★Chapter10-11对流换热-辐射换热
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★Chapter10-11对流换热-辐射换热-邱
速度边界层
温度边界层
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10-1 概述
一、牛顿冷却公式
牛顿冷却公式
= A h( tw－tf )
q = h( tw－tf )
其中：
h—整个固体表面的平均表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的流体主流温度；对 于内部流动，tf 取流体的平均温度。
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11-1 热辐射的基本概念
一、吸收、反射与投射
镜反射与漫反射： 物体表面对辐射的反射有两种：镜反射与漫反射
(a)镜反射
反射角=入射角
(b)漫反射
被反射的辐射能在各个 方向均匀分布 产生何种反射决于 物体表面的粗糙程度 和 投射辐射能的波长 。 当粗糙程度尺度小于投射辐射能的波长时，就会产生镜反射， 反之就会产生漫反射。绝大多数工程材料的热辐射的反射都 近似于漫反射。
一些表面传热系数的数值范围 对流换热类型
空气自然对流换热
空气强迫对流换热 水自然对流换热 水强迫对流换热 水沸腾
1～10
10～100 100～1000 1000～15000 2500～35000
水蒸气凝结
Байду номын сангаас
5000～25000
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13
第十章小结
重点掌握以下内容： （1）牛顿冷却公式 （2）对流换热的影响因素 （3）对流换热系数的数值概念
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10-1 概述
二、对流换热的影响因素
(1) 流动的起因 流动的起因，影响流体的速度分布与温度分布。 强迫对流换热 自然对流换热 一般说来，自然对流的流速较低，因此自然对流换 热通常要比强迫对流换热弱，表面传热系数要小。 例如：气体自然对流h在1~10W/m2· K，而气体强迫 对流h在10~100W/m2· K。
对流和辐射计算公式
1.热对流
热对流：是指由于流体的宏观运动使物体不同的流体相对位移而产生的热量传递现象。
特点：只能发生在流体中；必然伴随有微观粒子热运动产生的导热。
对流换热：流体与固体表面之间的热量传递。
对流换热公式如下：
()F t t Q f w -=α
式中，Q 为对流换热量，单位为W ；
w t 、f t 为壁面和流体的平均温度，单位为℃；
F 为对流换热面积，单位为m 2；
α为对流换热系数，单位为C m W ︒⋅2/。
2.热辐射
辐射：是指物体受到某种因素的激发而向外发射辐射能的现象。
热辐射：由于物体内部微观粒子的热运动（或者说由于物体自身的温度）而使物体向外发射辐射能的现象。
辐射换热：当物体之间存在温差时，以热辐射的方式进行能量交换的结果使高温物体失去热量，低温物体获得热量，这种热量传递称为辐射换热。
两物体辐射换热的公式如下：
44121100100n T T Q C F ⎡⎤⎛⎫⎛⎫=-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎣⎦
式中，n C 为辐射系数；
1T 、2T 为两物体的温度；
1F 为辐射体的辐射表面积。
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第十一章辐射换热
dA1dA2
结果查有关手册（书327页表）
28
2）代数法：
利用角系数的定义及性质, 通
过代数运算确定角系数。
图(a)、(b)： X1,2 1
A1 X1,2 A2 X 2,1
X 2,1
图(c) ：X1,2
X1,2a
A2a A1
A1 A2
图(d) ：X1,2 X 2,1 1
三个非凹表面构成的封闭空腔
25
假设表面1、2都是黑体表面，根据辐射强度的定义，
单位时间内从dA1发射到dA2上的辐射能为
d12
Lb1dA1
cos1
dA2
cos2
r2
Eb
dA1
cos1
dA2
cos2
r2
Eb1
cos1 cos2 r2
dA1dA2
从整个表面1发射到表面2的辐射能为
12
A1
A2
Eb1
cos1 cos2 r2
根据辐射力与辐射强度的关系可求得
E L cosd L cos sindd
2
2
2
/2
L0 d 0 sincosd L
16
11-3 实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律
1. 实际物体的发射特性
发射率（黑度）： E
Eb
