热工基础 课件第10、11章 对流换热、辐射换热

《热工基础》----传热学篇第10章对流传热§10-1

对流传热的基本概念第10章对流传热主要内容

（1）对流传热的基本概念及影响因素；

（2）对流传热的数学描述方法；

（3）边界层理论及相似理论。为求解对流换热问题奠定必要的理论基础。

10.1.1对流传热过程10.1.1对流传热过程对流换热的定义和机理对流换热：流体流过固体壁面时，由于两者温度不同而发生的热量传递过程。2.对流换热的特点(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；(2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动，也必须有温差。yt∞u∞

xqwtw

图表示一个简单的对流换热过程。流体以来流速度u

和来流温度t

流过一个温度为tw的固体壁面。选取流体沿壁面流动的方向为x坐标、垂直壁面方向为y坐标。10.1.1对流传热过程3.基本计算式—Newton’sLawofCooling①A:与流体接触的壁面面积

②约定对流换热量永远取正值10.1.1对流传热过程10.1.2影响对流传热的因素10.1.2影响对流传热的主要因素1.流动起因（Thecauseofmotion）ForcedconvectionMixedconvectionNaturalconvectionLaminarflowTurbulentflowRe:雷诺数2.流体流动状态(Theflowregimes)10.1.2影响对流传热的因素3.换热表面几何因素（Thegeometricfactors）形状（shape）相对位置（relativeposition）表面粗糙情况（surfaceroughness）尺度（scale）内流（internalflow）外流（externalflow）10.1.2影响对流传热的因素4.换热过程有无相变（phasechange）单相换热：（Singlephaseheattransfer）相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等（Phasechange）：Condensation、Boiling10.1.2影响对流传热的因素5.

流体的物理性质定压比热cp，密度ρ，导热系数λ，粘度μ（或运动粘度ν)，体胀系数αV等物性参数随流体种类的不同而不同。（流体内部和流体与壁面间导热热阻小）（单位体积流体能携带更多热量）（有碍流体运动，不利于热对流）（自然对流换热增强）10.1.2影响对流传热的因素10.1.2影响对流传热的因素10.1.3边界层10.1.3边界层边界层（Boundarylayer）的概念由德国科学家普朗特于1904年提出。引入边界层的原因：对流换热热阻大小主要取决于紧靠壁面附近的流体流动状况，此区域中速度与温度变化最剧烈。1.速度边界层（Velocityboundarylayer）

(1)定义

垂直于壁面的方向上流体流速发生显著变化的流体薄层定义为速度边界层（流动边界层）。

10.1.3边界层xy0lxdu∞主流区边界层区(2)速度边界层厚度10.1.3边界层

当速度变化达到u/u∞=0.99时的空间位置为速度边界层的外边缘，那么从这一点到壁面的距离就是边界层的厚度δ(x)。【例】空气外掠平板，u

=10m/s：对于低黏度的流体，如水和空气等，在以较大的流速流过固体壁面时，在壁面上流体速度发生显著变化的流体层是非常薄的。(3)流动边界层内流态10.1.3边界层随着x的增大，δ(x)也逐步增大，同时黏性力对流场的控制作用也逐步减弱，从而使边界层内的流动变得紊乱。

把边界层从层流过渡到紊流的x值称为临界值，记为xc，其所对应的雷诺数称为临界雷诺数，即

10.1.3边界层流体平行流过平板的临界雷诺数大约是

流体在圆管内流动的临界雷诺数大约是

形成三层结构的稳定边界层

:

层流底层+缓冲层(过渡层)+紊流核心2.热边界层（Thermalboundarylayer）

(1)定义

当流体流过平板而平板的温度tw与来流流体的温度t∞不相等时，在壁面上方也能形成温度发生显著变化的薄层，常称为热边界层。10.1.3边界层(2)热边界层厚度10.1.3边界层

当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的0.99倍时，即(tw-t)/(tw-too)=0.99，此位置就是边界层的外边缘，而该点到壁面之间的距离则是热边界层的厚度,记为δt(x)。湍流：温度呈幂函数分布层流：温度呈抛物线分布(2)热边界层厚度10.1.3边界层思考：热边界层厚度可否定义成tδ＝0.99t∞？10.1.3边界层流体的运动粘度反映了流体中由于分子运动而扩散动量的能力，这一能力越大，粘性的影响传递越远，因而流动边界层越厚。相类似，热扩散率越大则温度边界层越厚。δδtPr>1δtδPr<110.1.3边界层根据普朗特数的大小，流体一般可分为三类高普朗特数流体，如一些油类的流体，在102~103的量级；中等普朗特数的流体，0.7~10之间，如气体为0.7~1.0，水为0.9~10；低普朗特数的流体，如液态金属等，在0.01的量级。小结10.1.3边界层边界层的特点边界层厚度δ、δt与壁面尺寸相比是很小的量，而δ、δt认为是同一数量级的量；边界层内速度梯度和温度梯度很大；引入边界层概念后，流动区域可分为边界层区和主流区，主流区可认为是理想流体的流动；小结10.1.3边界层边界层的特点边界层内也有层流与湍流两种状态。湍流边界层分为层流底层、缓冲层与湍流核心层，层流底层内的速度梯度与温度梯度远大于核心层；在层流边界层与层流底层内，垂直于壁面方向上的热量主要依靠导热，湍流边界层的主要热阻在层流底层。10.1.4对流传热的基本方程组分析解法：采用数学分析求解的方法，有指导意义。比拟法：通过研究热量传递与动量传递的共性，建立起表面传热系数与阻力系数之间的相互关系，限制多，范围很小。实验法：通过大量实验获得表面传热系数的计算公式，是目前的主要途径。数值解法：和导热问题数值思想一样，发展迅速，应用越来越多。研究对流换热的方法对流传热微分方程组及其单值性条件一、对流传热微分方程假设：1.流体为连续性介质。当流体的分子平均自由行程与换热壁面的特征长度l相比非常小，一般克努森数时，流体可近似为连续性介质。10.1.4对流传热的基本方程组2.流体的物性参数为常数，不随温度变化。3.流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声速的流体可以近似为不可压缩性流体。4.流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为线性，遵循牛顿公式：5.流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热。6.二维对流换热。10.1.4对流传热的基本方程组

