热处理炉01传热基本原理课件.ppt

1、1.1第一章第一章 传热基本原理传热基本原理1.1第一章第一章 传热基本原理传热基本原理 授课人：杨晓敏授课人：杨晓敏North University of ChinaCollege of Materials Science and Engineering2008.01.041.2n 理解传热学中的相关概念及其相互关系理解传热学中的相关概念及其相互关系;掌握多层炉壁稳定的传导传热计算方法；掌掌握多层炉壁稳定的传导传热计算方法；掌握对流传热的条件、特点、规律、影响因素握对流传热的条件、特点、规律、影响因素及炉内传热计算中的应用；掌握辐射传热的及炉内传热计算中的应用；掌握辐射传热的特点；掌握炉内综

2、合传热的计算与应用。了特点；掌握炉内综合传热的计算与应用。了解金属加热计算。解金属加热计算。教学提示：教学提示：教学要求：教学要求：研究热处理炉内传热的基本任务就是解决研究热处理炉内传热的基本任务就是解决如何把燃料或电产生的热量有效地传递给如何把燃料或电产生的热量有效地传递给工件和如何减少炉子的热损失问题。工件和如何减少炉子的热损失问题。第一章第一章 传热基本原理传热基本原理1.3 1-1 1-1 基本概念基本概念 1-2 1-2 传导传热传导传热 1-3 1-3 对流传热对流传热 1-4 1-4 辐射换热辐射换热 1-5 1-5 综合换热综合换热 1-6 1-6 金属加热计算金属加热计算第一

3、章第一章 传热基本原理传热基本原理1.4n 传导传热常称导热，指温度不同的接触的物体传导传热常称导热，指温度不同的接触的物体间或一物体中各部分之间依靠分子、原子及自由间或一物体中各部分之间依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。传导传热传导传热一、传热的基本形式一、传热的基本形式11 基本概念基本概念传导、对流、辐射传导、对流、辐射1.5对流传热对流传热 定义：在工程上，对流传热常指流动的流定义：在工程上，对流传热常指流动的流体与所接触的固体壁面直接接触，当两者温度体与所接触的固体壁面直接接触，当两者温度不同时，相互之间进行热量传递

4、过程。不同时，相互之间进行热量传递过程。11 基本概念基本概念1.6辐射换热辐射换热 定义：具有一定温度的物体以电磁波的形式不断地定义：具有一定温度的物体以电磁波的形式不断地向外发射辐射能，当投射到与其不相接触的另一物体时向外发射辐射能，当投射到与其不相接触的另一物体时，便部分地被吸收，吸收了这种电磁波的物体又将其转，便部分地被吸收，吸收了这种电磁波的物体又将其转化为热能，这种的传热过程为辐射传热。化为热能，这种的传热过程为辐射传热。物体的辐射换热量为该物体吸收的辐射能量与它同物体的辐射换热量为该物体吸收的辐射能量与它同时向外放射的辐射能量差值。时向外放射的辐射能量差值。11 基本概念基本概念

5、1.7二、温度场、温度梯度二、温度场、温度梯度1 1、温度场、温度场（1 1）定义：传热系统或物体内部的温度随空间）定义：传热系统或物体内部的温度随空间和时间的变化状况和时间的变化状况。（2 2）不稳定传热和稳定传热）不稳定传热和稳定传热 各点温度随时间的变化而变化，称为各点温度随时间的变化而变化，称为不稳定温度场不稳定温度场。不稳定温度场内的传热过程称不稳定温度场内的传热过程称不稳定传热不稳定传热。温度不随时间变化而变化，称为温度不随时间变化而变化，称为稳定温度场稳定温度场。稳定温。稳定温度场中的传热过程称为度场中的传热过程称为稳定传热稳定传热。t=f x,y,z,t=f x,三向温度场三向

6、温度场单向温度场单向温度场11 基本概念基本概念1.82 2、温度梯度、温度梯度 物体物体(或体系内或体系内)相邻两等温面间温度差相邻两等温面间温度差与两等与两等温面法线方向距离的比例极限，称为温面法线方向距离的比例极限，称为温度梯度。温度梯度。温度梯度实际上是指温度沿等温面法线方向的变温度梯度实际上是指温度沿等温面法线方向的变化率。它是一个向量，并规定由低到高为正，由化率。它是一个向量，并规定由低到高为正，由高到低为负。高到低为负。lim0ttgradtnnn 11 基本概念基本概念t+t nt1.9三、热流和热流密度三、热流和热流密度热流和热流密度为向量，其方向与温度梯度方向相反。热流和热

