传热原理ppt课件

1、第二章第二章 传热原理传热原理本章节主要内容：本章节主要内容：传热的根本概念传热的根本概念传导传热传导传热对流换热对流换热辐射传热辐射传热传热学概述 传热学是研讨热量传送规律的学科，其根底为热力学第一定传热学是研讨热量传送规律的学科，其根底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。在资料技术领域大量存在传热问题在资料技术领域大量存在传热问题在资料技术领域存在节能问题在资料技术领域存在节能问题2.1 传热根本概念2.1.1 传热根本条件传热根本条件传热传热热量传送的过程热量传送的过程根本条件根本条件物体间存在温度差物体间存在温度差tRtkq低温端高温端特点：特点：物体各部位不发生宏观

2、相对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送到低温端，但铁丝外观未变化。 2.1.2 传热的根本方式传热的根本方式1 传导传热：依托物体微观粒子的热运动而传送热量。传导传热：依托物体微观粒子的热运动而传送热量。导热机理：导热机理： 气体分子不规那么运动时相互碰撞；气体分子不规那么运动时相互碰撞； 导电固体自在电子；导电固体自在电子； 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。 2对流传热：依托流体质点的宏观位移而传热。对流传热：依托流体质点的宏观位移而传热。火焰经过周围气体火焰经过周围气体的

3、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送方传送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外表之间的传热流体与固体外表之间的传热对流换热对流换热3辐射传热：不借助于媒介物，热量以热射线方式从辐射传热：不借助于媒介物，热量以热射线方式从 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方式透过太阳能以辐射方式透过宽广真空，传送到地球，宽广真空，传送到地球，不需求媒介。不需求媒介。导热、对流、辐射的评述导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热量传送方式，只在有物质存在导热、对流两种热量传送方式，只在有物质存在的条件下，才干实现，而热

4、辐射不需中间介质，的条件下，才干实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传送，而且在真空中辐射能的传送可以在真空中传送，而且在真空中辐射能的传送最有效。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，而且伴随有能量方式的转化。随有能量方式的转化。 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同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐

5、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。 辐射换热不需求中间介质，在真空中即可进展，辐射换热不需求中间介质，在真空中即可进展，而且在真空中辐射能的传送最有效。因此，又而且在真空中辐射能的传送最有效。因此，又称其为非接触性传热。称其为非接触性传热。 热辐射景象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。热辐射景象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。 物体的辐射才干与其温度性质有关。这是热辐物体的辐射才干与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的根本特点。射区别于导热，对流的根本特点。 稳定温度场：稳定温度场：t=f(x,y,z)热量从高温面热

6、量从高温面向其对面传送向其对面传送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：传热过程中，物体内部一切点的温度分布情况。定义：传热过程中，物体内部一切点的温度分布情况。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)热量从高温面向侧面、热量从高温面向侧面、对面传送对面传送二维稳定温度场：二维稳定温度场：t=f(x,y)热量从高温面向两侧面、热量从高温面向两侧面、对面、上下底面传送对面、上下底面传送三维稳定温度场：三维稳定温度场：t=f(x,y,z)等温面被平面所切产生等温面被平面所切产生等温线等

7、温线定义：温度场中一切温度一样定义：温度场中一切温度一样 的点构成的面。的点构成的面。2等温面等温面 3等温线等温线定义：用一个平面与各等温面定义：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个相交，在这个平面上得到一个等温线簇。等温线簇。 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在延续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是在延续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封锁的曲面曲线，或者就终止与物体的边境上。物体中完全封锁的曲面曲线，或者就终止与物体的边境上。3同一等温面、线上

8、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假设温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热假设温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。热流密度的大小。4温度梯度温度梯度定义：温度场中，两等温面间温度差与其法线方向定义：温度场中，两等温面间温度差与其法线方向 两等温面间间隔比值的极限。两等温面间间隔比值的极限。ntgradt(/m)dxdtgradt(/m)留意：温度梯度方向留意：温度梯度方向指向温度升高方向，指向温度升高方向，与热流方向相反与热流方向相反数学表达式：数学表达式：单向稳定温度场：单向稳定温度场：tt-

