傳熱學第5版課件完整版

1、第一章 導熱理論基礎1導熱機理的簡介：氣體：分子不規(guī)則運動相互作用或碰撞介電體（非導電固體）：彈性波（晶格振動的傳遞）金屬：自由電子的相互作用和碰撞液體：類似于介電體（以前曾認為類似于氣體）2純導熱過程的實現(xiàn)：多在固體中存在，液體和氣體需消除對流3導熱理論研究的前提條件：連續(xù)介質(zhì)4導熱理論研究的目的求出任何時刻物體中各處的溫度第一節(jié) 基本概念及傅立葉定律11 基本概念：一、溫度場：t=f(x,y,z,)穩(wěn)態(tài)溫度場、二維和一維溫度場二、等溫面和等溫線：三、溫度梯度：n為等溫面法向上的單位矢量（溫度變化率最大的方向） 溫度降度：gradt四、熱流矢量：Baron Jean Baptlste Jos

2、eph Fourier(1768-1830)12 傅立葉定律 確定了熱流矢量和溫度梯度的關系 q=-gradt W/m2 （負號表示熱流矢量的方向和溫度梯度的方向相反）在三個坐標軸上熱流密度分量的描述 第二節(jié) 導熱系數(shù)每種物質(zhì)的導熱系數(shù)可通過實驗確定常用物質(zhì)可查表獲取一般規(guī)律固相液相氣相金屬非金屬 晶體無定形態(tài) 純物質(zhì)有雜質(zhì)物質(zhì) 純金屬合金 導熱系數(shù)的主要影響因素：溫度、壓力氣體的導熱系數(shù)：隨溫度升高而增大（由于分子運動速度和比定容熱容增大），壓力對其影響不大（密度增大但自由程減?。?液體的導熱系數(shù)：非締合和弱締合液體：隨溫度升高而減小（由于密度減?。?強締合液體：不一定（因為溫度升高時密度減

3、小，但締合性減弱，使分子碰撞幾率增加） 金屬的導熱系數(shù)：隨溫度升高而減小（由于晶格振動加強干擾了自由電子運動）;摻入雜質(zhì)將減?。ㄒ驗榫Ц裢暾员黄茐?，干擾了自由電子運動） 非金屬材料的導熱系數(shù)：隨溫度升高而增大（由于晶格振動加強）保溫材料：平均溫度不高于350 、導熱系數(shù)不大于0.12W/mK的材料表觀導熱系數(shù)：考慮多孔材料孔隙內(nèi)介質(zhì)時，反映材料綜合導熱性能的導熱系數(shù)保溫材料保溫性能的影響因素：a.空隙度：過?。罕匦阅芟陆担ㄒ驗榉墙饘俚膶嵯禂?shù)大于空氣的導熱系數(shù)）過大：保溫性能下降（因為孔隙連通導致孔隙內(nèi)對流作用加強）b.濕度：過大：保溫性能下降（因為水的導熱系數(shù)大于空氣，且會形成更強烈對流

4、）玻璃棉橡塑聚氨酯泡沫塑料第三節(jié) 導熱微分方程式研究目標：確定物體內(nèi)的溫度場 研究基礎：導熱微分方程式能量守恒定律傅立葉定律 研究對象：右圖中的六面微元體根據(jù)能量守恒定律：導入和導出微元體的凈熱量微元體中內(nèi)熱源的發(fā)熱量微元體熱能（內(nèi)能）的增加導入微元體的凈熱量：在一定時間d內(nèi):導出微元體的凈熱量：將微分的定義式：代入上式再將傅立葉定律代入，得出：三個方向?qū)肱c導出微元體的凈熱量：b.內(nèi)熱源的發(fā)熱量：三式相加，得出：a.導入與導出微元體的總凈熱量：c.內(nèi)能增加量：將a,b,c代入能量守恒定律，得出：導熱微分方程式在幾種特殊條件下對導熱微分方程式的簡化：1.物性參數(shù) 、 、c均為常數(shù)：定義：熱擴散

5、率表征物體被加熱或冷卻時，物體內(nèi)各部分溫度趨向均勻一致的能力2.物性參數(shù) 、 、c均為常數(shù)，無內(nèi)熱源：3.物性參數(shù) 、 、c均為常數(shù)，穩(wěn)態(tài)溫度場：4.物性參數(shù) 、 、c均為常數(shù)，穩(wěn)態(tài)溫度場，無內(nèi)熱源：5.物性參數(shù) 、 、c均為常數(shù)，二維穩(wěn)態(tài)溫度場，無內(nèi)熱源：6.物性參數(shù) 、 、c均為常數(shù)，一維穩(wěn)態(tài)溫度場，有內(nèi)熱源：7.物性參數(shù) 、 、c均為常數(shù)，一維穩(wěn)態(tài)溫度場，無內(nèi)熱源：作用：用來對某一特定的導熱過程進行進一步的具體說明通解特解四種單值性條件：,l,d,c幾何條件物理條件時間條件邊界條件導熱過程與周圍環(huán)境相互作用的條件僅在非穩(wěn)態(tài)導熱過程中存在第四節(jié) 導熱過程的單值性條件傳熱學中的四種邊界條件：