7、流密度为向量，其方向与温度梯度方向相反。11 基本概念基本概念2/)QqW mF（WsJQ,/,单位时间由高温物体传给低温物体的热量。单位时间由高温物体传给低温物体的热量。221,mWmsJq单位时间单位截面的热流。单位时间单位截面的热流。热流热流热流密度热流密度1.10四、传热的一般方式四、传热的一般方式t 由壁面一侧的流体通由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中过壁面传到另一侧流体中的过程称为的过程称为传热过程传热过程。11 基本概念基本概念炉壁的传热炉壁的传热1.11QKF tt K K为传热系数为传热系数w/（m2.），它表示温差，它表示温差11，面积为面积为1m1m2 2时，单位时

8、间的传热量。其大小反映了传热时，单位时间的传热量。其大小反映了传热过程进行的强烈程度。过程进行的强烈程度。传热方程传热方程:单位时间所传递的热量正比于冷热单位时间所传递的热量正比于冷热流体的温差及传热面积流体的温差及传热面积F F，可用下式表示：，可用下式表示：11 基本概念基本概念1.12QKF tqK tFF热流密度热流密度q q为：为：1tRKF1trK1tttQRKF1tttqrK11 基本概念基本概念 Rt为整个传热面积上的热阻；为整个传热面积上的热阻；rt单位传单位传热面积上的热阻热面积上的热阻1.13 炉壁传热过程的热阻炉壁传热过程的热阻(等于组成该传热过程串联等于组成该传热过程

9、串联的各传热环节的热阻之和的各传热环节的热阻之和)内表面上的对流和辐射传内表面上的对流和辐射传热热阻，炉壁内的导热热热热阻，炉壁内的导热热阻和外表面上的对流、辐阻和外表面上的对流、辐射传热热阻之和。射传热热阻之和。11 基本概念基本概念炉壁的传热炉壁的传热1.14dtQFdx QdtqFdx 一、基本方程式一、基本方程式 法国傅里叶法国傅里叶18221822年提出在均质固体中单纯导热的年提出在均质固体中单纯导热的基本定律：基本定律：在单位时间内所传导的热量在单位时间内所传导的热量Q Q与温度梯度与温度梯度和垂直于热流方向的截面积成正比和垂直于热流方向的截面积成正比。热流朝向温度降落的方向。其数

10、字表达式为：热流朝向温度降落的方向。其数字表达式为：12 传导传热传导传热热导率热导率（W/(m.)1.150tbt 二、热导率二、热导率1 1、物理意义：、物理意义：热导率反映了物体导热能力的大小，热导率反映了物体导热能力的大小，物理意义物理意义：单位时间内每米长温度降低单位时间内每米长温度降低11，单位面积能传递的热流，单位面积能传递的热流量。量。2 2、影响热导率的因素、影响热导率的因素 热导率数值决定与物质内部结构和所处的状态。其热导率数值决定与物质内部结构和所处的状态。其中温度对材料的热导率影响很大。材料的热导率与温度中温度对材料的热导率影响很大。材料的热导率与温度的变化呈线性关系，

11、即的变化呈线性关系，即 在实际计算中，一般取物体算术平均温度下的热在实际计算中，一般取物体算术平均温度下的热导率代表物体热导率的平均值。导率代表物体热导率的平均值。1212022mttb 12 传导传热传导传热1.163 3、常见物质的热导率、常见物质的热导率 纯金属：纯金属：金属的热导率较高，与电导率成正比，最大的为银金属的热导率较高，与电导率成正比，最大的为银。热导率随温度的升高而降低。热导率随温度的升高而降低。合金：合金：比纯金属低。高合金钢热导率随温度升高而增加，低比纯金属低。高合金钢热导率随温度升高而增加，低合金钢随温度的增加而降低。合金钢随温度的增加而降低。非金属的固体非金属的固体

12、：除石墨外较高，其他的热导率都较低，并且：除石墨外较高，其他的热导率都较低，并且热导率随温度的升高而增大。热导率随温度的升高而增大。液体：液体：热导率小于固体。除水和甘油外，液体的热导率随温热导率小于固体。除水和甘油外，液体的热导率随温度的升高而降低。度的升高而降低。气体：气体：热导率很低，随温度的升高而增加。热导率很低，随温度的升高而增加。多孔性和纤维状的物体：多孔性和纤维状的物体：有较低的热导率。有较低的热导率。12 传导传热传导传热1.17n 例：例：1.1.耐火砖与红砖砌成的炉墙耐火砖与红砖砌成的炉墙s1s1150mm150mm，s2s2200mm200mm，111.16w/1.16w

13、/（m.m.），），220.7w/0.7w/（m.m.），），t1=300t1=300，t3t355，求该炉墙单位面积的热损失，求该炉墙单位面积的热损失q q和界和界面温度？面温度？1.18三、平壁炉墙上的导热三、平壁炉墙上的导热 1 1、单层平壁稳定导热、单层平壁稳定导热图图1 1 单层平壁炉墙的导热单层平壁炉墙的导热dtQFdx QdxFdt 210 x stxtQdxFdt 1212ttFQttssF1212ttqttss整个传整个传热面积热面积上的热上的热阻。阻。单位传单位传热面积热面积上的热上的热阻阻。12 传导传热传导传热为常数为常数内外表面积相等为内外表面积相等为F F1.19三

