西安交通大学传热学课件8
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大学传热学第八章 第一节
第八章 辐射换热的计算
• 本章讨论物体间辐射换热的计算方法，重点是固 体表面间辐射换热的计算。
• 首先讨论辐射换热计算中的一个重要几何因子— —角系数的定义、性质及其计算方法；
• 然后介绍由两个表面及多个表面所组成系统的辐 射换热计算方法。
• 在此基础上总结辐射换热的强化及削弱方法。
• 最后对位于容器及设备壳体内的烟气的辐射换热 特性及烟气与壳体间的辐射换热计算方法作简要 的讨论。
cos1 cos2dA2
Байду номын сангаас
A2
r2
直接积分法
表面1对表面2 的角系数可通过对上式两边同时对积分而获
得
A1 X1,2
A1
A2
cos1 cos2dA2 r2
dA1
X1,2
1 A1
A1
A2
cos1 cos2dA2 r2
dA1
这就是求解任意表面之间角系数的积分表达式。注意这是 一个四重积分，不少情况下会遇到一些数学上的困难，需 要采用专门的技巧。工程上已将大量几何结构角系数的求 解结果绘制成了图线，可供查取。本书中给出了一些有代 表性的图线，查取时要注意对数坐标的特点。
角系数的可加性
• 考虑如图所示的表面1对表面2的角系数。由于从 表面1上发出的落到表面2的总能量，等于落到表 面2上各部分的能量之和，于是有
A1Eb1 X 1,2 A1Eb1 X 1,2a A1Eb1 X 1,2b
2a
2b
• 所以，有 X 1,2 X 1,2a X 1,2b 1
• 如果把表面2进一步分成 若干小块，则仍有
Lb2 cos2dA2d2
Eb 2 dA2
dA1
cos1 cos2 r2
• 本章讨论物体间辐射换热的计算方法，重点是固 体表面间辐射换热的计算。
• 首先讨论辐射换热计算中的一个重要几何因子— —角系数的定义、性质及其计算方法；
• 然后介绍由两个表面及多个表面所组成系统的辐 射换热计算方法。
• 在此基础上总结辐射换热的强化及削弱方法。
• 最后对位于容器及设备壳体内的烟气的辐射换热 特性及烟气与壳体间的辐射换热计算方法作简要 的讨论。
cos1 cos2dA2
Байду номын сангаас
A2
r2
直接积分法
表面1对表面2 的角系数可通过对上式两边同时对积分而获
得
A1 X1,2
A1
A2
cos1 cos2dA2 r2
dA1
X1,2
1 A1
A1
A2
cos1 cos2dA2 r2
dA1
这就是求解任意表面之间角系数的积分表达式。注意这是 一个四重积分，不少情况下会遇到一些数学上的困难，需 要采用专门的技巧。工程上已将大量几何结构角系数的求 解结果绘制成了图线，可供查取。本书中给出了一些有代 表性的图线，查取时要注意对数坐标的特点。
角系数的可加性
• 考虑如图所示的表面1对表面2的角系数。由于从 表面1上发出的落到表面2的总能量，等于落到表 面2上各部分的能量之和，于是有
A1Eb1 X 1,2 A1Eb1 X 1,2a A1Eb1 X 1,2b
2a
2b
• 所以，有 X 1,2 X 1,2a X 1,2b 1
• 如果把表面2进一步分成 若干小块，则仍有
Lb2 cos2dA2d2
Eb 2 dA2
dA1
cos1 cos2 r2
西安交通大学传热学课件
（3）主要热阻
（4）凝结传热设备的设计依据：膜状凝结
9/76
传热学 Heat Transfer
四、膜状凝结传热的应用
1、蒸汽压缩制冷循环 2、电厂的凝汽器 3、电子元器件冷却
10/76
传热学 Heat Transfer 11/76
传热学 Heat Transfer
§7-2 层流膜状凝结传热
凝结传热是一个非常复杂的现象
§7-1 凝结传热的模式
一、凝结的定义
蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时形成 液体的过程。
二、两种存在形态
浸润性液体；非浸润性液体。
5/76
传热学 Heat Transfer
三、凝结传热的两种模式
tw ts
1、膜状凝结(film condensation)
沿整个壁面形成一层薄膜，并且在
g
重力的作用下流动。
传热学 Heat Transfer 38/76
传热学 Heat Transfer
§7-4 沸腾传热简介
一、液体汽化的两种方式
1、蒸发（evaporation） 2、沸腾（boiling） （1）定义
工质内部形成大量气泡并由液态转 换到气态的一种剧烈的汽化过程
39/76
（2）分类
传热学 Heat Transfer
一、不凝结气体
增加了传递过程的阻力 减小了凝结的驱动力 二、蒸气流速 使液膜变厚 使液膜变薄
31/76
三、过热蒸汽
传热学 Heat Transfer
四、液膜过冷度及温度分布的非线性
五、管子排数 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管
六、管内冷凝
32/76
传热学 Heat Transfer
（4）凝结传热设备的设计依据：膜状凝结
9/76
传热学 Heat Transfer
四、膜状凝结传热的应用
1、蒸汽压缩制冷循环 2、电厂的凝汽器 3、电子元器件冷却
10/76
传热学 Heat Transfer 11/76
传热学 Heat Transfer
§7-2 层流膜状凝结传热
凝结传热是一个非常复杂的现象
§7-1 凝结传热的模式