紧靠壁面处流体静止，热量传递只能靠导热，流体导热系数根据牛顿冷却公式10.1.4对流传热的基本方程组如果热流密度、表面传热系数、温度梯度及温差都取整个壁面的平均值，则有对流传热微分方程

建立了对流传热表面传热系数与温度场之间的关系。而流体的温度场又和速度场密切相关，所以对流换热的数学模型应该是包括描写速度场和温度场的微分方程。——揭示了对流换热问题的本质10.1.4对流传热的基本方程组描述对流换热的方程组温度场特别是壁面附近的温度分布温度场受流场的影响流场连续性方程质量守恒定律动量方程动量守恒定律温度场——能量方程能量守恒定律对流换热微分方程式qx10.1.4对流传热的基本方程组二、

连续性微分方程和动量微分方程dxxdyy0微元体1.连续性微分方程（质量守恒）2.动量微分方程（动量守恒）纳维(N.Navier)-斯托克斯(G.G.Stokes)方程

惯性力压力差体积力粘性力10.1.4对流传热的基本方程组三、

能量微分方程dxxdyy0

单位时间由导热进入微元体的净热量和由对流进入微元体的净热量之和等于微元体热力学能的增加量。即若u=v=0导热微分方程式10.1.4对流传热的基本方程组常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体二维对流换热微分方程组：

4个方程，4个未知量，可求得速度场(u,v)、温度场(t)及压力场(p)，既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）10.1.4对流传热的基本方程组对流换热的单值性条件1.几何条件

说明对流换热表面的几何形状、尺寸，壁面与流体之间的相对位置，壁面的粗糙度等。2.物理条件

说明流体的物理性质、物性参数的数值及其变化规律、有无内热源以及内热源的分布规律等。10.1.4对流传热的基本方程组对流换热的单值性条件3.时间条件

说明对流换热过程是稳态还是非稳态。对于非稳态,应给出初始条件（过程开始时的速度、温度场）。4.边界条件第一类边界条件给出边界上的温度分布规律：第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律：10.1.4对流传热的基本方程组

对流换热微分方程组和单值性条件构成了对一个具体对流换热过程的完整的数学描述。但由于这些微分方程非常复杂，尤其是动量微分方程的高度非线性，使方程组的分析求解非常困难。

1904年，德国科学家普朗特(L.Prandtl)在大量实验观察的基础上提出了著名的边界层概念，使微分方程组得以简化，使其分析求解成为可能。四、

换热边界层微分方程组10.1.4对流传热的基本方程组xy0lxdu∞主流区边界层区

简化方法：根据边界层的特点，分析对流换热微分方程中各项的数量级，忽略高阶小量。比较x和y方向的动量微分方程10.1.4对流传热的基本方程组对流换热微分方程组简化为

三个未知数，三个方程，方程组封闭，对于简单的层流对流换热问题，可进行分析求解。边界层类型问题核心特点：主流方向上的二阶导数可忽略，当存在漩涡时，不可采用此简化方法。10.1.4对流传热的基本方程组10.2对流传热实验研究试验中经常遇到的几个问题:如何利用有限的资源，减少实验次数，同时又能获得具有通用性的规律？相似原理将回答上述三个问题1.变量多A.实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）B.实验数据如何整理（用什么函数关系表示实验研究的物理过程）2.实验由于种种原因（场地、经费等）无法复现原模型，如何进行实验？10.2.1相似原理简介

如果两个同类的物理现象，在对应的时空点，各标量物理量的大小成比例，各向量物理量除大小成比例外，且方向相同，则称两个现象相似。1.物理现象相似相似原理主要包含以下内容：1.物理现象相似的定义2.物理现象相似的性质3.相似特征数之间的关系4.物理现象相似的条件10.2对流传热实验研究同类物理现象：用相同形式和内容的微分方程式（控制方程+单值性条件方程）所描述的现象。

