圆筒与对流传热课堂.ppt

4.3.5 圆筒壁的稳态热传导,化工生产中常见的为圆筒壁(圆管)的热传导，其特点是温度随半径变化，传热面积也随半径变化，均非常量。 4.3.5.1 单层圆筒壁的稳态热传导,前提条件： 圆筒内、外半径分别为r1和r2，长度为L，内外壁温度t1t2，在圆筒壁半径r处沿半径方向取微元厚度dr的圆筒壁，其传热面积：S=2rL 圆筒很长，沿轴向散失热量可以忽略，温度仅沿半径方向变化，为一维稳态热传导。 圆筒壁材质均匀，导热系数l为常数 求传热速率方程,说明,当圆筒壁两侧温度不变时，传热速率Q为常量，但由于S与r有关，故热通量Q/S不再是常量，而Q/L保持常量； 在任一半径r处，温度表示为: 表明温度沿r方向为对数曲线分布； 导热速率 推动力t，导热热阻R。 误差不超过4，工程上允许。,说明,多层圆筒壁热传导的总推动力为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。 总的导热速率与总推动力成正比，而和总阻力成反比。对各层，同样有温差与热阻成正比。 不论圆筒壁由多少层组成，通过各层导热速率Q和Q/L为常量，但q不为常量； 其中每一层的温度分布为曲线，但各层分布曲线不同； ,保温材料的放置问题 对于多层平壁，如果每层厚度相等，互换先后顺序，则保温效果有何变化？ 对于圆直管，如果每层厚度相等，互换先后顺序，则保温效果有何变化？,4.4 对流传热,4.4.1 对流传热机理 对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热，是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传热速率与流动状况有密切关系。 考察湍流流体： 流体流过固体壁面时，由于流体的粘性作用，使靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层。在此薄层内，沿壁面的法线方向没有热对流，该方向上热的传递仅为热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流底层中的导热热阻很大，因此该层中温度差较大，即温度梯度较大。 在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡，因此湍流主体中温度差及温度梯度极小，各处的温度基本相同。 在湍流主体与滞流底层的过渡层中，热传导和热对流均起作用，在该层内温度发生了缓慢的变化。,T,t,Tw,tw,Ts,ts,图示即为温度在湍流流体中的分布情况。,1、层流底层 对流传热的热阻主要集中在滞流底层中，因此，减薄滞流底层的厚度是强化对流传热的重要途径。 2、有效膜 物理模型 层流 过渡 紊流 主体温度可以测量 壁面温度可以测量 但是界面出温度没法测量,Tb,tb,4.4.2.3 对流传热系数,据前分析，对流传热是一复杂的过程，包括流体中的热传导、热对流及壁面的热传导过程，因而影响对流传热速率的因素很多。由于过程复杂，进行纯理论计算是相当困难的，故目前工程上采用半经验方法处理，将许多复杂影响因素归纳到比例系数内。,4.4.2.3.1 对流传热速率方程 将湍流主体区和滞流底层的温度梯度曲线延长，其交点与壁面距离为，此膜层称为虚拟膜或有效膜。,虚拟膜,说明这是一集中了全部传热温差以导热方式传热的膜层，其温度梯度为,牛顿冷却定律,说明,1. 取平均值 在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，一般也用h表示，此时牛顿冷却定律可表示为： Q= St 式中： Q 对流传热速率，W； S 总传热面积；m2； t 流体与壁面(或反之)间温度差平均值，； 平均对流传热系数，W/(m2 ) 。 2.牛顿冷却定律的具体表达方式与实际换热情况有关 换热器的传热面积有不同的表示方法，流体的流动位置不同，牛顿冷却定律有不同的写法。