熱工基礎(chǔ)第四章.傳熱原理

1第四章傳熱原理

導(dǎo)熱

對流換熱

輻射換熱

綜合傳熱2導(dǎo)熱：

1、接觸越緊密，導(dǎo)熱量越大；

2、無質(zhì)點的相對位移和能量形式的轉(zhuǎn)換。輻射：1、無須介質(zhì)傳播；

2、有能量形式的轉(zhuǎn)換。對流：1、有質(zhì)點的相對位移、無能量形式的轉(zhuǎn)換；

2、對流換熱的同時，必然伴有導(dǎo)熱現(xiàn)象。傳熱的基本特點33、溫度梯度℃/m2、等溫面等溫線4、熱流量

(w/m2)

傳熱量

(w)基本概念1、溫度場穩(wěn)定溫度場不穩(wěn)定溫度場穩(wěn)定導(dǎo)熱不穩(wěn)定導(dǎo)熱導(dǎo)熱不穩(wěn)定導(dǎo)熱穩(wěn)定導(dǎo)熱4溫度降為1℃/m時，單位時間、單位面積傳遞的熱量。（w/m℃）（KJ/m2hr℃/m）基本定律—付里葉定律表達(dá)式：穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)（一維穩(wěn)定）式中：導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱5400℃600℃800℃1000℃1200℃9.28.0其他條件如含水量、氣孔率等影響的因素：

砌爐材料

一般氣體水、甘油

液體多數(shù)如粘土磚、硅磚、剛玉、紅磚如高鋁磚、鎂磚、碳化硅磚物質(zhì)的種類固液氣金屬非金屬絕緣材料使用溫度物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單晶多晶非晶耐材、建材絕緣材料參見P.397導(dǎo)熱6導(dǎo)熱微分方程目的---解決導(dǎo)熱計算問題方法---兩個前提：無熱源、各向同性；物性參數(shù)為常數(shù)兩個依據(jù)：dQXdQx+dxdQy+dydQydQzdQz+dzXZY導(dǎo)熱7推導(dǎo)89固體流體推導(dǎo)：∵∴∴∴導(dǎo)熱10---流體導(dǎo)熱微分方程（傅立葉-克?；舴?qū)嵛⒎址匠蹋?--固體導(dǎo)熱微分方程（傅立葉導(dǎo)熱微分方程）固體同理---流體導(dǎo)熱11分析：

導(dǎo)溫系數(shù)（熱擴散率）傳遞溫度變化能力的物性參數(shù)

溫度的拉普拉斯算符

一維穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程（m2/hr）：導(dǎo)熱能力蓄熱能力（KJ/m2hr℃/m）（KJ/m3

℃）升溫蓄熱穩(wěn)態(tài)降溫放熱導(dǎo)熱12直角坐標(biāo)一維穩(wěn)定導(dǎo)熱

導(dǎo)熱微分方程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（一維穩(wěn)定）平壁導(dǎo)熱公式直角坐標(biāo)圓柱坐標(biāo)一維穩(wěn)定導(dǎo)熱圓筒壁導(dǎo)熱公式直角坐標(biāo)球面坐標(biāo)一維穩(wěn)定導(dǎo)熱球壁導(dǎo)熱公式導(dǎo)熱13直角坐標(biāo)圓柱坐標(biāo)一維穩(wěn)定圓柱壁導(dǎo)熱公式P(r、、z)

r

xyz導(dǎo)熱14直角坐標(biāo)球面坐標(biāo)一維穩(wěn)定球壁導(dǎo)熱公式

p（r、、）

rxyz導(dǎo)熱151，平壁導(dǎo)熱

單層平壁導(dǎo)熱一維穩(wěn)定導(dǎo)熱，（1）導(dǎo)熱16隨溫度變化時，可視為平均溫度下的平均導(dǎo)熱系數(shù)平壁內(nèi)溫度呈曲線分布（2）附例導(dǎo)熱171，平板法測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)已知：試件尺寸通過試件的熱流量內(nèi)表面溫度外表面溫度求：試件的導(dǎo)熱系數(shù)2，討論強化或削弱導(dǎo)熱的途徑引伸導(dǎo)熱183，電熱模擬溫度降熱阻溫度降熱阻單位面積的導(dǎo)熱熱阻傳熱面F的導(dǎo)熱熱阻以熱阻的概念可求解多層平壁導(dǎo)熱計算電壓降電阻導(dǎo)熱19電熱網(wǎng)絡(luò)圖多層平壁導(dǎo)熱Q計算通式：交界面溫度計算（穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱）先假設(shè)，后校核導(dǎo)熱20復(fù)合平壁導(dǎo)熱

可以修正附例1若C、D、E入相很大時，則屬二維熱流，上式不適用復(fù)合平壁導(dǎo)熱導(dǎo)熱21單層圓筒壁導(dǎo)熱根據(jù)付里葉定律得出：計算公式：2，圓筒壁導(dǎo)熱導(dǎo)熱22圓筒壁內(nèi)外傳熱面積的對數(shù)平均值圓筒壁內(nèi)外半徑的對數(shù)平均值式中：圓筒壁厚溫度分布：對數(shù)曲線導(dǎo)熱23多層圓筒壁導(dǎo)熱（由電熱相似推出）附例導(dǎo)熱243，球壁導(dǎo)熱內(nèi)外傳熱面積的幾何平均值實例：球壁導(dǎo)熱儀測定散料的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱254，工程計算