14、、平壁炉墙上的导热三、平壁炉墙上的导热 1 1、单层平壁稳定导热、单层平壁稳定导热图图1 1 单层平壁炉墙的导热单层平壁炉墙的导热12 传导传热传导传热210)x stxtQdxFbt dt121212)2mttbFttQttssF随温度变化而改变的。随温度变化而改变的。实际上平壁的内外表面积不相等，取平均面积实际上平壁的内外表面积不相等，取平均面积Fm21212121222F FmmFFFFFFFF1.202 2、多层平壁稳定导热、多层平壁稳定导热若各层紧密接触：若各层紧密接触：第一层：第一层：第二层：第二层：第三层：第三层：12 传导传热传导传热111121222232333343123m

15、mmmmmFQttsFQttsFQttsQQQQ.1212ttFQttssF1.211431211223314123RRRmmmmmmttQsssFFFttQ11121122nnnmmmmmnmnttQsssFFFn n层平壁炉墙的导热公式：层平壁炉墙的导热公式：1.223 3、复合多层炉墙、复合多层炉墙保温层由硅藻土砖和膨胀蛭石粉等两种材保温层由硅藻土砖和膨胀蛭石粉等两种材料筑成，这种炉墙称为复合多层炉墙。以复料筑成，这种炉墙称为复合多层炉墙。以复合双层为例：合双层为例：严格说，只要保温层中严格说，只要保温层中2 2、3 3材料热导率不材料热导率不同，它们间也将产生导热，交界面就不会是同，它

16、们间也将产生导热，交界面就不会是等温面。但当两种材料热导率相差不大时，等温面。但当两种材料热导率相差不大时，交界面接近等温面，可以近似地当作单向稳交界面接近等温面，可以近似地当作单向稳态导热来处理。各层热流量：态导热来处理。各层热流量：1.233 3、复合多层炉墙、复合多层炉墙1211mm1ttQsF2323223m2m2m3m3ttttQssFF1312m1m1m2m2m3m31m1m121ttQssFFFsttQF 12QQQ1.24圆筒炉墙的导热圆筒炉墙的导热井式炉井式炉1.25m图图3 3 单层圆筒炉墙的导热单层圆筒炉墙的导热四、圆筒炉墙的导热四、圆筒炉墙的导热单层圆筒炉墙的稳定导热单

17、层圆筒炉墙的稳定导热12 传导传热传导传热考虑到实际炉墙的热导率随温度考虑到实际炉墙的热导率随温度呈现行变化，热导率应用呈现行变化，热导率应用m代替代替1.26一、一、对流换热的计算（牛顿公式）对流换热的计算（牛顿公式）牛顿公式牛顿公式:对流换热的传热量与流体和固体壁面间的对流换热的传热量与流体和固体壁面间的温温差和两者的接触面积差和两者的接触面积F F成正比，数学表达式为：成正比，数学表达式为：为为对流换热系数对流换热系数W/（m2.），它表示流体与固体表，它表示流体与固体表面之间的温度差为面之间的温度差为1时，时，每秒钟通过每秒钟通过1 m1 m2 2面积所传递的热量。面积所传递的热量。1

18、3 对流换热对流换热1.27二、影响对流换热的因素二、影响对流换热的因素 1 1、流体流动的动力流体流动的动力 2 2、流体的流动状态流体的流动状态3 3、流体的物理性质流体的物理性质4 4、换热面的几何因素换热面的几何因素13 对流换热对流换热1.2813 对流换热对流换热流体流动可分为流体流动可分为自然对流和强制流动自然对流和强制流动(或强迫流动或强迫流动)。自然对流换热自然对流换热的换热系数值较的换热系数值较小小，其换热系数的计算和，其换热系数的计算和分析主要依据流体和壁面之间的分析主要依据流体和壁面之间的温度差温度差t。强迫对流换热强迫对流换热的换热系数值的换热系数值大大于自然对流，其

19、换热系数于自然对流，其换热系数的计算和分析主要依据流体的的计算和分析主要依据流体的流速流速V V。1 1、流体流动的动力、流体流动的动力 1.29箱式电阻炉内的自然对流箱式电阻炉内的自然对流 自然对流：自然对流：流体在固体界面流体在固体界面处被加热或冷却时，其自身处被加热或冷却时，其自身各部分因密度不同而发生的各部分因密度不同而发生的相对升沉作用，使流体发生相对升沉作用，使流体发生自然对流。在这种状态下的自然对流。在这种状态下的换热称为自然对流换热。换热称为自然对流换热。强制对流：强制对流：流体受外力作用流体受外力作用（泵或风机）发生强迫流动（泵或风机）发生强迫流动，其流速和分子质点运动的，其