如： 热流体、管程：dQ= i(Tb-Ts)dSi 热流体、壳程：dQ= o(Tb-Ts)dSo 冷流体、管程：dQ= i(ts-tb)dSi 冷流体、壳程：dQ= o(ts-tb)dSo,可见，对流传热系数是和传热面积及温度差相对应的,4.4.2.3.2 对流传热系数,定义式一：据牛顿冷却定律得,即：在单位温度差下，对流传热系数在数值上等于由对流传热的热通量。 但该式并未揭示出影响对流传热系数或对流传热速率的因素，所以无法通过此式计算对流传热系数 。 定义式二： = l/层流底层厚度 l：与流体种类有关，并与温度有关 层流底层厚度：与流体状态有关 分析第二类保温热传导问题，临界直径的问题。 对流传热的计算，实际是如何求对流传热系数,物理意义：当温度差为1时,4.4.4 对流传热系数关联式 对流传热过程的量纲分析,一、对流传热的分类 强制对流 无相变 自然对流 对流传热 冷凝 有相变 沸腾,4.4.4 对流传热过程的量纲分析,4.4.4.1 对流传热系数的影响因素 对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响的主要因素是： 1.流体的种类和相变化情况 气体 无相变 2.流体的物性 对影响较大的流体物性有导热系数、粘度、比热Cp、密度及对自然对流影响较大的体积膨胀系数。具体地： l 、Cp 、 、 ,3.流体的温度,流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差t，流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。在传热计算过程中，当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。 4.流体的流动状态 流体 呈湍流时，随着Re的增加，滞流底层的厚度减薄，阻力降低， 增大。流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂作用，故较湍流时小。即： 滞流 湍流 5.流体流动的原因 自然对流：由于流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。 强制对流：由于外来的作用，迫使流体流动。 自然对流 强制对流,4.4.4.2 对流传热过程的l量纲分析,6.传热面的形状、位置和大小 传热壁面的几何因素对流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度分布都有较大影响，从而影响对流传热。如流体流过平板与管内的流动就不同，在自然对流时垂直热表面侧的流体就比水平热表面下面的流体自然对流条件要好。因此必须考虑传热面的特定几何条件对传热的影响，一般采用对对流传热有决定性影响的特征尺寸作为计算依据，称为定性尺寸。,由于影响对流传热系数的因素众多而复杂，因此不可能用一个通式来描述，为此首先进行理论分析，将众多的影响因素组合成若干无量纲数群(准数)，然后用实验的方法确定这些准数间关系，从而建立相应的关联式 。 本节采用白金汉法处理对流传热问题，适用于变量较多的情况。,4.4.4.2.1 流体无相变时的强制对流传热过程,步骤： 1.列出影响该过程的物理量 据理论分析及实验研究，知影响a的因素有：定性尺寸l，流体的密度，粘度，比热Cp，导热系数l ，流速u，可将其表示为： f(l, ，Cp， l ，u) 2.确定准数数目 定理：任何一个量纲一致的物理方程都可表示成一个隐函数的形式，即： f(1, 2, 3， ，i)=0 其中：i=j-m i无量纲准数的数目 j变量数 m基本量纲数(长度L、质量M、时间、温度T) i=7-4=3 有三个准数,3.确定各准数的形式 (1)列出各物理量的量纲 (2)选择m(即4)个共同物理量,(3)量纲分析 将共同物理量与余下的物理量分别组成无量纲数群，即,4.4.4.2.2 自然对流传热过程,通过实验进一步确定出具体的准数关联式,自然对流中，引起流动的原因是单位体积流体的升力，大小为gt，其它因素与强制对流相同，故一般函数表达式为：af(l, ，Cp， l ， gt) 方法同前，可得：,4.