圓筒壁近似平壁、平壁兩側(cè)不等

近似圓筒壁、方形壁或條件：(單層）通式：中空球體、立方體，近似球體導(dǎo)熱26中空立方體端角、長方體邊角《基礎(chǔ)》P.85不規(guī)則物體多層圓筒壁簡易計算R--導(dǎo)熱熱阻查工程圖表導(dǎo)熱27例、球體埋於半無限大固體介質(zhì)中內(nèi)圓外方長管道導(dǎo)熱285，接觸熱阻6，溫度不平均物體的平均溫度計算7,有內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱傳入熱量-傳出熱量+內(nèi)熱源熱量=熱焓增量導(dǎo)熱29不穩(wěn)定導(dǎo)熱由傅立葉導(dǎo)熱微分方程求解方法：分析求解數(shù)值解---有限差分法圖解法電熱模擬法導(dǎo)熱30指導(dǎo)老師寧偉退出對流換熱31對流換熱的特點

對流換熱的基本定律

影響對流換熱的基本因素

微分方程及其相似論求解32

對流換熱的特點

1.流體質(zhì)點有相對位移2.換熱時無能量形式的轉(zhuǎn)換3.對流換熱是導(dǎo)熱和對流總作用的結(jié)果3334對流換熱的基本定律

--牛頓冷卻定律牛頓在分析研究的基礎(chǔ)上提出：對流換熱的熱流與流體和固體壁面之間的溫度差成正比。35牛頓冷卻定律還可以用熱阻的形式表示公式變換：熱阻熱阻36電阻相似電路圖電熱網(wǎng)絡(luò)圖wwwwwwwwww電流推動力是電壓降阻力是電阻熱流推動力是溫度降阻力是熱阻37

影響對流換熱的因素流體運動的推動力流體流動的狀態(tài)流體的物性放熱面的形狀和位置小結(jié)38

流體運動的推動力

由于流體冷熱各部分的密度不同而引起的運動溫度差密度差浮升力受外力影響所發(fā)生的運動

壓力差流速自然對流強制對流39單位質(zhì)量的流體具有的浮升力流體的體積膨脹系數(shù),溫度差,重力加速度,40

單位質(zhì)量的流體具有的浮升力設(shè)Gr準(zhǔn)數(shù)41派生相似準(zhǔn)數(shù)伽利略準(zhǔn)數(shù):流體作自由運動時重力與粘性阻力的比值－重力加速度，m/s2－幾何尺寸，m－運動粘度，m２／s格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)：自然流動時浮升力對對流換熱的影響-流動的體積膨脹系數(shù)，1/k－溫度差，k普朗克準(zhǔn)數(shù):僅與流體物性參數(shù)有關(guān)的準(zhǔn)數(shù),反映粘性阻力與溫度場的關(guān)系對于原子數(shù)目相同的氣體,是一個常數(shù),它的數(shù)值很少受穩(wěn)定和壓力的影響－導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s又稱熱擴散系數(shù),說明溫度變化時物體內(nèi)部各部分溫度趨向一致的能力它表示物體的導(dǎo)熱能力和蓄熱能力的比值-動力粘度,Pa’s-密度，kg/m3-比熱，kJ/kg℃-導(dǎo)熱系數(shù)，w/m℃42

流體流動的狀態(tài)

層流

湍流

垂直于流速方向無流體質(zhì)點相對位移主流區(qū)對流是熱量傳遞的主要形式邊界層導(dǎo)熱是熱量傳遞的主要形式

導(dǎo)熱是熱量傳遞的主要方式溫度梯度很大溫度梯度很小很大邊界層導(dǎo)熱主流區(qū)對流穩(wěn)態(tài)傳熱時，兩者相等43

邊界層將很大,導(dǎo)熱起主要作用的薄層稱作溫度邊界層或熱邊界層,其厚度不一定與速度邊界層相同,但都呈薄膜狀。44

普朗克準(zhǔn)數(shù)指出的速度邊界層理論，解決了粘滯性流體的某些流動問題，速度邊界層厚度δb反映流體動量傳遞的滲透程度。在對流換熱問題中，類似地引入熱邊界層的概念也可以解決某些對流換熱問題，熱邊界層厚度δt反映了流體熱量傳遞的滲透程度。同樣的流動狀，對不同的流體，δb/δt將取決于流體的兩種遷延性質(zhì)之。（詳見邊界層理論）45

普朗克準(zhǔn)數(shù)完全由物性參數(shù)組成，表示運動粘度與導(dǎo)溫系數(shù)的比值。46派生相似準(zhǔn)數(shù)47

退出因交界處溫度和邊界層厚度很難確定，對流換熱系數(shù)無法求出，所以要尋求其它的方法。附例48

流體的物性

導(dǎo)熱系數(shù)粘度影響過程的流體物性主要有：比熱密度流體的種類不同，流體流動時的狀態(tài)參數(shù)變化都會影響物性參數(shù)，因此，流體的物性對對流換熱的影響是綜合的結(jié)果。返回由于各種流體的物性不同，所進(jìn)行的對流換熱過程亦就不同49固體壁面的溫度，放熱面的溫度、形狀、尺寸和位置

固體壁面的形狀平面、圓拄、夾層、管族等壁面尺寸（平壁）熱面位置1?Re?熱阻?對流換熱50雷諾準(zhǔn)數(shù)51運動微分方程導(dǎo)出相似準(zhǔn)數(shù)運動微分方程選擇方程式中主要的相關(guān)項進(jìn)行相似轉(zhuǎn)換52

普朗克準(zhǔn)數(shù)指出的速度邊界層理論，解決了粘滯性流體的某些流動問題，速度邊界層厚度δb反映流體動量傳遞的滲透程度。在對流換熱問題中，類似地引入熱邊界層的概念也可以解決某些對流換熱問題，熱邊界層厚度δt反映了流體熱量傳遞的滲透程度。同樣的流動狀，對不同的流體，δb/δt將取決于流體的兩種遷延性質(zhì)之。（詳見邊界層理論）53

普朗克準(zhǔn)數(shù)

