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1、4.3.5 圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),化工生產(chǎn)中常見的為圓筒壁(圓管)的熱傳導(dǎo)，其特點(diǎn)是溫度隨半徑變化，傳熱面積也隨半徑變化，均非常量。 4.3.5.1 單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),前提條件： 圓筒內(nèi)、外半徑分別為r1和r2，長度為L，內(nèi)外壁溫度t1t2，在圓筒壁半徑r處沿半徑方向取微元厚度dr的圓筒壁，其傳熱面積：S=2rL 圓筒很長，沿軸向散失熱量可以忽略，溫度僅沿半徑方向變化，為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。 圓筒壁材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)l為常數(shù) 求傳熱速率方程,說明,當(dāng)圓筒壁兩側(cè)溫度不變時，傳熱速率Q為常量，但由于S與r有關(guān)，故熱通量Q/S不再是常量，而Q/L保持常量； 在任一半徑r處，溫度表示為: 表明溫度沿r

2、方向?yàn)閷?shù)曲線分布； 導(dǎo)熱速率 推動力t，導(dǎo)熱熱阻R。 誤差不超過4，工程上允許。,說明,多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的總推動力為各層溫度差之和，總熱阻為各層熱阻之和。 總的導(dǎo)熱速率與總推動力成正比，而和總阻力成反比。對各層，同樣有溫差與熱阻成正比。 不論圓筒壁由多少層組成，通過各層導(dǎo)熱速率Q和Q/L為常量，但q不為常量； 其中每一層的溫度分布為曲線，但各層分布曲線不同； ,保溫材料的放置問題 對于多層平壁，如果每層厚度相等，互換先后順序，則保溫效果有何變化？ 對于圓直管，如果每層厚度相等，互換先后順序，則保溫效果有何變化？,4.4 對流傳熱,4.4.1 對流傳熱機(jī)理 對流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸

3、時的傳熱，是流體的對流與導(dǎo)熱兩者共同作用的結(jié)果。其傳熱速率與流動狀況有密切關(guān)系。 考察湍流流體： 流體流過固體壁面時，由于流體的粘性作用，使靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層。在此薄層內(nèi)，沿壁面的法線方向沒有熱對流，該方向上熱的傳遞僅為熱傳導(dǎo)。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使滯流底層中的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。 在湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈混合并充滿漩渦，因此湍流主體中溫度差及溫度梯度極小，各處的溫度基本相同。 在湍流主體與滯流底層的過渡層中，熱傳導(dǎo)和熱對流均起作用，在該層內(nèi)溫度發(fā)生了緩慢的變化。,T,t,Tw,tw,Ts,ts,圖示即為溫度在湍流流體中的分布情況。,1

4、、層流底層 對流傳熱的熱阻主要集中在滯流底層中，因此，減薄滯流底層的厚度是強(qiáng)化對流傳熱的重要途徑。 2、有效膜 物理模型 層流 過渡 紊流 主體溫度可以測量 壁面溫度可以測量 但是界面出溫度沒法測量,Tb,tb,4.4.2.3 對流傳熱系數(shù),據(jù)前分析，對流傳熱是一復(fù)雜的過程，包括流體中的熱傳導(dǎo)、熱對流及壁面的熱傳導(dǎo)過程，因而影響對流傳熱速率的因素很多。由于過程復(fù)雜，進(jìn)行純理論計算是相當(dāng)困難的，故目前工程上采用半經(jīng)驗(yàn)方法處理，將許多復(fù)雜影響因素歸納到比例系數(shù)內(nèi)。,4.4.2.3.1 對流傳熱速率方程 將湍流主體區(qū)和滯流底層的溫度梯度曲線延長，其交點(diǎn)與壁面距離為，此膜層稱為虛擬膜或

5、有效膜。,,虛擬膜,,,,,說明這是一集中了全部傳熱溫差以導(dǎo)熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為,牛頓冷卻定律,說明,1. 取平均值 在換熱器中，局部對流傳熱系數(shù)隨管長而變化，但在工程計算中，常使用平均對流傳熱系數(shù)，一般也用h表示，此時牛頓冷卻定律可表示為： Q= St 式中： Q 對流傳熱速率，W； S 總傳熱面積；m2； t 流體與壁面(或反之)間溫度差平均值，； 平均對流傳熱系數(shù)，W/(m2 ) 。 2.牛頓冷卻定律的具體表達(dá)方式與實(shí)際換熱情況有關(guān) 換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流動位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫法。如： 熱流體、管程：dQ= i(Tb-Ts