6、一類邊界（常壁溫邊界）：二類邊界（常熱流邊界）：或二類邊界的特殊情況絕熱邊界出現(xiàn)場合：對稱邊界，長肋肋端三類邊界（對流邊界）：四類邊界（接觸面邊界）：或四種邊界條件的已知條件：一類：已知物體壁面溫度tw二類：已知穿過物體邊界的熱流密度qw（熱流密度為0時為絕熱邊界）三類：已知物體邊界面周圍的流體溫度tf和邊界面與流體之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h四類：已知相鄰物體與本物體接觸面處的溫度t2或熱流密度q2一個導熱問題的完整描述導熱微分方程單值性條件第一章重點：1.傅立葉定律的理解2.導熱系數(shù)的理解和保溫材料3.導熱微分方程的選擇和簡化4.邊界條件的判斷第二章 穩(wěn)態(tài)導熱導熱微分方程：穩(wěn)態(tài)時滿足：常物性、穩(wěn)態(tài)

7、導熱微分方程：無內(nèi)熱源時常物性、穩(wěn)態(tài)導熱微分方程：第一節(jié) 通過平壁的導熱應用領域：墻壁、鍋爐壁面一、第一類邊界條件1.單層平壁：一維簡化的假設條件：高度、寬度遠大于厚度常物性時導熱微分方程組如下：積分兩次，得：代入邊界條件解出C1和C2：單層平壁的溫度分布：將C1和C2代入導熱微分方程，得到：單層平壁的熱流密度：上式對x求導，得到：2.多層平壁可看作數(shù)個單層平壁相互串連n層平壁的熱流密度：第i層與第i+1層之間接觸面的溫度：二、第三類邊界條件單層平壁的熱流密度：根據(jù)第一類邊界條件時的結果:（此時壁溫tw1和tw2為未知）與以上兩個邊界條件共三式變形后相加,可消去tw1和tw2，得：常物性時導熱

8、微分方程組如下：多層平壁的熱流密度：第二節(jié) 通過復合平壁的導熱應用領域：空心磚，空斗墻請同學們動腦筋思考:空斗墻和空心磚內(nèi)均存在導熱系數(shù)很小的空氣孔隙，因而保溫性能一定會很好嗎？為什么？一維簡化的假設條件：組成復合平壁的各種不同材料的導熱系數(shù)相差不是很大近似計算式：總導熱熱阻的計算方法劃分單元，模擬電路對于右圖所示的復合平壁，有以下兩種處理方法：a.先串聯(lián)再并聯(lián)的計算方法：b.先并聯(lián)再串聯(lián)的計算方法：兩種處理方法結果并不完全相同，但均為合理結果原因：將二維導熱問題簡化為一維導熱問題，無論采取簡化方法，都必然會產(chǎn)生一定誤差復合平壁導熱問題的注意點：1.區(qū)域劃分一定要合理，保證每個區(qū)域形狀完全相同

9、3.對于各部分導熱系數(shù)相差較大的情況，總熱阻必須用二維熱流影響的修正系數(shù)（教材表21）加以修正2.每個單元的熱阻必須使用總熱阻，不能使用單位面積熱阻第三節(jié) 通過圓筒壁的導熱應用領域：管道蒸汽管熱水管（95 70 ，60 45 ）冷凍水管（7 12 ）蒸汽管道保溫層一、第一類邊界條件1.單層圓筒壁：一維簡化的假設條件長度遠大于壁厚，溫度場軸對稱請同學們動腦筋思考:管道保溫層越厚，保溫效果一定越好嗎？常物性時導熱微分方程組如下：積分一次，得：再積分一次，得：代入邊界條件解出C1和C2：將c1和c2代入導熱微分方程，得到：單層圓筒壁的溫度分布：通常更多情況下用直徑代替半徑：將第一次積分的結果：代入傅

10、立葉定律：得到：單層圓筒壁的熱流量：長度為l的圓筒壁的熱阻：單位管長單層圓筒壁的熱流量：2.多層圓筒壁可看作數(shù)個單層圓筒壁相互串連n層圓筒壁的單位管長熱流量：二、第三類邊界條件常物性時導熱微分方程組如下：根據(jù)第一類邊界條件時的結果:（此時壁溫tw1和tw2為未知）與以上兩個邊界條件共三式變形后相加,可消去tw1和tw2，得：單層圓筒壁的單位管長熱流量：三、臨界熱絕緣直徑有絕緣層時的管道總熱阻：當dx增大時：增大減小可能增大亦可能減小，應具體分析必須通過對函數(shù)求極值來判斷總熱阻的變化規(guī)律對dx求導并令其為0:從而得出：臨界熱絕緣直徑a.當dxdc時,Rl隨dx 增大而增大只有在d2dc時，才可能