20、流速和分子质点运动的剧烈程度都远大于自然对流剧烈程度都远大于自然对流。在这种状态下的换热称强。在这种状态下的换热称强制对流换热。制对流换热。井式渗碳炉气流状态井式渗碳炉气流状态 1.3013 对流换热对流换热 流体的流动状态分为流体的流动状态分为层流和紊流层流和紊流；如图如图：紊流时的对流换热系数比层流时要大得多；紊流时的对流换热系数比层流时要大得多；传热的快慢主要受层流底层的控制，层流底层传热的快慢主要受层流底层的控制，层流底层厚度厚度层层越小，紊流程度越大。即增强流体的紊越小，紊流程度越大。即增强流体的紊 流程度，将减薄层流底层的厚度，从而提高对流程度，将减薄层流底层的厚度，从而提高对流换

21、热系数。流换热系数。2 2、流体的流动状态、流体的流动状态1.3113 对流换热对流换热层流：层流：流体质点都平行于固体表面流动。各流层之间流体质点都平行于固体表面流动。各流层之间流体质点互不干扰混合，沿壁面法线方向的热量传递只流体质点互不干扰混合，沿壁面法线方向的热量传递只能依靠层与层之间分子接触的导热。能依靠层与层之间分子接触的导热。紊流：紊流：流体质点不仅沿前进方向流动，而且还向气体流体质点不仅沿前进方向流动，而且还向气体方向作不规则的曲线运动。在紧靠固体表面的薄层仍为方向作不规则的曲线运动。在紧靠固体表面的薄层仍为层流，即层流底层，在此层内依靠流体分子导热传递。层流，即层流底层，在此层

22、内依靠流体分子导热传递。层流底层以外，热量的传递主要靠流体质点的急剧混合层流底层以外，热量的传递主要靠流体质点的急剧混合作用。作用。1.32层流和紊流可用一个无量纲数，即雷诺准数（层流和紊流可用一个无量纲数，即雷诺准数（ReRe）来判别。）来判别。当当流体在光滑圆管中流动时，流体在光滑圆管中流动时，Re小于小于2100为层流，为层流，Re大于大于2300为紊为紊流，而流，而Re在在21002300之间时，可能为层流，也可能为紊流之间时，可能为层流，也可能为紊流。当量直径当量直径d=4F/SS:通道横截面周长通道横截面周长F通道横截面面积通道横截面面积13 对流换热对流换热 （a）(b)图图1

23、1 流体的层流和紊流流体的层流和紊流 稳定层流在管道截面上的速度分布呈抛物线状，截面上的平均稳定层流在管道截面上的速度分布呈抛物线状，截面上的平均速度一般取最大速度的速度一般取最大速度的50%50%。管道截面上的速度靠近壁面处变化最大，而在离流动壁面稍远管道截面上的速度靠近壁面处变化最大，而在离流动壁面稍远处的紊流核心流速呈对数分布，速度变化小。紊流越剧烈，速度越处的紊流核心流速呈对数分布，速度变化小。紊流越剧烈，速度越接近一致。接近一致。1.3313 对流换热对流换热u流体的流体的、热导率、热导率、比热容、比热容C和粘度和粘度等物等物理性质直接影响流体流动的形态、层流底层厚理性质直接影响流体

24、流动的形态、层流底层厚度和导热性能等，从而影响对流换热系数度和导热性能等，从而影响对流换热系数。3 3、流体的物理性质、流体的物理性质1.3413 对流换热对流换热4 4、换热面的几何因素、换热面的几何因素 1.35三、热处理炉内的对流换热三、热处理炉内的对流换热热处理炉内，根据流体的运动状态，可分为三种情况：热处理炉内，根据流体的运动状态，可分为三种情况：自然对流状态自然对流状态在无风机的电阻炉中，炉气常呈自然对流在无风机的电阻炉中，炉气常呈自然对流 状态。状态。强迫对流炉气呈紊流状态强迫对流炉气呈紊流状态强迫流动电阻炉内和燃料炉排强迫流动电阻炉内和燃料炉排 烟道内炉气一般呈紊流状态。烟道内

25、炉气一般呈紊流状态。强迫对流炉气呈层流状态强迫对流炉气呈层流状态直通式燃料炉，当炉气流速很直通式燃料炉，当炉气流速很 小时，炉气一般呈层流状态。小时，炉气一般呈层流状态。13 对流换热对流换热1.36几种不同条件的对流换热系数的计算公式：几种不同条件的对流换热系数的计算公式：t1为炉墙、炉顶或炉底的外表面温度。为炉墙、炉顶或炉底的外表面温度。t2为车间温度为车间温度A为系数。炉顶为系数。炉顶A=3.26；侧墙；侧墙A=2.56；架空炉底；架空炉底A=1.63W/（m2.）13 对流换热对流换热1 1、自然、自然对流时的对流换热系数（对流时的对流换热系数（炉墙炉墙、炉顶炉顶和和架空炉底架空炉底与

