第一節(jié) 換熱過(guò)程

1、 第一節(jié)第一節(jié) 換熱過(guò)程換熱過(guò)程 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程 一、傳熱學(xué)的基本概念一、傳熱學(xué)的基本概念 二、熱傳遞的三種基本方式二、熱傳遞的三種基本方式 三、導(dǎo)熱三、導(dǎo)熱 四、對(duì)流換熱四、對(duì)流換熱 五、輻射換熱五、輻射換熱一、傳熱學(xué)的基本概念1 、傳熱學(xué)傳熱學(xué)：傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。：傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。 1)物體內(nèi)只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分；物體內(nèi)只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分； 2)物體之間存在溫差時(shí)，熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體。物體之間存在溫差時(shí)，熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體。 由于自然界和生產(chǎn)技術(shù)中

2、幾乎均有溫差存在，所以熱量傳遞已成為由于自然界和生產(chǎn)技術(shù)中幾乎均有溫差存在，所以熱量傳遞已成為自然界和生產(chǎn)技術(shù)中一種普遍現(xiàn)象。自然界和生產(chǎn)技術(shù)中一種普遍現(xiàn)象。 2 、熱量傳遞過(guò)程熱量傳遞過(guò)程：根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系，熱量傳遞過(guò)程可分為兩類：（根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系，熱量傳遞過(guò)程可分為兩類：（ 1 ）穩(wěn)態(tài)）穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；（傳熱過(guò)程；（ 2 ）非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。）非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。 1）穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程（定常過(guò)程）：凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變（定常過(guò)程）：凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變的熱傳遞過(guò)程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。的熱傳遞過(guò)程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。 2）非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程（非定常

3、過(guò)程）：凡是物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的（非定常過(guò)程）：凡是物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化而變化的熱傳遞過(guò)程均稱非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。變化而變化的熱傳遞過(guò)程均稱非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。 各種熱力設(shè)備在持續(xù)不變的工況下運(yùn)行時(shí)的熱傳遞過(guò)程屬穩(wěn)態(tài)傳熱各種熱力設(shè)備在持續(xù)不變的工況下運(yùn)行時(shí)的熱傳遞過(guò)程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；而在啟動(dòng)、停機(jī)、工況改變時(shí)的傳熱過(guò)程則屬過(guò)程；而在啟動(dòng)、停機(jī)、工況改變時(shí)的傳熱過(guò)程則屬 非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。程。 3、講授傳熱學(xué)的重要性及必要性、講授傳熱學(xué)的重要性及必要性 1） 、傳熱學(xué)是熱工系列課程教學(xué)的主要內(nèi)容之一，是熱能動(dòng)力、傳熱學(xué)是熱工系列課程教學(xué)的主要內(nèi)容之一，是熱能動(dòng)力專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。是

4、否能夠熟練掌握課程的內(nèi)容，直接影專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。是否能夠熟練掌握課程的內(nèi)容，直接影響到后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果。響到后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果。 2 ）、傳熱學(xué)在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。如：熱能動(dòng)力）、傳熱學(xué)在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。如：熱能動(dòng)力學(xué)、環(huán)境技術(shù)、材料學(xué)、微電子技術(shù)、航空航天技術(shù)存在著大量學(xué)、環(huán)境技術(shù)、材料學(xué)、微電子技術(shù)、航空航天技術(shù)存在著大量的傳熱學(xué)問(wèn)題，而且起關(guān)鍵性作用。隨著大規(guī)模集成電路集成溫的傳熱學(xué)問(wèn)題，而且起關(guān)鍵性作用。隨著大規(guī)模集成電路集成溫度的不斷提高，電子器件的冷卻問(wèn)題越顯突出。度的不斷提高，電子器件的冷卻問(wèn)題越顯突出。 3 ）、傳熱學(xué)的發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步

5、具有相互依賴和相互促）、傳熱學(xué)的發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步具有相互依賴和相互促進(jìn)的作用。進(jìn)的作用。 傳熱學(xué)在生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展中已成為一門(mén)理論體系初具完善、內(nèi)容傳熱學(xué)在生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展中已成為一門(mén)理論體系初具完善、內(nèi)容不斷充實(shí)、充滿活力的主要基礎(chǔ)科學(xué)。高參數(shù)大容量發(fā)電機(jī)組的不斷充實(shí)、充滿活力的主要基礎(chǔ)科學(xué)。高參數(shù)大容量發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，原子、太陽(yáng)、地?zé)崮艿睦?，航天技術(shù)、微電子技術(shù)、生發(fā)展，原子、太陽(yáng)、地?zé)崮艿睦?，航天技術(shù)、微電子技術(shù)、生物工程的發(fā)展，推動(dòng)傳熱學(xué)的發(fā)展，而傳熱學(xué)的發(fā)展又促進(jìn)生產(chǎn)物工程的發(fā)展，推動(dòng)傳熱學(xué)的發(fā)展，而傳熱學(xué)的發(fā)展又促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展。同時(shí)，隨著生產(chǎn)技術(shù)及新興科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)的