9、tt+t2.1.4 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：单位时间内，经过单位面积传送的热量称为热流，用定义：单位时间内，经过单位面积传送的热量称为热流，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：单位时间内，经过总传热面积传热量：单位时间内，经过总传热面积F传送的热量，用传送的热量，用Q表示。表示。qFQ W2.1.5 稳定传热与不稳定传热稳定传热与不稳定传热0ddt0ddq稳定传热稳定传热稳定温度场内的传热稳定温度场内的传热 传热量不

10、随时间变化传热量不随时间变化 0ddt0ddq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 2.2 传导传热传导传热 2.2.1导热的根本定律傅立叶定律导热的根本定律傅立叶定律dndtFQq数学表达式数学表达式 热流的方热流的方向向与温度梯度与温度梯度相反相反w/m2导热系数导热系数单位时间、单位面积上经过单位时间、单位面积上经过的热量与温度梯度成正比。的热量与温度梯度成正比。内容内容运用傅立叶定律时留意点：运用傅立叶定律时留意点：1、负号、负号“表示热量传送指向温度降低的方向，表示热量传送指向温度降低的方向，n是经过该点的等是经过该点的等温线

11、上法向单位矢量，指向温度升高的方向；温线上法向单位矢量，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送的根本、物体中某处的温度梯度是引起物体内部及物体间热量传送的根本缘由；缘由；4、傅立叶定律是实验定律，是普遍适用的，即不论能否变物性，不、傅立叶定律是实验定律，是普遍适用的，即不论能否变物性，不论能否有内热源，不论物体的几何外形如何，不论能否非稳态，也不论能否有内热源，不论物体的几何外形如何，不论能否非稳态，也不论物质的形状固、液、气，傅立叶定律都是适用的。论物质的形状固、液、气，傅立叶定律都是适用的。2

12、.2.2 导热系数导热系数dndtq(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：1t, 2在不太大的压力下在不太大的压力下,可以以为可以以为与压与压力无关力无关 3混合气体的导热系数不遵照加和法混合气体的导热系数不遵照加和法那么。那么。2.2.2.2 液体的导热系数液体的导热系数 =0.0930.7 W/m. 特点：除水、甘油外，普通液体特点：除水、甘油外，普通液体t, 2.2.2.3 固体导热系数固体导热系数1金属金属

13、=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建筑资料建筑资料 =0.162.2 W/m.4绝热资料绝热资料 0.25 W/m. 特点：特点： t, t1晶体晶体3耐火资料耐火资料 =1.116 W/m. 特点：特点：t, ，镁质耐火资料例外。，镁质耐火资料例外。 特点：特点：t, 与资料构造、空隙率、湿度、密度等要素有关。与资料构造、空隙率、湿度、密度等要素有关。 阐明：导热系数阐明：导热系数 是表征资料导热性能优劣的是表征资料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，与资料的种类和温度有参数，是一种物性参数，与资料的种类和温度有关。关。

14、 单位：单位： W/m W/m 。 2.2.2.4 影响影响的要素的要素 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，xdQdxxdQzdQdyydQydQdzzdQQd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2.2.3 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dxdtbtdxdtFQq)(0分别变量并积分分别变量并积分: : dtbtdxqxxtt)(21210dxtxs2t1t1x2x据付立叶定律据

15、付立叶定律平均温度平均温度 时时平壁的导热系数平壁的导热系数 221tt tRtttttq2121单层壁的导热热阻：单层壁的导热热阻：单层壁的导热量：单层壁的导热量：tR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、无内热源的情况导热导热比较比较RUI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根本条件是电位差产生电流的根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根本条件是温度差产生热流的根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

16、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tRtq导电导电计算所需保温层的厚度计算所需保温层的厚度 知知q q，t1t1，t2t2，求求 计算计算物质物质的的导热导热系数系数知知q， t1，t2， 求求工程上的运用：工程上的运用：计算计算炉墙炉墙等物等物体的体的散热散热损失损失 知知，t1t1，t2t2，求求q q计算炉计算炉墙等物墙等物体的内体的内外壁温外壁温度度知知q， ， t1t2，求，求t2t1【例】 假设某窑炉耐火砖壁厚0.5米，内壁面温度为1000，外壁面温度0，耐火砖导热系数为：=1.161+0.001tw/m.，求经过炉壁的热流及炉壁内的温度分布？推算炉壁不同

