材料工程基础第三章.ppt

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1、材料工程基础课件第三章现在学习的是第1页，共92页1.传热学概述1.1 传热学传热学是研究热量传递规律及其应用的科学.热量是因温度差别而转移的能量.传递规律的两个要素:动力方向f1.2 传热方式按传热过程中物质本质的区别，分为:导热、对流和辐射.现在学习的是第2页，共92页u导热 指温度不同的各部分物质仅仅由于直接接触，没有相对宏观运动时所发生的热量传递现象,特点是介质处于静止状态.固体非金属:晶格结构(分子 原子)振动金属:自由电子扩散气体:依靠分子的紊乱运动(碰撞)(纯粹的分子运动)液体:介于固气之间,类似于非导电固体.指依靠流体质点的宏观运动而发生的能量传递.特点是流体处于运动状态,且只

2、出现在流体中.分自然对流和强制对流二种.u对流现在学习的是第3页，共92页u热辐射 因核外电子跃迁而引发的以电磁波的形式传播的能量.特征是以电磁波的形式,伴随能量形式的转换,物体间不需要接触,在真空中也能量传播.1.3 稳定传热与不稳定传热稳定传热:,tfx y z不稳定传热:,tf x y z现在学习的是第4页，共92页 2.传导传热2.1 基本概念 2.1.1 温度场指某一时刻整个物体内所有各点的温度分布情况.意义在于为计算传热提供条件.稳定温度场;0t非稳定温度场.(0加热,0b=0b50为长管,50为短管.此时应对求出的 h进行修正.修正系数为mrnereuPcRPRfN),(28.0

3、,43.0,8.0,)(021.0wrfrfrfefuPPPRN6,410510;50/feRdlCtPgfr50;25006.0,Ctl)3020(16.03/1,8,0,)(027.0wffrfefuPRN 167007,0:;10;60/4,rfePRdl)/,(dlPRfNreul 现在学习的是第47页，共92页3.弯管修正弯管修正对气体:对液体:此外,对非圆管,应以 为定型尺寸 3.6.2管外流体横向流过圆管时的换热管外流体横向流过圆管时的换热1.流体横掠单管流体横掠单管当 较低时():当 较高时():对气体,修正项()可忽略.2.流体横掠管簇流体横掠管簇一般为:RdR77.11 3

4、)(3.101RdR edeR3,101feR25.0,38.0,5.0,)()5.043.0(wrfrfrfefuPPPRNeR5,310210feR25.0,38.0,6.0,)(25.0wrfrfrefuPPPRNwrfrPP,/22125.0,)()(xxPPPcRNwrfrmfrnfefuRd现在学习的是第48页，共92页(1)排数影响校正系数(2)中的w用最窄断面处的流速(3)当冲击角 时,应进行修正:2 feR,90g+dx2x1+dx2x1现在学习的是第49页，共92页3.6.3流体沿平壁表面呈紊流运动时的换热流体沿平壁表面呈紊流运动时的换热1.空气介质空气介质2.其它介质其它

5、介质Re105时时 Nu.f=0.037Re.f0.8Pr.f0.43(Pr.f/Pr.w)0.250.8e.fu.50.5e.fu.5N032.0N:10ReN59.0N:10Reff时时现在学习的是第50页，共92页3.7 流体自然对流时的换热3.7.1无限空间中的对流换热 无限空间：空间尺寸足够大，物体换热的结果不致引起空间流体温度的变化，对于垂直壁面，只要a/H0.28,既可作为无限空间处理。此时：Nu.b=c(Gr.Pr)bn当(Gr.Pr)b107时为层流。107时为紊流。aH现在学习的是第51页，共92页3.7.2 有限空间的自然对流换热（自学）有限空间的自然对流换热（自学）3.

6、8 沸腾换热与凝结换热（自学）沸腾换热与凝结换热（自学）现在学习的是第52页，共92页4 辐射换热4.14.1热辐射的基本概念热辐射的基本概念4.1.1.4.1.1.热辐射的本质热辐射的本质,特点特点 1.1.本质本质 电磁波的传播电磁波的传播 热辐射主要研究的是热辐射主要研究的是0.40.410001000mm范围内的红外线和范围内的红外线和可见光。其中可见光。其中0 0.8.84141m m的红外光占了绝大部分的能量的红外光占了绝大部分的能量，称为热射线。，称为热射线。2.2.特点特点 是物体的固有性质，不需要介质也可传播，伴随能量转化是物体的固有性质，不需要介质也可传播，伴随能量转化。现