6、進(jìn)步發(fā)展。同時(shí)，隨著生產(chǎn)技術(shù)及新興科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又向傳熱學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)和新的研究課題。又向傳熱學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)和新的研究課題。 Q),(zyxft1、導(dǎo)熱的基本概念、導(dǎo)熱的基本概念穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)),(zyxft),(zyxft等溫面與等溫線：等溫面與等溫線：在溫度場(chǎng)中在溫度場(chǎng)中, ,將溫度相等的點(diǎn)連成面將溫度相等的點(diǎn)連成面即為等溫面。等溫面與任一平面的交線便是等溫線。即為等溫面。等溫面與任一平面的交線便是等溫線。等溫線與另一條溫度不同的等溫線不可能相交等溫線與另一條溫度不同的等溫線不可能相交, ,它可以它可以是封閉曲線或者終止于物體的界面上。是封閉曲線或者終止于物體的界面上。熱流線

7、與等溫線垂直，且指向溫?zé)崃骶€與等溫線垂直，且指向溫度降低的方向。度降低的方向。2）、）、用用grad tgrad t表示。它是在等溫面表示。它是在等溫面法線方向上單位長(zhǎng)度的溫度法線方向上單位長(zhǎng)度的溫度增量增量, ,它是一個(gè)矢量它是一個(gè)矢量, , 指向溫度指向溫度增大的方向增大的方向ntnttgradn0limn熱流的方向與溫度梯度方向相反熱流的方向與溫度梯度方向相反 3）熱流量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一給定面積的熱量稱為熱流量，記為，單位w。 4）熱流密度（面積熱流量）單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量稱為熱流密度，記為q，單位w/。WAgradtQ熱流量2/mWgradtq熱流密度)/(Kmwgradtq

8、1）、）、 平壁導(dǎo)熱平壁導(dǎo)熱（1）、單層平壁）、單層平壁平壁的長(zhǎng)和寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，且兩側(cè)壁面溫度保持t1和t2，則熱量只沿x方向傳導(dǎo)，為一維溫度場(chǎng)。dxdtq無(wú)內(nèi)熱源、常物性、一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程022xta022dxtd4、導(dǎo)熱熱阻的分析、導(dǎo)熱熱阻的分析1cdxdt一次積分21cxct二次積分邊界條件210ttxttx時(shí)，時(shí)，12121tcttc112txtttrttttq21阻平壁單位面積的導(dǎo)熱熱ARr123123（2）、多層平壁的導(dǎo)熱）、多層平壁的導(dǎo)熱12111ttq23222ttq34333ttq穩(wěn)態(tài)：q1=q2=q333221133221141tttq（1）、單層圓筒壁）、單層圓筒壁導(dǎo)熱

9、只沿半徑方向drdtrdrdtAql12rdrqdtl2分離變量積分crqtlln2邊界條件2211ttrrttrr時(shí)，時(shí)，2）圓筒壁導(dǎo)熱）圓筒壁導(dǎo)熱121221ln2)ln(ln2rrqrrqttll通過(guò)每米管長(zhǎng)的導(dǎo)熱量mWrttttddql2121111ln2為每米管長(zhǎng)的導(dǎo)熱熱阻12ln21ddrl（2）、多層圓筒壁的導(dǎo)熱）、多層圓筒壁的導(dǎo)熱343232121411ln21ln21ln21ddddddttq 當(dāng)d2/d12時(shí)，若按平壁計(jì)算，其誤差不超過(guò)4；當(dāng)d2/d11.3時(shí)，其誤差不超過(guò)0.5。對(duì)于鍋爐中的管子、冷凝器中的管子以及氣缸壁，都可以用平壁公式來(lái)計(jì)算。 四、對(duì)流換熱四、對(duì)流換熱

10、1) 對(duì)流對(duì)流：是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而使流體各部分之間發(fā)：是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程。生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程。 對(duì)流僅發(fā)生在流體中，對(duì)流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象對(duì)流僅發(fā)生在流體中，對(duì)流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。 2) 對(duì)流換熱對(duì)流換熱：流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過(guò)程，稱為：流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過(guò)程，稱為對(duì)流換熱。對(duì)流換熱。 3） 、對(duì)流換熱的分類、對(duì)流換熱的分類 根據(jù)對(duì)流換熱時(shí)是否發(fā)生相變來(lái)分根據(jù)對(duì)流換熱時(shí)是否發(fā)生相變來(lái)分：有相變的對(duì)流換熱和無(wú)：有相變的對(duì)流換熱和無(wú)相變的對(duì)流換熱。