完全由物性參數(shù)組成，表示運動粘度與導(dǎo)溫系數(shù)的比值。54

退出派生相似準(zhǔn)數(shù)55退出對流換熱是導(dǎo)熱和對流總作用的結(jié)果。在流體中導(dǎo)熱機理與在固體中一樣，也取決于溫度梯度和導(dǎo)熱系數(shù)。而對流的換熱機理則和流體的流動有關(guān)。因此，對流換熱是一種極復(fù)雜過程，影響因素很多，對照牛頓冷卻定律可知，影響對流換熱過程的所有因素都集中在對流換熱系數(shù)上，換熱系數(shù)是影響整個過程的很多變數(shù)的復(fù)雜函數(shù)。小結(jié)所以，要求解α值，只用一個微分方程不可能表示對流和導(dǎo)熱兩者總和，必須用微分方程組來描述。

56

對流換熱的微分方程換熱微分方程

導(dǎo)熱微分方程

運動微分方程

連續(xù)性方程

溫度分布

壓力分布

速度分布57幾何條件——說明參與過程的物體的形狀和大小單值條件

物理條件——說明物體的物理性質(zhì)邊界條件——說明流體在邊界上過程進(jìn)行的特點時間條件——說明在時間上預(yù)先已知的特點58

對流微分方程組即使給出值性條件，要通過純數(shù)學(xué)求解也是非常困難的，如通過實驗求解，又受到實驗條件和使用條件的局限，所以純理論或純實驗的方法都難以得到理想的結(jié)果。相似論求解

相似理論不僅提供了一系列進(jìn)行實驗的方法，而且提供了一整套整理實驗數(shù)據(jù)和將實驗結(jié)果應(yīng)用到實際系統(tǒng)中去的方法，成功地解決了對流換熱微分方程組的求解。相似論方法相似論求59

幾何相似——物理相似相似論方法

相似論方法流程圖60退出幾何相似物理相似61退出

幾何相似

相似的概念首先出現(xiàn)在《幾何學(xué)》中如兩三角形相似，其對應(yīng)邊必然互成比例：兩三角形相似的必要條件但是，和的值不能任意選擇，必須滿足稱作相似常數(shù)或相似倍數(shù)即兩三角形相似的充分條件如有第三個三角形只要則它必與前者相似,余者類推62

物理相似將幾何相似概念推廣到物理現(xiàn)象,就可以用相似常數(shù)描述物理現(xiàn)象的相似可見,兩物理現(xiàn)象相似的必要條件是第一系統(tǒng)第二系統(tǒng)如兩系統(tǒng)的速度場相似用形式和內(nèi)容都相同的微分方程來描述兩系統(tǒng)的物理應(yīng)互成比例說明各物理量(如流速)在空間相對應(yīng)點和時間上相對應(yīng)瞬時間均成比例,也就是單值條件相似,相似的充分條件,推導(dǎo)如下63將第二個系統(tǒng)的物理量用第一個系統(tǒng)來表示,則有對比第一系統(tǒng)的微分方程顯然兩個速度場相似的充分條件是:將各物理量代入以上過程稱相似轉(zhuǎn)換

相似準(zhǔn)數(shù)64A-諧時性準(zhǔn)數(shù)說明流體流動的不穩(wěn)定性,在穩(wěn)定流動條件下,為定值65具有一定物理意義的無因次數(shù)群B-相似準(zhǔn)數(shù)--66C-從描述物理現(xiàn)象相似的微分方程用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出相似準(zhǔn)數(shù)的過程必要條件單值條件相似充分條件同名相似準(zhǔn)數(shù)相等67相似論方法流程圖微分方程組相似準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)函數(shù)式準(zhǔn)數(shù)方程式解相似轉(zhuǎn)換物理實驗定理一定理二定理三相似系統(tǒng)實物系統(tǒng)定型非定型68定理一彼此相似的現(xiàn)象,同名相似準(zhǔn)數(shù)必相等定理二任何微分方程式都有相似準(zhǔn)數(shù)函數(shù)形式的解

(又名π定理)定理三凡單值條件相似,定型準(zhǔn)數(shù)相等的現(xiàn)象必相似69

熱相似準(zhǔn)數(shù)相似論求α

準(zhǔn)數(shù)函數(shù)式

準(zhǔn)數(shù)方程式70

熱相似準(zhǔn)數(shù)相似理論分析對流換熱過程討論：因為對流換熱過程是用一組流體流動方程和熱學(xué)方程來描寫的，要實現(xiàn)對流換熱過程度相似、必須先實現(xiàn)幾何相似和流體動力相似。在單值條件相似的前提下，系統(tǒng)間的熱相似現(xiàn)象，必須是：幾何相似準(zhǔn)數(shù)相等動力相似準(zhǔn)數(shù)相等熱相似準(zhǔn)數(shù)相等

依據(jù)相似論方法，對流換熱微分方程組通過相似轉(zhuǎn)換可以導(dǎo)出一系列熱相似準(zhǔn)數(shù)

換熱微分方程導(dǎo)出

導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)出

運動微分方程導(dǎo)出

派生準(zhǔn)數(shù)