电场与温度场：微分方程相同，内容不同。强制对流与自然对流换热：微分方程的形式和内容都有差异。

外掠平板和外掠圆管：控制方程相同，单值性条件不同。时空点对应：几何相似、时间相似是必要条件。物理现象相似：在空间、时间相似的基础上，影响物理现象的所有物理量分别相似的总和，包括几何、时间、运动、动力等等。10.2对流传热实验研究2.物理现象相似的性质

以A与B两个常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体外掠等壁温平板的对流换热相似为例：现象A现象B根据物理量场相似的定义

10.2对流传热实验研究比较，可以得到：无量纲物理量，称为努塞尔特数

两对流换热现象相似，其努谢尔特准则必相等。10.2对流传热实验研究采用同样的方法，可由动量微分方程式和能量微分方程式导出

这种由描述物理现象的方程式导出特征数的方法叫作相似分析。Nu、Re、Pr也称为相似特征数。

结论：两个常物性、不可压缩牛顿流体外掠等壁温平板的对流换热现象相似，努塞尔数Nu、雷诺数Re、普朗特数Pr分别相等。

物理现象相似的性质：彼此相似的物理现象，同名的相似特征数相等。10.2对流传热实验研究3.相似特征数之间的关系

因为与物理现象有关的所有物理量都由描写物理现象的方程式联系在一起，所以由这些物理量组成的特征数之间存在着必然的函数关系，这就是前面得出的对流换热微分方程组解的函数形式—特征数关联式。

由于彼此相似物理现象的同名相似特征数相等，所以相似物理现象的解必定用同一个特征数关联式来描写，从一个物理现象所得到的特征数关联式一定适用于与其相似的所有物理现象。10.2对流传热实验研究4.物理现象相似的条件

根据物理现象相似的定义和性质，可以得出物理现象相似必须满足3个条件：1)同类现象；2)单值性条件相似；3)同名已定特征数相等。

对于单相流体的强迫对流换热，只要已定特征数Re、Pr相等，待定特征数Nu也必然相等，因为Nu是Re、Pr的函数。10.2对流传热实验研究10.2.2确定特征数实验关联式的方法

根据相似原理对对流传热问题进行实验求解，步骤如下：1.对该对流传热现象，提出一些简化的假定条件，建立简化的物理模型；2.写出对流传热微分方程组和单值性条件；3.将微分方程组无量纲化，得到描述该对流传热现象的特征数，并从中确定已定特征数和待定特征数；10.2对流传热实验研究4.由有关的特征数分析出实验中要测量哪些物理量，拟定测量的物理量的变化范围和测点分布；5.根据相似原理和上述要求，设计并制造安装实验系统，按预定顺序进行实验，记录每一工况的原始数据；6.将原始数据整理成各试验点相关的特征数，通过最小二乘法或作图法求出待定特征数与已定特征数函数关联式，并注明关联式的适用范围。10.2对流传热实验研究

对于工程上常见的无相变单相流体强迫对流换热，其特征数关联式一般写成幂函数的形式：

对于气体的强迫对流换热，Pr基本上等于常数。0幂函数在对数坐标图上是直线10.2对流传热实验研究

对于一般流体的强迫对流换热特征数关联式n的数值通常直接采用前人通过理论分析或实验研究获得的数据。例如：对于层流，取n=1/3；对于湍流，取n=0.4或其它数值。C和m的数值用同一种流体在不同的Re下进行实验确定。应用特征数方程的注意事项准则方程式不能任意推广到得到实验关联式的实验范围之外三大特征量的选取（特征流速，特征温度，特征长度）为什么修正？如何修正？10.2对流传热实验研究特征数关联式的适用范围

从一个物理现象所获得的特征数关联式适用于与其相似的所有物理现象。

由于单相流体强迫对流换热特征数关联式是在一定的Re、Pr变化范围内通过实验获得的，并且关系式中的常数大小还与特征长度、定性温度的选择有关，所以每一个对流换热特征数关联式只适用于一定的Re、Pr范围及确定的特征长度与定性温度。10.2对流传热实验研究10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用10.3.1管内强迫对流换热的特点及影响因素1.管内的流动状态对于工业和日常生活中常用的光滑管道流动状态判断（Re）：层流过渡流湍流判别条件2.物性不均匀的影响

换热时流体温度场不均匀，会引起物性的不均匀。其中粘度随温度的变化最大，粘度场的不均匀会影响速度场，因此影响对流换热。10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用这种温度场导致速度场变化对对流传热系数产生影响，用温差修正系数加以修正。10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用3.流动入口段的影响热进口段：流动进口段：对于管内层流，进口段长度：10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用热进口段的局部表面传热系数的变化

进口段边界层沿x方向由薄变厚，hx由小变大，对流换热逐渐减弱。

由于进口段的局部表面传热系数较大，所以对于短管内的对流换热，需要考虑进口段的影响。对于管内湍流换热，只要l/d>60，就可忽略进口段的影响。10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用4.非圆截面和弯曲管道的影响

