传热学第五版课件说课讲解.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 导热理论基础,1导热机理的简介：,气体：分子不规则运动相互作用或碰撞,介电体（非导电固体）：弹性波（晶格振动的传递）,金属：自由电子的相互作用和碰撞,液体：类似于介电体（以前曾认为类似于气体）,2纯导热过程的实现：,多在固体中存在，液体和气体需消除对流,3导热理论研究的前提条件：连续介质,4导热理论研究的目的求出,任何时刻,物体中,各处,的温度,第一节 基本概念及傅立叶定律,11 基本概念,：,一、温度场：,t=f(x,y,z,),稳态温度场、二维和一维温度场,二、等温面和等温线：,三、温度梯度：,n,为等温面法向上的单位矢量（温度变化率最大的方向）,温度降度：,gradt,四、热流矢量：,Baron Jean Baptlste,Joseph Fourier(1768-1830),12 傅立叶定律,确定了热流矢量和温度梯度的关系,q=-gradt W/m,2,（,负号表示热流矢量的方向和温度梯度的方向相反）,在三个坐标轴上热流密度分量的描述,第二节 导热系数,每种物质的导热系数可通过实验确定,常用物质可查表获取,一般规律,固相液相气相,金属非金属,晶体无定形态,纯物质有杂质物质,纯金属合金,导热系数的主要影响因素：温度、压力,气体的导热系数：,随温度升高而增大（由于分子运动速度和比定容热容增大），,压力对其影响不大（密度增大但自由程减小）,液体的导热系数：,非缔合和弱缔合液体：随温度升高而减小（由于密度减小）;,强缔合液体：不一定（因为温度升高时密度减小，但缔合性减弱，使分子碰撞几率增加）,金属的导热系数：,随温度升高而减小（由于晶格振动加强干扰了自由电子运动）;,掺入杂质将减小（因为晶格完整性被破坏，干扰了自由电子运动）,非金属材料的导热系数：,随温度升高而增大（由于晶格振动加强）,保温材料：,平均温度不高于350,、导热系数不大于0.12,W/m,K,的材料,表观导热系数：,考虑多孔材料孔隙内介质时，反映材料综合导热性能的导热系数,保温材料保温性能的影响因素：,a.,空隙度：,过小：保温性能下降（因为非金属的导热系数大于空气的导热系数）,过大：保温性能下降（因为孔隙连通导致孔隙内对流作用加强）,b.,湿度：,过大：保温性能下降（因为水的导热系数大于空气，且会形成更强烈对流）,玻璃棉,橡塑,聚氨酯泡沫塑料,第三节 导热微分方程式,研究目标：,确定物体内的温度场,研究基础：,导热微分方程式能量守恒定律,傅立叶定律,研究对象：,右图中的六面微元体,根据能量守恒定律：,导入和导出微元体的净热量微元体中内热源的发热量,微元体热能（内能）的增加,导入微元体的净热量：,在一定时间,d,内:,导出微元体的净热量：,将微分的定义式：,代入上式,再将傅立叶定律代入，得出：,三个方向导入与导出微元体的净热量：,b.,内热源的发热量：,三式相加，得出：,a.,导入与导出微元体的总净热量：,c.,内能增加量：,将,a,b,c,代入能量守恒定律，得出：,导热微分方程式,在几种特殊条件下对导热微分方程式的简化：,1.物性参数,、,、,c,均为常数：,定义：热扩散率,表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向均匀一致的能力,2.物性参数,、,、,c,均为常数，无内热源：,3.物性参数,、,、,c,均为常数，稳态温度场：,4.物性参数,、,、,c,均为常数，稳态温度场，无内热源：,5.物性参数,、,、,c,均为常数，二维稳态温度场，无内热源,：,6.物性参数,、,、,c,均为常数，一维稳态温度场，有内热源,：,7.物性参数,、,、,c,均为常数，一维稳态温度场，无内热源,：,作用：用来对某一特定的导热过程进行进一步的具体说明,通解,特解,四种单值性条件：,l,d,c,几何条件,物理条件,时间条件,边界条件,导热过程与周围环境,相互作用的条件,仅在非稳态导热过程中存在,第四节 导热过程的单值性条件,传热学中的四种边界条件：,一类边界（常壁温边界）：,二类边界（常热流边界）：,或,二类边界的特殊情况绝热边界,出现场合：对称边界，长肋肋端,三类边界（对流边界）：,四类边界（接触面边界）：,或,四种边界条件的已知条件：,一类：已知物体壁面温度,t,w,二类：已知穿过物体边界的热流密度,q,w,（,热流密度为0时为绝热边界）,三类：已知物体边界面周围的流体温度,t,f,和,边界面与流体之间的表面传热系数,h,四类：已知相邻物体与本物体接触面处的温度,t,2,或热流密度,q,2,一个导热问题的完整描述导热微分方程单值性条件,第一章重点,：,1.