6、)dSi 熱流體、殼程：dQ= o(Tb-Ts)dSo 冷流體、管程：dQ= i(ts-tb)dSi 冷流體、殼程：dQ= o(ts-tb)dSo,可見，對流傳熱系數(shù)是和傳熱面積及溫度差相對應(yīng)的,4.4.2.3.2 對流傳熱系數(shù),定義式一：據(jù)牛頓冷卻定律得,即：在單位溫度差下，對流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于由對流傳熱的熱通量。 但該式并未揭示出影響對流傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠崴俾实囊蛩?，所以無法通過此式計算對流傳熱系數(shù) 。 定義式二： = l/層流底層厚度 l：與流體種類有關(guān)，并與溫度有關(guān) 層流底層厚度：與流體狀態(tài)有關(guān) 分析第二類保溫?zé)醾鲗?dǎo)問題，臨界直徑的問題。 對流傳熱的計算，實(shí)際是如何求對流傳熱系數(shù),

7、物理意義：當(dāng)溫度差為1時,4.4.4 對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 對流傳熱過程的量綱分析,一、對流傳熱的分類 強(qiáng)制對流 無相變 自然對流 對流傳熱 冷凝 有相變 沸騰,4.4.4 對流傳熱過程的量綱分析,4.4.4.1 對流傳熱系數(shù)的影響因素 對流傳熱是流體在外界條件作用下，在一定幾何形狀、尺寸的設(shè)備中流動時與固體壁面之間的傳熱過程，因此影響的主要因素是： 1.流體的種類和相變化情況 氣體 無相變 2.流體的物性 對影響較大的流體物性有導(dǎo)

8、熱系數(shù)、粘度、比熱Cp、密度及對自然對流影響較大的體積膨脹系數(shù)。具體地： l 、、Cp 、 、 ,3.流體的溫度,流體溫度對對流傳熱的影響表現(xiàn)在流體溫度與壁面溫度之差t，流體物性隨溫度變化程度及附加自然對流等方面的綜合影響。故計算中要修正溫度對物性的影響。在傳熱計算過程中，當(dāng)溫度發(fā)生變化時用以確定物性所規(guī)定的溫度稱為定性溫度。 4.流體的流動狀態(tài) 流體 呈湍流時，隨著Re的增加，滯流底層的厚度減薄，阻力降低， 增大。流體呈滯流時，流體在熱流方向上基本沒有混雜作用，故較湍流時小。即： 滯流< 湍流 5.流體流動的原因 自然對流：由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流

9、體質(zhì)點(diǎn)的相對位移。 強(qiáng)制對流：由于外來的作用，迫使流體流動。 自然對流< 強(qiáng)制對流,4.4.4.2 對流傳熱過程的l量綱分析,6.傳熱面的形狀、位置和大小 傳熱壁面的幾何因素對流體沿壁面的流動狀態(tài)、速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對流傳熱。如流體流過平板與管內(nèi)的流動就不同，在自然對流時垂直熱表面?zhèn)鹊牧黧w就比水平熱表面下面的流體自然對流條件要好。因此必須考慮傳熱面的特定幾何條件對傳熱的影響，一般采用對對流傳熱有決定性影響的特征尺寸作為計算依據(jù)，稱為定性尺寸。,由于影響對流傳熱系數(shù)的因素眾多而復(fù)雜，因此不可能用一個通式來描述，為此首先進(jìn)行理論分析，將眾多的影響因素組合成若干無量綱數(shù)群(準(zhǔn)數(shù)

10、)，然后用實(shí)驗(yàn)的方法確定這些準(zhǔn)數(shù)間關(guān)系，從而建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式 。 本節(jié)采用白金漢法處理對流傳熱問題，適用于變量較多的情況。,4.4.4.2.1 流體無相變時的強(qiáng)制對流傳熱過程,步驟： 1.列出影響該過程的物理量 據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，知影響a的因素有：定性尺寸l，流體的密度，粘度，比熱Cp，導(dǎo)熱系數(shù)l ，流速u，可將其表示為： f(l, ，，Cp， l ，u) 2.確定準(zhǔn)數(shù)數(shù)目 定理：任何一個量綱一致的物理方程都可表示成一個隱函數(shù)的形式，即： f(1, 2, 3， ，i)=0 其中：i=j-m i無量綱準(zhǔn)數(shù)的數(shù)目 j變量數(shù) m基本量綱數(shù)(長度L、質(zhì)量M、時間、溫度T) i=7-4=

