环境工程原理第四章VIP

第四章热量传递,第一节热量传递的方式第二节热传导第三节对流传热第四节换热器及间壁换热器计算第五节辐射传热,本章主要内容,第四章热量传递,第一节热量传递的方式,一、热传导二、对流传热三、辐射传热,本节的主要内容,要点：与环境工程中常见的热量传递过程相结合热量传递的三种方式,在环境工程中，很多过程涉及到加热和冷却：对水或污泥进行加热；对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失；在冷却操作中移出热量。,传热是极普遍的过程：,凡是有温差存在的地方，就必然有热量传递。,第一节热量传递的方式,环境工程中涉及到的传热过程主要有两种情况：强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热量损失。,传热速率问题,根据传热机理的不同，热的传递主要有三种方式：,导热,热对流,热辐射,依靠物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞产生的热量传递,由于流体的宏观运动，冷热流体相互掺混而发生的热量传递。对流必然伴随导热,物体由于热的原因而发出辐射能的现象,物体各部分之间无宏观运动，热量以导热方式传递（在固体、静止的液体和气体中）,第一节热量传递的方式,物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式传播，当遇到另一个物体后，又被物体全部或部分吸收而变成热能,根据传热介质的特征，热量传递可以分为三种过程：,热传导,对流传热,当流体流过某一固体壁面时发生的热量传递，仅发生在流动的液体和气体中。传热方式可能是导热或对流。,辐射传热,导热在气态、液态和固态物质中都可以发生，但热传递的方式和机理是不同的：,气体的热量传递是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果,固体以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移；（金属）,液体的结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。,机理：依靠物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递,条件：物体各部分之间无宏观运动,热传导,第一节热量传递的方式,强制对流传热,流体在外加能量的作用下处于流动状态,自然对流传热,流体由于内部温度差产生密度差而流动,流体在传热过程中有无相变,热水冷却,蒸汽冷凝,套管式换热器,对流传热过程的分类,暖气片,第一节热量传递的方式,对流传热,列管式换热器包含的传热方式,包含的热量传递方式？蒸汽和外管壁之间？内管壁和冷水之间？内外管壁之间？换热器外壳与室内空气之间？,第一节热量传递的方式,对流,对流,对流,导热,辐射,涉及热量传递的实际问题：,第一节热量传递的方式,热传导,辐射传热,1.热力管道保温问题：两种保温材料如何布置？保温材料厚度多少合适？2.冷热流体换热问题：如何实现高效换热？3.减少高温表面热损失问题：如何设置热屏？4.极地冰盖融化，温室效应等环境问题,热传导对流传热,热传导对流传热,热辐射,第一节热量传递的方式,(1)什么是导热？(2)什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。(3)简述辐射传热的过程及其特点(4)试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。,思考题,一、傅立叶定律二、导热系数三、通过平壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导,本节的主要内容,第二节热传导,要点：（1）傅立叶定律傅立叶定律、导热系数导温系数工程中常用材料的导热性能（2）通过壁面的稳定热传导通过平壁和圆管壁的热传导速率方程及其计算串联热阻叠加原则、接触热阻,第二节热传导,发生在固体、静止的液体和气体中,热传导：物体各部分之间不发生相对位移，物体以导热的方式发生的热量传递过程，称为热传导。,第二节热传导,热传导的速率？