发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。
光发谱射发率射与率光（谱光发谱射黑率度之）间：的关 系为EEb
一些材料对黑体辐射的吸 收比随黑体温度的变化。
22
3. 基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律
基尔霍夫定律揭示了物体吸收辐射能的能力与发 射辐射能的能力之间的关系，其表达式为
,,T ,,T
辐射换热
气体没有辐射能力：
a 1
0 a 1
a 1 黑体 1 白体 1 透热体
二
辐射的基本定律
辐射力 E ：物体单位表面积在单位时间内向半球空 间所有方向上发射出去的全部波长的辐射能的总量， 单位是W/m2。
光谱辐射力 E ：是物体从波长 到区间 发射出的能量，即物体单位表面积在单位时间内向 半球空间所有方向上发射出去的包含 的单位波长范 围内的辐射能，单位是W/m3。
假设：总辐射能 Q ，物体吸收 Qa ，物体反射 Q ， 透过物体 Q ；根据能量守恒定律有 Q Qa Q Q 以 Q 除全式，并令 a Qa Q
Q Q Q Q
穿透比
a 1 a 吸收比， 反射比，
固体和液体辐射不能穿透： 0
(四) 折热板
假设条件：折热板和辐射板均为灰体
q1,3 s (Eb1 Eb3 ) q3,2 s (Eb3 Eb2 ) q1,3 q3,2 q1,2
无折热板时：
q1, 2
q1,3 q3, 2
2 s ( Eb1 Eb 2 ) 2
q
' 1, 2
s (Eb1 Eb2 ) 2q1, 2
1 1 2,1 J 2 A2 Eb 2 A2 2
稳态换热时： 1,2 2,1
1,2
Eb1 Eb 2 1 1 1 2 1 1 A1 A1 X 1, 2 2 A2
网络法计算
A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1,2 s A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1 1 1 A1 1 2 1 X 1, 2 A2 2 T1 4 T2 4 5.67 s A1 100 100
a 1
0 a 1
a 1 黑体 1 白体 1 透热体
二
辐射的基本定律
辐射力 E ：物体单位表面积在单位时间内向半球空 间所有方向上发射出去的全部波长的辐射能的总量， 单位是W/m2。
光谱辐射力 E ：是物体从波长 到区间 发射出的能量，即物体单位表面积在单位时间内向 半球空间所有方向上发射出去的包含 的单位波长范 围内的辐射能，单位是W/m3。
假设：总辐射能 Q ，物体吸收 Qa ，物体反射 Q ， 透过物体 Q ；根据能量守恒定律有 Q Qa Q Q 以 Q 除全式，并令 a Qa Q
Q Q Q Q
穿透比
a 1 a 吸收比， 反射比，
固体和液体辐射不能穿透： 0
(四) 折热板
假设条件：折热板和辐射板均为灰体
q1,3 s (Eb1 Eb3 ) q3,2 s (Eb3 Eb2 ) q1,3 q3,2 q1,2
无折热板时：
q1, 2
q1,3 q3, 2
2 s ( Eb1 Eb 2 ) 2
q
' 1, 2
s (Eb1 Eb2 ) 2q1, 2
1 1 2,1 J 2 A2 Eb 2 A2 2
稳态换热时： 1,2 2,1
1,2
Eb1 Eb 2 1 1 1 2 1 1 A1 A1 X 1, 2 2 A2
网络法计算
A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1,2 s A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1 1 1 A1 1 2 1 X 1, 2 A2 2 T1 4 T2 4 5.67 s A1 100 100
11、辐射换热计算PPT课件
第十一章 辐射换热计算
1
角系数Fij的定义： 离开表面i的辐射被表面j所拦截的份额
5
热电比拟
电路图
示意图
电势差 电阻 电流
热网络图
6
例1：
7
图(2-3) 两个表面空腔的辐射换热
8
9
例2：
10
12
图2-4 例题2的辐射网络示意图
11
12
13
14
15
？
37
38
同情形下，没有辐射遮热板时的热阻为：
39
由上式可以看出，有辐射遮热板的 热阻比无辐射遮热板的热阻大 (n+1) 倍。
40
若两种情况下，换热表面的温度相同， 则：
41
§2.3 辐射对温度测量的影响
42
当把温度计放在气流中测量温度时， 感受元件所指示的是温度取决于感受 元件上的总的能量平衡。 如图(2-9)所示:
部分资料从网络收集整 理而来，供大家参考，
感谢您的关注！
43
图(2-9) 温度计测温
44
45
从上式可知，温度计指示的温度并 非是气体的真实温度，而是温度计 进行对流和辐射换热的平衡温度。 因此会造成测量误差，有时误差甚 至会很大。
46
例4