管道弯曲，离心力的作用会在流体内产生二次环流，增加了扰动，使对流换热得到强化。弯管的曲率半径越小，流速越大，二次环流的影响越大。10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用4.非圆截面和弯曲管道的影响对于非圆形截面槽道，可以采用当量直径de作为特征尺寸，则可近似应用对圆管得出的湍流传热公式Ac：槽道流通截面积P：湿周——过流断面上，流体与固体壁面接触的周界线10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用10.3.2管内强迫对流换热特征数关联式1.湍流强迫换热

迪图斯一贝尔特（Dittus—Boelter）公式：得到的是平均换热系数适用条件：

对于流体与管壁温度相差不大的情况（气体：

t<50℃；水:

t<30℃；油:

t<10℃）不符合使用条件时，需要修正。10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用短管修正系数如果如果流体与壁面温差较大10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用如果弯曲管道工程实际应用的迪图斯一贝尔特（Dittus—Boelter）公式：

以上公式对等热流和等壁温边界条件都适用，可用于一般光滑管道内强迫对流换热的工程计算，实验数据的偏差较大，有时可达25%。10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用格尼林斯基(Gnilinski)公式（1976）

适用条件：阻力系数：物性场不均匀的修正系数：10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用

将格尼林斯基公式分别用于气体和液体，可以得到下面进一步简化的公式：气体液体

格尼林斯基公式不仅适用于旺盛湍流换热，也适用于从层流到湍流之间的过渡流换热。10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用赛得尔－塔特（Seider-Tate）公式：下角标f表示定性温度为流体的平均温度tf

适用条件：

只适用于严格的层流流动,小直径,小温差的横管。考虑入口效应考虑非等温流动中温度场对对流换热系数的影响10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能够自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。10.3.2外掠物体时的强迫对流10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用一、外掠平板1.层流换热

定性温度：边界层的平均温度

定型尺寸：板长l

（x）

适用条件：（临界雷诺数）10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用2.湍流换热

定性温度：边界层的平均温度

定型尺寸：板长l

（x）

适用条件：10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用3.混合边界层

对于由层流边界层过渡到湍流边界层的整个平板，平均表面传热系数可按层流段和湍流段分别积分求平均对于等壁温平板10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用定性温度：边界层的平均温度

定型尺寸：板长l

（x）

适用条件：二、

横掠单管10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用压力减小压力增加123p1>p2<p3u1<u2>u310.3强迫对流传热实验特征关联式及应用1.流动的特点脱体点的位置取决于Re的大小：层流边界层边界层在脱离前转变为湍流10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。低雷诺数时，回升点反映了绕流脱体的起点。高雷诺数时，第一次回升是层流转变成湍流的原因，第二次回升约在φ=140°处，则是由于脱体的缘故。2.横掠单管绕流对流换热的特点10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用3.横掠单管的准则关联式实验关联式采用基于不同Re范围的分段幂次函数表示。

定型尺寸：管外径do定性温度：边界层的平均温度

计算流速：来流流速10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用式中，C和n的值如表所示若来流方向与圆管轴线夹角ψ<90°时，对流换热将减弱。当ψ=30°~90°时，可在流体横掠单管时的换热平均传热系数上乘以修正系数εψ10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用注意：1.适用范围：t∞＝15.5～980℃，tw＝21～1046℃，

Re＝0.4～4×1052.对于气体和液体均适用；3.计算时需要分段取值；10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用三、

横掠管束10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用1.流动和换热的特征

管束的排列方式有顺排和叉排两种形式。叉排流动扰动剧烈，换热强，但阻力损失大；顺排扰动小，换热弱，但是阻力小，且易于清洗；顺排叉排最小截面10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用2.影响管束平均传热性能的因素流动Re数、流体的Pr数;管子排列方式、管间距s1、s2的相对大小;

尤其是对于叉排管束，管间距s1、s2相对大小的不同会涉及产生最大流速的位置。10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用2.影响管束平均传热性能的因素对于整个管束的平均值，使它进入与管排数无关的状态需要经历至少16排管（沿流体流入方向），否则需要引入排数减少时的影响。物性参数当流体进、出管束的温度变化比较大时，需考虑物性变化的影响，可引入物性修正因子（Prf/Prw)0.25。3.横掠管束对流换热实验关联式定性温度：

Prw采用管束平均壁面温度下的数值，其它物性的定性温度为管束进出口流体的平均温度tf.

定型尺寸：管外径d

适用条件：10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用

计算流速：管间最大流速umax顺排：叉排：10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用

常数C和m的值列于表中RefCm顺排1~1020.90.4102~1030.520.5103~2×1050.270.632×105~2×1060.0330.8叉排1~5×1021.040.45×102~1030.70.5103~2×105叉排s1/s2≤20.35(s1/s2)0.20.6s1/s2>20.40.62×105~2×1060.31(s1/s2)0.20.810.3强迫对流传热实验特征关联式及应用

n为管排数的修正系数，其数值列于下表中。管排数1234579101315≥16顺排Ref>1030.070.800.860.910.930.950.970.980.990.9941.0叉排102<Ref<103Ref>1030.830.870.910.940.950.970.980.9840.9930.9961.00.620.760.840.900.920.950.970.980.990.9971.010.3强迫对流传热实验特征关联式及应用如果