,T=T0,Q,T=T1,热流流量,t=0,T=T0,T=T0,需要一个恒定的热量流量Q通过，才能维持温度差,不变,第二节热传导,一、傅立叶定律,y方向上的热量流量，也称为传热速率，W,导热系数，W/(mK),y方向上热量通量，即单位时间内通过单位面积传递的热量，又称为热流密度，W/m2,垂直于热流方向的面积，m2,y方向上的温度梯度,K/m,傅立叶定律,第二节热传导,一、傅立叶定律,(4.2.1),(4.2.2),微分形式：,热量通量与温度梯度成正比,负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递的。,变换：,导温系数，或称热量扩散系数，m2/s,热量浓度,J/m3,热量传递的推动力,令,第二节热传导,一、傅立叶定律,(4.2.3),(4.2.4),是物质的性质，反映温度变化在物体中的传播能力,单位体积物质温度升高1oC时所需要的热量,代表物质的蓄热能力,导热系数，表明物质的导热能力,说明物体的某部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散,或,第二节热传导,导温系数,导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率,表明物质导热性强弱即导热能力的大小,是物质的物理性质，与物质的种类、温度和压力有关,不同物质的导热系数差异较大,第二节热传导,二、导热系数,(4.2.5),对于同一种物质，值可能随不同的方向变化各向异性,第二节热传导,二、导热系数,（一）的影响因素：,液体的导热系数,水,甘油,第二节热传导,二、导热系数,（2）液体的导热系数随温度升高而减小（水、甘油例外）,压力对其影响不大。,经验公式：,（3）固体的导热系数影响因素较多,纯金属的导热系数随温度升高而减小；合金却相反，随温度上升而增大。晶体的导热系数随温度的升高而减小，非晶体则相反。,第二节热传导,二、导热系数,固体的导热系数,对于环境工程中经常遇到的气体和水，导热系数随温度升高而增高，压力对其影响不大,金属,液体,保温材料,气体,金属50415W/(mK)，合金12120W/(mK),0.030.12W/(mK）,0.170.7W/(mK),0.0070.17W/(mK),氢,水,水是工程上最常用的导热介质,换热壁面材料,利用多孔材料作为保温材料,保温材料受潮后保温性能将大幅度下降露天保温管道必须注意防潮,（二）工程中常用材料的导热系数,第二节热传导,对导热不利，但利于绝热、保温,非金属中，石墨的导热系数最高，可达100200W（mK），高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。,GB4272规定的保温材料导热系数界定值,平壁的稳态热传导池体、设备等的保温,圆管壁的稳态热传导管道、圆柱形设备的保温,傅立叶定律的应用：解决一维稳态热传导问题,第二节热传导,(一)单层平壁的稳态热传导,平壁厚度为,，壁面两侧温度分别为,一维稳态热传导,第二节热传导,三、通过平壁的稳定热传导,(4.2.6),(4.2.7),温差为传热的推动力。,导热热阻，导热速率热阻，K/W（按总传热面积计）,导热通量热阻，m2K/W（按单位传热面积计）,温度差,传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大,第二节热传导,取为常数,W/(mK),？,T？,解：（1）导热系数按平壁的平均温度,第二节热传导,(一)单层平壁的稳态热传导,400mm,950,300,W/m2,（2）导热系数取为变量,分离变量并积分,对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变,即温度分布为直线关系。,以x表示沿壁厚方向上的距离，在x处等温面上的温度为,第二节热传导,因此,整理，得,此时温度分布为曲线。