11、存在此情況需要考慮臨界熱絕緣直徑的場合：d2較小時較大時h較小時應用實例：細管，電線電線的絕緣層外直徑小于臨界熱絕緣直徑時，可起到散熱作用第四節(jié) 具有內(nèi)熱源的平壁導熱應用領域：混凝土墻壁凝固研究對象：厚度為2的墻壁，內(nèi)熱源強度為qv，兩邊為第三類邊界，中間為絕熱邊界，取墻壁的一半為研究對象建立導熱微分方程常物性時導熱微分方程組如下：積分兩次，得：代入邊界條件解出C1和C2,并代入導熱微分方程，得到：三類邊界時具有內(nèi)熱源平壁的溫度分布：上式對x求導，得到：三類邊界時具有內(nèi)熱源平壁的熱流密度：當h趨于無限大時，得到：一類邊界時具有內(nèi)熱源平壁的溫度分布：第五節(jié) 通過肋壁的導熱肋壁的作用：加大散熱面積

12、，增強傳熱應用領域：冷凝器、散熱器、空氣冷卻器等肋片的類型：肋片散熱器肋片置于管道外側的原因：換熱器或管道內(nèi)側流體一般多為流速較高的液體，而換熱器或管道外側流體多為流速較低的氣體，大多情況下外側對流換熱熱阻最大，對整個傳熱過程起支配作用一、等截面直肋的導熱一維簡化的假設條件：肋片的高度l遠大于肋片的厚度，因而厚度方向溫差很小，負內(nèi)熱源的處理方法將y方向的對流散熱量等效轉化為負內(nèi)熱源斷面周長：斷面面積：進行負內(nèi)熱源處理后等截面直肋導熱微分方程組如下：（假定肋端絕熱）定義：令： 過余溫度使導熱微分方程齊次化：并解出其通解為：代入邊界條件求出c1和c2，并代入通解，得出特解：等截面直肋的溫度分布：肋

13、端過余溫度：肋片散熱量：當考慮肋端散熱時，計算肋片散熱量時可采用假想肋高代替實際肋高 l一維溫度場假定的檢驗：肋高越大，肋的散熱面積越大，因而采用增加肋高的方法可以增加肋的散熱量。這種方法在實際換熱器設計中是否可行？若可行，是否會有某些局限性？請同學們思考一個問題:二、肋片效率提出此概念的目的衡量肋片散熱的有效程度肋片效率的定義：肋片表面平均溫度tm下的實際散熱量假定肋片表面全部處在t0時的理想散熱量其中肋片表面平均溫度：代入肋片效率定義，得到：肋片效率計算式：m和l對肋片效率的影響分析：b. l一定時，m越大，f越低a. m一定時，l越大，越大，但f越低采用長肋可以提高散熱量，但卻使肋片散熱

14、有效性降低可采用變截面肋片設法降低m根據(jù)肋片效率計算散熱量的方法（查線圖法）：矩形及三角形直肋的肋片效率環(huán)肋的肋片效率從線圖查出肋片效率f第六節(jié) 通過接觸面的導熱接觸熱阻的形成原因固體表面并非理想平整接觸熱阻的概念接觸面孔隙間氣體導致兩接觸面之間存在溫差接觸熱阻的定義：接觸熱阻的例子鑲配式肋片，纏繞式肋片接觸熱阻的影響因素：粗糙度擠壓壓力硬度匹配情形空隙中介質(zhì)的性質(zhì)表面盡量平整減小接觸熱阻的措施：兩表面一軟一硬增加擠壓壓力涂導熱姆第七節(jié) 二維穩(wěn)態(tài)導熱應用領域：房間墻角，地下埋管，矩形保溫層，短肋片二維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程：二維穩(wěn)態(tài)導熱問題的研究手段：解析法數(shù)值法形狀因子法地源熱泵地下埋管矩形風管保

15、溫層一維無限大平壁的形狀因子：一維無限長圓筒壁的形狀因子：其他常見二維穩(wěn)態(tài)導熱情況的形狀因子查教材表23形狀因子S的定義將有關涉及物體幾何形狀和尺寸的因素歸納為一起，使兩個恒定溫度邊界之間的導熱熱流量具有一個統(tǒng)一的計算公式幾種導熱過程的形狀因子第二章重點：1.各種穩(wěn)態(tài)導熱問題的數(shù)學模型和求解方法2.臨界熱絕緣直徑問題3.肋片性能分析第三章 非穩(wěn)態(tài)導熱導熱微分方程：當非穩(wěn)態(tài)時：無內(nèi)熱源時常物性、非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程：瞬態(tài)導熱周期性導熱非穩(wěn)態(tài)導熱過程導熱過程隨時間而變化瞬態(tài)導熱的例子淬火體溫計烹飪周期性導熱的例子建筑外圍護結構第一節(jié) 非穩(wěn)態(tài)導熱的基本概念1.瞬態(tài)導熱： 以采暖房間外墻為例，在某一時刻