11、3 有三個準(zhǔn)數(shù),3.確定各準(zhǔn)數(shù)的形式 (1)列出各物理量的量綱 (2)選擇m(即4)個共同物理量,(3)量綱分析 將共同物理量與余下的物理量分別組成無量綱數(shù)群，即,4.4.4.2.2 自然對流傳熱過程,通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,自然對流中，引起流動的原因是單位體積流體的升力，大小為gt，其它因素與強(qiáng)制對流相同，故一般函數(shù)表達(dá)式為：af(l, ，，Cp， l ， gt) 方法同前，可得：,,4.確定具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,,各準(zhǔn)數(shù)的名稱、符合、意義如下：,4.4.4.2.3 應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題,對應(yīng)各種不同情況下的對流傳熱的具體函數(shù)關(guān)系是由

12、實(shí)驗(yàn)確定的，在整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果及使用方程式中應(yīng)注意以下問題： 1.應(yīng)用范圍 關(guān)聯(lián)式中Re、Pr、Gr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等。 2.定性溫度 各準(zhǔn)數(shù)中決定物性參數(shù)的溫度，有3種表示方法： 取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2為定性溫度 取壁面平均溫度t=(tw+Tw)/2為定性溫度 取流體和壁面的平均溫度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2為定性溫度 壁溫多為未知數(shù)，需用試差法，故工程上多用第一種方法 3.特征尺寸 無量綱準(zhǔn)數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸l。通常選取對流體流動和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。,4.4.5 流體無相變時的對流傳熱系數(shù),4.4.5.1

13、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流 1.流體在圓管內(nèi)作強(qiáng)制湍流 (1)低粘度流體(<210-3Pas的氣體及大部分液體),(2)高粘度流體,2.流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制滯流,3流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流,當(dāng)流體在管內(nèi)呈過渡狀態(tài)流動時，即2300

14、 r彎管軸的彎曲半徑，m 5. 流體在非圓形管中強(qiáng)制對流 流體在非圓形管中呈強(qiáng)制湍流、過渡流以及層流時，仍可應(yīng)用上述相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算，只將其中管子內(nèi)徑di用當(dāng)量直徑de代替即可。 ,準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計算示例,例4-13 列管換熱器由254根252.5mm，長6m的鋼管組成，用飽和水蒸汽加熱管內(nèi)流動的苯，苯的流量為50kg/s，進(jìn)出口溫度分別為20和80，試求管內(nèi)苯的對流傳熱系數(shù)。 解：定性溫度t=(20+80)/2=50，查得苯的物性數(shù)據(jù)： =860kg/m3，cP=1.80kJ/kg，=0.4510-3Pas， l =0.14W/m,,二、流體在管外強(qiáng)制對流時對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,1流體在

15、管束外強(qiáng)制垂直流動 管束的排列方式有直列和錯列兩種，錯列中又有正方形和等邊三角形兩種。,直列,正方形錯列,等邊三角形錯列,2流體在列管式換熱器管間流動,當(dāng)流體流過換熱器管間時，由于殼體是圓筒，管束中各列的管數(shù)不等，且一般都安裝有折流擋板，故流體在換熱器殼程流動時，流向和流速的不斷變化，使得Re100時即可能形成湍流，對流傳熱系數(shù)加大。折流擋板的形式較多，最常用的是圓缺形擋板。 (1)換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板(缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面)時 ，殼程流體的a關(guān)聯(lián)式 多諾呼法,凱恩法 (2)無折流擋板 按管內(nèi)強(qiáng)制對流公式計算，將di用管間當(dāng)量直徑de代替即可。,三、自然對流時對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式,