傅立叶定律的理解,2.导热系数的理解和保温材料,3.导热微分方程的选择和简化,4.边界条件的判断,第二章 稳态导热,导热微分方程：,稳态时满足：,常物性、稳态导热微分方程：,无内热源时常物性、稳态导热微分方程：,第一节 通过平壁的导热,应用领域：墙壁、锅炉壁面,一、第一类边界条件,1.单层平壁：,一维简化的假设条件：高度、宽度远大于厚度,常物性时导热微分方程组如下：,积分两次，得,：,代入边界条件解出,C,1,和,C,2,：,单层平壁的温度分布：,将,C,1,和,C,2,代入导热微分方程，得到：,单层平壁的热流密度：,上式对,x,求导，得到：,2.多层平壁可看作数个单层平壁相互串连,n,层平壁的热流密度：,第,i,层与第,i+1,层之间接触面的温度：,二、第三类边界条件,单层平壁的热流密度：,根据第一类边界条件时的结果:,（此时壁温,t,w1,和,t,w2,为未知,）,与以上两个边界条件共三式变形后相加,可消去,t,w1,和,t,w2，,得：,常物性时导热微分方程组如下：,多层平壁的热流密度：,第二节 通过复合平壁的导热,应用领域：空心砖，空斗墙,请同学们动脑筋思考:,空斗墙和空心砖内均存在导热系数很小的空气孔隙，因而保温性能一定会很好吗？为什么？,一维简化的假设条件：,组成复合平壁的各种不同材料的导热系数相差不是很大,近似计算式：,总导热热阻的计算方法划分单元，模拟电路,对于右图所示的复合平壁，,有以下两种处理方法：,a.,先串联再并联的计算方法：,b.,先并联再串联的计算方法：,两种处理方法结果并不完全相同，但均为合理结果,原因：将二维导热问题简化为一维导热问题，无论采取简化方法，,都必然会产生一定误差,复合平壁导热问题的注意点：,1,.,区域划分一定要合理，保证每个区域形状完全相同,3.对于各部分导热系数相差较大的情况，总热阻必须用二维热流影响的修正系数（教材表21）加以修正,2.每个单元的热阻必须使用总热阻，不能使用单位面积热阻,第三节 通过圆筒壁的导热,应用领域：管道,蒸汽管,热水管（95,70,，60,45,）,冷冻水管（7,12,）,蒸汽管道保温层,一、第一类边界条件,1.单层圆筒壁：,一维简化的假设条件,长度远大于壁厚，温度场轴对称,请同学们动脑筋思考:,管道保温层越厚，保温效果一定越好吗？,常物性时导热微分方程组如下：,积分一次，得,：,再积分一次，得,：,代入边界条件解出,C,1,和,C,2,：,将,c,1,和,c,2,代入导热微分方程，得到：,单层圆筒壁的温度分布：,通常更多情况下用直径代替半径：,将第一次积分的结果：,代入傅立叶定律：,得到：,单层圆筒壁的热流量：,长度为,l,的圆筒壁的热阻：,单位管长单层圆筒壁的热流量：,2.多层圆筒壁可看作数个单层圆筒壁相互串连,n,层圆筒壁的单位管长热流量：,二、第三类边界条件,常物性时导热微分方程组如下：,根据第一类边界条件时的结果:,（此时壁温,t,w1,和,t,w2,为未知,）,与以上两个边界条件共三式变形后相加,可消去,t,w1,和,t,w2，,得：,单层圆筒壁的单位管长热流量：,三、临界热绝缘直径,有绝缘层时的管道总热阻：,当,d,x,增大时：,增大,减小,可能增大,亦可能减小，,应具体分析,必须通过对函数求极值来判断,总热阻的变化规律,对,d,x,求导并令其为0:,从而得出：,临界热绝缘直径,a.,当,d,x,d,c,时,R,l,随,d,x,增大而增大,只有在,d,2,d,c,时，,才可能存在此情况,需要考虑临界热绝缘直径的场合：,d,2,较小时,较大时,h,较小时,应用实例：细管，电线,电线的绝缘层外直径小于临界热绝缘直径时，,可起到散热作用,第四节 具有内热源的平壁导热,应用领域：混凝土墙壁凝固,研究对象：厚度为2,的墙壁，内热源强度为,q,v,，,两边为第三类边界，中间为绝热边界，,取墙壁的一半为研究对象建立导热微分方程,常物性时导热微分方程组如下：,积分两次，得,：,代入边界条件解出,C,1,和,C,2,并代入导热微分方程，得到：,三类边界时具有内热源平壁的温度分布：,上式对,x,求导，得到：,三类边界时具有内热源平壁的热流密度：,当,h,趋于无限大时，得到：,一类边界时具有内热源平壁的温度分布：,第五节 