7、在学习的是第53页，共92页4.1.2 物体受到辐射时的行为物体受到辐射时的行为 即即 Q=QA+QR+QD 记为记为 A+R+D=1（或（或A+R+D=1）其中，其中，A=QA/Q 为吸收率为吸收率 R=QR/Q 为反射率为反射率 D=QD/Q 为透过率为透过率通常对于固体通常对于固体 D=0,A+R=1 液体液体 D=0,A+R=1 气体气体 R=0,A+D=1Q投Q1Q2QRQAQ0 现在学习的是第54页，共92页4.1.3 几种特殊情况下的物体几种特殊情况下的物体1.绝对黑体（简称黑体）绝对黑体（简称黑体）即完全吸收外来辐射能即完全吸收外来辐射能A=1,R+D=0.自然自然界中不存在。

8、界中不存在。凡是描述黑体的参数都用凡是描述黑体的参数都用下脚标下脚标“b”表示或表示或”o”o”热辐射的基本定律多基于黑体得出热辐射的基本定律多基于黑体得出3281000402008001606.4A=0.8现在学习的是第55页，共92页2.白体与镜体白体与镜体 即即R=1,A+D=0 其中当其中当1=2时，称为镜体时，称为镜体 12，各向无规律的漫反射各向无规律的漫反射（各向均（各向均匀反射）时，称为绝对白体，简称匀反射）时，称为绝对白体，简称白体。白体。3.透过体透过体 即即D=1,A+R=0。称为绝对透过体，简称透。称为绝对透过体，简称透过体。过体。对于单原子及对称的双原子气体对于单原子

9、及对称的双原子气体.D1现在学习的是第56页，共92页4.2 热辐射的基本定律热辐射的基本定律4.2.1 辐射能力辐射能力E与单色辐射能力与单色辐射能力E E=Q/A w/mE=Q/A w/m2 2 即单位时间单位面积上向外界半球空间发射即单位时间单位面积上向外界半球空间发射的的0的所有波的总能量。的所有波的总能量。w/m2.则则ddEEE0lim0dEE现在学习的是第57页，共92页4.2.2 普朗克普朗克（Plank）定律定律 描述黑体的单色辐射能力随温度和波长的分描述黑体的单色辐射能力随温度和波长的分布规律布规律 w/m3或或w/m2.1.25.TcbecE现在学习的是第58页，共92页

10、 普朗克第一常数：普朗克第一常数：或：或：普朗克第二常数：普朗克第二常数：24821610*743.310*743.3mm21CC0E.0()800k1000k1200k现在学习的是第59页，共92页反映的规律是：反映的规律是：任何温度下都有一个任何温度下都有一个 对应着能量最大值，随对应着能量最大值，随 升高，升高，值变小（左移）。即最大原色辐射能力的波长随温度升高逐渐值变小（左移）。即最大原色辐射能力的波长随温度升高逐渐向短波方向移动；向短波方向移动；不变，则不变，则 随随 升高而升高；升高而升高；工业炉温度（工业炉温度（2000k）下）下可见光强度微弱可见光强度微弱（约（约2%），），其

11、其 的红外线占绝大部分，而在的红外线占绝大部分，而在800k以下以下 几乎不发出几乎不发出可见光。可见光。maxtmax.bEt108.0现在学习的是第60页，共92页 一般地，物体发光与的温度关系为：一般地，物体发光与的温度关系为：以上以上 发暗红色，发暗红色，以上以上 黄白色黄白色 以上以上 发深红色，发深红色，以上以上 白色白色 以上以上 发鲜红色，发鲜红色，以上以上 兰白色兰白色 以上以上 发橙黄色，发橙黄色，以上以上 兰紫色兰紫色4.2.3 微恩（微恩（Wien）定律）定律即即 可由普朗克定律求极值得出可由普朗克定律求极值得出CCCC11001000800600CCCC6000300

12、015001300kT6.2897max现在学习的是第61页，共92页令：令：525552,CxTxTC则：则：0)1(52551.xbeCxTCE即：即：0)1()1(5;0)1(2545xxxxeddxexddxexex现在学习的是第62页，共92页再令：再令：xyeyx55,21965.4x求得交点：求得交点：从而从而kCT6.2897409652maxxex55得：得：现在学习的是第63页，共92页 应用：应用：max486.0maxKT6000通过检测通过检测求出求出T或相反：或相反：如如 太阳：太阳：06.1maxCt2500 白炽灯：白炽灯：在红外光区，光能仅在红外光区，光能仅7