16、，墻體某一側空氣溫度突然提高，墻體內(nèi)部溫度分布將隨時間呈如下變化。txtx坐標系t坐標系q坐標系q坐標系中：墻體得到的熱量（陰影部分面積）溫度分布變化的三個階段不規(guī)則情況階段：溫度變化沒有共同規(guī)律，溫度分布受初始溫度分布的影響很大正常情況階段：溫度變化遵循一定規(guī)律，初始溫度分布的影響逐漸消失新的穩(wěn)態(tài)階段：各處溫度不再變化，長時間后近似達到2.周期性導熱：特點：a.物體各部分溫度隨時間周期波動b.同一時刻物體內(nèi)溫度分布也呈周期波動周期性導熱的兩個重要特性：衰減和延遲第二節(jié) 無限大平壁的瞬態(tài)導熱一、加熱或冷卻過程的分析解法研究對象：厚度為2的無限大平壁在第三類邊界條件下突然冷卻，由于兩側對稱，因而

17、將坐標軸x的原點放在平壁中心，并滿足絕熱邊界條件常物性時導熱微分方程組如下：令： 過余溫度使導熱微分方程邊界條件齊次化：對于此類偏微分方程，應采用分離變量法來進行求解：假定：代入導熱微分方程，得出：1.分離變量法求解導熱微分方程：令：并對兩式分別求解求解結果：因 不可能是無限大或常數(shù)，所以只能有：0.2時，僅用級數(shù)第一項來描述，已足夠精確，即：熱流量計算式：令無限長時間后壁面冷卻到tf時的最大放熱量熱流量的計算：熱流量計算步驟計算Bi和Fo由圖37計算熱流量溫度分布計算步驟由圖36計算任意處溫度由圖35計算中心溫度計算Bi和Fo無限大平壁非穩(wěn)態(tài)導熱問題的另一種計算方法計算線圖法三、集總參數(shù)法B

18、i準則對溫度分布的影響B(tài)i準則對無限大平壁溫度分布的影響B(tài)i時，平壁表面溫度近似等于流體溫度Bi0時，平壁內(nèi)溫度分布趨于均勻一致可用集總參數(shù)法處理集總參數(shù)法的使用條件：當Bi表面張力附著力表面張力穩(wěn)定性好不好換熱性能不好好層流膜狀凝結換熱速度變化規(guī)律：層流膜狀凝結換熱溫度變化規(guī)律：蒸氣靜止，且對液膜無黏滯應力作用ts為蒸氣飽和溫度可采用對流換熱微分方程組對垂直壁層流膜狀凝結換熱加以研究一、垂直壁和水平管膜狀凝結換熱將：代入，得：假定液膜流動緩慢，則慣性力項可忽略，動量方程可簡化為：一般情況下：從而：積分兩次，得到液膜內(nèi)速度分布：2.液膜能量方程：假定液膜流動緩慢，則對流換熱項可忽略，能量方程可

19、簡化為：積分兩次，并將邊界條件代入，得到液膜內(nèi)溫度分布：1.X方向液膜動量方程：3.液膜微元段熱平衡：凝液帶入熱量凝液帶出熱量墻壁導熱出熱量蒸氣帶入熱量凝液焓（飽和液體）蒸氣焓（飽和氣體）凝液質(zhì)流量其中：液膜微元段熱平衡方程：質(zhì)流量在dx距離內(nèi)的增量：近似認為膜內(nèi)溫度分布為線性，則有：將以上關系式代入液膜微元段熱平衡方程，得到：蒸氣潛熱：分離變量，得：上式在0內(nèi)積分，得到x處的液膜厚度：由于dx微元段的凝結換熱量應該等于該段的導熱量，故：垂直壁層流膜狀凝結換熱平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：注意點：以上兩式并非最后的正確結果，計算中不得直接使用！將 代入，得到垂直壁層流膜狀凝結換熱局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：水平圓管

20、層流膜狀凝結換熱平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：定性溫度：定型尺寸：x(l)定性溫度：定型尺寸：d將平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表達式寫為準則方程：垂直壁：水平管：由于未考慮液膜波動因素，垂直壁理論解較實驗結果偏低約20，因而應將其修正為：垂直壁層流膜狀凝結換熱平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：進行修正后，得到：垂直壁與水平管凝結換熱強度的比較由于垂直壁定型尺寸遠大于水平管，因而水平管凝結換熱性能更好，在實際管外凝結式冷凝器設計中多采用水平管。適用范圍：適用范圍：（由于管徑不會很大，一般不會到達紊流）垂直壁層流膜狀凝結換熱另一準則方程：適用范圍：垂直壁紊流段膜狀凝結換熱準則方程：適用范圍：存在紊流時整個垂直壁平均凝結對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