通过肋壁的导热,肋壁的作用：加大散热面积，增强传热,应用领域：冷凝器、散热器、空气冷却器等,肋片的类型：,肋片散热器,肋片置于管道外侧的原因：,换热器或管道内侧流体一般多为流速较高的液体，,而换热器或管道外侧流体多为流速较低的气体，,大多情况下外侧对流换热热阻最大，,对整个传热过程起,支配,作用,一、等截面直肋的导热,一维简化的假设条件：,肋片的高度,l,远大于肋片的厚度,，,因而厚度方向温差很小，,负内热源的处理方法,将,y,方向的对流散热量,等效转化为负内热源,断面周长：,断面面积：,进行负内热源处理后等截面直肋导热微分方程组如下：,（假定肋端绝热）,定义：,令：,过余温度,使导热微分方程齐次化：,并解出其通解为：,代入边界条件求出,c,1,和,c,2,，,并代入通解，得出特解：,等截面直肋的温度分布：,肋端过余温度：,肋片散热量：,当考虑肋端散热时，计算肋片散热量时可采用假想肋高,代替实际肋高,l,一维温度场假定的检验：,肋高越大，肋的散热面积越大，因而采用增加肋高的方法可以增加肋的散热量。这种方法在实际换热器设计中是否可行？若可行，是否会有某些局限性？,请同学们思考一个问题:,二、肋片效率,提出此概念的目的衡量肋片散热的有效程度,肋片效率的定义：,肋片表面平均温度,t,m,下的实际散热量,假定肋片表面全部处在,t,0,时的理想散热量,其中肋片表面平均温度：,代入肋片效率定义，得到：,肋片效率计算式：,m,和,l,对肋片效率的影响分析：,b.,l,一定时，,m,越大,，,f,越低,a.,m,一定时，,l,越大，,越大，但,f,越低,采用长肋可以提高散热量，但却使肋片散热有效性降低,可采用变截面肋片设法降低,m,根据肋片效率计算散热量的方法（查线图法,）：,矩形及三角形直肋的肋片效率,环肋的肋片效率,从线图查出肋片效率,f,第六节 通过接触面的导热,接触热阻的形成原因,固体表面并非理想平整,接触热阻的概念,接触面孔隙间气体导致,两接触面之间存在温差,接触热阻的定义：,接触热阻的例子,镶配式肋片，缠绕式肋片,接触热阻的影响因素：,粗糙度,挤压压力,硬度匹配情形,空隙中介质的性质,表面尽量平整,减小接触热阻的措施：,两表面一软一硬,增加挤压压力,涂导热姆,第七节 二维稳态导热,应用领域：房间墙角，地下埋管，矩形保温层，短肋片,二维稳态导热微分方程：,二维稳态导热问题的研究手段：,解析法,数值法,形状因子法,地源热泵地下埋管,矩形风管保温层,一维无限大平壁的形状因子：,一维无限长圆筒壁的形状因子：,其他常见二维稳态导热情况的形状因子查教材表23,形状因子,S,的定义,将有关涉及物体几何形状和尺寸的因素归纳为一起，,使两个恒定温度边界之间的导热热流量具有一个统一的计算公式,几种导热过程的形状因子,第二章重点,：,1.各种稳态导热问题的数学模型和求解方法,2.临界热绝缘直径问题,3.肋片性能分析,第三章 非稳态导热,导热微分方程：,当非稳态时：,无内热源时常物性、非稳态导热微分方程：,瞬态导热,周期性导热,非稳态导热过程,导热过程随,时间而变化,瞬态导热的例子,淬火,体温计,烹饪,周期性导热的例子,建筑外围护结构,第一节 非稳态导热的基本概念,1.瞬态导热：,以采暖房间外墙为例，在某一时刻，墙体某一侧空气,温度突然提高，墙体内部温度分布将随时间呈如下变化。,t,x,tx,坐标系,t,坐标系,q,坐标系,q,坐标系中：,墙体得到的热量（阴影部分面积）,温度分布变化的三个阶段,不规则情况阶段：温度变化没有共同规律，,温度分布受初始温度分布的影响很大,正常情况阶段：温度变化遵循一定规律，,初始温度分布的影响逐渐消失,新的稳态阶段：各处温度不再变化，,长时间后近似达到,2.周期性导热：,特点：,a.,物体各部分温度随时间周期波动,b.,同一时刻物体内温度分布也呈周期波动,周期性导热的两个重要特性：衰减和延迟,第二节 无限大平壁的瞬态导热,一、加热或冷却过程的分析解法,研究对象：,厚度为2,的无限大平壁在第三类边界,条件下突然冷却，由于两侧对称，因,而将坐标轴,x,的原点放在平壁中心，,并满足绝热边界条件,常物性时导热微分方程组如下：,令：,过余温度,使导热微分方程边界条件齐次化：,对于此类偏微分方程，应采用分离变量法来进行求解：,假定：,代入导热微分方程，得出：,1.