程中，n1/3，于是，于是Gr与与Nu中的定型尺寸可以相消，故自然流动紊流放热与定型尺中的定型尺寸可以相消，故自然流动紊流放热与定型尺寸无关。寸无关。当当Pr作为常数处理时，可以采用简化计算式，它们作为常数处理时，可以采用简化计算式，它们适用于常温常压下的空气自然运动放热。适用于常温常压下的空
36、气自然运动放热。46463.3 辐射传热辐射传热3.3.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 1、辐射传热辐射传热：物体的热能变为电磁波（辐射能）向四：物体的热能变为电磁波（辐射能）向四周传播，当辐射能落到其它物体上被吸收后又变为热能，这周传播，当辐射能落到其它物体上被吸收后又变为热能，这一过程称为辐射传热。一过程称为辐射传热。辐射传热特殊的辐射传热特殊的规律规律：(1)任何物体只要温度高于绝对零度，产生电磁波，传递任何物体只要温度高于绝对零度，产生电磁波，传递能量。能量。(2)辐射传热不需要任何介质，在真空中同样可以传播，辐射传热不需要任何介质，在真空中同样可以传播，而且热量的传递过程伴随有
37、能量形式的转变（即热能而且热量的传递过程伴随有能量形式的转变（即热能辐射辐射能能热能）。热能）。2、热射线：把波长在、热射线：把波长在1100m的能够进行辐射传热的的能够进行辐射传热的电磁波电磁波(如可见光波和红外线如可见光波和红外线)称为热射线。这种辐射称为热称为热射线。这种辐射称为热辐射。辐射。热辐射是一切物体的固有特性热辐射是一切物体的固有特性。47473、物体辐射传热的三种情况：、物体辐射传热的三种情况：吸收吸收热热能能低温物体低温物体热能高温高温物体物体辐射能流（热射线）辐射能流（热射线）QQRQDQA穿透穿透 与中间介质无关与中间介质无关而由电磁波传输而由电磁波传输反射反射 根据能
38、量守恒的关系可知根据能量守恒的关系可知:QAQRQDQ两边同除以两边同除以Q:QA/Q表示物体对热辐射的吸能力，称吸收率表示物体对热辐射的吸能力，称吸收率(A)；QR/Q表示物体对热辐射的反射能力表示物体对热辐射的反射能力,称反射率称反射率(R)；QD/Q表示物表示物体对热辐射的透过能力体对热辐射的透过能力,称透过率称透过率(D)。4848即即:A+R+D1 (1)若若A1，即，即RD0，对外来的热辐射全部吸收，对外来的热辐射全部吸收则该物则该物“绝对黑体绝对黑体”或或“黑体黑体”。(2)若若R=1，即，即A+D0，对外来的热辐射能全部反射，对外来的热辐射能全部反射，“绝对白体绝对白体”或或“
39、白体白体”。(3)若若D1，即，即A+R0，对外来的热辐射能全部透过，对外来的热辐射能全部透过“绝对透过体绝对透过体”或或“透热体透热体”。注意：注意：1、在自然界中，绝对黑体，绝对白体和绝对透热体是不存在的。2、不能把“黑体”、“白体”、“透热体”与黑色物体，白色物体，透明物体混淆起来，前者是对热射线而言，后者是对可见光而言。3、物体对辐射能吸收，反射和透过的能力，取决于物体的性质，表面状况，温度及热射线的波长等。49493.3.2 辐射的基本定律辐射的基本定律1、普朗克定律、普朗克定律 给出了黑体的单色辐射力给出了黑体的单色辐射力给出了黑体的单色辐射力给出了黑体的单色辐射力E E 与波长和
40、绝对温度的关系。与波长和绝对温度的关系。与波长和绝对温度的关系。与波长和绝对温度的关系。表达式：表达式：表达式：表达式：式中：式中：E0绝对黑体（符号绝对黑体（符号“0”表示绝对黑体）在温度为表示绝对黑体）在温度为T，K，波，波长为长为的单一波长的辐射强度或称单色辐射强度，其单位为的单一波长的辐射强度或称单色辐射强度，其单位为W/m2；e自然对数的底；自然对数的底；C1,C2实验常数，实验常数，其中其中C1=3.741016 Wm2；C2l.44l0-2 mK；波长，波长，m或或m。5050 (1)当=0时，E00；随着的增加，E0也跟着增大；当增大到某一数值时，E0为最大值；然后又随着的增加