一、凝结的定义
蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时形成 液体的过程。
二、两种存在形态
浸润性液体；非浸润性液体。
5/76
传热学 Heat Transfer
三、凝结传热的两种模式
tw ts
1、膜状凝结(film condensation)
沿整个壁面形成一层薄膜，并且在
g
重力的作用下流动。
传热学 Heat Transfer 38/76
传热学 Heat Transfer
§7-4 沸腾传热简介
一、液体汽化的两种方式
1、蒸发（evaporation） 2、沸腾（boiling） （1）定义
工质内部形成大量气泡并由液态转 换到气态的一种剧烈的汽化过程
39/76
（2）分类
传热学 Heat Transfer
一、不凝结气体
增加了传递过程的阻力 减小了凝结的驱动力 二、蒸气流速 使液膜变厚 使液膜变薄
31/76
三、过热蒸汽
传热学 Heat Transfer
四、液膜过冷度及温度分布的非线性
五、管子排数 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管
六、管内冷凝
32/76
传热学 Heat Transfer
传热学基本知识PPT课件
Qt1t2t3 t1t4
R1R2R3
R
通过各层的导热量相同， 各层导热所遵循的规律相同
2021
29
传热学基本知识
热传导
4、导热计算 3）单层圆筒壁的稳定热传导
特点：单层圆筒壁的导热面积不是常量，随圆
筒半径而变、同时温度也只是随半径而变。
Q t1 t2 R
t
A均
A均=2πr均L
r均
r2 r1 ln r2
导热分为两类
稳定导热：温度不随时间而变化的导热 不稳定导热：温度随时间而变化的导热
知识回顾
2021
23
传热学基本知识
热传导
2、傅里叶导热定律
热传导的速率与垂直于热流方向的表面积成正比，与壁面两侧的温差成正比，与壁厚成反比。
QAt1t2
q
Q A
t
Q
t
t R
A
Q 导热量，传热速率 , W;
导热动力 导热阻力
自然对流
泡状沸腾或泡核沸腾（传热系数大）
膜状沸腾
2021
36
蒸汽冷凝时的对流传热
蒸汽冷凝的对流传热
蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧 时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽在饱 和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供 冷流体加热。
2021
37
蒸汽冷凝时的对流传热
(1) 蒸汽冷凝的方式
t t1t2 l n t1 t2 2021
当⊿t1/⊿t2＜2时
⊿t=(⊿t1+⊿t2)/2
15
（2）双侧变温时的平均温度差
并流
逆流
错流
折流
①并流时的(对数)平均温度差
第五章 第八节——传热学课件PPT
•
定性温度：边界层平均温度
tm
1 2
tw
t
• 特征尺寸：l
• Re数中的特征速度为通道来流速度 u
表5-6 气体横掠几种非圆形截面柱体计算式中的常数
截面形状
Re
C
n
l
5103 105
l
5103 105
5103 1.95104
l
1.95104 105
l
5103 105
l
4103 1.5104
0.246Βιβλιοθήκη 10.4/
Pr
2
/
3
1/
4
1
Re 282000
5 / 8
4/5
•
此式的定性温度为边界层平均温度
tm
1 2
tw
t
• 定型尺寸为管外径
• 适用条件为 RePr 0.2
横掠非圆形截面的柱体或管道时 对流换热的实验关联式
• 此时的实验关联式为 Num C Remn Prm1/3
• 式中，C及n的值见表5－6；
表5-5 C 和 n 的值 C
0.989 0.911 0.638 0.193 0.0266
n 0.330 0.335 0.466 0.618 0.805
横掠单圆管换热的实验关联式
• 对于横掠单圆管，除了上述的实验关联式外， 邱吉尔与朋斯登提出了在整个实验范围内都可 以适用的准则方程
Nu
0.3
0.62 Re1/ 2 Pr1/3
第八节 外部流动强制对流换热 实验关联式
• 外部流动的定义：换热壁面上的流动边界层与 热边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存在 的限制。这样的流动称为外部流动。
传热学完整课件PPT课件
原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）
的作用。
说明：只研究导热现象的可宏编观辑课规件 律。
18
2 、导热的基本规律
❖ 1 ）傅立叶定律 ❖ （ 1822 年，法国物理学家）
如图 1-1 所示的两个表面分别维持均匀
恒定温度的平板，是个一维导热问题。对于
x方向上任意一个厚度为的微元层来说，根
据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热
可编辑课件
8
b 微电子： 电子芯片冷却
c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存
d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮 存