<90°，对流换热将减弱，可在右边乘以修正系数

，修正系数

随冲击角的变化曲线如图所示。如果

=0°，即流体纵向流过管束，可以按管内强迫对流换热公式来计算，特征长度取管束间的流通面积的当量直径de。10.3强迫对流传热实验特征关联式及应用自然对流：温度差密度差浮升力自然对流换热举例：①输电导线、变压器、电热炉等外表面的散热；②各种电子元器件表面的散热（无专门冷却设备时）；③各种热设备、热力管道等在环境中的散热（无风时）；④大量热加工工艺过程中工件的冷却等等。特点：不消耗动力，在工业和日常生活中发挥着重要作用。研究目标：确定表面传热系数。10.4自然对流传热实验特征关联式及应用1.自然对流的特点：①自然对流的流动和传热不需要外界动力源；②驱动力为温差，但是有温差不一定存在自然对流；③不均匀的温度场和速度场发生于近壁薄层，速度分布具有两头小、中间大的特点；④自然对流也分为层流和湍流。判别准则为格拉晓夫数Gr

；⑤自然对流的准则方程式：Nu＝f(Gr,Pr)；⑥按流动的边界层是否受干扰，分为大空间自然对流和有限空间自然对流。10.4自然对流传热实验特征关联式及应用

流动不均匀的温度场，不一定引起自然对流。说明：

该空腔上热下冷，存在温度差，但是没有自然对流产生。

10.4自然对流传热实验特征关联式及应用2.大空间自然对流传热：以竖直平板在空气中的自然冷却过程为例进行流动与换热特征分析。随着层流边界层的加厚，hx逐渐减小，当边界层从层流向湍流过渡时又增大。实验研究表明，在旺盛湍流阶段，hx基本上不随壁面高度变化。10.4自然对流传热实验特征关联式及应用3.大空间自然对流换热特征关联式

恒壁温：式中：Gr称为格拉晓夫数，其表达式为：

适用条件：恒壁温条件

定性温度：流体的算术平均温度

定型尺寸：竖壁高度l10.4自然对流传热实验特征关联式及应用传热面的形状及位置GrPr的范围Cn特征长度垂直的平板及圆柱面104~109109~10130.590.11/41/3高度H水平圆柱面

104~1.5×108>1.5×1080.480.101/41/3外径d0水平板热面朝上或水平板冷面朝下2×104~5×1065×106~10110.540.151/41/3正方形取边长，矩形取两边平均值，圆盘取0.9d，狭长条取短边水平板热面朝下或水平板冷面朝上105~10110.591/410.4自然对流传热实验特征关联式及应用恒热流：

工程上有时会遇到自然对流传热表面热流密度为常数的情况，如电子元器件表面的自然对流冷却。10.4自然对流传热实验特征关联式及应用有相变对流传热的特点：①相变过程中产生大量相变热（潜热）；例：水②相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；③分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。10.5相变换热10.5.1凝结换热1.膜状凝结凝液呈液膜状（附着力大于表面张力），热量传递：蒸汽相→液膜表面→固体壁面。

2.珠状凝结

凝液结为小液滴（附着力小于表面张力），热量传递：有裸露壁面，直接传递相变热。3.比较两种冷凝方式的表面传热系数

h珠状凝结＞h膜状凝结膜状凝结珠状凝结10.5相变换热膜状凝结的真实过程hx凝结换热实例

冷凝器中的换热寒冷冬天窗户上的冰花许多其他的工业应用过程凝结换热的关键点

凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论10.5相变换热竖壁液膜厚度计算式竖壁局部表面传热系数10.5相变传热凝结液的物性用液膜平均温度假定常物性及高为l的整个竖壁上温差△t=ts-tw为常数，整个竖壁的平均表面传热系数为对于与水平轴倾斜角为φ的倾斜壁，只需用gsinφ取代式中的g即可。10.5相变换热10.5相变换热