71換熱微分方程導(dǎo)出相似準(zhǔn)數(shù)換熱微分方程72努謝爾特準(zhǔn)數(shù)反映邊界層導(dǎo)熱對對流換熱的影響因含有未知量α,屬未定型準(zhǔn)數(shù)邊界層導(dǎo)熱阻與對流換熱熱阻的比值(Nu的物理意義）對流換熱量與邊界層導(dǎo)熱量比值邊界層溫度梯度與平均溫度梯度比值導(dǎo)熱量比值73導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)出相似準(zhǔn)數(shù)導(dǎo)熱微分方程選擇方程式中主要的相關(guān)項進(jìn)行相似轉(zhuǎn)換74諧時性準(zhǔn)數(shù)又稱均時性準(zhǔn)數(shù)表示流體流動的不穩(wěn)定性，注腳o表示準(zhǔn)數(shù)與時間有關(guān)貝克利準(zhǔn)數(shù)表示流體速度場與溫度場的關(guān)系傅立葉準(zhǔn)數(shù)表示傳熱的不穩(wěn)定性，注腳o表示該準(zhǔn)數(shù)與時間有關(guān)75運動微分方程導(dǎo)出相似準(zhǔn)數(shù)運動微分方程選擇方程式中主要的相關(guān)項進(jìn)行相似轉(zhuǎn)換76弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)流體動力相似準(zhǔn)數(shù)表示流體作自由運動時重力與慣性力的比值歐拉準(zhǔn)數(shù)流體動力相似準(zhǔn)數(shù)表示壓力場與速度場的關(guān)系雷諾準(zhǔn)數(shù)流體動力相似準(zhǔn)數(shù)表示流動慣性力與粘性阻力的比值77派生相似準(zhǔn)數(shù)78伽利略準(zhǔn)數(shù)流體作自由運動時重力與粘性阻力的比值格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)自然流動時浮升力對對流換熱的影響普朗克準(zhǔn)數(shù)僅與流體物性參數(shù)有關(guān)的準(zhǔn)數(shù),反映粘性阻力與溫度場的關(guān)系對于原子數(shù)目相同的氣體,Pr是一個常數(shù)，它的數(shù)值很少受溫度和壓力的影響79返回

準(zhǔn)數(shù)函數(shù)式自然對流系統(tǒng)：強制對流系統(tǒng)：

對于幾何相似系統(tǒng)，除去

忽略重力場的影響，除去

忽略壓力場，除去

已包含

，

已包含

對于穩(wěn)定流動，除去

則

80返回由相似準(zhǔn)數(shù)只能整理出準(zhǔn)數(shù)函數(shù)式,至于函數(shù)形式的具體表達(dá)式、各相應(yīng)準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系還必須利用與實際體系相似的模擬實驗來確定，即建立準(zhǔn)數(shù)方程式，最后再推廣應(yīng)用到與之相似的實際體系中去。

81

準(zhǔn)數(shù)方程式分類對流換熱準(zhǔn)數(shù)方程式

定性溫度和定性尺寸

準(zhǔn)數(shù)方程式應(yīng)用82準(zhǔn)數(shù)方程式分類有相變

沸騰換熱

凝結(jié)換熱

大容積沸騰

管內(nèi)沸騰

垂直壁膜狀凝結(jié)

橫管膜狀凝結(jié)

有相變

自然對流

強制對流

有限空間

無限空間

垂直平板水平圓柱水平平板

管內(nèi)

層流湍流過度流

橫掠圓管

沿平壁流動

管簇

單管

順排叉排

83

沸騰時液體在熱表面氣化,發(fā)生相變,同時吸收大量氣化熱,產(chǎn)生氣泡會使熱表面附近的液體發(fā)生劇烈攪動,所以沸騰對流換熱系數(shù)比無相變時的換熱系數(shù)大的多.84

蒸汽在低于飽和溫度的冷壁面上冷凝而產(chǎn)生的換熱現(xiàn)象

當(dāng)凝結(jié)液能夠濕潤壁面時,凝結(jié)液氣在壁面上形成一層液膜,使蒸汽只能在液膜表面發(fā)生凝結(jié),液膜是換熱的主要熱阻,這種凝結(jié),稱膜狀凝結(jié).

當(dāng)凝結(jié)液不能濕潤壁面,只聚成一個個液珠,這種凝結(jié),稱珠狀凝結(jié).85

大容積沸騰是指加熱壁面被無宏觀流速的液體所沉浸熱產(chǎn)生的沸騰

泡狀沸騰,羅斯諾公式86

在壓力差的作用下,以一定的流速流過加熱管,同時在管內(nèi)發(fā)生沸騰,稱管內(nèi)沸騰

豎管內(nèi)受迫沸騰,雅各布公式87

在比較小的空間里,流體的受熱和冷卻,是在彼此靠的很近地方發(fā)生的,熱流量通過此空間是熱面放熱和冷面受熱兩者綜合的結(jié)果

距離為,高度為H的兩個平行熱豎壁如可視為無限空間88

無限空間,指的是空間尺寸比物體的尺寸大的多的空間,物體放熱的結(jié)果不致引起空間流體溫度的變化.注腳b

表示以邊界層平均溫度作為定性溫度定性尺寸,系數(shù)C及指數(shù)n值,根據(jù)熱面形狀,位置及流體流態(tài)選擇流體流態(tài)依據(jù)GrPr值判斷89

塞德爾—泰特公式-管壁溫度下,流體的粘度定性溫度tf定性尺寸,內(nèi)徑d或de適用范圍:90

迪圖斯—貝爾特公式(光滑管)加熱流體n=0.4冷卻流體n=0.3適用范圍:注腳f定性溫度為流體進(jìn)出口平均溫度定性尺寸,內(nèi)徑d或de溫差超過以上幅度,可用米海耶夫公式91

豪森公式

管壁溫度下,流體的粘度定性溫度tr定性尺寸,內(nèi)徑d或de適用范圍:92定性溫度用流體的平均溫度定性尺寸用管子外徑數(shù)中速度用最窄截面處流速依據(jù)順排叉排,叉排,管簇的相對間距的范圍取值93

楚考斯克斯公式以上兩式:定性尺寸均為管外徑d

注腳f定性溫度均為流體平均溫度管外徑注腳w定性溫度均為壁面平均溫度管外徑94流體是空氣或與空氣有相近Pr數(shù)值的氣體可簡化為流體沿平壁表面95流體是空氣或與空氣有相近Pr數(shù)值的氣體可簡化為96定性溫度和定性尺寸97定性溫度決定相似準(zhǔn)數(shù)中物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱”定性溫度”