确定具体的准数关联式 通过实验进一步确定出具体的准数关联式,各准数的名称、符合、意义如下：,4.4.4.2.3 应用准数关联式应注意的问题,对应各种不同情况下的对流传热的具体函数关系是由实验确定的，在整理实验结果及使用方程式中应注意以下问题： 1.应用范围 关联式中Re、Pr、Gr等准数的数值范围等。 2.定性温度 各准数中决定物性参数的温度，有3种表示方法： 取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2为定性温度 取壁面平均温度t=(tw+Tw)/2为定性温度 取流体和壁面的平均温度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2为定性温度 壁温多为未知数，需用试差法，故工程上多用第一种方法 3.特征尺寸 无量纲准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸l。通常选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。,4.4.5 流体无相变时的对流传热系数,4.4.5.1 流体在管内作强制对流 1.流体在圆管内作强制湍流 (1)低粘度流体(210-3Pas的气体及大部分液体),(2)高粘度流体,2.流体在圆形直管内强制滞流,3流体在圆形直管内呈过渡流,当流体在管内呈过渡状态流动时，即2300Re10000，其传热情况比较复杂。通常先按湍流时的公式计算，然后再将计算结果乘以一小于1的修正系数，即： 4流体在圆形弯管内强制对流 流体流过弯管时，将受到离心力的作用，致使湍动程度加大。在同样Re数下，对流传热系数较直管中为大，因此先按直管计算，然后再乘以一大于1的校正系数，即： 其中：a弯管中的对流传热系数，W/(m2) a直管中的对流传热系数，W/(m2) r弯管轴的弯曲半径，m 5. 流体在非圆形管中强制对流 流体在非圆形管中呈强制湍流、过渡流以及层流时，仍可应用上述相应的关联式进行计算，只将其中管子内径di用当量直径de代替即可。 ,准数关联式计算示例,例4-13 列管换热器由254根252.5mm，长6m的钢管组成，用饱和水蒸汽加热管内流动的苯，苯的流量为50kg/s，进出口温度分别为20和80，试求管内苯的对流传热系数。 解：定性温度t=(20+80)/2=50，查得苯的物性数据： =860kg/m3，cP=1.80kJ/kg，=0.4510-3Pas， l =0.14W/m,二、流体在管外强制对流时对流传热准数关联式,1流体在管束外强制垂直流动 管束的排列方式有直列和错列两种，错列中又有正方形和等边三角形两种。,直列,正方形错列,等边三角形错列,2流体在列管式换热器管间流动,当流体流过换热器管间时，由于壳体是圆筒，管束中各列的管数不等，且一般都安装有折流挡板，故流体在换热器壳程流动时，流向和流速的不断变化，使得Re100时即可能形成湍流，对流传热系数加大。折流挡板的形式较多，最常用的是圆缺形挡板。 (1)换热器内装有圆缺形挡板(缺口面积为25%的壳体内截面)时 ，壳程流体的a关联式 多诺呼法,凯恩法 (2)无折流挡板 按管内强制对流公式计算，将di用管间当量直径de代替即可。,三、自然对流时对流传热系数关联式,自然对流时的对流传热系数仅与反映流体自然对流状况的Gr准数及Pr准数，其准数关联式可表示为： Nu(rPr)n (147页 ) 定性温度取膜温，即壁温与流体平均温度的算术平均值。 式中的系数C和指数n值,准数关联式计算示例,例4-4 一水平蒸汽管，长20m，外径为159mm，管外壁温度为120，周围空气温度为20，计算该管段由于自然对流散失的热量。 定性温度：t(120+20)/270 70下空气物性：1.03kg/m3，2.0610-5Pas l 0.0297W/mK，1/(273+70)=1/340 1/K，Pr0.694,4.4.8 流体有相变时的对流传热系数,蒸汽冷凝和液体沸腾都是伴有相变化的对流传热过程。这类传热过程的特点是相变流体要放出或吸收大量的潜热，但流体温度基本不变。因此在壁面附近流体层中的温度梯度较高，从而对流传热系数比无相变时的更大。 