17、厚度处的推算炉壁不同厚度处的温度分布温度分布xttttx2112平壁的平均导热系数：平壁的平均导热系数：74. 1)500001. 01 (16. 1)001. 01 (16. 1t3平壁的热流：平壁的热流：w/m.)/(34805 . 00100074. 1221mWsttq【解】1炉壁的平均温度:)(5002010002021Cttt2.2.3.2 多层平壁的导热多层平壁的导热 v多层平壁：由几层不同资料组成多层平壁：由几层不同资料组成v例：房屋的墙壁例：房屋的墙壁 白灰内层、水泥沙浆层、红砖青白灰内层、水泥沙浆层、红砖青砖主体层等组成砖主体层等组成v假设各层之间接触良好，可以近似地以为接

18、合面上各处假设各层之间接触良好，可以近似地以为接合面上各处的温度相等的温度相等如图：三层壁厚度分别为如图：三层壁厚度分别为11、22、33，平均导热系数分别，平均导热系数分别为为11、22、33，各层资料间，各层资料间接触良好，相接触的两外表具接触良好，相接触的两外表具有一样的温度。有一样的温度。33221141ttq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：n层平壁的导热层平壁的导热 ：nitinniiinRttttq11111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运用公式运用公式留意的问题留

19、意的问题1多层壁中，壁与壁的接触应良好，相接的两外表应具有多层壁中，壁与壁的接触应良好，相接的两外表应具有一样的温度。防止接触热阻产生大的计算误差。一样的温度。防止接触热阻产生大的计算误差。2导热系数与温度有关，而中间层温度未知时，各层资料导热系数与温度有关，而中间层温度未知时，各层资料的的平均值无法求得，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。 2 . 1260012001055. 070. 03161. 021006001044. 046. 032交界面交界面温度未知温度未知193061. 023. 020. 123. 01001200221131ttq热流热流W/m.

20、 W/m. (W/m2) 【例】设有一窑墙，用粘土砖和红砖砌筑，厚度均为230毫米，窑墙内外表温度1200，外外表温度100，求每平方米窑墙散热损失粘土砖=0.70+0.5510-3t，红砖=0.46+0.4410-3t。 【解】假设交界面温度为600，那么：校核交界面温度：校核交界面温度： 83020. 123. 0193012001112sqtt %3 .38600600830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83026. 1283012001055. 070. 031W/m. 66. 021008301044. 046. 032W/m. 误差

21、超越误差超越5%热流热流208066. 023. 026. 123. 01001200q(W/m2) 82020. 123. 0208012001112sqtt校核交界面温度：校核交界面温度：(%)2 . 1820820830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 2080w/m2 。误差小于误差小于5%【例】：某窑炉炉墙由耐火粘土砖、硅藻土砖与红砖砌成，【例】：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

22、，假设不用硅藻土层，但又希望窑炉，假设不用硅藻土层，但又希望窑炉墙的散热维持原状，那么红砖必需加厚到多少毫米？墙的散热维持原状，那么红砖必需加厚到多少毫米？2.2.3.3 复合平壁导热复合平壁导热 55443322111BAtttRtq复合壁：高度和宽度方向上，由几种不同资料砌成。复合壁：高度和宽度方向上，由几种不同资料砌成。 2 2 、3 3 、44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RR2.2.3.4 单层圆筒壁导热单层圆筒壁导热1221ln2)(rrLttQrLdrdtqFQ2drrLQdtrrtt21211.2据付立叶定律可导出公式据付立叶定

23、律可导出公式: :tavavRtFttLrrrttQ2112212: 对数平均半径对数平均半径1212lnrrrrrav对数平均面积对数平均面积LrFvaav2圆筒壁热阻圆筒壁热阻vatFLrrR2ln12公式另一表达式公式另一表达式:当当r2/r1109 时，时，自然对流边境层就会失去稳定而从层流形状转变为湍流形状。自然对流边境层就会失去稳定而从层流形状转变为湍流形状。tglGr23NoImage工程中广泛运用的是下面的关联式：工程中广泛运用的是下面的关联式： ()/2mwttt式中：定性温度采用式中：定性温度采用 定性长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆定性长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，