溫度影響物性參數(shù)，在換熱過程中溫度又在不斷地變化，所以應(yīng)選擇一個較有代表性的溫度，以確定準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值。

定性溫度取值方案

流體的平均溫度

壁面的平均溫度

邊界層的平均溫度

有限空間流體的平均溫度

98定性尺寸相似準(zhǔn)數(shù)中的幾何尺寸稱為”定性尺寸”

幾何條件不同，傳熱面的位置和形狀不同，定性尺寸的選擇也不同。定性尺寸取值方案

圓管內(nèi)徑或外徑

非圓形管道的當(dāng)量直徑

換熱面高度

換熱面長度

其它

99

準(zhǔn)數(shù)方程式的應(yīng)用步驟分析換熱特點，確定換熱的類別

判別流態(tài)，選準(zhǔn)準(zhǔn)數(shù)方程式，注意公式的適用范圍確定定性溫度和定性尺寸

計算相似準(zhǔn)數(shù)

求出或再求出

計算或

附例1附例2100

1，熱射線受熱電磁波熱輻射現(xiàn)象（本質(zhì)：具有波動性、粒子性)

輻射換熱物體間的輻射與吸收0.1~40~（1000）m宇宙--x-紫外線可見光紅外線無線電波

0.1~0.380.38~

0.760.76~

10000.1mm~

10km熱射線的波譜范圍熱射線的單位：波長（m）波數(shù)k（cm）-1基本概念輻射換熱101與狀態(tài)無關(guān)的零點能電子躍遷能振動能轉(zhuǎn)動能分子的內(nèi)能光子的能量產(chǎn)生熱輻射的條件輻射可認(rèn)為是離散的量子化能束（光子）傳播能量的過程。

熱輻射是由于物體受熱產(chǎn)生的能量傳播過程。它是由于物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子的運動狀態(tài)改變而產(chǎn)生的。普郎克常數(shù)輻射換熱102輻射力強的物質(zhì)，吸收力也強，而且與熱射線的波長有關(guān)產(chǎn)生熱輻射的條件：（1）物質(zhì)吸收的熱能必須符合其固有的量子能級，

這部分能量到達(dá)另一物體時，如入射波長與其固有的量子能級相等，可產(chǎn)生微觀粒子的共振，熱運動加劇，使物體升溫。才能發(fā)射相應(yīng)波長的電磁波。輻射換熱103雙原子氣體（N2、02）是熱的透明體，沒有輻射和吸收能力

金屬自由電子多，電子躍遷能級較大，一般有光澤。非金屬晶格振動、晶格缺陷、添加物等使晶格具有極性。偶極矩電荷量正負(fù)電荷中心距離（2）物質(zhì)分子運動狀態(tài)改變的同時，必須改變分子的對稱性（極性），使偶極矩不等于零。輻射換熱104---

絕對白體漫反射體熱射線的基本性質(zhì)---絕對黑體也叫漫輻射體---

鏡面反射體---

絕對透明體

傳播無須介質(zhì)；均一介質(zhì)中直線傳播；傳播速度等于光速；有吸收、反射、透過特性。輻射換熱105吸收在表層進(jìn)行一般規(guī)律：物質(zhì)的吸收、反射、透過特性液體氣體固體吸收和透過的體積性近似黑體近似透明體（N2、02）輻射換熱106實例：（1）物質(zhì)的吸收、反射、透過特性與波長有關(guān)，是指某波長或某波長范圍的吸收、反射或透過。注意λλ輻射換熱107

玻璃液具有熱的半透明性質(zhì)。輻射能到達(dá)玻璃液面后，小部分反射，其余邊吸收、邊透過，達(dá)底層時僅為原來的十分之一。而且，玻璃液對輻射能的透過具有一定的選擇性（0

~

3

m）。

不同種類的玻璃對輻射能的吸收和透過特性也不同。窗玻璃透過率較高液面下3

~

6cm輻射能只減少10%綠玻璃吸收率較高液面下4~

6mm輻射能已減少10%實例輻射換熱108（2）使用要求不同，對材料的吸收、反射和透過特性的選擇也不同。

（輻射材料加熱對象反射材料窗口材料）（3）影響物質(zhì)吸收、反射、透過特性的因素：物體的本性波長溫度表面狀況（粗糙度）輻射換熱109黑體模型

恒溫空腔的小孔近似黑體。小孔面積與空腔的內(nèi)表面積之比越小，越接近黑體。

任何物體的輻射能力都可與黑體相比，以衡量其大小。如：設(shè)：

則：吸收率（實驗數(shù)）（近似黑體）輻射換熱1102,單色輻射力單色輻射強度w/m3（全）輻射力全輻射強度輻射傳熱量（全）輻射能w/m2w黑體非黑體黑體非黑體黑體非黑體輻射換熱111w/m2

單位時間內(nèi)物體每單位表面積向半球面空間發(fā)射的

全波長的能量。

單位時間內(nèi)黑體每單位表面積向半球面空間發(fā)射的

全波長的能量。w/m2

單位時間內(nèi)物體每單位表面積向半球面空間發(fā)射的

某一波長的能量。w/m3w/m3單位時間內(nèi)黑體每單位表面積向半球面空間發(fā)射的某一波長的能量。輻射換熱112

由定義可知：黑體的單色輻射強度非黑體的單色輻射強度黑體的全輻射強度非黑體的全輻射強度黑體的輻射能非黑體的輻射能輻射換熱113單色輻射率

（）物體的單色輻射強度與同溫度下黑體的單色輻射強度之比。表達(dá)式全輻射率

（）物體的全輻射強度與同溫度下黑體的全輻射強度之比。表達(dá)式單色吸收率全吸收率全輻射率單色輻射率3，輻射換熱114單色吸收率（）物體對投射輻射中某一特定波長輻射能的吸收百分?jǐn)?shù)。全吸收率（）物體對投射輻射中全波長范圍輻射能的吸收百分?jǐn)?shù)。引伸（1）物體的輻射率只與本身因素有關(guān)；物體的吸收率不只與本身因素有關(guān)，還與輻射源的因素有關(guān)。輻射換熱115