11、相變的對(duì)流換熱。 根據(jù)引起流動(dòng)的原因分根據(jù)引起流動(dòng)的原因分：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。 1 1、對(duì)流換熱的基本概念、對(duì)流換熱的基本概念（1 ）自然對(duì)流）自然對(duì)流：由于流體冷熱各部分的密度不同而引起：由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動(dòng)。流體的流動(dòng)。 如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動(dòng)。如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動(dòng)。 （2 ）強(qiáng)制對(duì)流）強(qiáng)制對(duì)流：流體的流動(dòng)是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓：流體的流動(dòng)是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所造成的。差作用所造成的。 (3 ）沸騰換熱及凝結(jié)換熱）沸騰換熱及凝結(jié)換熱： 液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對(duì)流換液體在熱表面上沸騰及

12、蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對(duì)流換熱，稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱（相變對(duì)流沸騰）。熱，稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱（相變對(duì)流沸騰）。 運(yùn)動(dòng)著的流體與固體壁面之間的熱傳遞運(yùn)動(dòng)著的流體與固體壁面之間的熱傳遞過(guò)程稱為對(duì)流換熱。對(duì)流換熱是熱對(duì)流過(guò)程稱為對(duì)流換熱。對(duì)流換熱是熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)兩種熱傳遞基本方式同時(shí)起作和熱傳導(dǎo)兩種熱傳遞基本方式同時(shí)起作用的一種復(fù)雜的熱傳遞過(guò)程。因此用的一種復(fù)雜的熱傳遞過(guò)程。因此,影響影響對(duì)流換熱的因素遠(yuǎn)比導(dǎo)熱要多。對(duì)流換熱的因素遠(yuǎn)比導(dǎo)熱要多。222fttAQ2222221RttAttQffAR2121 1）、對(duì)流換熱系數(shù)）、對(duì)流換熱系數(shù)KmWtq2固體壁面溫度與流體溫度之間溫差的絕對(duì)值；熱流密

13、度，約定恒取正值；對(duì)流換熱系數(shù),簡(jiǎn)稱換熱系數(shù),單位為（）。2）、影響換熱系數(shù)的因素）、影響換熱系數(shù)的因素（1）.流體流動(dòng)的動(dòng)力因素強(qiáng)迫對(duì)流自然對(duì)流無(wú)流體微團(tuán)的橫向脈動(dòng)，法線方向?yàn)閷?dǎo)熱流體冷、熱部分的密度差產(chǎn)生的浮升力引起，無(wú)整齊的宏觀運(yùn)動(dòng)，浮升力的大小是決定因素。（2）.流體流動(dòng)的狀態(tài)層流紊流過(guò)渡狀態(tài)外力迫使流體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，有整齊的宏觀運(yùn)動(dòng)，流速是決定因素。有流體微團(tuán)的橫向脈動(dòng)（3）.流體的熱物性導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容c、動(dòng)力粘度、密度（4）.換熱壁面的熱狀態(tài)（壁溫的大?。┯邢嘧儫o(wú)相變壁溫高于流體飽和溫度，發(fā)生汽化沸騰現(xiàn)象對(duì)流換熱系數(shù)比有相變時(shí)小得多（5).換熱壁面的幾何因素?fù)Q熱壁面的形狀、大小以及相

14、對(duì)于流動(dòng)方向的位置都會(huì)引起換熱系數(shù)的變化。3)、確定對(duì)流換熱系數(shù)的方法、確定對(duì)流換熱系數(shù)的方法數(shù)學(xué)分析法、實(shí)驗(yàn)法和類比法(1).數(shù)學(xué)分析法質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒描述一般的對(duì)流換熱現(xiàn)象，利用某一特定現(xiàn)象的單值條件，建立一個(gè)對(duì)流換熱的物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，求得換熱系數(shù)?，F(xiàn)象所服從的基本規(guī)律某一具體的換熱現(xiàn)象數(shù)學(xué)分析對(duì)流換熱現(xiàn)象=對(duì)流換熱微分方程組+單值條件邊界層方法的分析解離散化方法的數(shù)值解求近似解(2).實(shí)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法半經(jīng)驗(yàn)法利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出換熱系數(shù)值，再利用在該實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)獲得的一系列值，整理成經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)換熱現(xiàn)象的物理模型，用相似理論找到判別一組相似的對(duì)流換熱現(xiàn)象所具有的充要

15、條件，應(yīng)用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出適用于某一實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的準(zhǔn)則方程?，F(xiàn)象所服從的基本規(guī)律某一具體的換熱現(xiàn)象相似理論對(duì)流換熱現(xiàn)象=對(duì)流換熱微分方程組+單值條件準(zhǔn)則方程(3).類比法將對(duì)流換熱過(guò)程中的熱量傳遞和動(dòng)量傳遞相類比，用數(shù)學(xué)關(guān)系式將兩個(gè)傳遞現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，由流體流動(dòng)的阻力規(guī)律來(lái)求解對(duì)流換熱規(guī)律。理論分析或?qū)嶒?yàn)測(cè)試熱量傳遞和動(dòng)量傳遞的類比規(guī)律基本規(guī)律和基本假設(shè)對(duì)流換熱現(xiàn)象=流體流動(dòng)的阻力規(guī)律對(duì)流換熱規(guī)律4、對(duì)流換熱熱阻分析、對(duì)流換熱熱阻分析 典型的對(duì)流換熱過(guò)程的特征典型的對(duì)流換熱過(guò)程的特征（1）平壁的對(duì)流換熱）平壁的對(duì)流換熱3121PrRe664. 0mmmNu 定性溫度)(21wfmttt定形尺寸為