e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵
f 新能源：太阳能；燃料电池
可编辑课件
9
三、传热学的特点、研究对象及研究方法
1、特点
❖ 1 ）理论性、应用性强
机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热
过程。
可编辑课件
4
二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容 之一，是建环专业必修的专业基础课。是 否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到 后续专业课的学习效果。
2 、传热学在生产技术领域中的应用十分广 泛。如：
(1) 日常生活中的例子：
❖ 3 、研究方法
❖ 研究的是由微观粒子热运动所决定的
宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻
求热量传递的规律，认为研究对象是个连
续体，即各点的温度、密度、速度是坐标
的连续函数，即将微观粒子的微观物理过
程作为宏观现象处理。
可编辑课件
13
由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但 是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方 程），但不能确定物体内温度分布。
交大传热学课件-第1章
《对流换热》V. S. 阿巴兹 《沸腾和凝结》施明恒等编著 《数值传热学》陶文铨编著 《辐射换热原理》余其铮编著 《传热学要点与解题》王秋旺等主编
2015/3/3
4
考 核 方 式
平时 50 19分
45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
1
教学实验 6分
2
Project 25分
dt
λ
Q
tw2
0
δx
tw1
Q
tw2
δ Aλ
图1-3 导热热阻的图示
§1-1 热量传递的三种基本方式
热传导 热对流 热辐射
定义 属性 特点
2015/3/3
17
(1) 对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式
[ ] h — 表面传热系数 W (m2 ⋅ K)
影响h因素：流速、流体物性、 壁面形状大小等
t
表征材料导热能力的大小，是一种物性
dx
参数，与材料种类和温度有关。
tw1
dt
λ金属 > λ非金属固体 > λ液体 > λ气体
(3) 一维稳态导热及其导热热阻
如图右图所示，稳态+平板 ⇒ q = const， 0
于是积分Fourier定律有
tw1
λ
Q
tw2
δx
Q
tw2
∫ ∫ q δ dx = −λ tw2
0
tw1
dt
⇒
q = λ tw1 − tw2 δ
δ Aλ
以上结果在§2-3 节中会进一步说明。
1 导热（热传导）(续)
(4) 一维稳态导热及其导热热阻，
q
=
tw1 − tw2
2015/3/3
4
考 核 方 式
平时 50 19分
45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
1
教学实验 6分
2
Project 25分
dt
λ
Q
tw2
0
δx
tw1
Q
tw2
δ Aλ
图1-3 导热热阻的图示
§1-1 热量传递的三种基本方式
热传导 热对流 热辐射
定义 属性 特点
2015/3/3
17
(1) 对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式
[ ] h — 表面传热系数 W (m2 ⋅ K)
影响h因素：流速、流体物性、 壁面形状大小等
t
表征材料导热能力的大小，是一种物性
dx
参数，与材料种类和温度有关。
tw1
dt
λ金属 > λ非金属固体 > λ液体 > λ气体
(3) 一维稳态导热及其导热热阻
如图右图所示，稳态+平板 ⇒ q = const， 0
于是积分Fourier定律有
tw1
λ
Q
tw2
δx
Q
tw2
∫ ∫ q δ dx = −λ tw2
0
tw1
dt
⇒
q = λ tw1 − tw2 δ
δ Aλ
以上结果在§2-3 节中会进一步说明。
1 导热（热传导）(续)
(4) 一维稳态导热及其导热热阻，
q
=
tw1 − tw2
交大传热学课件-第8章2
定向发射率ε(θ )，其表达式和物理意义如下
实际物体的辐射力 与黑体辐射力之比:
∞
∫ ε = E = Eb
0 ε (λ)Ebλ dλ σT4
实际物体的光谱辐 射力与黑体的光谱 辐射力之比：
ε (λ) = Eλ
Ebλ
实际物体的定向辐 射强度与黑体的定 向辐射强度之比：
= ε (θ ) I= (θ ) I (θ ) Ib (θ ) Ib
特性
主要内容
8.0 研究热辐射的意义和目的 8.1 热辐射现象的基本概念 8.2 黑体热辐射的基本定律 8.3 固体和液体的辐射特性 8.4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系 8.5 太阳与环境辐射
λ
Wavelength
4
8.3 固体和液体的辐射特性
因此，我们需要定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向(θ, φ) 和波长λ