水平圆管外膜状冷凝说明：此式计算值和实验结果基本一致。水平单管冷凝表面传热系数理论计算：按倾斜壁对方位角做积分（0-1800）。

适用条件：层流定性温度：膜层的平均温度

定型尺寸：圆管直径d10.5相变换热10.5相变换热在其他条件相同时，横管平均表面传热系数hH与竖壁平均表面传热系数hV的比值为当l/d=50时，横管的平均表面传热系数是竖壁的平均表面传热系数的2倍，所以冷凝器中通常都采用横管的布置方式。10.5相变换热实验证明，横管的实验数据与式9-37符合得很好，对于水蒸气在竖壁上凝结，工程上采用把理论式9-36的系数增加20%的实验公式。膜状凝结的影响因素有液膜两侧温度差、流体物性、不凝结气体、蒸汽速度、蒸汽的过热度以及管子排数和凝结表面的形状等。特别需要指出是，蒸汽中含有空气或气体不凝结气体时，即使含量极微，也会大大降低表面传热系数。1.生活中的例子锅炉中水变水蒸气的过程冷库中液态氨变为氨蒸汽的过程炼油厂中重（原）油的汽化沸腾蒸馏过程2定义：a.沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程b.沸腾换热：工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的传热方式。10.5相变换热10.5.2沸腾换热3.分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器沸腾(池内沸腾)和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。a.过冷沸腾:如果液体的主体温度低于饱和温度，汽泡在固体壁面上生成、长大，脱离壁面后又会在液体中凝结消失，这样的沸腾称为过冷沸腾。b.饱和沸腾:若液体的主体温度达到或超过饱和温度，汽泡脱离壁面后会在液体中继续长大，直至冲出液体表面，这样的沸腾称为饱和沸腾。10.5相变换热c.大容器沸腾:如果液体具有自由表面，不存在外力作用下的整体运动，这样的沸腾又称为大容器沸腾（或池沸腾）。d.强迫对流沸腾：如果液体沸腾时处于强迫对流运动状态，则称之为强迫对流沸腾，如大型锅炉和制冷机蒸发器的管内沸腾。abcd气泡的生成过程

气泡的力平衡plpvrσσ10.5相变换热2.必须有汽化核心汽泡产生的条件

1.液体必须过热提供必须的汽化热量说明：●因此无汽化核心，气泡不会产生；●液体过热度增大，汽化核心数增多。汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒，气泡能附着在其周围生长。10.5相变换热大容积饱和沸腾曲线影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心，而汽化核心数又受到壁面材料及其表面状况、压力、物性等的支配。10.5相变换热适用于制冷工质沸腾换热的Cooper关联式其中10.5相变换热

第11章辐射换热第11章辐射换热1、热辐射的基本概念及黑体辐射三大定律；2、实际物体的辐射及吸收特性；3、辐射换热的基耳霍夫定律。一、基本内容：1、黑体辐射三大定律；2、实际物体的吸收特性及基耳霍夫定律。二、重点及难点：

1、了解热辐射基本概念；2、掌握黑体辐射三大定律；3、熟悉实际物体的发射、吸收特性及基耳霍夫定律。三、基本要求：§11-1热辐射的基本概念一、热辐射的定义：由微观粒子热运动产生的，以电磁波形式传递的能量。二、辐射换热：

由于微观粒子的热运动发射或吸收电磁波所引起的热量从高温物体向低温物体的传递。三、热辐射的基本特点：1、只要物体有温度（温度高于0K）,物体就有辐射本领；2、无需任何介质，在真空中传播的效果更好；3、具有强烈的方向性，且与温度和波长均有关；4、发射辐射取决于物体表面温度的4次方。§11-1热辐射的基本概念四、与对流传热和导热的不同点：1、与对流传热和导热不同，辐射换热无需任何介质；2、热辐射的辐射能与温度和波长均有关；3、在辐射换热中，不仅存在能量的转移，还存在能量形式的转换；4、物体的发射、吸收特性不仅与自身温度及表面状况有关，还随着波长和方向而变。因此比对流及导热更复杂。§11.1.2吸收比、反射比、穿透比

当热辐射能投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图所示。根据能量守恒定律：§11.1.2吸收比、反射比、穿透比1定义：吸收比α：

外界投射到物体表面的总能量Q中被物体吸收的部分Qα与Q的比值。当α＝1时称绝对黑体。反射比ρ：

外界投射到物体表面的总能量φ中被物体反射的部分Qρ与Q的比值。当ρ＝1时称绝对白体。穿透比τ：外界投射到物体表面的总能量φ中被物体穿透的部分Qτ与Q的比值。当τ＝1时称绝对透明体。由能量守恒定律：α＋ρ＋τ＝1黑体、镜体(或白体)和透明体都是假定的理想物体。2对于固体和液体，几乎不允许热辐射穿透。即α＋ρ＝1。3对于气体，它对辐射能几乎没有反射能力。即α＋τ＝1。辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况则是无关紧要的。§11.1.2吸收比、反射比、穿透比§11.1.3黑体模型1.黑体：α=1能够全部吸收各种波长辐射能的物体，称黑体。黑体表面的辐射属于漫反射。在自然界中，纯粹的黑体是不存在的，例如吸收能力很强的黑丝绒，其吸收率也只有0.96，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。2.黑体的性质

a.黑体能够吸收任何波长，任何方向的全部投射辐射。

b.吸收能力最大的黑体也一定具有最大的辐射能力。

c.黑体的吸收和辐射能力是温度和波长的函数。黑体的模型辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间所有方向发射的所有波长的能量总和。单位：

辐射力从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。在热辐射的整个波谱内不同波长发出的辐射能是不同的，如图，每条曲线下的面积表示相应温度下黑体的辐射力。

§11.1.3辐射力和光谱辐射力光谱辐射力Eλ

：

单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。单位：

辐射力与光谱辐射力之间的关系：注：黑体的辐射力与光谱辐射力分别表示为Eb和Ebλ.§11.1.4辐射力和光谱辐射力§11.1.4定向辐射强度

黑体辐射不仅按波长变化，随空间方向也有变化，即辐射能量在半球空间不同方向的立体角分布不同。黑体辐射向半球空间辐射出去的能量按不同方向分布的规律，只有对不同方向的相等的立体角来比较才有意义。立体角即为某一方向的空间占总空间的大小。§11.1.4定向辐射强度立体角定义：球面面积除以球半径的平方，单位：sr(球面度)称为经度角，称为纬度角（方位角）§11.1.4定向辐射强度定向辐射强度I定义：