分离变量法求解导热微分方程：,令：,并对两式分别求解,求解结果：,因,不可能是无限大或常数，所以只能有：,0.2,时，仅用级数第一项来描述，已足够精确，即：,热流量计算式：,令,无限长时间后壁面冷却到,t,f,时的最大放热量,热流量的计算：,热流量,计算步骤,计算,Bi,和,Fo,由图37计算热流量,温度分布,计算步骤,由图36计算任意处温度,由图35计算中心温度,计算,Bi,和,Fo,无限大平壁非稳态导热问题的另一种计算方法计算线图法,三、集总参数法,Bi,准则对温度分布的影响,Bi,准则对无限大平壁温度分布的影响,Bi,时，平壁表面温度近似等于流体温度,Bi,0,时，平壁内温度分布趋于均匀一致,可用集总参数法处理,集总参数法的使用条件：,当,Bi表面张力,附着力表面张力,稳定性,好,不好,换热性能,不好,好,层流膜状凝结换热,速度变化规律：,层流膜状凝结换热,温度变化规律：,蒸气静止，且对液膜无黏滞应力作用,t,s,为蒸气饱和温度,可采用对流换热微分方程组对垂直壁层流膜状凝结换热加以研究,一、垂直壁和水平管膜状凝结换热,将：,代入，得：,假定液膜流动缓慢，则惯性力项可忽略，动量方程可简化为：,一般情况下：,从而：,积分两次，得到液膜内速度分布：,2.液膜能量方程：,假定液膜流动缓慢，则对流换热项可忽略，能量方程可简化为：,积分两次，并将边界条件代入，得到液膜内温度分布：,1.X,方向液膜动量方程：,3.液膜微元段热平衡：,凝液带入热量,凝液带出热量,墙壁导热出热量,蒸气带入热量,凝液焓（饱和液体）,蒸气焓（饱和气体）,凝液质流量,其中：,液膜微元段热平衡方程：,质流量在,dx,距离内的增量：,近似认为膜内温度分布为线性，则有：,将以上关系式代入液膜微元段热平衡方程，得到：,蒸气潜热：,分离变量，得：,上式在0,内积分，得到,x,处的液膜厚度：,由于,dx,微元段的凝结换热量应该等于该段的导热量，故：,垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：,注意点：以上两式并非最后的正确结果，计算中不得直接使用！,将,代入，得到垂直壁层流膜状凝结换热局部表面传热系数：,水平圆管层流膜状凝结换热平均表面传热系数：,定性温度：,定型尺寸：,x,(,l,),定性温度：,定型尺寸：,d,将平均表面传热系数表达式写为准则方程：,垂直壁：,水平管：,由于未考虑液膜波动因素，垂直壁理论解较实验结果偏低约20，因而应将其修正为：,垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：,进行修正后，得到：,垂直壁与水平管凝结换热强度的比较,由于垂直壁定型尺寸远大于水平管，因而水平管凝结换热性能,更好，在实际管外凝结式冷凝器设计中多采用水平管。,适用范围：,适用范围：,（由于管径不会很大，,一般不会到达紊流）,垂直壁层流膜状凝结换热另一准则方程：,适用范围：,垂直壁紊流段膜状凝结换热准则方程：,适用范围：,存在紊流时整个垂直壁平均凝结对流表面传热系数：,x,c,Re,c,1800,时的临界高度,h,l,层流段平均凝结对流表面传热系数,h,t,紊流段平均凝结对流表面传热系数,l,垂直壁高度,二、水平管内凝结换热,蒸气流速较低时，凝液主要在,管子底部，蒸气位于管子上部，,上部换热较好,蒸气流速较高时，形成环状流动，,凝液均匀分布在管子四周，中间为,蒸气核,三、水平管束管外凝结换热,上一层管子的凝液流到下一层管子上，使下一层管面的膜层增厚,下层管上的,h,比上层管的,h,低,计算方法：用,nd,代替,d,代入水平单管管外凝结换热计算式,四、影响膜状凝结换热的因素及增强换热的措施,影响因素,蒸气速度,高速液膜吹脱壁面,h,增大,低速,蒸气向下吹液膜变薄,h,增大,蒸气向上吹液膜变厚,h,减小,蒸气含不凝气体,不凝气体聚集在表面，蒸气扩散阻力增加,膜层表面蒸气分压降低，,t,s,降低，,t,s,-t,w,降低,h,减小,表面粗糙度,低,Re,c,凝液积聚，液膜增厚,h,减小,高,Re,c,凸出点对凝液产生扰动,h,增大,蒸气含油壁上形成油垢,h,减小,过热蒸气蒸气与凝液焓差增大,h,增大,（计算时潜热修正为实际焓差）,增强凝结换热的措施：,1.改变表面几何特征：,采用各种带有尖峰的表面，,使在其上冷凝的液膜拉薄，,或者使已凝结的液体尽快,从换热表面上排泄掉,2.采用抽气装置排除不凝气体,3.,采用机械方法加速凝液排泄,4.