4.4.8.1 蒸汽冷凝传热 其优点是：(1)饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制；(2)蒸汽冷凝的对流传热系数较无相变时大得多。这是因为蒸汽在壁面上冷凝的同时，蒸汽将迅速流到壁面补充空位，汽相主体与壁面间温差极小，因此饱和蒸汽冷凝时汽相中几乎无温差存在。,1.蒸汽冷凝方式,蒸气冷凝时，根据其冷凝液是否能够润湿壁面分成两种方式： (1)膜状冷凝：若冷凝液能够完全润湿壁面，则将在壁面上形成一层连续的液膜，并向下流动。壁面完全被冷凝液所覆盖，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，与壁面不进行直接接触，冷凝潜热只能以导热和对流的方式通过液膜传给壁面。 因蒸汽冷凝时有相的变化，一般热阻很小，故冷凝液膜就成为冷凝的主要热阻。 若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流动，则所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越高，则整个壁面的平均对流传热系数也越小。 冷凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和对壁面附着力的关系，当附着力大于表面张力时则会形成膜状冷凝。,(2)滴状冷凝,若冷凝液不能够润湿壁面，则由于表面张力的作用，在壁面上形成液滴，液滴长大到一定程度后而脱落壁面，这种形式称为滴状冷凝。此时壁面常有大部分裸露的冷表面直接和蒸汽接触，由于没有液膜阻碍热流，所以其热阻很小，因而对流传热系数要比膜状冷凝高出510倍。 滴状冷凝虽然比膜状冷凝传热效果好，但在工业上很难实现，因此生产中大多为膜状冷凝。,2.膜状冷凝对流传热系数,冷凝液膜的流动也可分为滞流和湍流两种流型，判断流型也可用Re，而Re常常表示为冷凝负荷M的函数，即：Re=f(M)。 冷凝负荷M：单位时间单位长度润湿周边上流过的冷凝液量，kg/(ms) 设液膜流通截面积为A m2，润湿周边长为b m,冷凝液质量流量为W kg/s，则： (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,计算步骤(试差法) 假设一种流型 选择公式计算h 计算热负荷q=hoSo(ts-tw),计算质量流量W=q/r 计算冷凝负荷M=W/b 计算Re并校核,3.影响冷凝传热的因素,液膜两侧的温度差：t，a 流体的物性：传热冷凝液的密度越大，粘度越小，则液膜的厚度越小，因而冷凝对流传热系数a越大。导热系数大也有利于传热，冷凝潜热大，则在同样的热负荷下冷凝液减少，液膜变薄，a增大 蒸汽的流速和流向：当蒸汽流速较大时，蒸汽与液膜间的摩擦作用不能忽略。若蒸汽和液膜的流向相同，这种作用将使液膜减薄并促使其产生一定波动，因而使a增大。若逆向流动，这种作用会阻碍液膜流动，使其增厚导致传热恶化。但当这种作用超过重力作用时液膜会被蒸汽带动而脱离壁面，反而使a急剧增大。,不凝性气体的影响：蒸汽冷凝时不凝性气体将在液膜表面形成一层气体膜，由于其导热系数很小，使热阻增大，a大为降低。当蒸汽中不凝性气体含量为1%时，可使冷凝时a降低60%左右。因此在冷凝器的设计和操作中，都必须考虑不凝气的排除。 冷凝壁面的影响： 冷凝液膜为膜状冷凝的主要热阻，设法减薄其厚度是强化传热的关键，最直接的方法是从冷凝壁的高度和布置方式上着手。对水平放置的列管式冷凝器，应减少垂直方向上管排的数目。在垂直壁面上，开若干纵向凹槽，使冷凝液沿凹槽流下，以减薄壁面上液膜的厚度等方法均可使冷疑时对流传热系数提高。,4.4.8.2 液体沸腾传热,液体与高温壁面接触时被加热，并产生大量气泡变为蒸汽的过程称为液体沸腾。这种传热方式由于在加热面上不断经历着汽泡的形成、长大和脱离的过程，造成对壁面处流体的强烈扰动，因而对流传热系数要比无相变时大。化工中常用的蒸发器、再沸器、蒸汽锅炉等，都是通过液体沸腾而产生蒸汽。 液体在加热表面上沸腾时，按其沸腾所处的空间可分为大容器沸腾和管内沸腾。