( ) (( ) ) ελ,θ,θ, λ,T ϕ
= Iλ ,actual emitted λ ,θ,ϕ,T
λ Iλ ,blackbody
,T
对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率（书中 p.366的定向发射率），即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向 辐射强度之比：
Quick Review：
第八章 热辐射基本定律和辐射特性
(1)热辐射定义、特点 (2)Planck定律: 给出了黑体在特定波长下的辐射力； (3) Stefan-Boltzmann定律: 给出了一切波长下的总辐射力； (4) Lambert定律：描述了辐射能量按空间方向分布的规律； (5) Wien位移定律： 给出了λm与T 的关系 (6) 黑体的特点：理想的吸收体和漫发射体 (7) 主要概念：黑体辐射函数、辐射力E、光谱辐射力、立
西安交通大学传热学课件
2.流体流动状态（The flow regimes） 层流（Laminar flow） 湍流（Turbulent flow）
Re ud
12/73
传热学 Heat Transfer
粘性流体的流动存在着两 种不同的流型，即层流和 湍流。
雷诺实验：1883年由英国 物理学家Reynolds实验总 结发现。
传热学 Heat Transfer
对流传热
Convective Heat Transfer
1/73
主要内容
传热学 Heat Tra因素及分类
数学描写
边界层 相似原理
无量纲准则数
对流传热 实验关联式
实验关联式 2/73
传热学 Heat Transfer
第五章 对流传热的理论基础
2. 定解条件 ① 初始条件 给出=0时刻速度、压力、温度的分布 ② 边界条件 速度无滑移、温度一二类
34/73
传热学 Heat Transfer
三、求解的困难
1. 问题的非线性 2. 动量及能量方程耦合
u v 0 x y
u x
v 0 y
（ u
u
u x
14/73
传热学 Heat Transfer
4. 换热过程有无相变（phase change） Boiling, condensation
15/73
传热学 Heat Transfer
5.流体的热物性（thermophysical properties）
在电影泰坦尼 克号中Jack冻 死了，但Rose 没有，为什么？
cp
v
t y
t
v y
dxdy
U
Re ud
12/73
传热学 Heat Transfer
粘性流体的流动存在着两 种不同的流型，即层流和 湍流。
雷诺实验：1883年由英国 物理学家Reynolds实验总 结发现。
传热学 Heat Transfer
对流传热
Convective Heat Transfer
1/73
主要内容
传热学 Heat Tra因素及分类
数学描写
边界层 相似原理
无量纲准则数
对流传热 实验关联式
实验关联式 2/73
传热学 Heat Transfer
第五章 对流传热的理论基础
2. 定解条件 ① 初始条件 给出=0时刻速度、压力、温度的分布 ② 边界条件 速度无滑移、温度一二类
34/73
传热学 Heat Transfer
三、求解的困难
1. 问题的非线性 2. 动量及能量方程耦合
u v 0 x y
u x
v 0 y
（ u
u
u x
14/73
传热学 Heat Transfer
4. 换热过程有无相变（phase change） Boiling, condensation
15/73
传热学 Heat Transfer
5.流体的热物性（thermophysical properties）
在电影泰坦尼 克号中Jack冻 死了，但Rose 没有，为什么？
cp
v
t y
t
v y
dxdy
U
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实际物体辐射特性
灰体
辐射传热计算
角系数
封闭系统辐射传热计算
气体辐射的特点
辐射传热的强化和抑制 2/95
传热学 Heat Transfer
辐射换热应用背景介绍
• 航空航天 • 传统工业 • 高新技术 • 日常生活 • ………
3/95
航空航天
传热学 Heat Transfer
火箭发射
空间站
4/95
传统工业
3、物体对热辐射的吸收、反射和穿透
当热辐射投射到物体表面上时， 一般会发生三种现象，即吸收、 反射和穿透
Q Q Q Q
Q Q Q 1 QQQ
absorptivity
1
reflectivity transmissivity
18/95
传热学 Heat Transfer
对于大多数的固体和液体
27/95
2、Planck定律
传热学 Heat Transfer
Eb
c15
ec2 (T ) 1
式中： λ— 波长，m T — 黑体温度，K c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2 c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 WK
1、f＝C 2、电磁波谱
16/95
传热学 Heat Transfer
• 理论上覆盖整个电磁波谱； • 可见光0.380.76m
红外线0.7625100m • 一般工业范围内（2000K以下）：
0.76100m
0.7620m ?