,在x处,第二节热传导,结论：（1）q（2）T,（二）多层平壁的热传导,串联热阻叠加原则,层与层之间接触良好,热阻越大，通过该层的温度差也越大,Q,传热的推动力,导热热阻,第二节热传导,(4.2.10),稳态传热下：,附加热阻接触热阻,若层与层之间存在空气层,与接触面的材料、接触界面的粗糙度、接触面的压紧力和空隙中的气压等有关,接触热阻,（三）n层平壁的热传导,第二节热传导,(4.2.11),采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导,对于半径为r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有,稳态导热时，径向的Q为常数，将上式分离变量并积分,传热面积随半径发生变化,内径r1,外径r2,半径r,第二节热传导,四、通过圆管壁的稳定热传导,(4.2.13),圆管壁的导热热阻，K/W,平壁的导热热阻,对数平均半径,对数平均面积,第二节热传导,薄壁管,圆管壁：,第二节热传导,n层圆管壁的稳态热传导,假设层与层之间接触良好，根据串联热阻叠加原则，有,(4.2.13),通过各层的传热速率相同通过各层的热量通量？,设保温层内半径为r处的温度为T,177,38,第二节热传导,(1)简述傅立叶定律的意义和适用条件。(2)分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。(3)为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？(4)当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。(5)若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试分析应如何布置效果最好。,思考题,第三节对流传热,一、对流传热的特点二、对流传热的机理三、对流传热速率四、对流传热系数的经验式五、影响对流传热的因素六、保温层的临界直径,本节的主要内容,要点：（1）对流传热的特点，流动对传热的影响（2）对流传热机理传热边界层、边界层厚度（3）对流传热速率牛顿冷却定律、典型情况下的对流传热系数，对流传热影响因素（4）保温层的临界直径,第三节对流传热,对流传热：流体中质点发生相对位移时发生的热量传递过程,对流传热仅发生在流动的流体中,对流与热传导的区别：,流体质点的相对位移,（1）流动对传热的贡献,搅拌杯中热水,人站在冷风里,在高温的夏季里，打开电扇,流体流动使传热速率加快,加快热水冷却,与站在背风的地方相比感觉要冷得多,人会感到凉快,电扇转速越大，感觉愈凉快,第三节对流传热,一、对流传热的特点,对流传热指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体与壁面之间的热量交换,换热器的换热过程是导热与对流联合作用的结果。,（2）对流传热过程,第三节对流传热,间壁式换热器热量传递过程：,热量由热流体传给固体壁面,热量由壁面的热侧传到冷侧,热量由壁面的冷侧传到冷流体,对流传热,对流传热,热传导,对流传热,对流传热,热传导,第三节对流传热,列管式换热器,（3）工程中常见的对流换热过程间壁式换热器的换热过程,流体的热交换,热交换器（换热器）,套管式换热器,第三节对流传热,热量传递,固体壁面附近形成温度分布,？,传热的机理,第三节对流传热,二、对流传热的机理,冷流体,热壁面,y,Q,TX,(一)流动边界层的传热机理及温度分布,流体层与层之间无流体质点的掺混，在垂直于流动方向上，热量的传递主要通过导热方式进行。,（1）层流边界层,层流区,湍流区,第三节对流传热,冷流体,流动边界层,有其它传热方式吗？,有自然对流，但不是主要的！,y,TX,（2）湍流边界层,层流底层,缓冲层,湍流中心,湍流区,层流底层中，热量传递主要依靠导热进行，符合傅立叶定律，温度分布几乎为直线；,由于流体的导热系数较低，使层内导热热阻很大，因此该层中温度差较大，温度分布曲线的斜率大,由边界层的流动情况决定,第三节对流传热,冷流体,y,TX,层流底层,缓冲层,湍流中心,湍流区,缓冲层中，质点的脉动较弱，对流与导热的作用大致处于同等地位，由于对流传热的作用，温度梯度变小。,在湍流中心，质点强烈脉动，使主体部分的温度趋于均一，热量传递主要依靠对流进行，导热所起的作用很小；,温度梯度很小，即传热热阻很小，温度分布曲线趋于平坦。,第三节对流传热,冷流体,y,TX,湍流传热时，流体从主流到壁面的传热过程也为稳定的串联传热过程，热阻集中在层流底层上。,湍流流动的传热速率远大于层流。