26、与 车间空气间的对流均属于自然对流换热）车间空气间的对流均属于自然对流换热）1.3713 对流换热对流换热自然对流过程：自然对流过程：温度升高温度升高上浮上浮外层补充外层补充换热系数变化：换热系数变化：较大减小增大稳定较大减小增大稳定1.3813 对流换热对流换热炉顶自然对流炉顶自然对流1.3913 对流换热对流换热架空炉底的自然对流架空炉底的自然对流1.40（1 1）炉气在管道内作紊流流动时的对流换热系数）炉气在管道内作紊流流动时的对流换热系数 vt炉气的实际流速；炉气的实际流速；d通道的当量直径通道的当量直径(m)；Z炉气温度系数；炉气温度系数；KL通道长度通道长度L与与d比值的系数；比值

27、的系数；KH2O炉气中水蒸气含量的系数。炉气中水蒸气含量的系数。13 对流换热对流换热2 2、强制、强制对流时的对流换热系数对流时的对流换热系数1.41（2 2）、气流在通道内层流流动时）、气流在通道内层流流动时 气流呈层流流动时，对流换热系数主要决定于炉气的气流呈层流流动时，对流换热系数主要决定于炉气的热导率，而与炉气的流速无关，其对流换热系数可用下热导率，而与炉气的流速无关，其对流换热系数可用下述近似公式计算：述近似公式计算：炉气的热导率炉气的热导率W/（m.）d通道的当量直径通道的当量直径(m)。13 对流换热对流换热1.42（3 3）气流沿平面强制流动时）气流沿平面强制流动时表表l l

28、 对流换热系数计算对流换热系数计算 v0为标准状态下的气流速度，若气流温度不是标准状态下的要为标准状态下的气流速度，若气流温度不是标准状态下的要换算成状态下。换算成状态下。13 对流换热对流换热0273273tvvt1.43（4 4）气流沿长形工件强制流动时）气流沿长形工件强制流动时的对流换热系数的对流换热系数 vt炉膛内循环空气的实际流速。炉膛内循环空气的实际流速。K取决于炉温的系数。取决于炉温的系数。13 对流换热对流换热1.44例：设有一台空气循环电炉，循环空气温度例：设有一台空气循环电炉，循环空气温度500500,炉内炉内加热金属板，面积为加热金属板，面积为1m1m2 2，求当循环空气

29、的实际流速分别为，求当循环空气的实际流速分别为5 5、1010和和20m/s20m/s，金属板温度为，金属板温度为100时的对流换热热流密度。时的对流换热热流密度。0t0ttt0vv5 m/s2 7 3v=v0.3 5 v=0.3 55=1.8 m/s2 7 3+tv1 02 0 m/sv3.57.1 m/s11 3.1 62 0.6 93 4.7 3q5 0 01 0 04 0 0 q5 3 8 4,8 2 7 61 3 8 9 2 W/解：求，当时，当为、时，分 别 为和，设 金 属 板 为 轧 制 表 面，代 入 表中，则 三 种不 同 气 流 速 度 所 对 应 的值 分 别 为：、和

30、。故 循 环 空 气 传 给 金 属 板 的 对流 换 热 热 流 密 度（），将值 代 入 上 式 对 应值 为：和2m。1.45四、强化炉内对流换热的途径四、强化炉内对流换热的途径1 1、提高流体速度、提高流体速度2 2、加大换热温差、加大换热温差 3 3、增大换热面积、增大换热面积13 对流换热对流换热1.461 1、热射线：从理论上讲，物体热辐射的电磁波波长可以、热射线：从理论上讲，物体热辐射的电磁波波长可以包括包括0整个波段范围，整个波段范围，不同波长的电磁波投射到物体时，不同波长的电磁波投射到物体时，可产生不同的效应，可产生不同的效应，其中可见光和红外线的电磁波被物体其中可见光和红

31、外线的电磁波被物体吸收后能显著变为热能而使物体加热，因而吸收后能显著变为热能而使物体加热，因而称为称为热射线热射线。物体间通过热射线在空间传递热能的过程叫物体间通过热射线在空间传递热能的过程叫辐射换热辐射换热。一、一、基本概念基本概念14 辐射换热辐射换热一、一、基本概念基本概念1.47图图l 辐射能的吸收、反射和透射辐射能的吸收、反射和透射1ARDQQQQQQ2 2、绝对黑体的概念、绝对黑体的概念当能量为当能量为Q Q的一束热射线投射到物体上，如图的一束热射线投射到物体上，如图1 1所示：所示：为物体的吸收率；为物体的吸收率；A A表示表示 为物体的反射率；为物体的反射率；R R表示表示 为