物體輻射源（T1）物體吸收體（T2）黑體輻射源（T1）物體吸收體（T2）黑體輻射源（T1）物體吸收體（T2）(a)返回(b)(c)或輻射換熱116------任何物體都有其固有的量子能級

對比（a）與（b）、（c）

盡管？而輻射換熱117(

2)在熱平衡的條件下，任何物體對黑體輻射的吸收率等于該溫度下物體的輻射率。

對比（a）與（b）

當(dāng)T1=T2時，（a）與（b）兩式相等（黑體輻射源）黑體輻射源（T1）物體吸收體（T2）(a)(b)輻射換熱118

對比（a）與（c）

即使T1=T2，（a）與（c）兩式也不可能相等（非黑體輻射源）

物體輻射源（T1）物體吸收體（T2）(a)(c)黑體輻射源（T1）物體吸收體（T2）輻射換熱119黑體灰體實際物體T1=T2，黑體輻射源非黑體輻射源3，黑體、灰體、實際物體輻射換熱120輻射換熱121干燥方法---干燥速率---水分吸收率輻射換熱122

黑體輻射定律灰體輻射規(guī)律實際物體輻射現(xiàn)象工程材料輻射現(xiàn)象討論輻射規(guī)律輻射換熱1231，黑體輻射定律

普朗克定律

Plank’slow式中：(w/m3)溫度、波長與黑體單色輻射強度的關(guān)系（w.m2)（m.K)輻射換熱124維恩位移定律wien’sdisplacementlow（m.K)溫度時，黑體最大的單色輻射強度對應(yīng)的波長與溫度的乘積為常數(shù)。輻射換熱125斯蒂芬-玻爾茲曼定律StefanBoLzmann’slow溫度、波長與黑體全輻射強度的關(guān)系,又稱四次方定律。(w/m2)（w/m2.K4)黑體輻射常數(shù)：（w/m2.K4)輻射換熱126黑體普朗克定律曲線形狀維恩位移定律曲線極值斯蒂芬-玻爾茲曼定律曲線面積有效輻射波段可見光波段所占比例T2T1T3λm輻射換熱127蘭貝特定律Lambert’sLow---黑體在半球面空間的輻射（能）力分布規(guī)律黑體法線方向上的輻射（能）力最大，方向的輻射（能）力與角的余弦成正比。公式1：(w/m2)公式2：(w/m2Sr)黑體法線方向上的輻射（能）力是整個半球面空間全輻射（能）力的倍。輻射換熱128黑體法線方向輻射力-----（w/m2.sr）

黑體輻射面法線方向上，每單位時間、單位面積、單位立體角的輻射能量。輻射換熱129

是的

方向輻射力，也是法線方向輻射力。

熱流方向與黑體輻射面法線方向呈夾角時，每單位時間、單位面積、單位立體角的輻射能量。（w/m2.sr）黑體

方向輻射力-----輻射換熱130由定義輻射換熱131微元立體角（方向）輻射熱能微元面積輻射熱能當(dāng)時即為法線方向輻射熱能（w/sr）黑體單位時間內(nèi)從微元面積上發(fā)射的輻射能。

（w）

熱流方向與黑體輻射面法線方向呈夾角時，黑體單位時間內(nèi)從微元面積上在立體角d范圍發(fā)射的輻射能。輻射換熱132分析立體角的幾何關(guān)系蘭貝特定律的兩種表達(dá)式又由定義輻射換熱133

黑體在整個半球面空間各個方向上的輻射強度都是相等的。

黑體輻射面單位時間內(nèi)與輻射方向相垂直的單位面積上單位立體角的輻射能量。1，方向輻射強度

（w/m2.sr）引伸：可見，其于黑體法線方向輻射力意義相同?！奥椛浔砻妗钡妮椛淞κ侨我夥较蜉椛鋸姸鹊摩斜?。又名“定向輻射強度”。黑體：輻射換熱134∴借助任何物體的方向輻射率可求出它的方向輻射力。黑體灰體實際物體工程材料一般適用金屬一般適用2，方向輻射率（方向黑度）輻射換熱135克希霍夫定律Kirchhoff’sLow描述物體的輻射能力與吸收能力之間的關(guān)系。1.本身輻射E12.投射輻射ER213.吸收輻射EA4.反射輻射ERef5.有效輻射

Eef1=E1+ERef（前提：透熱介質(zhì)）概念輻射換熱136輻射和吸收反復(fù)進(jìn)行反射輻射---物體1反射的來自物體2的投射輻射能

吸收輻射---物體1吸收的來自物體2的投射輻射能有效輻射---物體的本身輻射和反射輻射之和投射輻射---外來物體2到達(dá)物體1的輻射能本身輻射---物體1本身的輻射能附例輻射換熱137凈輻射能量引伸設(shè)物體1表面有一個假想的透熱表面1′從物體1內(nèi)部分析從兩物體表面分析從物體1表面分析則輻射換熱138物體1熱平衡時則有；推導(dǎo)其他物體同此①②輻射換熱1391，任何物體的輻射力與其吸收率之比等于同溫度下黑體的輻射力，且僅與溫度有關(guān)。意義引伸（推導(dǎo)略）2，在熱平衡的條件下，任何物體對黑體輻射的吸收率等于同溫度下該物體的輻射率。輻射換熱140思考1，克希霍夫定律是否適合於單色輻射？2，自然界無真正的黑體，兩物體溫度相等無傳熱現(xiàn)象，討論此定律有無實際意義？