16、自然對流時的對流傳熱系數(shù)僅與反映流體自然對流狀況的Gr準(zhǔn)數(shù)及Pr準(zhǔn)數(shù)，其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可表示為： Nu(rPr)n (147頁 ) 定性溫度取膜溫，即壁溫與流體平均溫度的算術(shù)平均值。 式中的系數(shù)C和指數(shù)n值,準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計算示例,例4-4 一水平蒸汽管，長20m，外徑為159mm，管外壁溫度為120，周圍空氣溫度為20，計算該管段由于自然對流散失的熱量。 定性溫度：t(120+20)/270 70下空氣物性：1.03kg/m3，2.0610-5Pas l 0.0297W/mK，1/(273+70)=1/340 1/K，Pr0.694,4.4.8 流體有相變時的對流傳熱系數(shù),蒸汽冷凝和液體沸騰都

17、是伴有相變化的對流傳熱過程。這類傳熱過程的特點(diǎn)是相變流體要放出或吸收大量的潛熱，但流體溫度基本不變。因此在壁面附近流體層中的溫度梯度較高，從而對流傳熱系數(shù)比無相變時的更大。 4.4.8.1 蒸汽冷凝傳熱 其優(yōu)點(diǎn)是：(1)飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時易于控制；(2)蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)較無相變時大得多。這是因?yàn)檎羝诒诿嫔侠淠耐瑫r，蒸汽將迅速流到壁面補(bǔ)充空位，汽相主體與壁面間溫差極小，因此飽和蒸汽冷凝時汽相中幾乎無溫差存在。,1.蒸汽冷凝方式,蒸氣冷凝時，根據(jù)其冷凝液是否能夠潤濕壁面分成兩種方式： (1)膜狀冷凝：若冷凝液能夠完全潤濕壁面，則將在壁面上形成一層連續(xù)的液膜，并向下流動。壁面完

18、全被冷凝液所覆蓋，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，與壁面不進(jìn)行直接接觸，冷凝潛熱只能以導(dǎo)熱和對流的方式通過液膜傳給壁面。 因蒸汽冷凝時有相的變化，一般熱阻很小，故冷凝液膜就成為冷凝的主要熱阻。 若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動，則所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越高，則整個壁面的平均對流傳熱系數(shù)也越小。 冷凝液潤濕壁面的能力取決于其表面張力和對壁面附著力的關(guān)系，當(dāng)附著力大于表面張力時則會形成膜狀冷凝。,(2)滴狀冷凝,若冷凝液不能夠潤濕壁面，則由于表面張力的作用，在壁面上形成液滴，液滴長大到一定程度后而脫落壁面，這種形式稱為滴狀冷凝。此時壁面常有大部分裸露的冷表面直接和蒸汽接觸，由于沒有液膜阻礙

19、熱流，所以其熱阻很小，因而對流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝高出510倍。 滴狀冷凝雖然比膜狀冷凝傳熱效果好，但在工業(yè)上很難實(shí)現(xiàn)，因此生產(chǎn)中大多為膜狀冷凝。,,2.膜狀冷凝對流傳熱系數(shù),冷凝液膜的流動也可分為滯流和湍流兩種流型，判斷流型也可用Re，而Re常常表示為冷凝負(fù)荷M的函數(shù)，即：Re=f(M)。 冷凝負(fù)荷M：單位時間單位長度潤濕周邊上流過的冷凝液量，kg/(ms) 設(shè)液膜流通截面積為A m2，潤濕周邊長為b m,冷凝液質(zhì)量流量為W kg/s，則： (1)蒸汽在水平管(或管束)外冷凝,(2)蒸汽在垂直管外(或板上)冷凝,計算步驟(試差法) 假設(shè)一種流型 選擇公式計算h 計算熱負(fù)荷q=hoSo(ts-

20、tw),計算質(zhì)量流量W=q/r 計算冷凝負(fù)荷M=W/b 計算Re并校核,3.影響冷凝傳熱的因素,液膜兩側(cè)的溫度差：t，，a 流體的物性：傳熱冷凝液的密度越大，粘度越小，則液膜的厚度越小，因而冷凝對流傳熱系數(shù)a越大。導(dǎo)熱系數(shù)大也有利于傳熱，冷凝潛熱大，則在同樣的熱負(fù)荷下冷凝液減少，液膜變薄，a增大 蒸汽的流速和流向：當(dāng)蒸汽流速較大時，蒸汽與液膜間的摩擦作用不能忽略。若蒸汽和液膜的流向相同，這種作用將使液膜減薄并促使其產(chǎn)生一定波動，因而使a增大。若逆向流動，這種作用會阻礙液膜流動，使其增厚導(dǎo)致傳熱惡化。但當(dāng)這種作用超過重力作用時液膜會被蒸汽帶動而脫離壁面，反而使a急劇增大。,不凝性氣體的影響：蒸汽