图(2-4) 用热电偶测量气流温度的示意图 47
48
49
50
51
52
53
54
The End
55
16
图(2-5)
17
18
19
图2-6 矩形的角系数
20
21
22
23
24
§2.2 辐射遮热板(辐射屏)
减少两个特定的表面之间辐射换 热的方法之一是采用高反射率的 材料。
1
角系数Fij的定义： 离开表面i的辐射被表面j所拦截的份额
5
热电比拟
电路图
示意图
电势差 电阻 电流
热网络图
6
例1：
7
图(2-3) 两个表面空腔的辐射换热
8
9
例2：
10
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图2-4 例题2的辐射网络示意图
11
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？
37
38
同情形下，没有辐射遮热板时的热阻为：
39
由上式可以看出，有辐射遮热板的 热阻比无辐射遮热板的热阻大 (n+1) 倍。
40
若两种情况下，换热表面的温度相同， 则：
41
§2.3 辐射对温度测量的影响
42
当把温度计放在气流中测量温度时， 感受元件所指示的是温度取决于感受 元件上的总的能量平衡。 如图(2-9)所示:
部分资料从网络收集整 理而来，供大家参考，
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43
图(2-9) 温度计测温
44
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从上式可知，温度计指示的温度并 非是气体的真实温度，而是温度计 进行对流和辐射换热的平衡温度。 因此会造成测量误差，有时误差甚 至会很大。
46
例4
图(2-4) 用热电偶测量气流温度的示意图 47
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50
51
52
53
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The End
55
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图(2-5)
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图2-6 矩形的角系数
20
21
22
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24
§2.2 辐射遮热板(辐射屏)
减少两个特定的表面之间辐射换 热的方法之一是采用高反射率的 材料。
辐射传热和对流传热
辐射传热和对流传热传热是物理学中的一个重要概念，是热力学领域的重要分支之一。
对热传递的认识对于工程技术的发展有着至关重要的作用。
在传热中，辐射传热和对流传热是两种重要的传热方式。
在本文中，我们将详细介绍这两种传热方式。
辐射传热是指物体通过热辐射向周围环境传递热量的过程。
辐射传热可以在真空中传热，不需要通过介质，所以可以在太空等真空环境中传热。
辐射传热的传热率受到辐射体表面温度、周围环境温度、辐射体表面材质、辐射面积以及两个表面的距离等多个因素的影响。
辐射传热的传热模式有点火、红热、白炽三种，分别对应不同的温度范围。
辐射传热在各种热工装置中都得到了广泛应用，如烤箱、加热器、电炉、辐射加热设备等。
对流传热是指流体通过对流传递热量的过程。
对流传热可以分为自然对流和强制对流两种。
自然对流是指无须外力作用，仅由流体的温度差异产生的密度差导致的运动会产生热传递。
强制对流是指通过通过捕捉或者机械作动引起流体强制流动，从而实现热传递。
对流传热的传热应用广泛，如散热器、空调、冷却器等。
对于辐射传热，我们可以采取以下几个步骤进行研究：步骤一：研究辐射传热模型，建立传热模型，包括热辐射通量及辐射热流密度的计算方法。
步骤二：分析表面特性，包括表面材质、表面材料的颜色、表面的形状和表面特征等。
步骤三：计算辐射传热的传热速率，包括辐射强度、频率、传热方式等。
对于对流传热，则可以采取以下几个步骤：步骤一：研究自然对流与强制对流的传热机理，明确不同的传热方式的特点。
步骤二：了解传热参数，包括温度、速度、压力、密度的计算方法。
步骤三：对流传热的传热速率与传热系数的计算，包括液体和气体的对流传热、垂直和水平方向的传热等。
总的来说，辐射传热和对流传热都是非常重要的传热方式。
研究它们的传热机理和计算方法，对于我们更好地理解工程过程中的热传递过程，提高生产效率，减少能源浪费，具有重要的意义。
热工基础 11 第十一章 辐射换热
（2）如物体的吸收率和发射率与温度有关，则 二者只有处于同一温度下的值才能相等； （3）投射辐射源必须是同温度下的黑体。
Fundamentals of thermal engin
辐射换热的计算方法