盡管灰體也是假想物體，但工程材料可近似為灰體，也就有了實際意義。因為：灰體回答：是。

灰體與黑體相似，其輻射和吸收只與本身的情況有關(guān)，與輻射源的情況無關(guān)。此時，不必考慮投射輻射是否來自黑體，也不必考慮體系是否處于熱平衡，，不受任何條件限制。回答：有。對于灰體，即使也有輻射換熱1412，灰體輻射規(guī)律3，實際物體輻射現(xiàn)象輻射換熱142維恩位移定律不符，規(guī)律相似普朗克定律不符，規(guī)律相似斯-波定律不符，規(guī)律相似近似符合.ε修正黑體灰體實際物體在一定范圍近似符合蘭貝特定律不一定符合（有條件）克?；舴蚨?434，工程材料輻射現(xiàn)象討論工程材料輻射現(xiàn)象可近似灰體討論原因：

(1)0.820m波段－曲線近似線性；

(2)計算方便、誤差不大。輻射換熱1441，角系數(shù)定義：一物體表面投射到另一物體表面的輻射能量與該物體表面總輻射能量的比值。表達(dá)式：固--固輻射換熱考慮反復(fù)輻射同理輻射換熱145分析角系數(shù)是一個比值，僅與固體的形狀、位置有關(guān)，與固體的溫度、黑度無關(guān)。由上式：在時，推導(dǎo)出兩黑體的輻射角系數(shù)，適用於時兩物體的輻射角系數(shù)，條件是形狀和位置與兩黑體一致。核算面積兩物體間的凈輻射能量：輻射換熱146如前所述：核算面積相等這一性質(zhì)可應(yīng)用于溫度不等的兩任意放置的物體間的輻射換熱。上述兩物體如為黑體，任意放置，而且處于熱平衡狀態(tài)則：此時：（1）輻射換熱147角系數(shù)的性質(zhì)互換性完整性自見性兼顧性分解性輻射換熱148角系數(shù)的計算

利用上述角系數(shù)的性質(zhì)和幾何圖形可以推導(dǎo)出某些物體輻射換熱時的角系數(shù)，也可由實驗確定。參見《基礎(chǔ)》P.127、129、4021.兩無限大的平行平面2.物體1被物體2包圍；發(fā)射源1為一平面或凸面輻射換熱1492，任意放置的兩灰體間的輻射換熱兩物體間的凈輻射能量---（1）穩(wěn)態(tài)傳熱：物體1表面與假想的透熱表面1′間的凈輻射能量輻射換熱150∵即又∵∴---（2）同理---（3）輻射換熱151討論“電熱相似”又一例證三式聯(lián)立：推動力：熱阻：表面熱阻空間熱阻,輻射換熱152另一表達(dá)式∵∴---系統(tǒng)黑度、也叫導(dǎo)來黑度，因非黑體表面輻射引起輻射換熱153幾個特例兩無限大的平行平面

物體1被物體2包圍；發(fā)射源1為一平面或凸面附例輻射換熱154工程計算三個灰體組成封閉系統(tǒng)

《基礎(chǔ)》P.133~135輻射換熱1553，影響輻射換熱的因素兩物體的溫度差----提高高溫物體的溫度相當(dāng)黑度兩物體的傳熱面積----選擇輻射率高的發(fā)射源----提高低溫物體的輻射傳熱面積輻射換熱1564，應(yīng)用實例（之一）遮熱板遮熱罩穩(wěn)態(tài)傳熱（前提：透熱介質(zhì)空間、遮輻板罩無導(dǎo)熱熱阻、傳熱面長度無限）輻射換熱157推動力傳熱面積熱阻角系數(shù)

遮熱板遮熱罩輻射換熱158前系統(tǒng)黑度前傳熱量后傳熱量后系統(tǒng)黑度

遮熱板遮熱罩輻射換熱159結(jié)果分析遮熱后系統(tǒng)黑度減小，凈輻射能量減少。遮輻材料層數(shù)越多，遮輻能力越強。加入塊，遮輻板越多，越小,遮輻材料黑度越小，遮輻能力越強。

越小，越小，越小輻射換熱160遮熱板的材料放置位置與遮輻能力無關(guān)；遮熱罩的材料放置位置與遮輻能力有關(guān)，應(yīng)靠近輻射源（F3）遮熱的結(jié)果將使1與3之間的溫度升高。

----涉及發(fā)熱元件或砌爐材料的實際應(yīng)用----工程上常可依據(jù)遮輻要求和輻射源表面溫度求得遮輻板的溫度和放置位置。輻射換熱1615，應(yīng)用實例（之二）熱電偶測溫誤差熱電偶產(chǎn)生測溫誤差的原因熱電偶的指示溫度氣流以對流、輻射方式將熱量傳給熱電偶，熱電偶以輻射方式將熱量傳給溫度更低的制品和窯墻，達(dá)到熱平衡時的溫度就是熱電偶的指示溫度結(jié)論：以對流為主的低溫段，熱電偶指示溫度接近氣流溫度以輻射為主的高溫段，熱電偶指示溫度接近制品、窯墻溫度輻射換熱162熱電偶測溫誤差解：熱電偶達(dá)到熱平衡時，Q氣-偶=Q偶-壁