16、沿流動(dòng)方向平壁的長(zhǎng)度L（2）圓筒壁的對(duì)流換熱）圓筒壁的對(duì)流換熱入口段的熱邊界層較薄，局部換熱系數(shù)比充分發(fā)展段入口段的熱邊界層較薄，局部換熱系數(shù)比充分發(fā)展段的高，且沿著主流方向逐漸降低，逐漸靠近充分發(fā)展的高，且沿著主流方向逐漸降低，逐漸靠近充分發(fā)展段，局部換熱系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。工程技術(shù)中常常利段，局部換熱系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。工程技術(shù)中常常利用入口段換熱效果好這一特點(diǎn)來(lái)強(qiáng)化設(shè)備的換熱。用入口段換熱效果好這一特點(diǎn)來(lái)強(qiáng)化設(shè)備的換熱。1）對(duì)流換熱熱阻分析）對(duì)流換熱熱阻分析用管子進(jìn)口和出口截面上的平均溫度的算術(shù)平均值來(lái)表示定性溫度)(21fffttt2）典型的對(duì)流換熱過(guò)程的特征）典型的對(duì)流換熱過(guò)程的特征A.

17、流體橫掠單管時(shí)的換熱（1）受迫對(duì)流換熱）受迫對(duì)流換熱B、流體橫掠圓管束時(shí)的換熱、流體橫掠圓管束時(shí)的換熱（2）自然對(duì)流換熱）自然對(duì)流換熱流體受壁面加熱或冷卻而引起的自然對(duì)流換熱流體受壁面加熱或冷卻而引起的自然對(duì)流換熱 與流體在壁面附近的由溫度差異所形成的浮升力有與流體在壁面附近的由溫度差異所形成的浮升力有關(guān)。不均勻的溫度場(chǎng)造成了不均勻的密度場(chǎng)，由此關(guān)。不均勻的溫度場(chǎng)造成了不均勻的密度場(chǎng)，由此產(chǎn)生的浮升力成為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。在熱壁面上的空氣產(chǎn)生的浮升力成為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。在熱壁面上的空氣被加熱而上浮被加熱而上浮,而未被加熱的較冷空氣因密度較大而而未被加熱的較冷空氣因密度較大而下沉。所以自然對(duì)流換熱時(shí)下沉。

18、所以自然對(duì)流換熱時(shí),壁面附近的流體不像受壁面附近的流體不像受迫對(duì)流換熱那樣朝同一方向流動(dòng)。一般情況下，不迫對(duì)流換熱那樣朝同一方向流動(dòng)。一般情況下，不均勻溫度場(chǎng)僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在均勻溫度場(chǎng)僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面壁面溫度貼壁處，流體溫度等于壁面壁面溫度tW，在離開(kāi)壁，在離開(kāi)壁面的方向上逐步降低至周?chē)h(huán)境溫度。面的方向上逐步降低至周?chē)h(huán)境溫度。 A、無(wú)限空間自然對(duì)流換熱、無(wú)限空間自然對(duì)流換熱換熱面附近流體的運(yùn)動(dòng)狀況只取決于換熱面的形狀、尺寸和溫?fù)Q熱面附近流體的運(yùn)動(dòng)狀況只取決于換熱面的形狀、尺寸和溫度，而與空間圍護(hù)壁面無(wú)關(guān)，因此稱為無(wú)限空間自然對(duì)流換

19、熱。度，而與空間圍護(hù)壁面無(wú)關(guān)，因此稱為無(wú)限空間自然對(duì)流換熱。B、有限空間自然對(duì)流換熱、有限空間自然對(duì)流換熱(3) 蒸氣凝結(jié)換熱蒸氣凝結(jié)換熱膜狀凝結(jié)：膜狀凝結(jié)：如果能夠濕潤(rùn)，蒸汽就在壁面上形成一如果能夠濕潤(rùn)，蒸汽就在壁面上形成一層液膜，并受重力作用而向下流動(dòng)，稱為膜狀凝結(jié)。層液膜，并受重力作用而向下流動(dòng)，稱為膜狀凝結(jié)。珠狀凝結(jié)：珠狀凝結(jié)：當(dāng)冷凝液體不能濕潤(rùn)冷卻壁面時(shí)當(dāng)冷凝液體不能濕潤(rùn)冷卻壁面時(shí),它就在它就在冷表面上形成小液滴冷表面上形成小液滴,飽和蒸氣在這些液滴上凝結(jié)飽和蒸氣在這些液滴上凝結(jié),使使液滴形成半徑愈來(lái)愈大的液珠。當(dāng)液珠的重力大于液滴形成半徑愈來(lái)愈大的液珠。當(dāng)液珠的重力大于其對(duì)壁面的附