24、横圆柱取外径。柱取外径。 (Pr)nbbNuC GrNoImage【例】有一根程度放置的【例】有一根程度放置的 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经过，试计算每米蒸汽管道上经过自然对流的散热量。自然对流的散热量。【解】每米管道上的对流散热量【解】每米管道上的对流散热量 关键：求出关键：求出 1lqdt (Pr)nNuC GrdNu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(Pr)nC Grd 有些自然对流换热过

25、程遭到固体外表的限制而构成受限空间中的自有些自然对流换热过程遭到固体外表的限制而构成受限空间中的自然对流换热。接近热面流体受热上升，接近冷面流体冷却下降。然对流换热。接近热面流体受热上升，接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换热e对流换热量：对流换热量：tqeW/m2Re)(Grfe相当于对流相当于对流换热换热 NutqtNutqtqeeNu 查表查表2-7所得。所得。NoImage1 竖夹层竖夹层恒壁温条件下空气在竖

26、夹层的准那么关系式为：恒壁温条件下空气在竖夹层的准那么关系式为：公式准那么的定性温度为：公式准那么的定性温度为： tm=(tw1+tw2)/2 NoImage2程度夹层程度夹层程度夹层中在恒壁温情况下的程度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：【例】试求平板间空气夹层的当量导热系数和对流换热量。知夹层厚度【例】试求平板间空气夹层的当量导热系数和对流换热量。知夹层厚度为为25.0mm，高为，高为200mm，热外表温度为，热外表温度为150，冷外表温度为，冷外表温度为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：12150501

27、0022wwfttt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：23.21 10W/(m)52.31 10m2/sPr0.688f计算计算Grf：3342529.81 0.0251(15050)7.7 10(2.31 10 )273 100fgGrt 查表查表27中的计算式，求中的计算式，求e1351/946 102 100.18( )eGrGrh 空气1/91/440.0250.187.7 102.380.2e222.382.38 3.21 107.64 10eW/(m)计算对流还热量为：计算对流还热量为：27.64 10100305.60.025eqt W/m2NoImage

28、2.3.7 流体强迫流动时的对流换热流体强迫流动时的对流换热 2.3.7.1 2.3.7.1 管内强迫对流管内强迫对流 2.3.7.1.1 2.3.7.1.1 管内强迫对流流动和换热的特征管内强迫对流流动和换热的特征 1 1流动有层流和湍流之分。无论是层流还流动有层流和湍流之分。无论是层流还是湍流，都存在入口段，且入口处的换热是湍流，都存在入口段，且入口处的换热很强。很强。 层流：层流： Re 2300 Re 2300 过渡区：过渡区：2300 Re 104 2300 Re 104Re 104NoImage2入口段的热边境层薄，外表传热系数高。入口段的热边境层薄，外表传热系数高。 管内流动换热

29、表示图管内流动换热表示图NoImage外表传热系数随边境层开展的变化情况：外表传热系数随边境层开展的变化情况：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NoImage3热边境条件有均匀壁温暖均匀热流两种热边境条件有均匀壁温暖均匀热流两种 湍流：两种边境条件影响可忽略不计，即换热的湍流：两种边境条件影响可忽略不计，即换热的Nu一样。一样。 层流：两种边境条件下的换热系数差别明显层流：两种边境条件下的换热系数差别明显Nu有差别有差别)。NoImage4特征速度及定性温度确实定特征速度及定性温度确实定 特征速度：

30、计算特征速度：计算Re数时用到的流速，普通多取截数时用到的流速，普通多取截面平均流速。面平均流速。 定性温度：计算物性的定性温度多为截面上流体定性温度：计算物性的定性温度多为截面上流体的平均温度或进出口截面平均温度。的平均温度或进出口截面平均温度。 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： 定性温度为管道进、出口两个截面处流体平均温度的定性温度为管道进、出口两个截面处流体平均温度的算术平均值，特征流速为馆内平均流速，特征长度为管内径。算术平均值，特征流速为馆内平均流速，特征长度为管内径。当管子为非园截面时，取当量直径：当管子为非园截面时，取当量直