21、冷凝時不凝性氣體將在液膜表面形成一層氣體膜，由于其導(dǎo)熱系數(shù)很小，使熱阻增大，a大為降低。當(dāng)蒸汽中不凝性氣體含量為1%時，可使冷凝時a降低60%左右。因此在冷凝器的設(shè)計和操作中，都必須考慮不凝氣的排除。 冷凝壁面的影響： 冷凝液膜為膜狀冷凝的主要熱阻，設(shè)法減薄其厚度是強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵，最直接的方法是從冷凝壁的高度和布置方式上著手。對水平放置的列管式冷凝器，應(yīng)減少垂直方向上管排的數(shù)目。在垂直壁面上，開若干縱向凹槽，使冷凝液沿凹槽流下，以減薄壁面上液膜的厚度等方法均可使冷疑時對流傳熱系數(shù)提高。,4.4.8.2 液體沸騰傳熱,液體與高溫壁面接觸時被加熱，并產(chǎn)生大量氣泡變?yōu)檎羝倪^程稱為液體沸騰。這種傳熱

22、方式由于在加熱面上不斷經(jīng)歷著汽泡的形成、長大和脫離的過程，造成對壁面處流體的強(qiáng)烈擾動，因而對流傳熱系數(shù)要比無相變時大?；ぶ谐Ｓ玫恼舭l(fā)器、再沸器、蒸汽鍋爐等，都是通過液體沸騰而產(chǎn)生蒸汽。 液體在加熱表面上沸騰時，按其沸騰所處的空間可分為大容器沸騰和管內(nèi)沸騰。大容器沸騰是指加熱面被沉浸在無宏觀流動的液體表面下所產(chǎn)生的沸騰，這種情況下汽泡脫離表面后能自由浮升，液體的運(yùn)動只是由自然對流和氣泡擾動引起。當(dāng)液體以一定流速在加熱管內(nèi)流動時的沸騰稱為管內(nèi)沸騰，此時產(chǎn)生的汽泡不能自由浮升，被迫與液體一起流動，也稱為強(qiáng)制對流沸騰。,1大容器飽和沸騰曲線,,,,,,D,E,F,膜狀沸騰,,(1)AB段 當(dāng)t<5時

23、，a隨t緩慢增大，此時緊貼加熱面液體的過熱度很低，不足以產(chǎn)生汽泡，傳熱依靠自然對流進(jìn)行，液體中無汽泡產(chǎn)生，只在液體表面上發(fā)生蒸發(fā)，此段a、q都較低，該段稱為自然對流階段。,(3)CD段 隨汽泡增多，加熱面被蒸汽膜覆蓋區(qū)域增加，直接與液體相接觸的加熱面不斷減少，a開始不斷下降，直到整個加熱面被蒸汽膜覆蓋為止。因蒸汽的導(dǎo)熱性差，所以氣膜的附加熱阻使a、q急劇下降。氣膜開始形成是不穩(wěn)定的，可能形成大氣泡脫離表面。CD段稱為不穩(wěn)定膜狀沸騰階段。,(4)DEF段 t的進(jìn)一步增大，加熱面上形成一層穩(wěn)定的汽膜，將液體和加熱面完全隔開。繼續(xù)加大t會使壁溫愈來愈高，輻射傳熱的作用不斷增強(qiáng)，故a隨t增大而增大。該

24、階段的沸騰稱為穩(wěn)定的膜狀沸騰階段。,顯然各個階段具有不同的傳熱機(jī)理，在BC段由于a大且壁溫低，故工業(yè)設(shè)備常維持在泡狀沸騰下操作。若溫度過高超過臨界點(diǎn)溫度，除a下降外還可能導(dǎo)致設(shè)備的燒毀。,2沸騰傳熱系數(shù)的計算,(1)莫斯聽斯基(Mostinski)經(jīng)驗(yàn)式：,(2)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,4.5 輻射傳熱(轉(zhuǎn)）,熱輻射是熱量傳遞的三種基本方式之一，特別是高溫時，熱輻射往往成為主要的傳熱方式。一些加熱爐和鍋爐中的燃燒加熱，高溫管道和設(shè)備與周圍環(huán)境的熱量交換等均與輻射傳熱有關(guān)。本節(jié)介紹熱輻射的基本概念和基本定律，以及輻射傳熱的簡單計算。 5.5.1 基本概念和定律 5.5.1.1 熱輻射 物體由于本身溫度或受熱