20、著力時(shí)其對(duì)壁面的附著力時(shí),液珠便脫離凝結(jié)核心而沿壁面液珠便脫離凝結(jié)核心而沿壁面滾下。這些滾下的液珠沖掉了沿途所有的液滴滾下。這些滾下的液珠沖掉了沿途所有的液滴,于是于是蒸氣又在這些裸露的冷壁面上重新在凝結(jié)核心處形蒸氣又在這些裸露的冷壁面上重新在凝結(jié)核心處形成小液滴。這稱之為珠狀凝結(jié)。成小液滴。這稱之為珠狀凝結(jié)。 珠狀凝結(jié)存在著裸露的表面，所以，其對(duì)流換熱系數(shù)珠狀凝結(jié)存在著裸露的表面，所以，其對(duì)流換熱系數(shù)比膜狀凝結(jié)大。比膜狀凝結(jié)大。A、豎壁上的膜狀凝結(jié)、豎壁上的膜狀凝結(jié)液膜愈厚，愈小。液膜內(nèi)的溫度分布為線性。B、水平單管上的膜狀凝結(jié)、水平單管上的膜狀凝結(jié)C、水平管束的膜狀凝結(jié)、水平管束的膜狀凝結(jié)

21、由于上一排的凝結(jié)液流至下一排水平管上會(huì)使液膜增厚，使換熱系數(shù)降低。D、影響凝結(jié)換熱的主要因素、影響凝結(jié)換熱的主要因素蒸氣流速的影響當(dāng)蒸氣流速大于當(dāng)蒸氣流速大于10 m/s時(shí)，若流速方向與液膜下時(shí)，若流速方向與液膜下流方向一致，則液膜變薄，換熱系數(shù)流方向一致，則液膜變薄，換熱系數(shù)增大；增大； 若蒸氣流速與液膜下流方向相反，則液膜增厚，若蒸氣流速與液膜下流方向相反，則液膜增厚，減小。若蒸氣減小。若蒸氣 流動(dòng)速度很大，以致將液膜吹離壁面，流動(dòng)速度很大，以致將液膜吹離壁面，則則顯著增大。顯著增大。2.蒸氣中含有不凝結(jié)氣體的影響蒸氣中含有不凝結(jié)氣體的影響如蒸氣中含有空氣或其它不凝結(jié)氣體如蒸氣中含有空氣或

22、其它不凝結(jié)氣體,換熱系數(shù)就會(huì)換熱系數(shù)就會(huì)顯著下降。顯著下降。在氟利昂制冷裝置中，一旦氟利昂中混入空氣，這些在氟利昂制冷裝置中，一旦氟利昂中混入空氣，這些不凝結(jié)的空氣就會(huì)聚集在冷凝器管壁附近而嚴(yán)重影響不凝結(jié)的空氣就會(huì)聚集在冷凝器管壁附近而嚴(yán)重影響氟利昂蒸氣的凝結(jié)換熱，致使冷凝器壓力過(guò)高。因此，氟利昂蒸氣的凝結(jié)換熱，致使冷凝器壓力過(guò)高。因此，必須將聚集在冷凝器中的空氣放掉，以改善凝結(jié)換熱必須將聚集在冷凝器中的空氣放掉，以改善凝結(jié)換熱過(guò)程過(guò)程,使冷凝壓力恢復(fù)正常。使冷凝壓力恢復(fù)正常。(4) 液體沸騰換熱液體沸騰換熱A、泡狀沸騰過(guò)程的特點(diǎn)、泡狀沸騰過(guò)程的特點(diǎn)1.水在大容器中泡狀沸騰時(shí)的溫度分布水在大容

23、器中泡狀沸騰時(shí)的溫度分布.汽化核心數(shù)與過(guò)熱度的關(guān)系汽化核心數(shù)與過(guò)熱度的關(guān)系當(dāng)加熱壁面上的液體具有一定過(guò)熱度時(shí)，在它的粗當(dāng)加熱壁面上的液體具有一定過(guò)熱度時(shí)，在它的粗糙不平處就會(huì)形成氣泡，如圖所示，產(chǎn)生汽泡處為糙不平處就會(huì)形成氣泡，如圖所示，產(chǎn)生汽泡處為汽化核心。汽化核心。加熱壁面上的氣化核心數(shù)，取決于壁面的過(guò)熱度加熱壁面上的氣化核心數(shù)，取決于壁面的過(guò)熱度和壁面的粗糙程度，并隨二者的增加而和壁面的粗糙程度，并隨二者的增加而增加。增加。3.氣泡生成的頻率與過(guò)熱度的關(guān)系氣泡生成的頻率與過(guò)熱度的關(guān)系只要加熱面不斷地被加熱只要加熱面不斷地被加熱,氣化核心處就會(huì)每隔一氣化核心處就會(huì)每隔一定時(shí)間形成一個(gè)氣泡。