促进珠状凝结的形成,（1）,壁面涂镀材料减小附着力,（2）蒸气加促进剂增大表面张力,（,c）,沟槽管,（,d）,微肋管,第二节 沸腾换热,沸腾换热,大空间沸腾换热,（蒸气泡能自由浮升，穿过自由表面进入容器空间）,有限空间沸腾换热,（蒸气和液体混合在一起，形成两相流）,一、大空间沸腾换热,饱和沸腾：,过冷沸腾：,定义,工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式,沸腾换热小实验,气泡的变化规律,产生,长大,浮升,逸出,大空间饱和沸腾,过程的四个阶段：,（控制壁温加热）,对流沸腾,泡态沸腾,过渡态沸腾,膜态沸腾,曲线,A-B,B-C,C-D,D-E,名称,对流沸腾,泡态沸腾,过渡态沸腾,膜态沸腾,t,w,-t,s,120,现象,气泡微小，附着于壁面不能浮升,气泡不断产生、长大、浮升、逸出,气泡太多形成气膜，阻碍传热,形成稳定气膜，与壁面辐射换热量显著增加,热流密度,很小,急剧增大,下降,回升,大空间饱和沸腾过程的四个阶段,（控制壁温加热）,控制热流密度加热时大空间,饱和沸腾换热的,烧毁点,：,热流密度不断增加到,q,c,（10,6,W/m,2,）,附近时,沸腾状,态将由,C,点沿红线跳跃至,E,点，,壁温突然升至1000 以上，,设备将在瞬间烧毁。,实例：在高压锅炉水冷壁设计中，务必使热流密度小于,10,6,W/m,2,水的大空间沸腾,换热计算式：,已知热流密度：,已知壁温：,二、管内沸腾换热,特征：由于流体温度随流向逐渐,升高，沸腾状态随流向不断改变,液相单相流,泡状流,块状流,环状流,气相单相流,h,较低,h,升高,h,高,h,高,h,急剧降低,垂直管内沸腾,水平管内沸腾,液相单相流,泡状流,块状流,波浪流,环状流,气相单相流,汽水分层，管上半部局部换热较差,第三节 热管,热管的工作原理：,沸腾换热和凝结换热两种相变换热过程的巧妙结合。,热管的特点：,1.靠蒸气流动传输热量，传热能力大。,2.,加热区和散热区趋于等温，温差损失小。,3.采用不同工作液，可适应各种温度范围。,4.加热区和散热区热管表面的热流密度可以不相同。,5.结构简单，无运动部件，工作可靠。,第七章重点,：,1.膜状凝结换热特征和计算方法,2.沸腾换热的四个阶段,3.热管的工作原理,第八章 热辐射的基本定律,热辐射,与热量相关的电磁波辐射，是一切物体所固有的特性,即使中间阻隔低温物体，传热亦能发生,一切物体均能发射热辐射,第一节 基本概念,一、热辐射的本质和特点,热辐射的本质电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发射电磁波向空间传播。,电磁波谱,可见光范围：0.380.76,m,几个常用波段：,太阳辐射范围：0.22,m,热射线范围：0.1100,m,热辐射的,波粒二象性,Max Karl Ernst Ludwig Planck,(1858-1947),波动性,粒子性,光速,波长,频率,光子能量,普朗克常数,热辐射的三个特点：,1.不需要媒介,2.能量的二次转化过程：内能,电磁能,内能,3.存在于任何物体，总能量得失取决于两物体能量交换之差,发射与投射,发射指物体发出电磁波，与本物体温度和表面性质有关。,投射指物体一发出电磁波落到物体二的部分，与两物体相对位置，,以及物体二的形状尺寸、表面性质有关。,二、吸收、反射和穿透,1.能量投射的三种情况:,吸收,反射,穿透,（用百分率来表示）,吸收比,反射比,穿透比,（某一频率下）,光谱,吸收比,光谱,反射比,光谱,穿透比,2.辐射能投射实际物体：,大多数固体和液体：,（玻璃、水例外）,气体：,稀薄的单原子和双原子气体：,3.黑体、白体和透明体（均指全波长范围）：,黑体：,白体：,透明体：,土壤,a,=0.920.95,纯金,a,=0.02,普通玻璃,a,=0.94,雪,a,=0.82,三、定向辐射强度和定向辐射力,1.定向辐射强度 单位立体角的辐射能,立体角体现辐射空间性的量度单位,sr,球面度单位,右图中，微元体的长为：,微元体的宽为：,整个半球的立体角：,a.,定向辐射强度,在某给定辐射方向上，单位时间、单位,可见辐射面积、在单位立体角内所发射全部,波长的能量。,b.,光谱定向辐射强度,在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐射面积，在波长,附近的单位波长间隔内、单位立体角内所发射的能量。,定向辐射强度和光谱定向辐射强度两者关系：,2.辐射力整个半球空间的辐射能,a.,定向辐射力,在某给定辐射方向上，单位时间内、物体单位辐射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量。,在发射辐射能物体表面的法线方向上：,b.,辐射力,单位时间内、物体单位辐射面积向半球空间所发射全部波长的总能量。,c.,光谱辐射力,单位时间内、物体单位辐射面积、在波长,附近的单位波长间隔内，向半球空间所发射的能量。