单位时间内、单位可见辐射面积向（，）方向的单位立体角内发射的所有波长的总能量。为微元黑体表面dA（位于球心）向方向p

辐射的折合面积，一般称之为可见辐射面积。§11-2黑体辐射的基本定律黑体辐射随波长的变化规律黑体辐射随方向的变化规律黑体辐射在所有波长和所有方向内的总能量规律黑体辐射的三个基本定律§11.2.1Planck定律

Planck定律描述黑体辐射力随波长的变化规律。（或为黑体光谱辐射力Ebλ与波长和温度的依变关系）式中，Ebλ—黑体光谱辐射力W/m3λ—

波长，m；T

—

黑体温度，K；

c1

—

第一辐射常数，3.742×10-16W

m2；

c2—

第二辐射常数，1.4388×10-2W

K；

§11.2.1普朗克Planck定律

黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系可由Wien位移定律给出，即最大光谱辐射力λm与T

的关系为Wien位移定律:例：工业所遇到的温度范围通常在2000K以下，而太阳表面温度可达5800K，试计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。解：时，时，结果表明：在工业上的一般高温范围内，黑体辐射的最大光谱辐射力的波长位于红外线区段，而相对于太阳表面温度的黑体辐射的最大光谱辐射力的波长位于可见光区段。§11.2.2Stefan-Boltzmann定律

式中，σ=5.67×10-8w/(m2

K4)，是Stefan-Boltzmann常数。§10-2黑体辐射的基本定律普朗克定律与斯蒂芬—玻耳兹曼定律的关系：光谱辐射力曲线下的面积就是该温度下黑体的辐射力§11.2.2Stefan-Boltzmann定律

例试求表面温度分别为47℃和367℃的黑体表面的辐射力。解：由Stefan-Boltzmann定律：结果表明：温度提高了1倍，但黑体的辐射力之比高达16倍。黑体辐射能按波段的分布黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力，即波长λ1和λ2之间有关温度曲线下的面积。如图所示10-5§10.2.2Stefan-Boltzmann定律

§11.2.2Stefan-Boltzmann定律

黑体辐射函数:在任意两个波长之间黑体的辐射能为：式中是波长λ1至λ2波段区间的辐射能占同温度下黑体辐射力的百分比。黑体辐射函数注：§11.2.3Lambert定律兰贝特定律给出了黑体表面发出的辐射能在所面对的半球空间不同方向上的分布规律定向辐射强度I(

)：定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。兰贝特定律指出黑体辐射的定向辐射强度I(

)与方向无关，即在半球空间的各个方向上定向辐射强度相等。I(

)=I=常量§11.2.3Lambert定律它说明服从兰贝特定律的辐射从单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立体角内的辐射能的数值并不相等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦。即黑体的定向辐射力随

呈余弦规律变化，表明黑体表面发出的辐射能在空间不同方向的分布是不均匀的，法线方向最大，切线方向为零。因此，Lambert定律也称为余弦定律。I(

)=I=常量将式代入得沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:遵守兰贝特定律的辐射表面称为漫射表面，漫射表面的辐射力等于定向辐射强度的倍。§11.2.3Lambert定律推导如下:研究表明，大多数工程材料近似服从兰贝特定律。§11.2.3Lambert定律a:黑体的定向辐射强度是个常量，与空间方向无关（度量是以单位可视面积）

b:黑体单位面积辐射（度量是以单位实际辐射面积）出去的能量在空间的不同方向分布是不均匀的，按空间纬度角的余弦规律变化：在垂直于该表面的方向最大，而与表面平行的方向为零。总结：§11-3实际物体表面的辐射特性§10.3.1实际物体的辐射特性实际物体（这里指不透明的固体和液体）的辐射特性与绝对黑体不同：实际物体的光谱辐射力往往随波长呈现不规则的变化；辐射力并不严格地同热力学温度的四次方成正比；定向辐射强度在不同方向上有变化。§11.3.1实际物体的辐射特性通常用发射率（习惯上称之为黑度）来描述实际物体的辐射力随波长做不规则变化的特性。实际物体的光谱发射率（单色黑度）实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值称为发射率（黑度），用ε表示。黑度定义：§10.3.1实际物体的辐射特性实际物体的辐射力可由下式计算§11.3.1实际物体的辐射特性实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格地与绝对温度呈四次方的关系，但工程上仍采用四次方关系进行计算，而把温度项修正包括到黑度中去，因而黑度还与温度有关。说明：实际物体表面也不是漫射表面并不严格服从兰贝特定律，所以辐射强度还是方向角θ