大容器沸腾是指加热面被沉浸在无宏观流动的液体表面下所产生的沸腾，这种情况下汽泡脱离表面后能自由浮升，液体的运动只是由自然对流和气泡扰动引起。当液体以一定流速在加热管内流动时的沸腾称为管内沸腾，此时产生的汽泡不能自由浮升，被迫与液体一起流动，也称为强制对流沸腾。,1大容器饱和沸腾曲线,D,E,F,膜状沸腾,(1)AB段 当t5时，a随t缓慢增大，此时紧贴加热面液体的过热度很低，不足以产生汽泡，传热依靠自然对流进行，液体中无汽泡产生，只在液体表面上发生蒸发，此段a、q都较低，该段称为自然对流阶段。,(3)CD段 随汽泡增多，加热面被蒸汽膜覆盖区域增加，直接与液体相接触的加热面不断减少，a开始不断下降，直到整个加热面被蒸汽膜覆盖为止。因蒸汽的导热性差，所以气膜的附加热阻使a、q急剧下降。气膜开始形成是不稳定的，可能形成大气泡脱离表面。CD段称为不稳定膜状沸腾阶段。,(4)DEF段 t的进一步增大，加热面上形成一层稳定的汽膜，将液体和加热面完全隔开。继续加大t会使壁温愈来愈高，辐射传热的作用不断增强，故a随t增大而增大。该阶段的沸腾称为稳定的膜状沸腾阶段。,显然各个阶段具有不同的传热机理，在BC段由于a大且壁温低，故工业设备常维持在泡状沸腾下操作。若温度过高超过临界点温度，除a下降外还可能导致设备的烧毁。,2沸腾传热系数的计算,(1)莫斯听斯基(Mostinski)经验式：,(2)准数关联式,4.5 辐射传热(转）,热辐射是热量传递的三种基本方式之一，特别是高温时，热辐射往往成为主要的传热方式。一些加热炉和锅炉中的燃烧加热，高温管道和设备与周围环境的热量交换等均与辐射传热有关。本节介绍热辐射的基本概念和基本定律，以及辐射传热的简单计算。 5.5.1 基本概念和定律 5.5.1.1 热辐射 物体由于本身温度或受热而引起内部原子的复杂激动，产生交替变化的电场和磁场，就会对外发射出辐射能并向四周传播。这种能量是以电磁波的形式进行传递，在一定波长范围内显示为热效应，称为热辐射。当热辐射能量投射在另一物体表面上时，可部分或全部地被吸收，重新转变为热能。 电磁波的波长范围从零到无穷大，但能被物体吸收而转变为热能的辐射线主要为可见光(0.40.8m)和红外线(0.820m)两部分，即波长在0.420m之间，统称为热射线。但只有在很高的温度下，才能觉察到可见光线(波长为0.40.8m)的热效应。理论上讲，任何物体只要温度在绝对零度以上，都能进行热辐射，但只在高温时才起决定作用。 ,4.5.1.2 热辐射对物体的作用,热射线和可见光一样，同样具有反射、折射和吸收的特性，服从光的反射和折射定律，在均一介质中直线传播，在真空和有些气体中可以完全透过，而在固体和液体中则不能透过。根据这些特性，设投在某物体上的总辐射能为Q，则有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，其余部分能量QD穿透过物体，如图。根据能量守恒定律有： QAQRQDQ,4.5.1.3 黑体、镜体、透热体和灰体,黑体(绝对黑体)：能全部吸收辐射能的物体，即A1的物体。自然界中无绝对黑体存在，但有些物体如无光泽的黑漆表面，A0.960.98，比较接近于黑体。引入黑体只是作为实际物体的一种比较标准，黑体A最大，也具有最大的辐射能力。 镜体(绝对白体)：能全部反射辐射能的物体，即R1的物体。实际上镜体也是不存在的，但有些物体如表面磨光的铜，R0.97，接近于白体。 透热体：能全部透过辐射能的物体，即D1的物体。单原子和对称双原子构成的气体(H2、N2、O2和He等)一般可视为透热体；多原子和不对称双原子气体则能有选择地吸收和反射某一波长范围的辐射能。,灰体：以相同吸收率A部分吸收0全部波长辐射能的物体。大多数工程材料均可按灰体处理。因而灰体的特点是： 灰体为不透热体，即D=0或AR1 吸收率A不随波长k变化 物体的A、R和D是和物体的性质、表面状况，所处温度和投射辐射线的波长等有关，一般地： 多数固体和液体：不透热体，即D0或AR1 。 气体：不反射能量，即R0或AD1。 5.5.1.4 辐射传热 物体在向外发射辐射能的同时，也会不断地吸收周围其它物体发射的辐射能，并将其重新转变为热能，这种物体间相互辐射和吸收辐射能的传热过程称为辐射传热。