41、而减少，至=时，又重新降至零。对应于这一最大值的波长max与温度T的关系，可由维恩定律确定:maxT=2.910-3 (2)当温度低于850K时，E0较小，但随着温度的升高而迅速增长，故温度高的物体，其辐射强度也大。如果实验所得到的辐射光谱是连续的，而且曲线Ef()又和同温度下绝对黑体的相当曲线相似，即在所有波长下，符合这一条件的物体称为灰体灰体。51512、斯蒂芬波尔茨曼定律、斯蒂芬波尔茨曼定律A、绝对黑体的辐射能力：、绝对黑体的辐射能力：积分后得：式中：C0绝对黑体的辐射系数，它等于5.67W/m2K4 绝对黑体的辐射能力与其绝对温度的四次绝对黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方方 成正比成
42、正比。故斯蒂芬波尔茨曼定律又称为四 次方定律。提高辐射物体的温度是加强辐射传热最有效的措施提高辐射物体的温度是加强辐射传热最有效的措施 斯蒂芬波尔茨曼定律也可以应用于灰体5252B、灰体的辐射能力：、灰体的辐射能力：C、黑度：物体（灰体）的辐射能力、黑度：物体（灰体）的辐射能力E与同温度下绝对黑与同温度下绝对黑体的辐射能力体的辐射能力E0之比值称为物体的黑度。之比值称为物体的黑度。D、实际物体的辐射能力的计算公式：、实际物体的辐射能力的计算公式：53533、克希荷夫定律、克希荷夫定律 实际物体：对外辐射实际物体：对外辐射EF或或E0F(W)全部落到全部落到绝对黑体表面，且全部被吸收。绝对黑体表
43、面，且全部被吸收。绝对黑体：对外辐射绝对黑体：对外辐射E0F(W)全部落到实际物全部落到实际物体上，被吸收一部分体上，被吸收一部分(EoFA)，其余部分反射回到，其余部分反射回到绝对黑体表面，然后全部被自身吸收绝对黑体表面，然后全部被自身吸收E0F(1 A)。绝对黑体表面所得的净热量可按该表面热平衡得出绝对黑体表面所得的净热量可按该表面热平衡得出:Q=EoF+E0F(lA)EoF假设两表面温度相等，则差额热量为零，即假设两表面温度相等，则差额热量为零，即Q0，上式成为：，上式成为：E0E0A 由此得由此得 A 5454 结论：平衡辐射时，任何物体的黑度等于其同温度下的吸收率。从上述结论还可推出
44、如下概念：(1)物体的辐射能力()与其吸收能力(A)是一致的，能辐射的波，也能被该物体吸收。(2)反射能力大的物体,因其吸收能力（A）小，故辐射能力()必定小。(3)绝对黑体的吸收率等于1，为最大。故同一温度下绝对黑体的辐射能力也最大，因为它的l 或者说，任何实际物体的辐射系数（C）都将小于5.67W/m2K4。55553.3.3 两物体间的辐射热交换两物体间的辐射热交换 1、角度系数的概念、角度系数的概念 角度系数是表示从某一表面射到另一表面的能量与射出角度系数是表示从某一表面射到另一表面的能量与射出去的总能量之比。用符号去的总能量之比。用符号表示：表示：一个几何参数，它只取决于两表面在空间
45、的相对位置，而与表面的黑度和温度无关。5656 基本定理：基本定理：（1）任何平面和凸面自身辐射出去的射线，不能落）任何平面和凸面自身辐射出去的射线，不能落入自身。故对自身的角度系数为零。即入自身。故对自身的角度系数为零。即11=0。（2）在一个封闭体系内，任一表面辐射出去的射线，）在一个封闭体系内，任一表面辐射出去的射线，将全部分配在体系内各个表面上。故将全部分配在体系内各个表面上。故111213+1n1。开口也可看作是封闭体系的一个表面，射线通过开开口也可看作是封闭体系的一个表面，射线通过开口向体系外部投射出去。口向体系外部投射出去。（3）对任意两个表面而言：）对任意两个表面而言：F112