13、%。现在学习的是第64页，共92页4.2.4 斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律44)100(TCTEbbb428*10*669.5kmwb即：即：式中，式中，428*669.510*kmwCbb称斯蒂芬称斯蒂芬-波波尔茨曼常数；尔茨曼常数；黑体的辐射黑体的辐射系数。系数。上式又称四次方定律。上式又称四次方定律。1879年斯蒂芬根据实验得出，年斯蒂芬根据实验得出，1884年波尔茨曼应用热力学定律从理论上导出。亦可由普年波尔茨曼应用热力学定律从理论上导出。亦可由普朗克定律积分求出。朗克定律积分求出。现在学习的是第65页，共92页4.2.5若干概念若干概念TbEE)(1.发射率（旧称黑度）发射

14、率（旧称黑度）指实际物理的辐射能力与同温度下黑体辐射能力的比值，即指实际物理的辐射能力与同温度下黑体辐射能力的比值，即A是物性参数，表示物体辐射出能量的能力，是物性参数，表示物体辐射出能量的能力，增增大则辐射大则辐射E也增大。按克希霍夫定律：也增大。按克希霍夫定律：影响影响的因素：的因素：温度，材料性质及表面状态等温度，材料性质及表面状态等现在学习的是第66页，共92页2.单色发射率单色发射率 ：bbnbbEEEEEEEEn.2.1.21TEE)(.0即：即：3.灰体：灰体：指单色发射率不随波长而变化的物体，即指单色发射率不随波长而变化的物体，即亦即指某物体实验所得辐射光谱是连续的，且其曲线亦

15、即指某物体实验所得辐射光谱是连续的，且其曲线又和同温度下黑体相当的曲线是相似的物体。又和同温度下黑体相当的曲线是相似的物体。)(fE 现在学习的是第67页，共92页 一般工程材料的辐射与相比灰体是有差别的，即一般工程材料的辐射与相比灰体是有差别的，即其发射率要随温度改变，但为了计算方便，通常把一其发射率要随温度改变，但为了计算方便，通常把一般工程材料都看作灰体：般工程材料都看作灰体：4)100()(TCEEAbb则：则：黑体T灰体T实际物体TEA现在学习的是第68页，共92页4.几种辐射的表示：几种辐射的表示：:netefRAqEEEEinE本身辐射；本身辐射；投射辐射；投射辐射；吸收辐射；吸

16、收辐射；反射辐射；反射辐射；有效辐射；有效辐射；净辐射；净辐射；RinRinAbbEEJEAEAEETCEE)1()100(4innetinAnetEJqAEEEq或*（内）（内）（外）（外）EER(或R)EefEAEin或G现在学习的是第69页，共92页4.2.6 克希荷夫定律：克希荷夫定律：是说明物体的发射能力与吸收能力间的关系的定律，即是说明物体的发射能力与吸收能力间的关系的定律，即A如右图：如右图：AAEAEEqTTAEEqTTbbnetbbnetb即则再设则设0,*,E(1-A)E0Eo,T,AAEo实际物体Ao=1To黑体现在学习的是第70页，共92页4.2.7兰贝特定律（兰贝特定

17、律（Lambert）1.立体角立体角平面角：平面角：球面角：球面角：RdldRL;2224,RdFdRF；球面d:即以球面中心为顶点的圆锥体的球面角。即以球面中心为顶点的圆锥体的球面角。2.方向辐射能力方向辐射能力dFddQEbb.ddF现在学习的是第71页，共92页3.方向辐射强度方向辐射强度coscos.bbIEdFddQI4.兰贝特定律的三种叙述法：兰贝特定律的三种叙述法：实验表明：黑体的方向辐射强度与方向无关；即实验表明：黑体的方向辐射强度与方向无关；即IIIIInmp.即兰贝特余弦定律即兰贝特余弦定律cos.bnbEE当当 时，时，即法线方向辐射能量最大。即法线方向辐射能量最大。01

18、cos ddFdFcos 现在学习的是第72页，共92页黑体在法线方向的辐射能力为总辐射能力的黑体在法线方向的辐射能力为总辐射能力的 ，即即1bnEEb.注意：注意：兰贝特定律对于黑体辐射是极其正确的，对灰体亦适用（法兰贝特定律对于黑体辐射是极其正确的，对灰体亦适用（法线方向需修正为线方向需修正为 ）；对工程材料则仅在一定的）；对工程材料则仅在一定的 值范值范围内适用。围内适用。bnnEE.现在学习的是第73页，共92页4.3 物体间的辐射换热物体间的辐射换热4.3.1 辐射角系数辐射角系数 1.定义：定义：对二个任意放置的表面，对二个任意放置的表面，指由第一个表面投射到第指由第一个表面投射到