24、每生成一個(gè)氣泡所需時(shí)間定時(shí)間形成一個(gè)氣泡。每生成一個(gè)氣泡所需時(shí)間的倒數(shù)稱為的倒數(shù)稱為氣泡的生成頻率。氣泡的生成頻率。壁面的過(guò)熱度愈大，壁面的過(guò)熱度愈大，頻率也愈大。頻率也愈大。泡狀沸騰時(shí)壁面過(guò)熱度愈大，在單位壁面上的氣化核泡狀沸騰時(shí)壁面過(guò)熱度愈大，在單位壁面上的氣化核心數(shù)愈多，氣泡生成頻率也愈大。顯然此時(shí)的換熱系心數(shù)愈多，氣泡生成頻率也愈大。顯然此時(shí)的換熱系數(shù)數(shù)也愈高。也愈高。 B、泡狀沸騰變?yōu)槟罘序v的臨界熱流密度、泡狀沸騰變?yōu)槟罘序v的臨界熱流密度由泡狀沸騰變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)折點(diǎn)由泡狀沸騰變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C時(shí)的時(shí)的 tcr、 cr以及以及qcr稱作稱作臨界溫差、臨界換熱系數(shù)以及臨界熱流密

25、度臨界溫差、臨界換熱系數(shù)以及臨界熱流密度。板面過(guò)熱度在板面過(guò)熱度在D點(diǎn)以后的值，都呈膜態(tài)沸騰，人們稱點(diǎn)以后的值，都呈膜態(tài)沸騰，人們稱D點(diǎn)為點(diǎn)為“萊登佛羅斯特萊登佛羅斯特”點(diǎn)點(diǎn)。 五、五、 輻射換熱輻射換熱 1）熱輻射）熱輻射(thermal radiation)的本質(zhì)的本質(zhì)物體中的原子內(nèi)部，處于束縛態(tài)的電子從高能態(tài)能物體中的原子內(nèi)部，處于束縛態(tài)的電子從高能態(tài)能級(jí)向低能態(tài)能級(jí)躍遷時(shí)，級(jí)向低能態(tài)能級(jí)躍遷時(shí)，由于電子躍遷所釋放的能量由于電子躍遷所釋放的能量就以交替變化的電磁波向四周放射出去，這種能量就就以交替變化的電磁波向四周放射出去，這種能量就叫做輻射能。叫做輻射能。 輻射能是原子內(nèi)部復(fù)雜激動(dòng)的結(jié)

26、果。物體的溫度只輻射能是原子內(nèi)部復(fù)雜激動(dòng)的結(jié)果。物體的溫度只要高于絕對(duì)零度，它便不可避免地發(fā)射出輻射能，物要高于絕對(duì)零度，它便不可避免地發(fā)射出輻射能，物體的溫度愈高則發(fā)射的輻射能量愈多。體的溫度愈高則發(fā)射的輻射能量愈多。 熱輻射是不依賴任何介質(zhì)、用電磁波來(lái)傳遞熱能熱輻射是不依賴任何介質(zhì)、用電磁波來(lái)傳遞熱能的一種熱傳遞方式，輻射換熱是可以在真空中以光的一種熱傳遞方式，輻射換熱是可以在真空中以光速進(jìn)行的熱傳遞過(guò)程。速進(jìn)行的熱傳遞過(guò)程。1、輻射換熱的基本概念、輻射換熱的基本概念 根據(jù)不同波長(zhǎng)范圍的電磁波效應(yīng)和用途，分為宇宙射線、射線、x射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線和無(wú)線電波等。熱射線的波長(zhǎng)主要位于0

27、.4100m的范圍內(nèi)，其中包括可見(jiàn)光（波長(zhǎng)0.40.7m）和紅外線（波長(zhǎng)0.725m的近紅外線和波長(zhǎng)25100m的遠(yuǎn)紅外線）。熱射線2）物體的吸收率、反射率和穿透率）物體的吸收率、反射率和穿透率QA/Q物體的吸收率吸收率AQR/Q物體的反射率反射率RQD/Q物體的穿透率穿透率DQQQQDRA1QQQQQQDRAA+R+D=1A=1的物體稱為黑體黑體(blackbody)R=1的物體稱為白體白體D=1的物體稱為透明體透明體黑體的一切量，都用下標(biāo)黑體的一切量，都用下標(biāo)“0”表示表示顏色的深淺對(duì)可見(jiàn)光的吸收率影響較大。顏色的深淺對(duì)可見(jiàn)光的吸收率影響較大。對(duì)紅外線來(lái)說(shuō)，吸收率主要取決于物體表面的粗糙度