31、径：0.80.023RePrnfffNu2.3.7.1.2 管内强迫对流换热管内强迫对流换热 加热流体时加热流体时 n=0.4 冷却流体时冷却流体时 n=0.34eFdUF通道截面积通道截面积U润湿周长润湿周长公式适用范围：公式适用范围：1l/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，普通气体不超越流体与壁面具有中等以下温差，普通气体不超越50，水不超越，水不超越2030，油不超越，油不超越10；3Ref=1041.2105,Prf=0.7120;4对恒壁温暖恒热流边境条件均适用；对恒壁温暖恒热流边境条件均适用；5不

32、适用于不适用于Pr数很小的液态金属。数很小的液态金属。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：()wfqtt()wfQqFdltt温度超越以上温度超越以上 幅度时，可用公式：幅度时，可用公式：0.250.80.43Pr0.021RePrPrffffwNu其中，其中，Prf用壁温作为定性温度，其他均采用流体平均温度为定性温度。用壁温作为定性温度，其他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, Prf=0.62500对于短管对于短管l/d50，其准数关系式为：

33、，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：(Re,Pr,)lNufd0.800.2nwAdW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。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定性温度为流体平均温度定性温度为流体平均温度tf w按壁温按壁温tw确定，管内径为确定，管内径为特征长度。特征长度。 1/31/30.141.86(Re Pr )

34、( )()ffffwdNul三过渡流区换热三过渡流区换热豪森公式：豪森公式：0.142/31/32/30.116(Re125)Pr 1 ( )ffffwdNulNoImage 外部流动：换热壁面上的流动边境层与热边境层外部流动：换热壁面上的流动边境层与热边境层能自在开展，不会遭到临近壁面存在的限制。能自在开展，不会遭到临近壁面存在的限制。 横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子外表。流动具有边境层特征，还会发生绕流脱管子外表。流动具有边境层特征，还会发生绕流脱体。体。 2.3.7.2 外部流动强迫对流换热外部流动强迫对流换热NoImage准那么

35、关系式：准那么关系式：0.50.380.25Pr(0.430.5Re)Pr()PrffffwNu 适用范围：适用范围：1Ref10000.60.380.25Pr0.25RePr()PrffffwNu 适用范围：适用范围：10001000RefRef2 2105105上两式中，定性尺寸为管外径。对于气体，上两式中，定性尺寸为管外径。对于气体，修正项普通可以略去。修正项普通可以略去。NoImage 边境层的生长和脱体决议了外掠圆管换热的特征。 右图为横掠圆管部分换热系数的变化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通常管子有叉排和顺排两种陈列方式。通常

36、管子有叉排和顺排两种陈列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。影响管束换热的要素除影响管束换热的要素除 数外，还有：数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。叉排或顺排；管间距；管束排数等。 Re Pr、NoImage叉排和顺排陈列方式叉排和顺排陈列方式:NoImage 后排管受前排管尾流的扰动作用对平均外表传后排管受前排管尾流的扰动作用对平均外表传热系数的影响直到热系数的影响直到10排以上的管子才干消逝。排以上的管子才干消逝。 这种情况下，先给出不思索排数影响的关联式，这种情况下，先给出不思索排数影响的关联式，再采用管束排数的要素作为修正系数。再采用管束

37、排数的要素作为修正系数。参见表参见表2-10 准那么关系式：准那么关系式：0.2512PrRe Pr ()()PrfnmpfffzwxNuCx 式中，式中，x1 和和 x2 分别为垂直于流动方向和沿着流动方分别为垂直于流动方向和沿着流动方向上的管子之间的间隔，而向上的管子之间的间隔，而z为管排数目的修正系数。此为管排数目的修正系数。此公式思索了管子陈列和管排数目对换热的影响。公式思索了管子陈列和管排数目对换热的影响。 z准那么关系式的特征尺寸为管外直径，特征流速为准那么关系式的特征尺寸为管外直径，特征流速为管排流道中最窄处的流速，定性温度为流体平均温度。管排流道中最窄处的流速，定性温度为流体平