25、而引起內(nèi)部原子的復(fù)雜激動，產(chǎn)生交替變化的電場和磁場，就會對外發(fā)射出輻射能并向四周傳播。這種能量是以電磁波的形式進(jìn)行傳遞，在一定波長范圍內(nèi)顯示為熱效應(yīng)，稱為熱輻射。當(dāng)熱輻射能量投射在另一物體表面上時，可部分或全部地被吸收，重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?電磁波的波長范圍從零到無窮大，但能被物體吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿妮椛渚€主要為可見光(0.40.8m)和紅外線(0.820m)兩部分，即波長在0.420m之間，統(tǒng)稱為熱射線。但只有在很高的溫度下，才能覺察到可見光線(波長為0.40.8m)的熱效應(yīng)。理論上講，任何物體只要溫度在絕對零度以上，都能進(jìn)行熱輻射，但只在高溫時才起決定作用。 ,4.5.1.2 熱輻射對物體的作用

26、,熱射線和可見光一樣，同樣具有反射、折射和吸收的特性，服從光的反射和折射定律，在均一介質(zhì)中直線傳播，在真空和有些氣體中可以完全透過，而在固體和液體中則不能透過。根據(jù)這些特性，設(shè)投在某物體上的總輻射能為Q，則有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，其余部分能量QD穿透過物體，如圖。根據(jù)能量守恒定律有： QAQRQDQ,,4.5.1.3 黑體、鏡體、透熱體和灰體,黑體(絕對黑體)：能全部吸收輻射能的物體，即A1的物體。自然界中無絕對黑體存在，但有些物體如無光澤的黑漆表面，A0.960.98，比較接近于黑體。引入黑體只是作為實(shí)際物體的一種比較標(biāo)準(zhǔn)，黑體A最大，也具有最大的輻射能力。 鏡體(絕對

27、白體)：能全部反射輻射能的物體，即R1的物體。實(shí)際上鏡體也是不存在的，但有些物體如表面磨光的銅，R0.97，接近于白體。 透熱體：能全部透過輻射能的物體，即D1的物體。單原子和對稱雙原子構(gòu)成的氣體(H2、N2、O2和He等)一般可視為透熱體；多原子和不對稱雙原子氣體則能有選擇地吸收和反射某一波長范圍的輻射能。,灰體：以相同吸收率A部分吸收0全部波長輻射能的物體。大多數(shù)工程材料均可按灰體處理。因而灰體的特點(diǎn)是： 灰體為不透熱體，即D=0或AR1 吸收率A不隨波長k變化 物體的A、R和D是和物體的性質(zhì)、表面狀況，所處溫度和投射輻射線的波長等有關(guān)，一般地： 多數(shù)固體和液體：不透熱體，即D0或AR1

28、。 氣體：不反射能量，即R0或AD1。 5.5.1.4 輻射傳熱 物體在向外發(fā)射輻射能的同時，也會不斷地吸收周圍其它物體發(fā)射的輻射能，并將其重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽@種物體間相互輻射和吸收輻射能的傳熱過程稱為輻射傳熱。若輻射傳熱是在兩個溫度不同的物體之間進(jìn)行，則傳熱的結(jié)果是高溫物體將熱量傳給了低溫物體，若兩個物體溫度相同，則物體間的輻射傳熱量等于零，但物體間輻射和吸收過程仍在進(jìn)行。,4.5.1.5 輻射傳熱基本定律,5.5.1.5.1 輻射能力 物體只要具有一定溫度(T0K)就會不斷向空間輻射出各種波長的輻射能。 物體在一定溫度下，單位表面積、單位時間內(nèi)所能發(fā)射出的全部波長范圍的總能量，稱為該溫度下物