21、xcRec1800時的臨界高度hl層流段平均凝結對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ht紊流段平均凝結對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)l垂直壁高度二、水平管內(nèi)凝結換熱蒸氣流速較低時，凝液主要在管子底部，蒸氣位于管子上部，上部換熱較好蒸氣流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝液均勻分布在管子四周，中間為蒸氣核三、水平管束管外凝結換熱上一層管子的凝液流到下一層管子上，使下一層管面的膜層增厚下層管上的h比上層管的h低計算方法：用nd代替d代入水平單管管外凝結換熱計算式四、影響膜狀凝結換熱的因素及增強換熱的措施影響因素蒸氣速度高速液膜吹脫壁面h增大低速蒸氣向下吹液膜變薄h增大蒸氣向上吹液膜變厚h減小蒸氣含不凝氣體不凝氣體聚集在表面，蒸氣擴散阻力增

22、加膜層表面蒸氣分壓降低，ts降低，ts -tw降低h減小表面粗糙度低Rec凝液積聚，液膜增厚h減小高Rec凸出點對凝液產(chǎn)生擾動h增大蒸氣含油壁上形成油垢 h減小過熱蒸氣蒸氣與凝液焓差增大 h增大（計算時潛熱修正為實際焓差）增強凝結換熱的措施：1.改變表面幾何特征：采用各種帶有尖峰的表面，使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝結的液體盡快從換熱表面上排泄掉2.采用抽氣裝置排除不凝氣體3.采用機械方法加速凝液排泄4.促進珠狀凝結的形成（1）壁面涂鍍材料減小附著力（2）蒸氣加促進劑增大表面張力（c） 溝槽管（d） 微肋管第二節(jié) 沸騰換熱沸騰換熱大空間沸騰換熱（蒸氣泡能自由浮升，穿過自由表面進入容器空間）

23、有限空間沸騰換熱（蒸氣和液體混合在一起，形成兩相流）一、大空間沸騰換熱飽和沸騰：過冷沸騰：定義工質(zhì)通過氣泡運動帶走熱量，并使其冷卻的一種傳熱方式沸騰換熱小實驗氣泡的變化規(guī)律產(chǎn)生長大浮升逸出大空間飽和沸騰過程的四個階段：（控制壁溫加熱）對流沸騰泡態(tài)沸騰過渡態(tài)沸騰膜態(tài)沸騰曲線A-BB-CC-DD-E名稱對流沸騰泡態(tài)沸騰過渡態(tài)沸騰膜態(tài)沸騰tw-ts120現(xiàn)象氣泡微小，附著于壁面不能浮升氣泡不斷產(chǎn)生、長大、浮升、逸出氣泡太多形成氣膜，阻礙傳熱形成穩(wěn)定氣膜，與壁面輻射換熱量顯著增加熱流密度很小急劇增大下降回升大空間飽和沸騰過程的四個階段（控制壁溫加熱）控制熱流密度加熱時大空間飽和沸騰換熱的燒毀點：熱流密

24、度不斷增加到qc（106W/m2）附近時,沸騰狀態(tài)將由C點沿紅線跳躍至E點，壁溫突然升至1000 以上，設備將在瞬間燒毀。實例：在高壓鍋爐水冷壁設計中，務必使熱流密度小于106W/m2水的大空間沸騰換熱計算式：已知熱流密度：已知壁溫：二、管內(nèi)沸騰換熱特征：由于流體溫度隨流向逐漸升高，沸騰狀態(tài)隨流向不斷改變液相單相流泡狀流塊狀流環(huán)狀流氣相單相流h較低h升高h高h高h急劇降低垂直管內(nèi)沸騰水平管內(nèi)沸騰液相單相流泡狀流塊狀流波浪流環(huán)狀流氣相單相流汽水分層，管上半部局部換熱較差第三節(jié) 熱管熱管的工作原理：沸騰換熱和凝結換熱兩種相變換熱過程的巧妙結合。熱管的特點：1.靠蒸氣流動傳輸熱量，傳熱能力大。2.加

25、熱區(qū)和散熱區(qū)趨于等溫，溫差損失小。3.采用不同工作液，可適應各種溫度范圍。4.加熱區(qū)和散熱區(qū)熱管表面的熱流密度可以不相同。5.結構簡單，無運動部件，工作可靠。第七章重點：1.膜狀凝結換熱特征和計算方法2.沸騰換熱的四個階段3.熱管的工作原理第八章 熱輻射的基本定律熱輻射與熱量相關的電磁波輻射，是一切物體所固有的特性即使中間阻隔低溫物體，傳熱亦能發(fā)生一切物體均能發(fā)射熱輻射第一節(jié) 基本概念一、熱輻射的本質(zhì)和特點熱輻射的本質(zhì)電子受激和振動時，產(chǎn)生交替變化的電場和磁場，發(fā)射電磁波向空間傳播。電磁波譜可見光范圍：0.380.76m幾個常用波段：太陽輻射范圍：0.22m熱射線范圍：0.1100m熱輻射的波