38、均温度。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。假设流体横向擦过管面的冲击角小于假设流体横向擦过管面的冲击角小于90时，换热系时，换热系数会减小，因乘以修正系数参照表数会减小，因乘以修正系数参照表21290流体沿平壁外表流动时的对流换热流体沿平壁外表流动时的对流换热当当Ref105当当Ref1050.250.80.43Pr0.037RePr()PrffffwNu 0.250.500.43Pr0.68RePr()PrffffwNu 【例】空气以【例】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

39、道，管壁温度为的管道，管壁温度为150，假设空气的平均温度为，假设空气的平均温度为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。【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，判别流动形状：，判别流动形状：3代入公式计算：代入公式计算：sm /1013.2326461016. 21013.2305. 010Rewd为湍流为湍流688. 0Pr f683. 0Pr w45.52)PrPr(PrRe021. 025. 043. 08 . 0wffffNu503505. 075. 1dl4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

40、表故还需乘以修正系数，查表2-867.3305. 00321. 045.52dNuW/m2【例】一程度封锁夹层，上下外表间距【例】一程度封锁夹层，上下外表间距 ，夹层，夹层内冲面压力为内冲面压力为1.013105Pa的空气。一个外表温度为的空气。一个外表温度为80，另一个外表温度为另一个外表温度为40。试计算热外表在冷外表之上及在冷。试计算热外表在冷外表之上及在冷外表之下两种情形经过单位面积夹层的传热量之比。外表之下两种情形经过单位面积夹层的传热量之比。mm16【解】此题为有限空间自然对流换热问题。【解】此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：当热外表在

41、上时，夹层内无自然对流，仅有导热：当热外表在上时，夹层内无自然对流，仅有导热：6028040221wwfttt029. 061097.18696. 0Pr W/mm2/stq11029. 01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4263231034. 1)4080(602731)1097.18(016. 081. 9tgGrfe1 . 2)1034. 1 (195. 0195. 041441Gre1 . 2etteq1 . 221 . 211 . 221ttqq2.3 辐射换热辐射换热1 定义：定义： 由热运动产生的，以电磁

42、波方式向外传送能量的过程。任何物由热运动产生的，以电磁波方式向外传送能量的过程。任何物体的温度只需高于体的温度只需高于“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 热辐射的根本概念热辐射的根本概念由于热的缘由而发生的辐射由于热的缘由而发生的辐射 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 2 特点特点a 任何物体只需温度高于任何物体只需温度高于0 K，就会不，就会不停地向周围空间发出热辐射；

43、停地向周围空间发出热辐射； b 可以在真空中传播，不需求介质；可以在真空中传播，不需求介质；c 伴随能量方式的转变；伴随能量方式的转变；d 具有剧烈的方向性；具有剧烈的方向性；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。 DRAQQQQ透过率吸收率投射辐射能吸收辐射能QQAA投射辐射能透过辐射能QQDD反射率投射辐射能反射辐射能QQRRA+R+D=13 物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 ReRe1fADAfDQQQQQQQQQQ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

44、对透热体D=1，A=R=0绝对白体：绝对白体：R=1，A=D=01ARD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：1,0ARD1,0RAD1,0DAR1AR0,1RAD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 漫反射漫反射普通来说，普通来说，物体外表愈粗糙愈接近黑体；物体外表愈粗糙愈接近黑体；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、外表形状和温度是影响热辐射吸收和反射物性、外表形状和温度是影响热辐射吸收和反射的决议性要素，而不是物体外

45、表颜色。的决议性要素，而不是物体外表颜色。4 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：是指能吸收投入到其面上的一切热辐射能的物黑体概念：是指能吸收投入到其面上的一切热辐射能的物体，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。1辐射力辐射力E (W/m2) ： 单位时间内，从物体单位外表上向半球面空间单位时间内，从物体单位外表上向半球面空间发射的一切波长的能量

46、总和。发射的一切波长的能量总和。 2.3.2.1 热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法dAdQE 2.3.2 热辐射的根本定律热辐射的根本定律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(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物，物体单位外表积向半球空间发射的能量。体单位外表积向半球空间发射的能量。 dAdQddAdQE2E、E关系关系:0dEE黑体普通采用下标黑体普通采用下标“0 0表示，如黑体的辐表示，如黑体的辐射力为射力为E0E0，黑体的单色辐射力为，黑体的单色辐射力为E,0 E,0 3方向辐射力方向辐射力E(W/m2Sr) ：方向辐