,层流底层,缓冲层,湍流中心,湍流区,减少层流底层厚度是强化传热的重要途径,湍流流动中存在流体质点的随机脉动，促使流体在y方向上掺混，传热过程被强化,热阻分布情况？,湍流传热速率的大小？,第三节对流传热,y,TX,(T-TW)0.99(T0-TW),(二)传热边界层,（1）什么是传热边界层,T,第三节对流传热,壁面附近因传热而使流体温度发生较大变化的区域（即温度梯度较大的区域）,也称为热边界层，温度边界层,y,TX,(T-TW)0.99(T0-TW),将(T-TW)0.99(T0-TW)处作为传热边界层的界限，该界限到壁面的距离称为边界层的厚度。,（2）传热边界层的厚度T,边界层以外的区域认为不存在温度梯度。,传热过程的阻力主要集中在传热边界层内，传热阻力取决于传热边界层的厚度。,T,第三节对流传热,y,TX,u=0.99u0,取决于普兰德数Pr,第三节对流传热,流动边界层厚度与传热边界层厚度间的关系,运动粘度,或称动量扩散系数，m2/s,导温系数，或称热量扩散系数，m2/s,表明分子动量传递能力和分子热量传递能力的比值。,y,TX,u=0.99u0,Pr1时，T,对于高黏度流体T,温度变化主要在层流底层中，热阻主要集中在层流底层中,第三节对流传热,流动边界层厚度与传热边界层厚度间的关系,Pr的量级：油：102103水：110气体：0.71液态金属：10-310-2,对于低黏度流体,(一)牛顿冷却定律,通过传热面dA的局部对流传热速率,第三节对流传热,三、对流传热速率,(4.3.1),冷流体,(一)牛顿冷却定律,与传热方向垂直的微元传热面积，m2,局部对流传热系数，或称为膜系数，W/（m2K）,流体与固体壁面dA之间的温差，K,通过传热面dA的局部对流传热速率，W,流体被冷却时,在流体被加热时,与流体相接触的传热壁面的温度，K,流体的温度,传热速率正比于固体壁面与周围流体的温度差和传热面积,第三节对流传热,为对流传热热阻，K/W。,局部对流传热系数,在传热过程中，温度沿程变化，因此对流传热系数为局部的参数。在实际工程中，常采用平均值进行计算，因此牛顿冷却定律可写成,W/（m2K）,对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即,导热热阻,第三节对流传热,(一)牛顿冷却定律,(4.3.2a),(4.3.2b),式中，y不是实际的流体层厚度，而是某个虚拟的流体层厚度，称之为有效膜厚度。,比较傅立叶定律与牛顿冷却定律,可以发现,y,在厚度y内集中了全部的传热热阻，这样一个对流传热过程的热阻相当于某个厚为y的静止流体膜所造成的导热热阻。,有效膜厚度,第三节对流传热,(4.3.1),(4.2.2),（二）对流传热系数,不是物性参数，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否有相变等,第三节对流传热,流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁面速度为零的流体层，其传热为导热，因此传热规律遵循傅立叶定律。用表示近壁处的温度梯度，则,牛顿冷却定律,很难得出！,如何确定对流传热系数？,对流传热微分方程式,理论上计算对流传热系数的基础,第三节对流传热,（1）量纲分析,（2）利用动量传递与热量传递的类似性,求解对流传热系数的途径,对流传热系数的经验式,第三节对流传热,但是这二种传递过程具有类似性，这种类似性不仅表现在分子传递中，在涡流传递中也具有类似性。,动量、热量传递在传递机理、数学表达式以及传递特征量等方面表现出类似性。,动量传递、热量传递,二种不同的物理现象,分子传递过程只有在固体、静止流体或层流流动的流体中才会单独发生。,分子传递：,由分子的不规则热运动而导致的传递,涡流传递：,由宏观流体微团的不规则掺混运动导致的传递,涡流传递在湍流中发生。,传递机理,在湍流运动中，流体中充满了旋涡，因此除分子传递现象外，宏观流体微团的不规则掺混运动也引起动量、热量的传递，其结果使动量、热量的传递过程大大加剧。