,或,d.,光谱定向辐射力,在某给定辐射方向上，单位时间内、物体单位辐射面积、在单位立体角内发射的波长,附近单位波长间隔内的能量。,或,第二节 热辐射的基本定律,辐射换热分析比较的标准黑体,人工黑体,一、普朗克定律,黑体光谱辐射按波长分布,普朗克第一常数：,普朗克第二常数：,能量经过多次,吸收和反射，,最终全部被吸收,1.普朗克定律:,黑体光谱辐射力分布图,普朗克定律所揭示的规律：,1.对任一波长，温度越高，黑体光谱辐射力越强。,2.,对任一温度，黑体光谱辐射力随波长增加先增大后减小。,3.,对任一温度，黑体光谱辐射力在某个波长会达到一个峰值,max,。,4.随着温度升高，峰值波长,max,向短波方向移动。,黑体光谱辐射力通用曲线,2.维恩位移定律,黑体辐射峰值波长与热力学温度乘积为常数,Wilhelm Carl Werner,Otto Fritz Franz Wien,(1864-1928),实例：光谱测温,实例：金属加热时的颜色变化,（随着温度升高，可见光在总能量中所占比例逐渐增加）,红外测温仪,二、斯蒂芬玻尔兹曼定律,黑体辐射力与热力学温度四次方成正比,黑体辐射常数,或写成：,黑体辐射系数,Ludwig Boltzmann,（1844-1906）,某一波段范围内黑体辐射力的计算：,可根据,T,直接查教材表81。,黑体辐射函数,材料对太阳辐射能量的选择性吸收,实例一：保温玻璃的原理,（短波透过，阻挡长波）,实例三：白炽灯照明的能量浪费,（2800,K,的钨丝辐射总能量中，位于可见光波段的能量只占8.8%，,其他波段发出的能量对照明不起作用。）,实例二：大气层的温室效应,白炽灯,节能灯,三、兰贝特余弦定律,黑体辐射具有漫射表面，各方向辐射强度相等,Johann Heinrich Lambert,(1728-1777),漫发射物体发射的定向辐射强度与方向无关的特性,漫反射物体反射的定向辐射强度与方向无关的特性,漫射表面同时具有漫发射和漫反射特性的表面,黑体的定向辐射力随方向角,按余弦规律变化，法线方向的定向辐射力最大,1.定向辐射强度:,2.定向辐射力:,3.辐射力:,黑体的半球空间辐射力是任意方向定向辐射强度的,倍。,四、基尔霍夫定律,实际物体发射率与吸收率的关系,1.实际物体的辐射发射率:,a.,实际物体的光谱辐射力随波长和温度的,变化是不规则的，不遵守普朗克定律，如,右图所示。,为描述实际物体与黑体辐射间关系，定义：,发射率：,光谱发射率：,定向发射率：,光谱定向发射率：,灰体,实际物体在红外波段内,可近似地视为灰体,b.,实际物体的定向辐射强度,在半球的不同方向上有些变,化，不遵循兰贝特定律，如,右图所示。,半球平均发射率与法向发射率,的关系：,（实际发射率修正方法）,几种金属导体的定向发射率,几种非导电体的定向发射率,非金属表面：,磨光金属表面：,漫射体,作以上修正后，实际物体,可近似地视为漫射体,2.基尔霍夫定律：,Gustav Robert Kirchhoff,(1824-1887),基尔霍夫定律推导过程：,如右图，两块平行平板,板1为黑体，辐射力、吸收比和表面温度分别,为,E,b,、,a,b,（=1）、T,1,板2为任意物体，辐射力、吸收比和表面温度,分别为,E、,a,、T,2,由板1发射被板2吸收的能量：,板2能量得失的差额即为板2的热流密度：,当体系处于热平衡状态（,T,1,=,T,2,）时，应有,q,=,0，,上式变为：,T,1,=,T,2,时，板2的,E,b,与板1相同，,板2的发射率：,因而，对于板2有：,基尔霍夫定律基本表达式：,对漫射表面：,对灰表面：,对漫射灰表面：,漫射灰表面的适用条件,参与辐射的各物体温差不是很大（太阳辐射不适用）,物体发射辐射能的能力愈强，吸收辐射能的能力也愈强,对黑表面：,第八章重点,：,1.表面的热辐射性质,2.热辐射四个基本定律,第九章 辐射换热计算,影响辐射换热的因素,1.表面温度,2.表面的几何特性（面积大小、形状）,3.表面间的相对位置,4.表面的辐射性质,辐射换热计算的研究方法辐射热阻法,第一节 黑表面间的辐射换热,一、任意位置两非凹黑表面间的辐射换热,1.两黑表面间的辐射换热:,微面积,dA,1,投射到微面积,dA,2,的辐射能:,根据兰贝特定律:,立体角的定义：,代入上式，得：,微面积,dA,1,和,dA,2,之间的辐射换热量:,黑表面,A,1,和,A,2,之间的辐射换热量:,同理可得微面积,dA,2,投射到微面积,dA,1,的辐射能:,微面积,dA,1,对微面积,dA,2,的角系数:,微面积,dA,1,对表面积,A,2,的角系数:,离开表面1落到表面2的角系数,角系数离开表面的辐射能中,直接落到,另一表面的百分数,并不一定被吸收,2.