表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表 面的相对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角 系数来考虑。角系数的概念是随着固体表面辐射换热 计算的出现与发展，于20世纪20年代提出的，它有很 多名称，如形状因子、可视因子、交换系数等等， 但叫得最多的是角系数。值得注意的是，角系数只对 漫射面(既漫辐射又漫发射)、表面的发射辐射和投射 辐射均匀的情况下适用。
角系数的应用是有一定限制条件的，即漫射面、 等温、物性均匀。
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
11-4
辐射换热的计算方法
2. 角系数性质 （1） 相对性
A1 X1,2 A2 X 2,1
（2） 完整性 对于有n个表面组成的封闭系统， 据能量守恒可得：
X1,1 X1, 2 X1,3 X1, n X1,i 1
E 发射率（黑度）： Eb
发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。
光谱发射率（光谱黑度）：
E Eb
发射率与光谱发射率之间的关系为
Fundamentals of thermal engineering
热 工
基
0
Eb d
Eb
础
11-3 实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律
对于灰体，＝常数
Eb d
0
Eb
光谱辐射力随波长的变化
十一辐射换热
设表面1是黑体表面，辐射力、吸收率和表 面温度分别 Eb、Ａ=1、T1。 表面2为任意表面，辐射力、吸收率和 表面温度分别为E2、 Ａ２、T2。
表面2能量收支情况 q=E- ＡE０ 当体系处于热平衡时 T2 = T1，q=0
于是上式变为：
E/Ａ= E０
把这种关系推广到任意物体时，可得： 基尔霍夫定律表达式：（条件：热平衡、一方是黑体） E1/Ａ1= E2/Ａ2= E3/Ａ3=……E/Ａ= E０ Ａ=E/ Eb=ε
结论： 1、物体的辐射力大，吸收率也就越大。换言之，善 于发射的物体亦善于吸收； 2、因为所有物体的吸收率α 永远小于1，所以同温度 下的黑体辐射力最大； 3、热平衡下α =ε 。
灰体 ：物体单色吸收率与波长无关， 即 Ａ=Ａλ =C 灰体 α ≡ε
11-4 物体间的辐射换热
一、角系数 １.定义：表面1发射的辐射能落到表面2上的百分数叫 表面对表面2的角系 数。 ２.角系数的性质 （1）、角系数的相对性： 两个物体均是黑体，两者净交换热量为Q12 Q12 = E０1 A1 X1，2- E０2 A2 X2，1 热平衡时， T1=T2 E０1= E０2 A1 X1，2 = A2 X2，1
解：热电偶侧温问题： 热电偶的辐射换热量等于对流换热量
α (tf-t1)= ε 1 (E０1-E０w) tf = t1+ ε 1C0/α *[(T1/100)4-(TW/100) =998.2℃ 测量误差: 绝对误差 Δ t= tf-t1=206.2℃ 相对误差 Δ t/ tf =20.7%
4
]
例： 两块平行平板，其表面积A1=A2，温度分别为 t1=727℃，t2=127℃，板的黑度为ε 1=ε 2=0.8，两 板间距离比板的长宽相比很小， 求（1）板1，2的本身辐射； （2）板1，2的有效辐射； （3）板1，2的投入辐射； （4）板1，2的反射辐射； （5）板1，2的间的辐射换热量。
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11-1热辐射的基本概念
一、吸收、反射与投射
镜反射与漫反射： 物体表面对辐射的反射有两种：镜反射与漫反射
(a)镜反射
反射角=入射角
(b)漫反射
被反射的辐射能在各个 方向均匀分布 产生何种反射决于 物体表面的粗糙程度和 投射辐射能的波长。 当粗糙程度尺度小于投射辐射能的波长时，就会产生镜反射， 反之就会产生漫反射。绝大多数工程材料的热辐射的反射都 近似于漫反射。
Eb T
兰贝特定律
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11-2黑体辐射的基本定律
一、普朗克定律 1900年，普朗克(Max Planck)在量子假设基础上，给出了黑体的 光谱辐射力Ebλ与热力学温度T、波长λ之间的函数关系，称之为 普朗克定律。
C1 5 Eb C / T e 2 1
(3) 流体有无相变 沸腾换热：吸收汽化潜热(相变热)，气泡强烈扰动 凝结换热：放出汽化潜热(相变热)
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10-1概述
二、对流换热的影响因素