32、物体的透射率。为物体的透射率。D D表示表示A+R+D=1A+R+D=114 辐射换热辐射换热QA+QR+QD=Q1.48A=1时，辐射能全部被物体吸收，这种物体叫时，辐射能全部被物体吸收，这种物体叫“绝对黑绝对黑体体“简称简称“黑体黑体”。它是一切物体中吸收能力最强一种理。它是一切物体中吸收能力最强一种理想物体。想物体。R=1时，投射辐射能全部被反射，且呈漫反射状态（即时，投射辐射能全部被反射，且呈漫反射状态（即向各方向反射），则该物体被称为向各方向反射），则该物体被称为“绝对白体绝对白体”，简称，简称“白体白体”。D=1时，辐射能全部透过，则该物体被称为时，辐射能全部透过，则该物体被称为“

33、绝对透过绝对透过 体体”。它们都是假定的理想物体它们都是假定的理想物体.实际数值实际数值A、R、D小于小于1。14 辐射换热辐射换热A+R+D=1A+R+D=11.49 一般一般固体、液体固体、液体，对热射线都不能透过，除了反射，对热射线都不能透过，除了反射一部分外，其余部分则在它们的表面薄层内被全部吸收。一部分外，其余部分则在它们的表面薄层内被全部吸收。D0，A+R=1。气体气体不能反射热射线，不能反射热射线，R=0，A+D=1。同元素的双原。同元素的双原子气体（氧、氮等）、纯净空气对热射线是近似子气体（氧、氮等）、纯净空气对热射线是近似D=1的透的透过体。含水蒸气、过体。含水蒸气、CO2

34、为半透热体。为半透热体。14 辐射换热辐射换热1.50图图2 2 人工黑体模型人工黑体模型 3 3、人工黑体模型、人工黑体模型 自然界并不存在绝对的黑体，但是可以用人工方自然界并不存在绝对的黑体，但是可以用人工方法制作绝对黑体模型。如图法制作绝对黑体模型。如图2 2所示：所示：14 辐射换热辐射换热小孔面积与空腔内壁面小孔面积与空腔内壁面积之比越小，小孔就越接积之比越小，小孔就越接近黑体。例：近黑体。例：小孔面积为小孔面积为空腔内壁面积空腔内壁面积0.60.6，内，内壁的吸收率为壁的吸收率为0.80.8时，小时，小孔的吸收率大于孔的吸收率大于0.9980.998，接近黑体。接近黑体。1.511

35、4 辐射换热辐射换热 绝对黑体不但是一种理想的吸收热射线的物绝对黑体不但是一种理想的吸收热射线的物体，而且亦是辐射能力最强的理想辐射体，任何体，而且亦是辐射能力最强的理想辐射体，任何物体对热射线的辐射和吸收能力都小于绝对黑体。物体对热射线的辐射和吸收能力都小于绝对黑体。1.52二、二、黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律1 1、黑体的单色辐射力、黑体的单色辐射力I0（1 1）定义：是指在单位时间内单位面积的黑体表面向半）定义：是指在单位时间内单位面积的黑体表面向半球空间所有方向发射的某一特定波长的辐射能。球空间所有方向发射的某一特定波长的辐射能。（2 2）普朗克定律：）普朗克定律：19001900

36、年年 普朗克导出了黑体在不同温普朗克导出了黑体在不同温度下单色辐射力度下单色辐射力I0随波长随波长的分布规律。数学表达式：的分布规律。数学表达式：0表示黑体；表示黑体；为波长（为波长（m）；）；T为黑体表面的绝对温度（为黑体表面的绝对温度（K）；）；e为自然对数的底数；为自然对数的底数；C1常数，其值为常数，其值为3.73410-16（W.m2）C2常数，其值为常数，其值为1.438710-2（m.K）（W/m3）14 辐射换热辐射换热1.5332.8976 10(.)mTmK0 max()mI维恩定律维恩定律（1 1）黑体在每一个温度下，都）黑体在每一个温度下，都可辐射出波长从可辐射出波长从

37、0 0到到各种射线，各种射线，当当=0=0或或时，时，I0趋近于趋近于0。（2）一定温度下，）一定温度下，I 0随连续变随连续变化，有以最大值。化，有以最大值。（3 3）随温度升高，）随温度升高，向短波方向移动。向短波方向移动。0 max()mI1.542 2、黑体的总辐射力、黑体的总辐射力E E0 0（1 1）定义：是指在一定温度下，黑体单位面积上在单）定义：是指在一定温度下，黑体单位面积上在单位时间内发射出各种波长（位时间内发射出各种波长（0-0-）的辐射能量的总和。）的辐射能量的总和。（2 2）斯蒂芬波尔兹曼定律（辐射四次方定律）：）斯蒂芬波尔兹曼定律（辐射四次方定律）：C0黑体的辐射系