（對流為主）（輻射）

例題1《基礎(chǔ)》P.132

已知：熱電偶讀數(shù)管壁溫度接點處對流換熱系數(shù)熱電偶黑度求：測溫誤差21輻射輻射換熱163選用輻射率低的材料做保護套管在氣流速度高處測溫

---“人為縮頸”、“抽氣熱電偶”減少熱電偶與窯墻間的溫差

---“保溫”、“遮熱罩式熱電偶”減少熱電偶測溫誤差的途徑∴℃輻射換熱164解：熱電偶達(dá)到熱平衡時，

Q氣-偶=Q偶-壁

（對流為主）（輻射）

例題2《基礎(chǔ)》P.137

已知：各給定值仍與上式相同：氣體真實溫度管壁溫度熱電偶接點處的對流換熱系數(shù)遮熱罩與氣流間的對流換熱系數(shù)熱電偶黑度、遮熱罩黑度求：熱電偶讀數(shù)132輻射換熱165遮熱罩達(dá)到熱平衡時，

Q偶-罩+Q氣-罩=Q罩-壁

（輻射）

（對流為主）（輻射）

相對較小，忽略輻射換熱1661，氣體輻射的特點三條主要光帶、某些波段有重復(fù)、不發(fā)光、水的較寬選擇性（輻射光譜不連續(xù)）體積輻射（邊吸收、邊透過）與氣體的分子數(shù)目有關(guān)（溫度、分壓、有效層厚度）∴∴固--氣輻射換熱容積表面積輻射換熱167氣體的輻射能力（沙克公式）《基礎(chǔ)》見P.143-P.144圖表其數(shù)值由實驗得出分子數(shù)目表達(dá)為四次方形式：因此：必與溫度有關(guān)，應(yīng)修正呈非線性變化，原因黑體光譜曲線左移

變化T分子數(shù)目輻射換熱1682，氣體的輻射率修正系數(shù)：混和氣體壓強為1atm

：視為同次方：忽略、查表或計算輻射換熱1693，氣體的吸收率霍特爾（Hottel）公式《基礎(chǔ)版》P.147圖形說明：當(dāng)

克希霍夫定律適用于氣體當(dāng)克?；舴蚨刹贿m用于氣體（條件黑度）替代原（）輻射換熱1704，氣-固輻射換熱上式簡化系統(tǒng)黑度系統(tǒng)黑度視灰體，認(rèn)為：輻射換熱1715，火焰輻射火焰黑度（發(fā)光火焰和不發(fā)光火焰）輻射換熱1721，流體--器壁--流體的綜合傳熱（穩(wěn)態(tài)）器壁為平壁(穩(wěn)態(tài))

綜合傳熱對流換熱輻射換熱輻射換熱173圖表法計算法《基礎(chǔ)版》P.154~155同理輻射換熱174器壁為圓筒壁（W/m）2，窯內(nèi)火焰空間的綜合傳熱《基礎(chǔ)版》p.156綜合長度傳熱系數(shù)《基礎(chǔ)版》P.155綜合長度熱阻圖表法計算法同理：（注意應(yīng)用條件及其修正）輻射換熱1753，換熱設(shè)備的綜合傳熱間壁式換熱器--冷熱流體以金屬壁或陶瓷壁間隔交流式換熱器--利用換熱面交替地吸收和放出熱量

綜合傳熱系數(shù)

《基礎(chǔ)版》P.174、167整個換熱面的平均溫差換熱面積間壁式換熱器（管殼式）輻射換熱176換熱器進(jìn)出口流體溫度差的對數(shù)平均值順流逆流換熱面的平均溫差校正系數(shù)輻射換熱177設(shè)計：1，計算換熱面積，決定結(jié)構(gòu)尺寸（上述方法）2，計算、校核器壁溫度，決定選材3，計算流體阻力，選擇風(fēng)機或泵

輻射換熱178交流式換熱器（蓄熱室）工作原理進(jìn)煙氣時噴火時空氣流動輻射換熱1791，加熱段格子磚表面平均溫度高于冷卻段；2，加熱或冷卻的時間越短，溫差越大，換熱效率越高；3，煙氣自上而下，空氣（煤氣）自下而上，進(jìn)入溫度恒定；4，格子磚表面溫度和平均溫度在一定高度處為一定值；5，格子磚加熱段，煙氣出口溫度逐步提高，格子磚冷卻段，空氣出口溫度逐步降低。

*結(jié)論：

*分析：1，不論加熱或冷卻，時間不宜過長，以獲得較高的換熱效率，作業(yè)周期一般為20~30分鐘；2，作業(yè)周期內(nèi)，磚和流體的平均溫度可視為定植，按穩(wěn)定傳熱計算。輻射換熱180換熱計算一個換熱周期內(nèi)的傳熱量平均綜合傳熱系數(shù)煙氣和空氣（及煤氣）的平均溫度差（按逆流式）加熱和冷卻段的時間（w.h）傳熱面積輻射換熱181【2-3】：如圖所示，隧道窯冷卻帶窯頂為拱形，由耐火粘土磚砌成，拱厚230mm，拱心角為90o,拱內(nèi)半徑為0.85m，拱頂內(nèi)外表面積平均溫度分別為700及100，求每米窯長拱頂散失熱量。R=85090o230182解：窯拱頂每米長的內(nèi)外表面積分別為183粘土磚的平均導(dǎo)熱系數(shù)查表可知：每米窯長拱頂散熱量為返回184【2-6】：試求通過如圖所示的復(fù)合壁的熱流量。假設(shè)熱流是一維的；已知各材料的導(dǎo)熱系數(shù)為：λA=1.2、λB=0.6、λC=0.3、

λD=0.8ω/m·℃。257550qT=370℃ADCBF=0.1m2t=66℃185解：電熱模擬圖為：各部分熱阻為：t1t2RARBRDRC186所以：熱量為返回187【2-15】：某熱工設(shè)備外徑為3.0m