若辐射传热是在两个温度不同的物体之间进行，则传热的结果是高温物体将热量传给了低温物体，若两个物体温度相同，则物体间的辐射传热量等于零，但物体间辐射和吸收过程仍在进行。,4.5.1.5 辐射传热基本定律,5.5.1.5.1 辐射能力 物体只要具有一定温度(T0K)就会不断向空间辐射出各种波长的辐射能。 物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所能发射出的全部波长范围的总能量，称为该温度下物体的辐射能力，用E表示，单位W/m2。 确定物体的辐射能力先需确定物体辐射某一波长的能力，物体发射特定波长的能力称为单色辐射能力，用Ek表示，单位W/m2m。E的大小不仅与波长及温度有关，而且与物体的性质有关，于是在一定温度下物体的辐射能力可表示为： 对于黑体，其辐射能力Eb则可表示为： ,4.5.1.5.2 普朗克(MPlanck)定律,普朗克定律揭示了黑体的辐射能力按照波长的分配规律，即表示黑体单色辐射能力Eb和波长、热力学温度T之间的函数关系，计算式为： 式中： k 波长，m； T 黑体的绝对温度，K； C1普朗克第一常数，3.74310-16 m2； C2普朗克第二常数，1.438710-2 mK。,不同温度下，Eb作图，如图示，每个温度有一条能量分布曲线。在指定温度下，黑体辐射各种波长的能量是不同的。但在某一波长可达到 Eb的最大值。在不太高的温度下，辐射主要集中在波长为0.810m的范围内。,4.5.1.5.3 斯蒂芬-波尔茨曼(JStefan-D.Boltzman)定律,斯蒂芬-波尔茨曼定律揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系： 式中： 0黑体的辐射常数，5.6710-8 W/(m2K4) C0黑体的辐射系数，5.67 W/(m2K4)。 上式称为斯蒂芬-波尔茨曼定律，它说明黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比，故又称为四次方定律。,实验证明，斯蒂芬-波尔茨曼定律也可以应用到灰体，此时定律的数学表达式为： 式中：C灰体的辐射系数，W/(m2K4)，不同物体的C值不同，它取决于物体性质，表面状况和温度，且总是小于C0，因此在同一温度下，灰体的辐射能力总是小于黑体，其比值称为物体的黑度，以表示： 因而只要知道物体的黑度，就可通过上式求得该物体的辐射能力。 物体的黑度取决于物体的性质、温度以及表面状况(表面粗糙度及氧化程度)，是物体本身的特性，与外界情况无关，一般通过实验测定。常用工业材料的黑度列于书中表5-6。,4.5.1.5.4 克希霍夫(Kirchhoff)定律,克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系。 设有相距很近的平行平板1和2，从一板发射的辐射能可全部投射到另一平板上。 板1：实际物体(灰体)，E1、A1、T1 板2：黑体，Eb、A2(=1)、T2 T1T2,板间介质为透热体，系统与外界绝热,1,2,因板2为黑体，板1发射出的E1被板2全部吸收。,板2发射出的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。,对板1，辐射传热的结果为： q/s=q发射/s-q接收/s=E1+(1-A1)Eb-Eb=E1-A1Eb 辐射传热达到平衡时，即T1=T2 A时，q/s=0,实际上板1可用任何板代替，则上式可写成： 上式称为克希霍夫定律，它表明任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，并且只和物体的绝对温度有关。 根据克希霍夫定律： 物体的吸收率A愈大，其辐射能力E也愈大； 由AE/Eb与式E/Eb比较，A，即灰体的吸收率在数值上等于同温度下该物体的黑度。因此若测定出了物体的黑度，即可知其吸收率和辐射能力。