47、射力是定义来描画物体外表辐射能量在半球空间中的分方向辐射力是定义来描画物体外表辐射能量在半球空间中的分布特征，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方向上单位立体角内辐射的一切波长的辐射能量。方向上单位立体角内辐射的一切波长的辐射能量。dAdQdE2微元立体角微元立体角NoImage是以球面中心为顶点的圆锥体所张的球面角是以球面中心为顶点的圆锥体所张的球面角, ,计计算方法算方法: :球面截面积除以球半径的平方，单位：球面截面积除以球半径的平方，单位：sr(sr(球面度球面度) )。 ddsindfd2r立体角定义：立体角定义：定义

48、：单位时间内，物体在垂直发射方向单位面定义：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。 dcosd2dAQI 4定向辐射强度定向辐射强度 (W/m2Sr) ： NoImage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 Wm2； 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)：此定律描画的是黑体辐射能量沿波长分布的规此定律描画的是黑体辐射能量沿波长分布的规律。律。黑体单色辐射

49、力黑体单色辐射力2.3.2.2 热辐射的根本定律及相关性质热辐射的根本定律及相关性质12510,TcecEW/m3式式2-93Planck 定律的图示定律的图示 T1T2T3T4T51某一波长的单色辐射才干随温度升高而增大；某一波长的单色辐射才干随温度升高而增大；2在某一温度下，其辐射才干随波长而变化：在某一温度下，其辐射才干随波长而变化： 0，E,00；，E,0； 到达最高值后，到达最高值后，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，的范围内，可见光比例相当小，可以

50、忽略。但随温度升高，可见光比例在不断添加可见光比例相当小，可以忽略。但随温度升高，可见光比例在不断添加 。对对 E曲线的讨论：曲线的讨论：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最大值所对应的波长越短的黑体辐射特征，也就是黑体温度越高能量射特征，也就是黑体温度越高能量分布就越向波长短方向集中的特征。分布就越向波长短方向集中的特征。2896mT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2-94试解释：为什么随着金属试解释：为什么随着金属温度升高，

51、其外表颜色从温度升高，其外表颜色从暗红逐渐变白？暗红逐渐变白？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：Tm2896550,10286. 1TE阐明：最大单色辐射力与开氏温度的五次方成正比。阐明：最大单色辐射力与开氏温度的五次方成正比。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/(m2K4)， 黑体辐黑体辐射系数射系数400)100(TCE W/m2 物理意义：阐明黑体的辐射才干与其绝对温度的四次方成物理意义：阐明黑体的辐射才干与其绝对温度的四次方成正比正比 。阐明：黑体辐射力仅与温度有关，随

52、黑体温度升高其辐射阐明：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。力迅速增大。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区段内所发射的辐区段内所发射的辐射力射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 210,0dEEcos0000dFddQIdFddQEcos00IE沿法线方向：沿法线方向：0000IIEncos00nEE4兰贝特兰贝特Lambert ) 定律余弦定律定律余弦定律阐明：黑体外表的辐射力在半球空间不同方向上的分布规律沿外表阐明：黑体外表的辐射力在半球空间不同方向上的分布规律沿外表法线方向最大，切线方向最小。法线方向最大，切线方向最

53、小。000IEEn方向辐射力方向辐射力辐射强度辐射强度黑度黑度0EE物体辐射才干与同温度物体辐射才干与同温度下黑体辐射才干的比值下黑体辐射才干的比值5灰体灰体1黑度与灰体黑度与灰体 单色黑度单色黑度0 ,EE01理想灰体简称灰体理想灰体简称灰体 0,0,0,332211EEEEEE 灰灰体体00,EEEE任何温度下一切各波长射线的任何温度下一切各波长射线的单色辐射力恰都是同温度下相单色辐射力恰都是同温度下相应黑体单色辐射力的应黑体单色辐射力的 分数。分数。阐明：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，阐明：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