26、粒二象性Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947)波動性粒子性光速波長頻率光子能量普朗克常數(shù) 熱輻射的三個特點：1.不需要媒介2.能量的二次轉化過程：內(nèi)能電磁能內(nèi)能3.存在于任何物體，總能量得失取決于兩物體能量交換之差發(fā)射與投射發(fā)射指物體發(fā)出電磁波，與本物體溫度和表面性質(zhì)有關。投射指物體一發(fā)出電磁波落到物體二的部分，與兩物體相對位置，以及物體二的形狀尺寸、表面性質(zhì)有關。二、吸收、反射和穿透1.能量投射的三種情況:吸收反射穿透（用百分率來表示）吸收比反射比穿透比（某一頻率下）光譜吸收比光譜反射比光譜穿透比2.輻射能投射實際物體：大多數(shù)固體和液體：（玻璃、水例

27、外）氣體：稀薄的單原子和雙原子氣體：3.黑體、白體和透明體（均指全波長范圍）：黑體：白體：透明體：土壤a=0.920.95純金a=0.02普通玻璃a=0.94雪a=0.82三、定向輻射強度和定向輻射力1.定向輻射強度 單位立體角的輻射能立體角體現(xiàn)輻射空間性的量度單位sr球面度單位右圖中，微元體的長為：微元體的寬為：整個半球的立體角：a.定向輻射強度在某給定輻射方向上，單位時間、單位可見輻射面積、在單位立體角內(nèi)所發(fā)射全部波長的能量。b.光譜定向輻射強度在某給定輻射方向上，單位時間、單位可見輻射面積，在波長附近的單位波長間隔內(nèi)、單位立體角內(nèi)所發(fā)射的能量。定向輻射強度和光譜定向輻射強度兩者關系：2.

28、輻射力整個半球空間的輻射能a.定向輻射力在某給定輻射方向上，單位時間內(nèi)、物體單位輻射面積、在單位立體角內(nèi)所發(fā)射全部波長的能量。在發(fā)射輻射能物體表面的法線方向上：b.輻射力單位時間內(nèi)、物體單位輻射面積向半球空間所發(fā)射全部波長的總能量。c.光譜輻射力單位時間內(nèi)、物體單位輻射面積、在波長附近的單位波長間隔內(nèi)，向半球空間所發(fā)射的能量?；騞.光譜定向輻射力在某給定輻射方向上，單位時間內(nèi)、物體單位輻射面積、在單位立體角內(nèi)發(fā)射的波長附近單位波長間隔內(nèi)的能量?；虻诙?jié) 熱輻射的基本定律輻射換熱分析比較的標準黑體人工黑體一、普朗克定律黑體光譜輻射按波長分布普朗克第一常數(shù)：普朗克第二常數(shù)：能量經(jīng)過多次吸收和反射，

29、最終全部被吸收1.普朗克定律:黑體光譜輻射力分布圖普朗克定律所揭示的規(guī)律：1.對任一波長，溫度越高，黑體光譜輻射力越強。2.對任一溫度，黑體光譜輻射力隨波長增加先增大后減小。3.對任一溫度，黑體光譜輻射力在某個波長會達到一個峰值max。4.隨著溫度升高，峰值波長max向短波方向移動。黑體光譜輻射力通用曲線2.維恩位移定律黑體輻射峰值波長與熱力學溫度乘積為常數(shù)Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien (1864-1928)實例：光譜測溫實例：金屬加熱時的顏色變化（隨著溫度升高，可見光在總能量中所占比例逐漸增加）紅外測溫儀二、斯蒂芬玻爾茲曼定律黑體輻射力與

30、熱力學溫度四次方成正比黑體輻射常數(shù)或?qū)懗桑汉隗w輻射系數(shù)Ludwig Boltzmann（1844-1906）某一波段范圍內(nèi)黑體輻射力的計算：可根據(jù)T直接查教材表81。黑體輻射函數(shù)材料對太陽輻射能量的選擇性吸收實例一：保溫玻璃的原理（短波透過，阻擋長波）實例三：白熾燈照明的能量浪費（2800K的鎢絲輻射總能量中，位于可見光波段的能量只占8.8%，其他波段發(fā)出的能量對照明不起作用。）實例二：大氣層的溫室效應白熾燈節(jié)能燈三、蘭貝特余弦定律黑體輻射具有漫射表面，各方向輻射強度相等Johann Heinrich Lambert(1728-1777) 漫發(fā)射物體發(fā)射的定向輻射強度與方向無關的特性漫反射物體

31、反射的定向輻射強度與方向無關的特性漫射表面同時具有漫發(fā)射和漫反射特性的表面黑體的定向輻射力隨方向角按余弦規(guī)律變化，法線方向的定向輻射力最大1.定向輻射強度:2.定向輻射力:3.輻射力:黑體的半球空間輻射力是任意方向定向輻射強度的倍。四、基爾霍夫定律實際物體發(fā)射率與吸收率的關系1.實際物體的輻射發(fā)射率:a.實際物體的光譜輻射力隨波長和溫度的變化是不規(guī)則的，不遵守普朗克定律，如右圖所示。為描述實際物體與黑體輻射間關系，定義：發(fā)射率：光譜發(fā)射率：定向發(fā)射率：光譜定向發(fā)射率：灰體實際物體在紅外波段內(nèi)可近似地視為灰體b.實際物體的定向輻射強度在半球的不同方向上有些變化，不遵循蘭貝特定律，如右圖所示。半球