但A、物理意义不同 ： A：吸收率，表示由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数； ：黑度，表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数 因物体的A测定比较困难，工程计算中常用代替。,4.5.2 两固体间的辐射传热,工业上常遇到两固体间的相互热辐射，可近似按灰体处理，故较复杂。两固体间辐射传热的净传热量与两物体的温度、形状、相对位置以及物体本身性质有关。 5.5.2.1 不考虑几何因素 面积很大，距离很近，两大平行灰体平板间的相互辐射。 平板1：T1、E1、A1 平板2：T2、E2、A2,1,2,板1辐射总能量： (q/s)1=(E1+R2R1E1+R22R12E1+ )- (R2E1+R22R1E1+R23R12E1+ ) = (E1-E1R2) (1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) = E1A2(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ),板2辐射总能量： (q/s)2=(E2+R2R1E2+R22R12E2+ )- (R1E2+R2R12E2+R22R13E2+ ) = (E2-E2R1)(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) =E2A1(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) 板1向板2传递的净辐射热通量：,1,2,4.5.2.2 考虑几何因素,当两壁面间距离与表面积之比不够小时，一壁面发射的辐射能可能不能完全到达另一壁面时，引入一角系数进行修正，即： 上两式适用于任何形状的表面之间的相互辐射，但对一物体被另一物体所包围下的辐射 ，要求被包围物体的表面应为平表面或凸表面。 角系数：表示从辐射面积S所发射出的能量为另一物体表面所截获的分数。其数值与物体的形状，大小，相互位置、距离及面积有关。具体值查P381表5-7。,辐射传热计算示例,例4-5 某车间的采暖板尺寸为1.80.75m2，板面为铝板(已氧化)，温度为107，若不计采暖板背面及侧面的辐射作用，求采暖板面与车间墙面间的辐射传热量，已知墙面温度12。 解：该种情况为很大的物体2(车间墙面)包住物体1(采暖板)的情形，故： S=S1=1.80.75 m2, =1,C1-2=1C0 对已氧化的铝板，查P378表5-6，取1=0.15,4.5.4 对流和辐射的联合传热,许多化工设备或管道的外壁温度常常高于周围环境的温度，因此热量将由壁面以对流和辐射两种形式散失。为减少热量散失需进行隔热保温，因此在保温时必须要计算散失的热量，其散热量应为对流传热和辐射传热两部分之和。 由对流引起的散热量qC=hcSw(tw-tb),hT=hC+hR，称为对流-辐射联合传热系数，W/(m2)。对于有保温层的设备、管道等对周围环境散热的联合传热系数hT可用下列公式计算。 1、空气自然对流时 在平壁保温层外：hT=9.8+0.07(tw-tb) 在管道或圆筒壁保温层外：hT=9.4+0.052(tw-tb) 上两式适用于tw5m/s：hT=7.8+u0.78,对流-辐射联合传热计算示例,例4-6 外径为194mm的蒸汽管道，拟包一层导热系数为0.09W/mK的保温材料。管内饱和蒸汽温度为133，保温层外表的温度要求低于40，周围环境温度为20，计算需保温层厚度。设管内蒸汽冷凝传热与管壁热阻均可略去不计。 解：此题周围环境属于自然对流情形，故： hT=9.4+0.052(tw-tb)=9.4+0.052(40-20)=10.44W/(m2) 当管壁热阻不计时，保温层导热量等于对流辐射联合散热量，即：,本章要求,掌握： 傅立叶定律 单层与多层平壁的稳态热传导的计算 单层与多层圆筒壁的稳态热传导的计算 牛顿冷却定律 低粘度流体在圆形直管内作强制湍流的准数关联式 辐射传热的基本概念和定律 两固体间的辐射传热 了解： 温度场的 概念 导热系数的基本概念 对流传热系数及其影响因素 对流传热系数关联式,THE END Thanks,