(4) 流体的物理性质 1）热导率，W/(mK)，愈大，流体导热热阻 愈小，对流换热愈强烈 2）密度，kg/m3和比热容c，J/(kgK)。 c反映 单位体积流体热容量的大小，其数值愈大，通 过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈 3）动力粘度 ，Pas；运动粘度 ＝/， m2/s。 影响速度分布与流态，故影响对流换热 影响重力场中的流体因密度差而产生的浮升力的 大小，因此影响自然对流换热。
E L cos
辐射力与辐射强度之间的关系：
E
2
L cos d
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11-2黑体辐射的基本定律
普朗克（Planck）定律
C1 5 Eb C / T e 2 1
斯忒藩—玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律
10-1概述
一、牛顿冷却公式
牛顿冷却公式
对于局部对流换热，
qx hx tw tf x
A
qx dA A hx tw tf x dA tw tf A hx dA
对等壁温， tw tf x tw tf 常数 对照式 = A h( tw－tf ) 可得:
（3）随着温度的升高，Eb取得最大值的波长max愈来愈小， 即在坐标中的位置向短波方向移动。
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11-2黑体辐射的基本定律
3 3
一、普朗克定律
维恩（Wien）位移定律 :
maxT 2.8976 10 2.9 10
mK
太阳表面温度约为 5800K ，由上式可求得 max=0.5m ，位于 可见光范围内，可见光占太阳辐射能的份额约为44.6%。 工业上常见的高温一般低于 2000K ， 2000K 温度下的黑体, 可求得max=1.45m，位于红外线范围内。
C1= 3.743×10-16 Wm2 C2 = 1.439×10-2 mK
马克思普朗克（Max Planck, 1858~1947），德国理论物理 学家，量子力学的创始人，二十世纪最重要的物理学家之一， 因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献，并在 1918年获得诺贝尔物理学奖。
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8
1 v 1 -1 4）体胀系数αV，K ；定义式： V v t p t p
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10-1概述
二、对流换热的影响因素
(5) 换热表面的几何因素 换热表面的几何形状、 尺寸、相对位置以及表 面粗糙度等几何因素， 将影响流体的流动状态， 因此影响流体的速度和 温度分布，对对流换热 产生影响
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11-1热辐射的基本概念
二、灰体与黑体
光谱辐射特性不随波长而变化的假想物体。 灰体： 即 , , 分别等于常数： 绝对黑体：吸收比 = 1的物体，简称黑体。黑体和灰 体一样，是一种理想物体。 镜体（漫反射时称为白体）： = 1 绝对透明体： = 1 黑体、白体与黑色、白色物体的 区别？
1 h hx dA A A
如何确定表面传热系数的大小，是对流换热计算 的核心问题，也是本章讨论的主要内容。
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10-1概述
二、对流换热的影响因素
对流换热是流体的导热和热对流两种基本传热方 式共同作用的结果。 因此，凡是影响流体导热和热对流的因素，都将 对对流换热产生影响。主要有以下五个方面： (1) (2) (3) (4) (5) 流动起因 流动状态 流体有无相变 流体的物理性质 换热表面的几何因素
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10-1概述
二、对流换热的影响因素
综上所述，影响对流换热的因素很多，表面 传热系数h是很多变量的函数：
Hale Waihona Puke h f u , t w , tf , , , c , , , l ,
特征长度（定型尺寸）
几何因素
研究对流换热的目的之一就是确定不同换热条件下 表面传热系数的具体表达式，主要方法包括分析法、 数值法、实验法和比拟法。 对流换热的数学描述，及其表面传热系数计算公式 的推导，大家自学。
E E d
0
定向辐射力：在单位时间内，单位面积表面向某方向 发射的单位立体角内的辐射能。用 E 表示，单位为 W/(m2sr)。
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11-1热辐射的基本概念