54、度。且等于总辐射的黑度。灰体辐射才干灰体辐射才干4400)100()100(TCTCEE2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AA表示表示 黑体的黑体的A不随波长变化而变化，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；实践物体的实践物体的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 3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

55、体1向外辐射向外辐射的能量的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 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1样品样品黑体空腔黑体空腔FAEEF0000FAEFEAAAEE006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。EFE0FA0EAE)(0332211TfEAEAEAE 物理意义

56、：任何物体的辐射才干与其吸收率之间的比值，恒等于物理意义：任何物体的辐射才干与其吸收率之间的比值，恒等于同温度下黑体的辐射才干，并且只和温度有关，与物体的性质无同温度下黑体的辐射才干，并且只和温度有关，与物体的性质无关。同时，擅长吸收的物体也擅长辐射。关。同时，擅长吸收的物体也擅长辐射。黑体的吸收率最大，因此辐射能量就最强。黑体的吸收率最大，因此辐射能量就最强。克希霍夫定律：克希霍夫定律：即：即：iiiEEAEEAEEA 020221011克希霍夫定律另一表达式：克希霍夫定律另一表达式：任何物体的吸收率等于任何物体的吸收率等于同温度下的黑度同温度下的黑度A=克希霍夫恒等式克希霍夫恒等式对于某一

57、波长的单色辐射：对于某一波长的单色辐射： AEE0,Kirchhoff 定律的限制：定律的限制： 1整个系统处于热平衡形状；整个系统处于热平衡形状； 2如物体的吸收率和发射率与温度有关，那么如物体的吸收率和发射率与温度有关，那么二者只需处于同一温度下的值才干相等；二者只需处于同一温度下的值才干相等； 3投射辐射源必需是同温度下的黑体。投射辐射源必需是同温度下的黑体。 综上所述，影响物体间相互辐射换热的要素，除了综上所述，影响物体间相互辐射换热的要素，除了物体的温度、黑度、吸收率外，还有物体的尺寸、外形物体的温度、黑度、吸收率外，还有物体的尺寸、外形和相对位置等几何关系。和相对位置等几何关系。2

58、.3.3.1 角系数角系数F1对F2的角系数 辐射出去的总能量从的能量投射到从12112FFFF2对F1的角系数 辐射出去的总能量从上的能量投射到从22211FFF表示：从物体表示：从物体1向半球空间辐射的能向半球空间辐射的能量投射到物体量投射到物体2外表上的分数。外表上的分数。角系数角系数2.3.3 物体间的辐射换热物体间的辐射换热角系数的性质角系数的性质 212121FF相对性相对性 1111312121111311211111131211 nnnQQQQQQQQQQQQQ完好性完好性 一个物体外表辐射一个物体外表辐射出去的能量，能够出去的能量，能够投向本身投向本身平面和凸面：平面和凸面：

59、110 凹面：凹面：110自见性自见性123透热体透热体兼顾性兼顾性1312假设在物体假设在物体1与物体与物体3之间设有一个不透体，那么有：之间设有一个不透体，那么有：013414313212FFF161151121FFF分解性分解性常见的几种角系数值常见的几种角系数值 A、两个无限大的平行平面、两个无限大的平行平面 (如图如图a)12112B、一个平面、一个平面1和一个曲面和一个曲面2组成的封锁体系组成的封锁体系(如图如图 b) 1122121FF0221100111211212121FF21221221FFF C、一个物体、一个物体1被另一个物体被另一个物体2包围包围 (如图如图c)对于物

60、体对于物体1：0111121111221212121221FF2121FF21221221FFF 对于物体对于物体2：D、两个曲面组成的封锁体系、两个曲面组成的封锁体系 (如图如图d)根据兼顾性：根据兼顾性：1, 112Fff1121111Ff同理，对于同理，对于2：2, 221Fff2212211Ff2.3.3.2 两个黑体间的辐射换热两个黑体间的辐射换热 11220101122010121)(FEEFEEQ1121F空间热阻空间热阻 E01E02黑休辐射换热的电热黑休辐射换热的电热网络图网络图 2.3.3.3 灰体间的辐射换热灰体间的辐射换热 灰体外表对外界投射的投射能只能吸收其中一部分，