28、，對(duì)紅外線來(lái)說(shuō)，吸收率主要取決于物體表面的粗糙度，不管什么顏色，平滑面和磨光面，其反射率都要比粗不管什么顏色，平滑面和磨光面，其反射率都要比粗糙面高好幾倍。糙面高好幾倍。3）絕對(duì)黑體、絕對(duì)白體、絕對(duì)透明體）絕對(duì)黑體、絕對(duì)白體、絕對(duì)透明體4）、輻射力和單色輻射）、輻射力和單色輻射力力氣體對(duì)于輻射能幾乎不反射，氣體對(duì)于輻射能幾乎不反射，R0，A+D=1。當(dāng)輻射能投射到固體或液體的表面時(shí)，在進(jìn)入表面很當(dāng)輻射能投射到固體或液體的表面時(shí)，在進(jìn)入表面很小距離內(nèi)即被吸收完畢，小距離內(nèi)即被吸收完畢， D0，A+R=1。凡是善于吸收的物體（凡是善于吸收的物體（A比較大），就不善于反射（比較大），就不善于反射（R

29、較?。?，善于反射的物體，則不善于吸收。較小），善于反射的物體，則不善于吸收。（1）、輻射力：輻射力：物體每單位表面積在單位時(shí)間內(nèi)所放射出去的從=0到=的一切波長(zhǎng)的輻射總能量。（2）、單色輻射力：?jiǎn)紊椛淞Γ涸诘絛的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，物體輻射力為dE，dE除以該波長(zhǎng)間隔d所得的商。2/mWAQE3/mWddEE2、 熱輻射的基本定律熱輻射的基本定律 1）、普朗特定律（）、普朗特定律（Plancks law)3)/(51, 0/12mWeCETC各種不同溫度下黑體的單色輻射力按波長(zhǎng)變化的規(guī)律。2）、維恩位移定律）、維恩位移定律(Wiens displacement law)在一定溫度下，對(duì)應(yīng)于最大單色輻

30、射力的波長(zhǎng)m，與該黑體熱力學(xué)溫度T成反比。KmTm3109 . 23）、斯蒂芬）、斯蒂芬-波爾茲曼定律波爾茲曼定律 (Stefan-Boltzmanns law）射系數(shù)，稱為絕對(duì)黑體的輻)/(5.669/1004202400KmWCmWTCEdEEo0,0黑體的輻射力與其本身熱力學(xué)溫度的四次方成正比。射常數(shù)，稱為絕對(duì)黑體的輻)/(105.67/42802400KmWmWTE4）、蘭貝特定律）、蘭貝特定律(Lamberts law)（1）、立體角立體角(solid angle) ：球面上的給定面積對(duì)球心所張的球面角，它的大小用該面積除以球面半徑的平方來(lái)計(jì)算。單位用符號(hào)sr（球面度）表示。2rda

31、dsrrasrra2,21,22（2）、可見(jiàn)面積：）、可見(jiàn)面積：沿P方向發(fā)射的輻射能，dA的可見(jiàn)面積就是其在與P垂直方向的投影面積。ndApn方向：可見(jiàn)面積為dAp方向：可見(jiàn)面積為dAcos=90，可見(jiàn)面積為0（3）、定向輻射強(qiáng)度）、定向輻射強(qiáng)度(directional radiation intensity)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)與發(fā)射方向垂直的單位可見(jiàn)面積在單位立體角內(nèi)所發(fā)射的輻射能。coscos222rdadAQdddAQdIdadAdadAp)/(2srmW物體表面在半球空間各方向上，如定向輻射強(qiáng)度均相等，即Ip,1=Ip,2=-=In則該物體表面稱為漫輻射漫輻射表面，表面，只有絕對(duì)黑體表面才是

32、是漫輻射表面。蘭貝特定律：蘭貝特定律：絕對(duì)黑體表面沿半球空間各方向上，定向輻射強(qiáng)度均相等。0IIpcos0, 02IdAdQddadA022cosIrdadAQdIdadAp單位時(shí)間內(nèi)，黑體表面積沿半球空間不同方向在單位單位時(shí)間內(nèi)，黑體表面積沿半球空間不同方向在單位立體角內(nèi)所發(fā)射的輻射能是不同的。立體角內(nèi)所發(fā)射的輻射能是不同的。對(duì)于黑體黑體微元面積dA向半球空間發(fā)射的輻射能量dQ0,dA黑體輻射力等于其定向輻射強(qiáng)度黑體輻射力等于其定向輻射強(qiáng)度I0的的 倍。倍。dAIdddAIddAIdQdA020200200, 0cossincos0, 00IdAdQEdA黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布服從普朗克定律