29、體的輻射能力，用E表示，單位W/m2。 確定物體的輻射能力先需確定物體輻射某一波長的能力，物體發(fā)射特定波長的能力稱為單色輻射能力，用Ek表示，單位W/m2m。E的大小不僅與波長及溫度有關(guān)，而且與物體的性質(zhì)有關(guān)，于是在一定溫度下物體的輻射能力可表示為： 對于黑體，其輻射能力Eb則可表示為： ,4.5.1.5.2 普朗克(MPlanck)定律,普朗克定律揭示了黑體的輻射能力按照波長的分配規(guī)律，即表示黑體單色輻射能力Eb和波長、熱力學(xué)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系，計算式為： 式中： k 波長，m； T 黑體的絕對溫度，K； C1普朗克第一常數(shù)，3.74310-16 m2； C2普朗克第二常

30、數(shù)，1.438710-2 mK。,不同溫度下，Eb作圖，如圖示，每個溫度有一條能量分布曲線。在指定溫度下，黑體輻射各種波長的能量是不同的。但在某一波長可達(dá)到 Eb的最大值。在不太高的溫度下，輻射主要集中在波長為0.810m的范圍內(nèi)。,4.5.1.5.3 斯蒂芬-波爾茨曼(JStefan-D.Boltzman)定律,斯蒂芬-波爾茨曼定律揭示了黑體的輻射能力與其表面溫度的關(guān)系： 式中： 0黑體的輻射常數(shù)，5.6710-8 W/(m2K4) C0黑體的輻射系數(shù)，5.67 W/(m2K4)。 上式稱為斯蒂芬-波爾茨曼定律，它說明黑體的輻射能力與其表面溫度的四次方成正比，故又稱為四次方定律。,實(shí)

31、驗(yàn)證明，斯蒂芬-波爾茨曼定律也可以應(yīng)用到灰體，此時定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中：C灰體的輻射系數(shù)，W/(m2K4)，不同物體的C值不同，它取決于物體性質(zhì)，表面狀況和溫度，且總是小于C0，因此在同一溫度下，灰體的輻射能力總是小于黑體，其比值稱為物體的黑度，以表示： 因而只要知道物體的黑度，就可通過上式求得該物體的輻射能力。 物體的黑度取決于物體的性質(zhì)、溫度以及表面狀況(表面粗糙度及氧化程度)，是物體本身的特性，與外界情況無關(guān)，一般通過實(shí)驗(yàn)測定。常用工業(yè)材料的黑度列于書中表5-6。,4.5.1.5.4 克希霍夫(Kirchhoff)定律,克?；舴蚨山沂玖宋矬w的輻射能力E與吸收率A之間的關(guān)系。 設(shè)

32、有相距很近的平行平板1和2，從一板發(fā)射的輻射能可全部投射到另一平板上。 板1：實(shí)際物體(灰體)，E1、A1、T1 板2：黑體，Eb、A2(=1)、T2 T1T2,板間介質(zhì)為透熱體，系統(tǒng)與外界絕熱,,,1,2,因板2為黑體，板1發(fā)射出的E1被板2全部吸收。,板2發(fā)射出的Eb被板1吸收A1Eb，其余(1-A1)Eb被反射至板2，并被其全部吸收。,對板1，輻射傳熱的結(jié)果為： q/s=q發(fā)射/s-q接收/s=E1+(1-A1)Eb-Eb=E1-A1Eb 輻射傳熱達(dá)到平衡時，即T1=T2 A時，q/s=0,實(shí)際上板1可用任何板代替，則上式可寫成： 上式稱為克?；舴蚨桑砻魅魏挝矬w的輻射能力與其吸收率

33、的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，并且只和物體的絕對溫度有關(guān)。 根據(jù)克?；舴蚨桑?物體的吸收率A愈大，其輻射能力E也愈大； 由AE/Eb與式E/Eb比較，A，即灰體的吸收率在數(shù)值上等于同溫度下該物體的黑度。因此若測定出了物體的黑度，即可知其吸收率和輻射能力。但A、物理意義不同 ： A：吸收率，表示由其它物體發(fā)射來的輻射能可被該物體吸收的分?jǐn)?shù)； ：黑度，表示物體的輻射能力占黑體輻射能力的分?jǐn)?shù) 因物體的A測定比較困難，工程計算中常用代替。,4.5.2 兩固體間的輻射傳熱,工業(yè)上常遇到兩固體間的相互熱輻射，可近似按灰體處理，故較復(fù)雜。兩固體間輻射傳熱的凈傳熱量與兩物體的溫度、形狀、相對位置以及物