• 对于太阳辐射（约5800K）：0.22m
17/95
传热学 Heat Transfer
黑体辐射有三个基本定律 Stefan-Boltzmann’s Law Planck’s Law Lambert’s Law
从不同角度描述了一定温度下的黑体辐射的基本规律
23/95
传热学 Heat Transfer
一、Stefan-Boltzmann’s Law
1、辐射力E emissive power • 单位时间内，物体的单位表面积向半球 空间发射的所有波长的能量总和 • 单位：W/m2 • 从总体上表征了物体辐射能力的大小
只涉及表面
0, 1
对于不含颗粒的气体 整个气体容积
0, 1
对于黑体 1
镜体或白体 1
假想的
透明体
1
19/95
传热学 Heat Transfer
4、反射同样具有镜反射和漫反射的分别
镜反射
漫反射
20/95
三、黑体模型 1、为什么？
传热学 Heat Transfer
2、黑体模型
24/95
传热学 Heat Transfer
2、表达式
Eb T 4
Eb
C0
T 100
4
• －Stefan-Boltzmann常数
5.6710-8 W/(m2·K4) • C0－黑体辐射系数
5.67 W/(m2·K4)
25/95
传热学 Heat Transfer
3、说明 • 1879年由Stefan根据实验结果提出，1884年 由Boltzmann用理论分析法予以证实；
13/95
传热学 Heat Transfer
§8-1 热辐射的基本概念
一、热辐射
1、定义 热辐射－thermal radiation • 物体由于热的原因（温度高于 0 K）而发射电 磁波的现象
辐射传热－radiation heat transfer • 物体之间通过热辐射交换热量的过程 • 当系统达到热平衡时，辐射传热量为零，但热
• Boltzmann其人
热科学领域杰出的科学家
Boltzmann transport equation
f V f F f f
p scattering / collision
1906年 亚德里亚海
• ET4
26/95
传热学 Heat Transfer
二、Planck’s Law 1、光谱辐射力E spectral emissive power • 单位时间、单位波长范围内（包含某一 特定波长）、物体的单位表面积向半球 空间发射出去的辐射能 • 单位：W/m3
辐射仍然不断进行
14/95
2、特点
传热学 Heat Transfer
• 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向 周围空间发出热辐射；
• 可以在真空中传播； • 伴随能量形式的转变； • 具有强烈的方向性； • 辐射能与温度和波长均有关
15/95
传热学 Heat Transfer
二、热辐射具有电磁波的共性
• 可以全部吸收投射到其表面上的所有波长 的辐射能；
• 现实世界中并不存在严格意义上的黑体；
• 实验室模型
21/95
传热学 Heat Transfer
带有小孔的温度均匀的空腔
• 小孔的孔径越小越 大；
• 温度均匀是为了保 证辐射均匀且各向 同性。
22/95
传热学 Heat Transfer
§8-2 黑体辐射的基本定律
光—热转换
太阳能热水器
9/95
传热学 Heat Transfer
太阳能利用(2)
太阳能灯
10/95
传热学 Heat Transfer
太阳能利用(3)
太阳能光伏发电站
11/95
传热学 Heat Transfer
太阳能利用(4)
德国新议会大厦
12/95
传热学 Heat Transfer
第八章 热辐射基本定 律和辐射特性
日常生活(1)
人体散热
人体与墙壁间的热交换
太阳能利用
7/95
传热学 Heat Transfer
日常生活(2)
保温瓶的散热
窗帘对太阳能 的阻隔作用
说明：不要以为辐射只有在高温 时才重要，其实在常温甚 至低温下有时也很重要，
辐射换热的推动力是温差。
8/95
传热学 Heat Transfer
太阳能利用(1)
传热学 Heat Transfer
锅炉炉膛
钢铁冶炼高炉
说明：高炉中的高温火焰与炉膛的热量交换方式 主要依靠辐射换热。
5/95
传热学 Heat Transfer
高新技术
计算机芯片冷却
激光加工
说明：随着计算机等高新技术的飞速发展，“热障” 问题越来越成为人们关注的焦点。
6/95
传热学 Heat Transfer
传热学 Heat Transfer
辐射传热
Radiative/Radiation Heat transfer
Radiative Heat Transfer
Michael F. Modest @ PennState
1/95
主要内容
传热学 Heat Transfer
热辐射基本定律和特性
基本概念
基本定律