,分子传递速率,由分子运动引起的动量传递牛顿粘性定律由分子运动引起的热量传递傅立叶定律,数学表达式,傅立叶定律,单位体积流体中的动量，称为动量浓度，kg(m/s)/m3,动量浓度梯度kg(m/s)/（m3m）,运动粘度,或称动量扩散系数，m2/s,热量扩散系数，m2/s,剪切应力，或称动量通量，N/m2,热量浓度,J/m3,牛顿黏性定律,分子传递类比表,传递特征量,（2）非常相似的数学表达式现象方程,（1）共同的物理本质，即都是基于分子的热运动,（3）对于理想气体，根据气体动力学理论可以推导二者的分子传递系数相等。,典型情况：无相变时管内强制对流大空间自然对流,(一)管内强制对流传热,1流体在圆形直管内呈强烈的湍流状态流动,努塞尔特数,普兰德数,流体被冷却时,f0.3,流体被加热时,f0.4,对于低粘度（小于2倍常温水的粘度）的流体,第三节对流传热,四、对流传热系数的经验式,？,定性温度：流体进出口温度的算术平均值。特征尺寸：管内径,应用条件：,应用范围：,传热面的类型要相同，同时无量纲数Re、Pr和Gr应在实验数值范围内，原则上不能外推。因此，准数关联式通常给出Re、Pr或Gr的数值范围。,无量纲数与定性温度、特征尺寸和特征速度相对应，使用经验式时必须严格按照该公式的规定选取定性温度、特征尺寸和特征速度。,第三节对流传热,应用经验式的注意事项：,Pr的量级：油：102103水：110气体：0.71液态金属：10-310-2,对于50的短管，由于进口段流体的速度和温度在不断变化，因此对流传热系数变化较大。为了修正进口段的影响，乘以大于1的短管修正系数,第三节对流传热,进口段热边界层薄，局部对流传热系数较充分发展段大，且沿主流方向降低若出现湍流，则局部对流传热系数又提高，再逐渐降低，趋于充分发展段,2流体在圆形直管内呈层流状态流动,层流流动下进口段影响较大,往往需要考虑附加的自然对流传热的影响,格拉晓夫数，表示自然对流影响的特征数,为体积膨胀系数,层流与湍流流动传热的区别：,第三节对流传热,除粘度的温度为壁温外，其余均为流体进、出口温度的算术平均值。,定性温度：,特征尺寸：,应用条件：,小管径且流体和壁面的温差不大时，0.9；当其0.8时，经济上不合理，应另选其它形式，如增加壳程数，或将多台换热器串联使用，以使传热过程接近逆流。,第四节换热器及间壁传热过程计算,流体在壳体内每通过一次为一壳程,单壳程两管程12型,两壳程四管程24型,壳程:流体在壳体内每通过一次为一壳程管程:流体在管内每通过一次为一管程,第四节换热器及间壁传热过程计算,单壳程,两壳程,第四节换热器及间壁传热过程计算,三壳程,第四节换热器及间壁传热过程计算,（1）当K变化不大时，工程中可采用换热器进出口处传热系数的平均值作为常数处理。,或,按换热器进出口处温度的平均值计算,（2）当K变化很大时，,K随温度变化,(四)传热面积,计算传热速率：,第四节换热器及间壁传热过程计算,当换热器出口温度未知时，无法直接计算平均温差，因此需通过反复试算,传热单元数法（NTU）,传热效率传热单元数法（-NTU）,1.传热效率,意义：流体可用的热量被利用的程度,(五)传热单元数,(4.3.28),第四节换热器及间壁传热过程计算,若换热器的热损失可以忽略，两流体均无相变，则,实际传热量：,最大可能传热量：,理论上换热器中可能达到的最大温差,两流体中最小的热容流量,热流体的热容流量较小时：,冷流体的热容流量较小时：,(4.3.36),(4.3.37),若已知,第四节换热器及间壁传热过程计算,如何确定传热效率？,可根据传热速率方程和热量衡量式导出,单程并流换热器,两流体的热容流量比,单程逆流换热器,任一流体发生相变时,(4.3.45),(4.3.44),(4.3.46),第四节换热器及间壁传热过程计算,传热单元数,2.传热单元数,由换热器的热量衡算及总传热速率方程得,对于冷流体:,换热器两端温差的对数平均值,以冷流体计的传热单元数:,以热流体计的传热单元数:,传热单元数是温度的无量纲函数，在数值上等于单位传热推动力引起流体温度变化的大小，表明换热器传热能力的强弱。,第四节换热器及间壁传热过程计算,使用传热单元数进行传热计算时，应以热容流量小的流体为基准,基于热容流量小的流体的传热单元长度，单位为m,设换热器的换热管的直径为d，长度为L，管数为n，则,传热单元长度是传热热阻的函数，总传热系数越大，传热单元长度越小，即传热所需的传热面积越小。,第四节换热器及间壁传热过程计算,3.