的函数，从而实际物体的发射率也随方向角θ

而改变。工程上绝大多数材料可以近似看成漫射物体，忽略其发射率随方向角θ

的变化。§11.3.1实际物体的辐射特性各种材料的发射率由实验测定，介于0～1之间。

ε=f（种类，表面温度，表面状况）=f（本身特性）影响黑度的因素（1）种类不同，黑度不同：白色大理石，ε=0.95；镀锌铁皮，ε=0.23。（2）温度不同，ε不同：金属T↑，ε↑（形成氧化膜）；

非金属，T↑，ε↓（暗黑表面、白亮表面）。（3）表面状况不一样，ε不一样：磨光表面，ε低；粗糙表面，ε高。有氧化与无氧化不一样：一般氧化的金属黑度大于无氧化的金属黑度。§11.3.1实际物体的辐射特性黑度小结：1金属表面的发射率一般较小。（ε很小）；有氧化层可大大增大金属表面的发射率。例如铝：轻微氧化，ε=0.1；严重氧化，ε=0.5；2非导体的发射率较大，一般ε>0.6；金属：T↑，ε↑（形成氧化无薄层）；非金属：ε↑或↓（可增可减）；3各种颜色的非金属材料的黑度比较大，一般在0.85～0.95之间，且与表面状况（包括颜色）关系不大；4对于一般材料，可以把法向发射率εn近似作为半球平均发射率ε；5对于高度磨光的金属表面，可将法向发射率εn乘以1.2得出半球平均发射率ε。§10-3灰体和基尔霍夫定律§11.3.2灰体1.投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用

表示。

3.光谱吸收比：物体对某一特定波长辐射能的吸收百分率。4.选择性吸收：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化，这叫选择性吸收。

§11.3.2灰体定义灰体：光谱吸收比（单色吸收率）与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比只决定于物体自身状况，都是同一个常数。对于灰体：基尔霍夫定律指出了物体的吸收比与辐射力之间的关系，可表达为：热平衡时，任意实际物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。§11.3.3基尔霍夫定律对漫射的灰体：不论投入是否为黑体，是否处于热平衡，上式均成立。§11.3.3基尔霍夫定律推论：

1.善于辐射的物体必善于吸收；

2.因α<1，所以E<Eb。即在同一温度下，黑体的辐射力最大。注意：研究物体表面对太阳能的吸收时，一般物体不能近似为灰体。即不能把物体在常温下的发射率作为对太阳辐射的吸收比。§11.4.1角系数的定义

有两个表面，编号为1和2，其间充满透明介质，则表面1对表面2的角系数X1,2是：表面1直接投射到表面2上的能量占表面1辐射能量的百分比。即同理，也可以定义表面2对表面1的角系数X2,1

。满足上述条件，角系数就是一个几何因子，与两个表面的温度及发射率无关，之与它们的相对位置有很大关系。角系数：从这个概念我们可以得出角系数的应用是有一定限制条件的，即漫射面、均匀热流密度、物性均匀。§11.4.2角系数的性质1）相对性

两个黑体表面1和2之间的辐射换热量为2）完整性对于有n个表面组成的封闭系统，见图所示，据能量守恒可得图10-6角系数的完整性上式称为角系数的完整性。若表面1为非凹表面时，X1,1=0。§11.4.2角系数的性质3）可加性如图所示，表面2可分为2A和2B两个面，当然也可以分n个面，则角系数的可加性为值得注意的是，上图中的表面2对表面1的角系数不存在上述的可加性。§11.4.2角系数的性质§11.4.3角系数的计算方法求解角系数的方法通常有直接积分法、代数分析法、几何分析法以及蒙特卡罗法。直接积分法即根据角系数的定义通过积分运算而求得。代数分析法是利用角系数的各种性质，获得一组代数方程，通过求解获得角系数。注意：(1)利用该方法的前提是系统一定是封闭的，如果不封闭可以做假想面，令其封闭；

(2)凹面的数量必须与不可见表面数相等。例题1以三个非凹表面组成的封闭系统为例，如图所示，面积分别为A1，A2和A3，则根据角系数的相对性和完整性得:通过求解这个封闭的方程组，可得所有角系数，如X1,2为:若系统横截面上三个表面的长度分别为l1，l2和l3，则上式可写为§11.4.3角系数的计算方法§11.4.3角系数的计算方法例题2下面考察两个表面的情况，假想面如图所示，根据完整性和上面的公式两个非凹表面及假想面组成的封闭系统解方程组得:该方法又被称为交叉线法。注意：这里所谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线，或者说是辅助线312§11.4.3角系数的计算方法解：§11-5组成封闭空间的两灰体之间的辐射换热计算§10.5.1有效辐射充满透热介质的封闭空间内的两黑体表面1和2之间的辐射换热量为灰体间的多次反射给辐射换热的计算带来麻烦两个概念投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为G。(2)有效辐射：单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射，记为J。参见图，包括了自身的发射辐射E和反射辐射

G。§11.5.1有效辐射假设漫灰表面物性和温度已知的情况下，考察J与表面净辐射换热量之间的关系，如图所示，对表面1来讲，净辐射换热量q为即：漫灰表面黑体表面的净换热量为，所以§11.5.2漫射表面构成的封闭空腔中的辐射换热分析两个漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况。两个表面的净换热量为根据下式及能量守