角系数：,同理可得，表面积,A,2,对表面积,A,1,的角系数:,由两式得出:,角系数的互换性,仅和几何因素有关，与是否黑体无关，因而可适用于非黑体,表面积,A,1,对表面积,A,2,的角系数:,3.辐射空间热阻：,任意两黑表面间的辐射换热计算式:,将上式改写为：,辐射空间热阻,或,二、封闭空腔诸黑表面间的辐射换热,根据能量守恒定律，,i,表面向外发射的总能量应该等于,向所有表面投射的能量之和。,将上式两边同除以,i,，,得到:,角系数的完整性,黑表面,i,与所有其他黑表面间的辐射换热量：,将上式简化为：,根据完整性：,根据互换性：,表面,i,发射的能量,诸黑表面向表面,i,投射的能量,三个黑表面组成空腔,的辐射网络图,三、辐射换热的网络计算方法,画出辐射换热网络图,列出每个表面的辐射净热量方程,确定每两个表面间的角系数,方程组联立求解,重辐射面参与辐射过程中没有净热量交换的绝热表面,重辐射面的特点：将投射过来的辐射能全部反射回去，并且是将,空间某一方向投射来的能量，转到空间的另一个方向上去。,重辐射面在网络图上的处理方法：不和外源相连接，形成浮动节点,第二节 灰表面间的辐射换热,一、有效辐射,1.有效辐射：,有效辐射,J,单位时间离开单位面积表面的总辐射能,表面1本身辐射,表面1投射辐射的反射,对于漫射灰表面，根据基尔霍夫定律：,代入上式消去,G,1,，,得：,辐射表面热阻,表面1向外界的净传热量平衡关系式：,有效辐射与投射辐射之差,本身辐射与吸收辐射之差,2.辐射表面热阻：,二、组成封闭腔的两灰表面间的辐射换热,1.辐射换热量计算式：,2.系统发射率：,式中：,系统发射率,3.三种常见情况的简化：,a.,两无限大平行灰平壁：,b.,空腔与内包壁面：,c.,空腔与空腔内很小的内包壁面：,三、封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热,画出辐射换热网络图,列出每个节点的热流平衡方程,确定每两个表面间的角系数,方程组联立求解,三灰表面节点方程组,三表面系统的两个特例,表面3为黑体,表面3为重辐射面,表面3无表面热阻，,直接连接外源,表面3不连接外源，,成为浮动节点,四、遮热板削弱两表面间辐射换热的方法,未加遮热板时：,加遮热板时：,遮热板辐射,网络图,遮热板的例子,遮热罩式热电偶,水幕墙,进一步削弱辐射换热的措施,增加总辐射热阻中,两项，即减小遮热板两侧的发射率,常用材料：铝箔（管道外保温），镀银（保温瓶胆）,第三节 角系数的确定方法,一、积分法确定角系数,以微表面积,dA,1,向与之平行的直径为,D,的圆,A,2,辐射的,角系数为例，对角系数进行推导：,环形微元体面积：,两微面积法向与连线夹角：,两微面积距离,：,由角系数表达式,：,为便于计算，表面间不同相对位置的角系数制作成线图，见教材,图9-18（两平行长方形表面），图919（两同轴平行圆盘），图920（两垂直长方形）,二、代数法确定角系数线图应用范围的扩大,角系数的分解性,复杂情况下角系数的确定方法,在图918，919，920的基础上，,利用角系数三个特性，对适用范围进行拓展,角系数的互换性,角系数的完整性,角系数的分解性,第九章重点,：,1.黑表面的辐射计算方法,2.灰表面的辐射计算方法,3.角系数的三个特性,第十章 传热和换热器,研究内容,1.在以前知识的基础上，对几种综合传热问题进行分析,2.对传热强化和削弱的各种方法进行归纳总结,3.换热器的构造原理和设计、校核方法,第一节 通过肋壁的传热,无肋侧换热：,壁的导热：,肋侧换热：,肋间面积,肋片面积,肋片平均温度,肋片效率：,将肋片效率表达式代入肋侧散热量计算式：,肋壁总效率：,肋壁传热量计算式：,以光壁面面积为基准：,肋化系数,以肋壁面面积为基准：,肋片强化传热方法的分析：,1.提高肋高,l,，,则,K,提高，但,f,下降。,2.可适当减小肋片间距使,提高，但不应小于两个边界层厚度。,3.采用柱形、齿形等断续肋破坏边界层。,4.肋片应加装于表面传热系数较低的一侧。,第二节 复合换热时的传热计算,复合换热,指流体为气体时，壁面上对流和辐射并存的传热方式。,复合换热问题的处理方法,将辐射换热改写成对流换热计算式的形式，,得出辐射换热表面传热系数。