四、辐射力
辐射力与定向辐射力之间的关系：
E
2
E d
定向辐射力与辐射强度之间的关系：
L L d
0
光谱辐射强度的单位为W/(m3Sr)或W/(m2mSr)。
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11-1热辐射的基本概念
四、辐射力
辐射力：在单位时间内，每单位面积表面向半球空间 发射的全部波长的辐射能。用E表示，单位为W/m2。 光谱辐射力：在单位时间内，每单位面积的物体表面 向半球空间发射的某一波长的辐射能，用E表示，单 位为W/m3。 辐射力与光谱辐射力之间的关系
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10-1概述
表面传热系数 h，W /( m2K) 1～10 10～100 100～1000 1000～15000 2500～35000 5000～25000
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一些表面传热系数的数值范围 对流换热类型 空气自然对流换热 空气强迫对流换热 水自然对流换热 水强迫对流换热 水沸腾 水蒸气凝结
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6
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10-1概述
二、对流换热的影响因素
(2) 流动的状态 层流: 流速缓慢，流体分层地平行于
壁面方向流动，垂直于流动方 向上的热量传递主要靠分子扩 散（即导热）
紊流: 流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流体之间迅
速混合。传热依靠分子扩散和湍流脉动，因此紊流对 流换热要比层流对流换热强烈，表面传热系数大
d L , dA1cos d
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11-1热辐射的基本概念
三、辐射强度、立体角
辐射强度的大小不仅取决于物体种类、表面性质、 温度，还与方向有关。对于各向同性的物体表面， 辐射强度与角 无关， L , L 。 光谱辐射强度： 对于某一波长辐射能而言的辐射 强度称为光谱辐射强度。 辐射强度与光谱辐射强度之间的关系
11-1热辐射的基本概念
一、吸收、反射与投射
注意： （1） , , 属于物体的光谱辐射特性，取决
于物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。 , , 不仅取决于物体的性质，还与投射辐 射能的波长分布有关。 （ 2 ）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上 属于表面效应。金属：表面层厚度小于 1 m；绝 大多数非金属：表面层厚度小于1 mm。 （3）对于固体和液体， 0,
G 透射比 G
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11-1热辐射的基本概念
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G G 光谱透射比
一、吸收、反射与投射 根据能量守恒， G G G G
如果投入辐射是某一波长的辐射能G ，则
光谱吸收比
G G
G 光谱反射比
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北 京 科 技 大 学
11-1热辐射的基本概念
一、吸收、反射与投射
投入辐射: 单位时间内投射到单 位面积物体表面上的全波长范 围内的辐射能。G，W/m2 吸收辐射: G W/m2 反射辐射: G W/m2 透射辐射: G W/m2
G 吸收比 G
反射比
G G
第十章
对流换热
Convection Heat Transfer
第十章 对流换热
回顾：热量传递的基本方式
对流换热：指流体流经固体时，流体与固体表面 之间的热量传递现象，是热对流与热传导共同作 用的结果。
对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却
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10-1概述
G
1 , , 与 , , 的关系：
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G d
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G d
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G d