38、数，其值为黑体的辐射系数，其值为5.675W/（m2.K4）。14 辐射换热辐射换热18791879年用实验确定年用实验确定18841884年用理论证实年用理论证实1.553 3、实际物体和灰体的辐射和吸收、实际物体和灰体的辐射和吸收（1 1）实际物体和灰体的辐射和吸收特性）实际物体和灰体的辐射和吸收特性吸收率：对投射其上的辐射能够全部吸收，吸收率吸收率：对投射其上的辐射能够全部吸收，吸收率 为为1 1，不随波长和温度影响。，不随波长和温度影响。辐射能：辐射波谱连续，辐射能仅为温度的函数。辐射能：辐射波谱连续，辐射能仅为温度的函数。14 辐射换热辐射换热黑体：黑体：1.56 实际物体对辐射能的

39、吸收率实际物体对辐射能的吸收率随物体的结构和表面状随物体的结构和表面状态而异态而异，如表面粗糙度或表面有氧化膜的物体具有很高，如表面粗糙度或表面有氧化膜的物体具有很高的吸收率，而高度抛光的金属表面吸收率则很小。的吸收率，而高度抛光的金属表面吸收率则很小。实际物体对辐射能的吸收率也随实际物体对辐射能的吸收率也随温度温度而异。各种物而异。各种物体的吸收率随温度的变化规律也不相同，大部分金属材体的吸收率随温度的变化规律也不相同，大部分金属材料的吸收率随温度升高而稍有升高，而大部分的耐火或料的吸收率随温度升高而稍有升高，而大部分的耐火或保温材料的吸收率却随温度升高而下降。保温材料的吸收率却随温度升高而

40、下降。实际物体的单色吸收率随实际物体的单色吸收率随波长波长而异，就是说物体对而异，就是说物体对不同波长的辐射能有不同的吸收率。不同波长的辐射能有不同的吸收率。辐射和吸收光谱通常是不规则。辐射和吸收对波长辐射和吸收光谱通常是不规则。辐射和吸收对波长具有选择性，选择性最大的是气体，最弱的是电解质。具有选择性，选择性最大的是气体，最弱的是电解质。由此可见，实际物体的辐射规律不同程度地偏离黑由此可见，实际物体的辐射规律不同程度地偏离黑体的辐射定律。体的辐射定律。14 辐射换热辐射换热1.57（2 2）黑度与灰体概念）黑度与灰体概念 实际物体的实际物体的黑度：黑度：实际物体的辐射力实际物体的辐射力E和同

41、一温度下黑和同一温度下黑体的辐射力体的辐射力E E0 0之比值之比值称为实际物体的黑度或辐射率，称为实际物体的黑度或辐射率，黑度表示实际物体的辐射能力接近于黑体的程度。黑黑度表示实际物体的辐射能力接近于黑体的程度。黑体体 1 1，实际物体，实际物体 1 1。14 辐射换热辐射换热0EE1.58（2 2）黑度与灰体概念）黑度与灰体概念 灰体：灰体：为了寻求实际物体与黑体辐射的关系，使其能为了寻求实际物体与黑体辐射的关系，使其能应用黑体辐射的定律。提出了一个应用黑体辐射的定律。提出了一个“绝对灰体绝对灰体”，简称，简称“灰体灰体”。假设灰体辐射。假设灰体辐射波波谱如同黑体一样也是连续的，谱如同黑体

42、一样也是连续的，光谱曲线也与黑体相似，灰体的单色辐射力光谱曲线也与黑体相似，灰体的单色辐射力I与同一温度下与同一温度下的黑体单色辐射力的黑体单色辐射力I0之比为一定值，与波长无关，即，之比为一定值，与波长无关，即，为灰体的单色黑度，或单色辐射率。为灰体的单色黑度，或单色辐射率。定值定值1 114 辐射换热辐射换热1.5914 辐射换热辐射换热图图4 4 黑体、灰体和实际物体的单色辐射力黑体、灰体和实际物体的单色辐射力黑体黑体1 1单色辐射力单色辐射力I灰体灰体为小于为小于1 1的常数的常数实际物体实际物体1.6014 辐射换热辐射换热灰体黑度与灰体单色黑灰体黑度与灰体单色黑度的关系：度的关系：

43、1.6114 辐射换热辐射换热0000000000000I dI dEEI dEI dE000EEIIIIEEEE对于灰体：（灰体的黑度）灰体的单色黑度 与波长无关，定值对于实际物体：与波长有关，所以黑度黑度与单色与单色黑度的黑度的关系：关系：1.62灰体的辐射力：灰体的辐射力：其中其中C为灰体的辐射系数为灰体的辐射系数W/（m2.K4），），C=C0。工程上为了计算方便，都把实际物体看作灰体，运用工程上为了计算方便，都把实际物体看作灰体，运用灰体的辐射公式进行计算。灰体的辐射公式进行计算。14 辐射换热辐射换热440()()1001000TTEECC1.63图图5 5 平衡黑面与灰面间平衡黑