传热效率和传热单元数的关系,可根据传热速率方程和热量衡量式导出,单程并流换热器,单程逆流换热器,任一流体发生相变时,(4.3.45),(4.3.44),(4.3.46),第四节换热器及间壁传热过程计算,根据换热器的操作工况，计算传热系数；计算传热单元数NTU和热容流量比cR；根据换热器中流体流动的型式和NTU、cR，计算或利用算图查得相应的；根据冷热流体进口温度等已知量，计算传热速率；根据热量衡算，求出冷热流体的出口温度。,4.传热单元数法,步骤：,第四节换热器及间壁传热过程计算,（1）增大传热面积,采用小直径管、异形表面、加装翅片等,（2）增大平均温度差,提高蒸汽的压强以提高蒸汽的温度,改变两侧流体相互流向,增加列管式换热器的壳程数,（3）提高传热系数,提高流体的速度,增强流体的扰动,在流体中加固体颗粒,在气流中喷入液滴,采用短管换热器,防止结垢和及时清除污垢,设法减少对传热系数影响最大的热阻,三、强化换热器传热过程的途径,第四节换热器及间壁传热过程计算,(1)简述影响对流传热的因素。(2)简述对流传热的机理、传热阻力的分布及强化传热的措施。(3)为什么流体层流流动时其传热过程较静止时增强？(4)传热边界层的范围如何确定？试分析传热边界层与流动边界层的关系。(5)试分析影响对流传热系数的因素。(6)分析圆直管内湍流流动的对流传热系数与流量和管径的关系，若要提高对流传热系数，采取哪种措施最有效？(7)流体由直管流入短管和弯管，其对流传热系数将如何变化？为什么？(8)间壁传热热阻包括哪几部分？若冷热流体分别为气体和液体，要强化换热过程，需在哪一侧采取措施？(9)什么是传热效率和传热单元数？(10)什么情况下保温层厚度增加反而会使热损失加大？保温层的临界直径由什么决定？,思考题,第四节换热器及间壁传热过程计算,一、辐射传热的基本概念二、物体的辐射能力三、物体间的辐射传热四、气体的热辐射五、对流和辐射联合传热,本节的主要内容,第五节辐射传热,要点：（1）辐射传热的基本概念热辐射、辐射传热、热辐射对物体的作用（2）物体的辐射能力单色辐射能力、辐射能力黑体最大单色辐射能力的波长与温度的关系，斯蒂芬波尔茨曼定律)灰体的辐射能力、黑度、辐射与吸收度关系（3）物体间的辐射传热速率（4）气体热辐射的特点,第五节辐射传热,(一)热辐射,热辐射：由于热的原因而发出辐射能的过程,辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式,绝对温度在零度以上的任何物体，总是不断地把热能变为辐射能，向外发出辐射；同时也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并转变为热能。,辐射传热：,热平衡时，热辐射存在，但辐射传热量为0,第五节辐射传热,一、辐射传热的基本概念,热辐射的能力与温度有关，随着温度的升高，热辐射的作用将变得越加重要；高温时，热辐射将起决定作用。,理论上，物体热辐射的电磁波波长可以包括电磁波的整个波谱范围,在工程中有实际意义的热辐射波长在0.38100m，而且大部分能量位于红外线区段，即0.7620m。,电磁波谱,第五节辐射传热,(二)热辐射对物体的作用,总能量,反射,吸收,穿透,物体对投射辐射的吸收率,反射率,穿透率,投射辐射,第五节辐射传热,(4.4.1a),(4.4.1b),(4.4.1c),若A1，则表示落在物体表面上的辐射能全部被物体吸收，这种物体称为绝对黑体。,没有光泽的黑漆表面的吸收率为0.960.98，接近黑体；磨光的铜表面的反射率为0.97，接近镜体；单原子和对称的双原子气体可视为透热体。,若R=1，则表示落在物体表面上的辐射能全部被反射出去。此时，若入射角等于反射角，则物体称为镜体；若反射情况为漫反射，该物体称为绝对白体。,若D1，则表示落在物体上的辐射能将全部穿透过去，这类物体称为绝对透明体或透热体。,引入理想物体的概念，作为实际物体与之比较的标准，可以使辐射传热计算大大简化。,第五节辐射传热,物体的吸收率、反射率和穿透率的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐射的波长。