32、平均發(fā)射率與法向發(fā)射率的關系：（實際發(fā)射率修正方法）幾種金屬導體的定向發(fā)射率幾種非導電體的定向發(fā)射率非金屬表面：磨光金屬表面：漫射體作以上修正后，實際物體可近似地視為漫射體2.基爾霍夫定律：Gustav Robert Kirchhoff(1824-1887) 基爾霍夫定律推導過程：如右圖，兩塊平行平板板1為黑體，輻射力、吸收比和表面溫度分別為Eb、ab（=1）、T1板2為任意物體，輻射力、吸收比和表面溫度分別為E、a、T2 由板1發(fā)射被板2吸收的能量：板2能量得失的差額即為板2的熱流密度： 當體系處于熱平衡狀態(tài)（T1 = T2）時，應有q = 0，上式變?yōu)椋?T1 = T2時，板2的Eb與板1

33、相同，板2的發(fā)射率： 因而，對于板2有： 基爾霍夫定律基本表達式：對漫射表面：對灰表面：對漫射灰表面：漫射灰表面的適用條件參與輻射的各物體溫差不是很大（太陽輻射不適用）物體發(fā)射輻射能的能力愈強，吸收輻射能的能力也愈強對黑表面：第八章重點：1.表面的熱輻射性質(zhì)2.熱輻射四個基本定律第九章 輻射換熱計算影響輻射換熱的因素1.表面溫度2.表面的幾何特性（面積大小、形狀）3.表面間的相對位置4.表面的輻射性質(zhì)輻射換熱計算的研究方法輻射熱阻法第一節(jié) 黑表面間的輻射換熱一、任意位置兩非凹黑表面間的輻射換熱1.兩黑表面間的輻射換熱:微面積dA1投射到微面積dA2的輻射能:根據(jù)蘭貝特定律:立體角的定義：代入上

34、式，得：微面積dA1和dA2之間的輻射換熱量: 黑表面A1和A2之間的輻射換熱量: 同理可得微面積dA2投射到微面積dA1的輻射能: 微面積dA1對微面積dA2的角系數(shù):微面積dA1對表面積A2的角系數(shù):離開表面1落到表面2的角系數(shù)角系數(shù)離開表面的輻射能中直接落到另一表面的百分數(shù)并不一定被吸收2.角系數(shù)：同理可得，表面積A2對表面積A1的角系數(shù):由兩式得出:角系數(shù)的互換性僅和幾何因素有關，與是否黑體無關，因而可適用于非黑體表面積A1對表面積A2的角系數(shù):3.輻射空間熱阻：任意兩黑表面間的輻射換熱計算式:將上式改寫為：輻射空間熱阻或二、封閉空腔諸黑表面間的輻射換熱根據(jù)能量守恒定律，i表面向外發(fā)射

35、的總能量應該等于向所有表面投射的能量之和。將上式兩邊同除以i，得到: 角系數(shù)的完整性黑表面i與所有其他黑表面間的輻射換熱量： 將上式簡化為： 根據(jù)完整性： 根據(jù)互換性： 表面i發(fā)射的能量諸黑表面向表面i投射的能量三個黑表面組成空腔的輻射網(wǎng)絡圖三、輻射換熱的網(wǎng)絡計算方法畫出輻射換熱網(wǎng)絡圖列出每個表面的輻射凈熱量方程確定每兩個表面間的角系數(shù)方程組聯(lián)立求解重輻射面參與輻射過程中沒有凈熱量交換的絕熱表面重輻射面的特點：將投射過來的輻射能全部反射回去，并且是將空間某一方向投射來的能量，轉到空間的另一個方向上去。重輻射面在網(wǎng)絡圖上的處理方法：不和外源相連接，形成浮動節(jié)點第二節(jié) 灰表面間的輻射換熱一、有效輻

36、射1.有效輻射：有效輻射J單位時間離開單位面積表面的總輻射能表面1本身輻射表面1投射輻射的反射對于漫射灰表面，根據(jù)基爾霍夫定律：代入上式消去G1，得：輻射表面熱阻表面1向外界的凈傳熱量平衡關系式：有效輻射與投射輻射之差本身輻射與吸收輻射之差2. 輻射表面熱阻：二、組成封閉腔的兩灰表面間的輻射換熱1.輻射換熱量計算式：2.系統(tǒng)發(fā)射率：式中：系統(tǒng)發(fā)射率3.三種常見情況的簡化：a.兩無限大平行灰平壁：b.空腔與內(nèi)包壁面：c.空腔與空腔內(nèi)很小的內(nèi)包壁面：三、封閉空腔中諸灰表面間的輻射換熱畫出輻射換熱網(wǎng)絡圖列出每個節(jié)點的熱流平衡方程確定每兩個表面間的角系數(shù)方程組聯(lián)立求解三灰表面節(jié)點方程組三表面系統(tǒng)的兩個