,对流换热热流密度：,辐射换热热流密度：,辐射换热表面传热系数：,复合换热热流密度：,复合换热表面传热系数：,复合换热的两种情况：,第一种情况：,第二种情况：,物体处在对流与辐射热平衡状态：,冬季地面结霜过程的热平衡,第三节 传热的增强和削弱,增强或削弱传热的三种途径,增加（降低）传热系数,增加（降低）传热面积,增加（降低）传热温差,传热量计算式：,增强传热的目的,节约能源，减少动力消耗。,节省金属材料，使设备趋于紧凑，重量轻。,控制设备或其零部件的温度，使之安全运行。,削弱传热的目的,节约能源，降低能量损失。,安全防护。,环境保护。,满足工艺要求。,一、增强传热的原则,1.扩展传热面：,肋壁、肋片管、波纹管、板翅式换热面,波纹管,2.改变流动状况：,（1）增加流速：管壳式换热器中增加管程和壳程数,（2）流道中加进插入物增强扰动：,（3）采用旋转流动装置：涡流发生器,（4）采用射流方法喷射传热表面：,3.改变流体物性：流体内加添加剂、珠状凝结促进剂,涡流发生器,5.改变换热面形状和大小,：,（1）采用小直径管、椭圆管：,（2）凝结换热中采用水平管：,（3）自然对流换热中采用竖管代替竖壁：,6.改变能量传递方式,：,对流辐射板,对流辐射板,7.靠外力产生振荡，强化传热：,4.改变表面状况：,（1）增加粗糙度：,（2）改变表面结构：多孔金属层增强沸腾换热，,沟槽、螺纹结构增强凝结换热,（3）表面涂层：降低表面张力促成珠状凝结，,提高发射率增强辐射换热,多孔金属板,二、削弱传热的原则,1.覆盖热绝缘材料,：,（1）泡沫热绝缘材料：,（2）超细粉末热绝缘材料：,（3）真空热绝缘层：,2.改变表面状况和材料结构,：,（1）采用选择性涂层增强对投入辐射的吸收，,同时削弱本身对环境的辐射换热损失：,（2）附加抑制对流的元件：,（3）在保温材料表面或内部添加憎水剂：,（4）利用空气夹层隔热：,保温瓶中的,真空热绝缘层,太阳能平板集热器,第四节 换热器的形式和基本构造,间壁式换热器,回热式换热器,混合式换热器,原理,冷热流体被壁面隔开,冷热流体交替流过由蓄热材料构成的换热器,冷热流体直接接触,换热效果,一般,较好,最好,适用范围,不可接触的两种流体,可以接触的,两种流体,可以混合的,两种流体,例子,冷凝器、蒸发器、暖风机,回转式空气预热器,喷淋冷却塔,冷却塔,回转式空气预热器,电暖风机,一、管壳式换热器,2壳程4管程,3壳程6管程,优点：结构坚固，易于制造，适应性强，,处理能力大，高温、高压情况下亦可应,用，换热表面清洗较方便。,缺点：材料消耗大，不紧凑。,管壳式换热器原理,管壳式换热器,二、肋片管式换热器,优点：结构紧凑。,缺点：肋片侧的流动阻力较大。,肋片管式换热器原理,肋片管式换热器,锅炉省煤器,三、板式换热器,板式换热器原理,板式换热器,板式换热器的板片,优点：传热系数高，阻力相对较小，结构,紧凑，金属消耗量低，拆装清洗方便，传,热面可以灵活变更和组合。,缺点：易发生内漏，密封材料不能耐高温。,四、板翅式换热器,板翅式换热器原理,板束体基本结构,板翅式换热器,翅片形式,优点：翅片增加流体的扰动，,传热系数很高，结构紧凑。,缺点：容易堵塞，清洗困难，,不易维修。,五、螺旋板式换热器,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器内部结构,优点：结构紧凑，流动阻力小，传热,系数很高，流动冲刷效果好，不易结,垢。,缺点：不易清洗，清理困难，承压能,力低。,螺旋板式换热器原理,第五节 平均温度差,研究目标,确定,中的,换热器传热计算的特点,冷热流体两沿传热面进行换热，,其温度沿流向不断变化，因而温度差亦不断变化。,顺流,逆流,顺流和逆流时的对数平均温度差：,换热器温差较大一端的冷热流体温度差,换热器温差较小一端的冷热流体温度差,其他流动方式的平均温度差计算方法：,按逆流方式计算计算出对数平均温差,计算,查表得出温差修正系数,平均温差,一侧流体混合，一侧流体不混合的一次交叉流,两侧流体均不混合的一次交叉流,单壳程2、4、6管程的壳管式换热器,相同的进出口温度下，逆流换热器具有最大的平均温差。,相变换热的平均温度差：,饱和热流体,凝结换热,饱和冷流体,沸腾换热,饱和热流体凝结：,饱和冷流体沸腾：,第六节 换热器计算,换热器计算基本公式,换热器传热量,热流体失热量,冷流体得热量,换热器计算类型,设计计算,校核计算,根据换热要求，计算换热器换热面积,对现有换热器计算其能达到的出口温度,一、平均温差法(,LMTD,法),1.计算步骤：见右图,开始,N,结构设计,t,m,和,假定,t,W,K,校核,t,W,传热面积,A,管长,l