44、面与灰面间的辐射热交换的辐射热交换（3 3）、灰体的吸收率与黑度的关系（克希荷夫定律）、灰体的吸收率与黑度的关系（克希荷夫定律）物体的辐射和吸收，是物体同一物体的辐射和吸收，是物体同一性质的两种表面形式。性质的两种表面形式。T1T2 体系处于平衡状态，体系处于平衡状态，F1面的热支出等于热收入，热平衡方程面的热支出等于热收入，热平衡方程为：为：E0A1=E01 A1为吸收率。为吸收率。所以所以A1=1 克希荷夫定律数学表克希荷夫定律数学表达式。达式。表明：表明：(1)吸收率大的物质，其吸收率大的物质，其辐射率也大。辐射率也大。(2)在同一温度下，任在同一温度下，任何物体辐射力都小于黑体。何物体

45、辐射力都小于黑体。14 辐射换热辐射换热黑体黑体灰体灰体1.64三、三、两物体间的辐射热交换两物体间的辐射热交换1 1、有效辐射、有效辐射 表示单位时间内由物体单位表示单位时间内由物体单位面积上放射出的能量，即物体面积上放射出的能量，即物体本身辐射和反射的能量之和。本身辐射和反射的能量之和。14 辐射换热辐射换热000JE1A GE1GJEG1 投射辐射，表示单位时间内投射在物体投射辐射，表示单位时间内投射在物体单位面积上的辐射能。单位面积上的辐射能。1.652 2、角度系数、角度系数（1 1）定义：）定义：1212为物体为物体1 1对物体对物体2 2的角度系数，它表示的角度系数，它表示1 1

46、辐射出去的辐射能实际投射到物体辐射出去的辐射能实际投射到物体2 2表面上的百分数。表面上的百分数。（2 2）影响因素：与两个换热表面的形状、大小以及两者）影响因素：与两个换热表面的形状、大小以及两者间的相互位置、距离等几何因素，与它们的温度、黑度无间的相互位置、距离等几何因素，与它们的温度、黑度无关。对于任意放置的两黑体表面，它们各自投射到对方表关。对于任意放置的两黑体表面，它们各自投射到对方表面上的辐射能分别为面上的辐射能分别为 和和平衡时：平衡时：若黑体表面温度完全相等，若黑体表面温度完全相等，则有则有0111202221EEFF14 辐射换热辐射换热01112E F02221E F121

47、2TT1，0102112221EEFF角系数的互换性关系式角系数的互换性关系式1.662121F=F2121F=F（3 3）常见的封闭体系内角度系数值）常见的封闭体系内角度系数值：（a）（b）(c)（a）（b）(c)14 辐射换热辐射换热11221=1211211.673 3、任意放置的两表面组成的封闭体系内的辐射换热、任意放置的两表面组成的封闭体系内的辐射换热14 辐射换热辐射换热441212TTQ=C-F1001000对于平行放置的两黑体：对于平行放置的两黑体：1.681 122J FJ F3 3、任意放置的两表面组成的封闭体系内的辐射换热、任意放置的两表面组成的封闭体系内的辐射换热对于灰

48、体：F1和F2 F1有效辐射：F2有效辐射：分别投射在F1和F2的部分各自为14 辐射换热辐射换热111222211211122221112221121212112221 J FJ F QJ F-J FF=FJJJJQ1FF和或 （）111.69110111 1010111 1220222202102221212EGFF EGEJFGEFFGEJEFQQ=Q=QQ（）1111（）2222（）（）1 1对于灰体对于灰体：若温度若温度T1T1T2T2，则则F F1 1面净失的辐射面净失的辐射热设为热设为Q1（）（），F F2 2面将净得的辐射面将净得的辐射热为热为Q2（）（）。根。根据有效辐射据有

49、效辐射J J和投和投射辐射射辐射G G的定义和的定义和1212112221JJJJFF12Q或 110JEG1010212121 111222EEQ11FFF11.70推导：推导：1、无限大的灰体平行放置的平面。、无限大的灰体平行放置的平面。2、一物体被另一物体包围，且面、一物体被另一物体包围，且面 积远小于包围物时的辐射换热积远小于包围物时的辐射换热010212121 111222EEQ11FFF11.71010212121 11122212122101021212EEQ11FFFFFF 1FEEQ111对于无限大的灰体平行放置的平面，（）114 辐射换热辐射换热1.72441212TTQ=

50、C-F100100导0121111CC导14 辐射换热辐射换热010212441200440121212FEE11TTF CC100100CTTF11100100111212QQ（）1111.732441212TTQ=C-F100100导21 1022111F111FCC导考虑角度系数：对于一物体被另一物体包围，且考虑角度系数：对于一物体被另一物体包围，且其面积远小于包围物时，其面积远小于包围物时，14 辐射换热辐射换热010212121 111222EEQ11FFF11.74图图6 6 隔热屏示意图隔热屏示意图四、四、有隔热屏的辐射换热有隔热屏的辐射换热从公式中可以看出：从公式中可以看出：1