37、特例表面3為黑體表面3為重輻射面表面3無表面熱阻，直接連接外源表面3不連接外源，成為浮動節(jié)點四、遮熱板削弱兩表面間輻射換熱的方法未加遮熱板時：加遮熱板時：遮熱板輻射網(wǎng)絡圖遮熱板的例子遮熱罩式熱電偶水幕墻進一步削弱輻射換熱的措施增加總輻射熱阻中兩項，即減小遮熱板兩側的發(fā)射率常用材料：鋁箔（管道外保溫），鍍銀（保溫瓶膽）第三節(jié) 角系數(shù)的確定方法一、積分法確定角系數(shù)以微表面積dA1向與之平行的直徑為D的圓A2輻射的角系數(shù)為例，對角系數(shù)進行推導：環(huán)形微元體面積：兩微面積法向與連線夾角：兩微面積距離：由角系數(shù)表達式：為便于計算，表面間不同相對位置的角系數(shù)制作成線圖，見教材圖9-18（兩平行長方形表面），

38、圖919（兩同軸平行圓盤），圖920（兩垂直長方形）二、代數(shù)法確定角系數(shù)線圖應用范圍的擴大角系數(shù)的分解性復雜情況下角系數(shù)的確定方法在圖918，919，920的基礎上，利用角系數(shù)三個特性，對適用范圍進行拓展角系數(shù)的互換性角系數(shù)的完整性角系數(shù)的分解性第九章重點：1.黑表面的輻射計算方法2.灰表面的輻射計算方法3.角系數(shù)的三個特性第十章 傳熱和換熱器研究內(nèi)容1.在以前知識的基礎上，對幾種綜合傳熱問題進行分析2.對傳熱強化和削弱的各種方法進行歸納總結3.換熱器的構造原理和設計、校核方法第一節(jié) 通過肋壁的傳熱無肋側換熱：壁的導熱：肋側換熱：肋間面積肋片面積肋片平均溫度肋片效率：將肋片效率表達式代入肋側散

39、熱量計算式：肋壁總效率：肋壁傳熱量計算式：以光壁面面積為基準：肋化系數(shù)以肋壁面面積為基準：肋片強化傳熱方法的分析：1.提高肋高l，則K提高，但f下降。2.可適當減小肋片間距使提高，但不應小于兩個邊界層厚度。3.采用柱形、齒形等斷續(xù)肋破壞邊界層。4.肋片應加裝于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較低的一側。第二節(jié) 復合換熱時的傳熱計算復合換熱指流體為氣體時，壁面上對流和輻射并存的傳熱方式。復合換熱問題的處理方法將輻射換熱改寫成對流換熱計算式的形式，得出輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。對流換熱熱流密度：輻射換熱熱流密度：輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：復合換熱熱流密度：復合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：復合換熱的兩種情況：第一種情況：第二種情況：物體

40、處在對流與輻射熱平衡狀態(tài)：冬季地面結霜過程的熱平衡第三節(jié) 傳熱的增強和削弱增強或削弱傳熱的三種途徑增加（降低）傳熱系數(shù)增加（降低）傳熱面積增加（降低）傳熱溫差傳熱量計算式：增強傳熱的目的節(jié)約能源，減少動力消耗。節(jié)省金屬材料，使設備趨于緊湊，重量輕?？刂圃O備或其零部件的溫度，使之安全運行。削弱傳熱的目的節(jié)約能源，降低能量損失。安全防護。環(huán)境保護。滿足工藝要求。一、增強傳熱的原則1.擴展傳熱面：肋壁、肋片管、波紋管、板翅式換熱面波紋管2.改變流動狀況：（1）增加流速：管殼式換熱器中增加管程和殼程數(shù)（2）流道中加進插入物增強擾動：（3）采用旋轉流動裝置：渦流發(fā)生器（4）采用射流方法噴射傳熱表面：3.

41、改變流體物性：流體內(nèi)加添加劑、珠狀凝結促進劑渦流發(fā)生器5.改變換熱面形狀和大小：（1）采用小直徑管、橢圓管：（2）凝結換熱中采用水平管：（3）自然對流換熱中采用豎管代替豎壁：6.改變能量傳遞方式：對流輻射板對流輻射板7.靠外力產(chǎn)生振蕩，強化傳熱：4.改變表面狀況：（1）增加粗糙度：（2）改變表面結構：多孔金屬層增強沸騰換熱，溝槽、螺紋結構增強凝結換熱（3）表面涂層：降低表面張力促成珠狀凝結，提高發(fā)射率增強輻射換熱多孔金屬板二、削弱傳熱的原則1.覆蓋熱絕緣材料：（1）泡沫熱絕緣材料：（2）超細粉末熱絕緣材料：（3）真空熱絕緣層：2.改變表面狀況和材料結構：（1）采用選擇性涂層增強對投入輻射的吸收，同時削弱本身對環(huán)境的輻射換熱損失：（2）附加抑制對流的元件：（3）在保溫材料表面或