,吸收能力大的物体其反射能力就小,固体和液体,（1）物体的性质物态，物质结构,一般固体和液体都是不透热体，即D0，A+R=1,辐射能进入其表面后，在极短的距离内被吸收完,金属导体：1m的数量级，非导电体材料：1mm,第五节辐射传热,气体,吸收能力大的气体，其穿透能力就差,气体对辐射能几乎没有反射能力，可以认为R=0，A+D=1,第五节辐射传热,固体和液体物体对外界的辐射，以及对投射辐射的吸收和反射过程，都是在物体表面上进行的,（2）表面状况,固体和液体物体的表面状况对吸收率、反射率和穿透率的影响至关重要,气体发射和吸收辐射能发生在整体气体体积内部，即吸收和辐射与热射线所经历的路程有关,灰体:能以相同的吸收率吸收所有波长范围的辐射能,大多数工程材料可视为灰体,实际物体对投入辐射的吸收率不仅和物体本身的情况有关，而且还与辐射物体投入的辐射波长有关,灰体对投入辐射的吸收率与外界无关,（3）投射辐射的波长,气体不能近似地作为灰体处理,第五节辐射传热,分析：在全球变暖问题中，极地冰盖的融化被认为会加速地球变暖，从热辐射角度解释这一问题。,北极的浮冰就像一面巨大的镜子将太阳能量反射回太空中，大多数的阳光都不会被海洋吸收。如果气候变暖，海冰融化，意味着这面“大镜子”将大大缩小。没有了明亮的浮冰反射掉许多阳光，深色的海洋将吸收更多的太阳能量，海洋会变得更暖，进一步导致更多的海冰融化，然后海洋吸收的热量更多如此恶性循环。,第五节辐射传热,辐射能力:物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发出的全部波长的总能量E,表征物体发射辐射能的能力,发射能量与波长有关,第五节辐射传热,二、物体的辐射能力,W/m2,物体的单色辐射能力:物体在一定温度下发射某种波长的能力,单位为W/m3,辐射能力:,第五节辐射传热,(4.4.2),(一)黑体的辐射能力,黑体的辐射能力,黑体的单色辐射能力,第五节辐射传热,黑体单色辐射能力按波长的分布规律,(4.4.3),最大值,短波强辐射,随温度变化,黑体的辐射系数，其值为5.67W/(m2K4),黑体的辐射常数，其值为5.67108W/(m2K4),热辐射对温度非常敏感，低温时热辐射往往可以忽略，高温时则起主要作用。,工程上,（2）黑体的辐射能力,斯蒂芬波尔茨曼定律,四次方定律,（1）最大单色辐射能力的波长,第五节辐射传热,(4.4.7),T：绝对温度,只要知道物体的黑度，就可求得该物体的辐射能力。,(二)灰体的辐射能力,灰体的辐射系数,由于黑体具有最大的辐射能力，因此,定义：物体的黑度,灰体的辐射能力同温度下黑体的辐射能力,第五节辐射传热,(4.4.10),(4.4.8),(4.4.9),灰体的辐射能力,物体的性质、温度以及表面状况，包括粗糙度及氧化程度，是物体本身的特性，一般可通过实验确定。,荒漠、旱地和绝大部分的林地的黑度近似为0.90；水、海滩、冰川则约为0.95；人体无论是什么肤色黑度均为0.96左右。,影响物体表面的黑度的因素,第五节辐射传热,【例题】若将地球看成是平均温度为15、表面积为5.11014m2的黑体，求单位时间地球热辐射的能量和最大单色辐射能力时的波长，并将此波长与太阳辐射的波长相比（表面温度5800K）。,地球最大单色辐射能力时的波长,解：单位时间地球热辐射的能量为：,太阳最大单色辐射能力时的波长,波长的变化,CO2等温室气体,温室效应,(三)物体的辐射能力与吸收能力的关系,灰体,黑体,热平衡时,对任意灰体，有,透热体,(1),对壁面1，热量的收支差额为,两壁面间辐射传热的热通量，W/m2,第五节辐射传热,(4.4.12),灰体,黑体,克希霍夫定律,灰体的吸收率数值等于同温度下该物体的黑度,善于吸收的物体必善于辐射；黑体的辐射能力最大。,透热体,(1),第五节辐射传热,(4.4.8),(4.4.13),两个无限大灰体平行平壁间的辐射传热过程,壁1,壁2,辐射能多次被吸收和多次被反射,单位时间内离开壁1表面单位面积的总辐射能：,单位时间内离开壁2表面单位面积的总辐射能：,发出辐射能的过程,第五节辐射传热,三、物体间的辐射传热,(4.4.15),物体1对物体2的总辐射系数，取决于壁面的性质和两个壁面的几何因素。,单位时间内两壁面单位面积的辐射传热量为,，,平壁壁面面积为A，则辐射传热速率为,壁1,壁2,第五节辐射传热,(4.4.17),(4.4.19),两个表面之间的辐射传热量与两个表面的相对位置有很大的关系,两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到传热量,定义：表