34、體本身性質(zhì)有關(guān)。 5.5.2.1 不考慮幾何因素 面積很大，距離很近，兩大平行灰體平板間的相互輻射。 平板1：T1、E1、A1 平板2：T2、E2、A2,,,1,2,板1輻射總能量： (q/s)1=(E1+R2R1E1+R22R12E1+ )- (R2E1+R22R1E1+R23R12E1+ ) = (E1-E1R2) (1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) = E1A2(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ),,板2輻射總能量： (q/s)2=(E2+R2R1E2+R22R12E2+ )- (R1E2+R2R12E2+R22R13E2+ ) = (E2-E2R1

35、)(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) =E2A1(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) 板1向板2傳遞的凈輻射熱通量：,,,1,2,4.5.2.2 考慮幾何因素,當(dāng)兩壁面間距離與表面積之比不夠小時，一壁面發(fā)射的輻射能可能不能完全到達(dá)另一壁面時，引入一角系數(shù)進(jìn)行修正，即： 上兩式適用于任何形狀的表面之間的相互輻射，但對一物體被另一物體所包圍下的輻射 ，要求被包圍物體的表面應(yīng)為平表面或凸表面。 角系數(shù)：表示從輻射面積S所發(fā)射出的能量為另一物體表面所截獲的分?jǐn)?shù)。其數(shù)值與物體的形狀，大小，相互位置、距離及面積有關(guān)。具體值查P381表5-7。,輻射傳熱計算示例,例4-5

36、某車間的采暖板尺寸為1.80.75m2，板面為鋁板(已氧化)，溫度為107，若不計采暖板背面及側(cè)面的輻射作用，求采暖板面與車間墻面間的輻射傳熱量，已知墻面溫度12。 解：該種情況為很大的物體2(車間墻面)包住物體1(采暖板)的情形，故： S=S1=1.80.75 m2, =1,C1-2=1C0 對已氧化的鋁板，查P378表5-6，取1=0.15,4.5.4 對流和輻射的聯(lián)合傳熱,許多化工設(shè)備或管道的外壁溫度常常高于周圍環(huán)境的溫度，因此熱量將由壁面以對流和輻射兩種形式散失。為減少熱量散失需進(jìn)行隔熱保溫，因此在保溫時必須要計算散失的熱量，其散熱量應(yīng)為對流傳熱和輻射傳熱兩部分之和。 由對流引起的散熱

37、量qC=hcSw(tw-tb),,hT=hC+hR，稱為對流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/(m2)。對于有保溫層的設(shè)備、管道等對周圍環(huán)境散熱的聯(lián)合傳熱系數(shù)hT可用下列公式計算。 1、空氣自然對流時 在平壁保溫層外：hT=9.8+0.07(tw-tb) 在管道或圓筒壁保溫層外：hT=9.4+0.052(tw-tb) 上兩式適用于tw5m/s：hT=7.8+u0.78,對流-輻射聯(lián)合傳熱計算示例,例4-6 外徑為194mm的蒸汽管道，擬包一層導(dǎo)熱系數(shù)為0.09W/mK的保溫材料。管內(nèi)飽和蒸汽溫度為133，保溫層外表的溫度要求低于40，周圍環(huán)境溫度為20，計算需保溫層厚度。設(shè)管內(nèi)蒸汽冷凝傳熱與管壁熱阻均可略去不計。 解：此題周圍環(huán)境屬于自然對流情形，故： hT=9.4+0.052(tw-tb)=9.4+0.052(40-20)=10.44W/(m2) 當(dāng)管壁熱阻不計時，保溫層導(dǎo)熱量等于對流輻射聯(lián)合散熱量，即：,本章要求,掌握： 傅立葉定律 單層與多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的計算 單層與多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的計算 牛頓冷卻定律 低粘度流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 輻射傳熱的基本概念和定律 兩固體間的輻射傳熱 了解： 溫度場的 概念 導(dǎo)熱系數(shù)的基本概念 對流傳熱系數(shù)及其影響因素 對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式,,THE END Thanks,