33、，按空間分布服從蘭貝特定律，輻射力的大小由斯蒂芬波爾茲曼定律確定。維恩位移定律揭示了最大單色輻射力的分布規(guī)律。5）、基爾霍夫定律（）、基爾霍夫定律（Kirchhoffs law)物體輻射力與吸收率的聯(lián)系。表面2輻射換熱收支差額：0AEEq熱平衡時(shí)T=T0，q=0AEEAEE00或基爾霍夫定律：基爾霍夫定律：任何物體的輻射力與吸收率的比值恒等于同溫度下的絕對(duì)黑體的輻射力，而與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。0332211.EAEAEAE對(duì)任何物體（1)、基爾霍夫定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：、基爾霍夫定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：A1，所以，在任何溫度下，各種物體中以絕對(duì)黑體的輻射力為最大。物體的輻射力越大，它的吸收率也越大。(2）、

34、黑度）、黑度(blackness or emissivity)：實(shí)際物體的輻射力E與同溫度下絕對(duì)黑體的輻射力E0之比稱為“黑度”。0EE在溫度相等的熱平衡條件下，物體的黑度恒等于它的吸收率，即A黑度表明物體輻射力接近黑體輻射力的程度，是分析黑度表明物體輻射力接近黑體輻射力的程度，是分析和計(jì)算輻射換熱的一個(gè)重要參數(shù)。同一物體的黑度隨和計(jì)算輻射換熱的一個(gè)重要參數(shù)。同一物體的黑度隨本身的溫度和表面狀態(tài)而不同。本身的溫度和表面狀態(tài)而不同。單色黑度：?jiǎn)紊诙龋何矬w的單色輻射力E與同溫度下絕對(duì)黑體的單色輻射力E0,之比，即：AEE, 01）、灰體（）、灰體（graybody)：如在所有波長(zhǎng)下，物體的單色輻

35、射力E與同溫度、同波長(zhǎng)下絕對(duì)黑體的單色輻射力E0,之比為定值，這樣的物體稱為“灰體”。實(shí)際物體稱為灰體的單色黑度。定值, 0EE其值與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，且小于1。3、實(shí)際物體的輻射特性、實(shí)際物體的輻射特性灰體的性質(zhì)：灰體的性質(zhì)：灰體1、灰體的輻射光譜是連續(xù)的，而且曲線與同溫度下絕對(duì)黑體的光譜曲線相似。2、灰體的吸收率等于其黑度，與投射無(wú)關(guān)。大多數(shù)工程材料在熱射線范圍內(nèi)可被視為灰體。斯蒂芬波爾茲曼定律也適用于灰體：24400/100100mWTCTCEE00ACCC為灰體的輻射系數(shù)任何物體的輻射力恒小于同溫度下黑體的輻射力。任何物體的輻射力恒小于同溫度下黑體的輻射力。2)空間熱阻空間熱阻角系數(shù)角系數(shù)(a

36、ngle factor) ：表面1發(fā)射的輻射能落在表面2上的百分?jǐn)?shù)，用X1,2表示，X1,2稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)。X2,1稱為表面2對(duì)表面1角系數(shù)。1、2兩表面間的輻射換熱量Q1,2為1 , 222, 02, 111 , 02, 1XAEXAEQ1 , 222, 11XAXA溫度相等的熱平衡條件下：2, 01 , 02, 1, 0EEQ兩表面在輻射換熱時(shí)其角系數(shù)具有相對(duì)性。同樣適用于不等溫灰體表面間的輻射換熱計(jì)算。)(2, 01 , 02, 111 , 222, 02, 111 , 02, 1EEXAXAEXAEQ2, 112 . 01 , 02, 11XAEEQ2, 111XA兩表面輻

37、射換熱的空間熱阻空間熱阻三個(gè)黑體表面組成的封閉空腔的輻射換熱：13 , 12, 11 , 1XXX封閉空腔內(nèi)的角系數(shù)具有完整性。若平面1為平面或凸面時(shí)X1,103）有效輻射）有效輻射投射輻射：投射到表面1上的外來(lái)輻射。1G吸收輻射：被表面1吸收的部分。11G反射輻射：被表面1反射的部分。11)1 (G本身輻射：表面1的輻射力。1 , 011EE2111 , 011111/)1 ()1 (mWGEGEJ有效輻射有效輻射 ：表面1的本身輻射和反射輻射的總和。1J表面1與外界的輻射換熱量Q1：2111 , 011111/)1 ()1 (mWGEGEJWAGAJQ11111WAJEQ11111 , 0111111A稱為灰體的“表面熱阻表面熱阻”。黑度越大，則表面熱阻越小。4）表面熱阻）表面熱阻兩灰體間的輻射換熱的計(jì)算2222, 111112, 01 , 012111AXAAEEQ2, 1121121XAJJQ（1）、）、2個(gè)灰體間的輻射換熱個(gè)灰體間的輻射換熱12, 11 , 1XX01 , 1X12, 1X5）遮熱板的應(yīng)用）遮熱板的應(yīng)用2222, 111112, 01 , 012111AXAAEEQ) 11(1) 11()(221121020112, 1AAXEEAQ) 1() 11(1)(2, 1221102011XAAEEAWTTACTTACE