46、F221，此关系，此关系称为互变定理。称为互变定理。5757互变定理的推导：互变定理的推导：由于角度系数与表面的黑度和温度无关，可以设想两由于角度系数与表面的黑度和温度无关，可以设想两个任意放置的黑体表面个任意放置的黑体表面F 1和和F 2的温度相等，辐射能力为的温度相等，辐射能力为E0，于是于是F1的辐射能被的辐射能被F 2吸收为吸收为E0 F 112，同时，同时F2的辐射能被的辐射能被F1吸收的为吸收的为E0 F 221。两个表面的温度相等，两个表面的温度相等，E0 F 112=E0 F 221 58582、最常见的几种封闭体系以及它们之间的角度系数、最常见的几种封闭体系以及它们之间的角度
47、系数(1)两个很靠近的平面两个很靠近的平面1112l 11=0121 同理同理211(2)一个平面和一个曲面组成的封闭一个平面和一个曲面组成的封闭体系相当于加热炉壁与物料表面组成的体系相当于加热炉壁与物料表面组成的系统：系统：1112l 11=0 121 F112F221 5959（3）一个大曲面包围一个小曲面的封闭体系，）一个大曲面包围一个小曲面的封闭体系，相当于金属锭在连续式加热炉内加热。相当于金属锭在连续式加热炉内加热。根据同样的分析可得出：根据同样的分析可得出：11=0；121；（4）两个曲面组成的封闭体系，相当）两个曲面组成的封闭体系，相当 于炼于炼铜反射炉的横截面。铜反射炉的横截面
48、。F1向向F2或或F2向向F1的投射都要通过两曲面接的投射都要通过两曲面接合的界面处合的界面处f，12=1f 212f，由图可知由图可知 60603、封闭体系内两表面间的辐射热交换、封闭体系内两表面间的辐射热交换A、有效辐射概念有效辐射概念 封闭体系内两表面间的辐射热交换的情况：封闭体系内两表面间的辐射热交换的情况：1）离开某表面的辐射线有本身的辐射；）离开某表面的辐射线有本身的辐射；2）对其它物体投来辐射的无穷多次反射；）对其它物体投来辐射的无穷多次反射；3）对自身投来辐射线的无穷多次反射。）对自身投来辐射线的无穷多次反射。可以将其归类分为三大部分：自身辐射、对另一表面辐射的反射和对自身辐射
49、的反射（对于平面则只有前两部分）。这三种射线的总和，称为该表面的这三种射线的总和，称为该表面的“有效辐射有效辐射”。在两表面组成的封闭体系内，“有效辐射”有如下形式：6161F1表面的有效辐射：表面的有效辐射：Q1效E1F1+Q2效21（1-A1）Q1效11（1-A1）整理得整理得:同理可得 F2表面的有效辐射：表面的有效辐射：得得:6262B、热交换量、热交换量 根据根据F2的热平衡得的热平衡得:QQ1效12Q2效22Q2效或或 QQ1效12Q2效效21 F112F221式中式中:C12称为称为1、2两表面组成系统的综合辐射系数，两表面组成系统的综合辐射系数，或称导来或称导来辐射系数。辐射系
50、数。若两表面全为黑体，即12l，则C125.67。63634、两表面间有隔热板时的辐射热交换两表面间有隔热板时的辐射热交换 表面“1”与隔板“p”间的辐射传热量 对隔板与表面“2”间的净辐射热量 则在稳定热态下存在如下关系：Q1P=Qp2Q1p2 6464按和比定律得：按和比定律得：1=2p 当两体系T1和T2同时，可得:若放置若放置n块隔热板，条件与上面相同块隔热板，条件与上面相同 即即 可见：隔热板的作用很显著。隔热板的作用很显著。65653.3.4 气体与固体间的辐射热交换气体与固体间的辐射热交换 1、气体的辐射和吸收气体的辐射和吸收 特点1)不同的气体，其辐射和吸收辐射能的能力不同不同