19、第二个表面的能量占第一个表面所辐射出去的总能量的百分二个表面的能量占第一个表面所辐射出去的总能量的百分数。数。即即 或或ji.ji.221.21.2112.12.1AEQAEQ现在学习的是第74页，共92页2.角系数的精确计算：角系数的精确计算：对于符合兰贝特定律的物体，有对于符合兰贝特定律的物体，有2122112.121coscos1dFdFrFFF3.角系数的基本性质：角系数的基本性质：相对性：相对性：自见性：自见性：完整性：完整性：兼顾性：兼顾性：分解性：分解性：2.442.332.113.12.111211001121.212.11.AAAAAn2R1dA1drD123F2F3F4F1

20、现在学习的是第75页，共92页4.3.2 灰体间的辐射换热计算灰体间的辐射换热计算1.具有表面辐射热阻的高温物体单元网络具有表面辐射热阻的高温物体单元网络11111.011111.0111.011111)1()1();1(AJEqAQJEEEqqEEEinEJinnet则则或或EinEREAE1J1T1,1,F1E0.1J11-11现在学习的是第76页，共92页2.具有表面辐射热阻的低温物体单元网络 即22202222202211AEJqAQEJq或T1T2A111A222现在学习的是第77页，共92页3.空间辐射热阻单元网络空间辐射热阻单元网络2.1222.11112AJAJQ此时:12.1

21、211AJJ4.二个壁面组成的封闭体系二个壁面组成的封闭体系T1A111T2A222T1T2空气现在学习的是第78页，共92页则1221121212221211112112)11(1)11(111AAAEEAAAEEQbbbb112424112122112121)100()100()11(1)11(ATTCAAAEEb12,)11(21)11(1 1211212导来黑度;1111A1J1211A2J2221A2.0E1.0E现在学习的是第79页，共92页简化:(1)均为无限大平壁:12112AAA21)111()100()100(21424111212TTCAQqb现在学习的是第80页，共92

22、页(2)一个物体为凸面:1122121AA)11(1)100()100(2211424112AATTCQb(3)12AA(如热电偶测温)1120)11(221AAO121212现在学习的是第81页，共92页14241112)100()100(ATTCQb 再如:设321TTT1bE2bE3bE2J1J3J1111A2221A3331A1121A1131A2231AT1,F1,1T3,F3,3T2,F2,2现在学习的是第82页，共92页4.4 遮热原理4.4.1 遮热板 设遮热板3的k很大,且极薄,则加入后:qqq3213其变化是:)11(211111321211212qq(无限大平壁)现在学习

23、的是第83页，共92页T1,1T2,2T1T2t3,3E0.1J11-11F1J311.3F1E0.31-33F31-33F3J313.2F3J21-22F2E0.2现在学习的是第84页，共92页4.4.2 遮热罩（自学）注意:遮热板的隔热效果与遮热板的设置位置无关;但遮热罩(圆柱或球形)却与位置有关.这是因为位置不同,则面积不同,造成ij相应变化所致.现在学习的是第85页，共92页4.5 气体辐射4.5.1气体辐射的特点 1.辐射能穿过透明介质;2.辐射能穿过吸收性介质,但 (1)不同气体的吸收与辐射能力是不同的;(2)气体的辐射光谱是不连续的,其辐射和 吸收具有一定的选择性;(3)其吸收和

24、辐射与气体的形状和体积有关.现在学习的是第86页，共92页4.5.2气体对辐射能的吸收K:常压下的单色减弱系数,取决于吸收性气体的种类(密度，波长）。当气体的t和p为常数时,有Beer定律:Il=I0e-kl则由透过率定义有:dxIkdIxx.lkeIIDbllx=0 xdxx=lxI,0dI,xI,lI,x现在学习的是第87页，共92页当气体无反射时:Dl+Al=1.由克希霍夫定律(=A):现实中习惯用:g=Eg/E04.5.3 气体的发射率 1.影响因素分析:2.计算:lkeAll1),(),(gggglpTflptfE现在学习的是第88页，共92页(1)1939年 Schack公式:OH

25、COgbggCTCE224)100(36.08.0225.331g22)100)(07.4)100()l(07.4ggOHOHgCOTlPETPEco借鉴:OHCO22其中:现在学习的是第89页，共92页4.5.4 气体的吸收率1.影响因素:),(ggwglpTTfA 2.计算.(1)霍特尔公式:45.02265.0222)(,(),()(,(),(gwwggCOwOHwgHwwggwgCOwwwgwTTTTlPTTTATTTTlPTTTA(2)一般gAgTwATwTgATwTgAwAgOH)()()(22现在学习的是第90页，共92页4.5.5气体与外壳之间的辐射换热计算(自学)4.6火焰辐射(自学)4.6.1不发光火焰与发光火焰现在学习的是第91页，共92页5.综合传热5.1一种流体通过器壁将热量传给另一种流体5.1.1平壁(稳态传热)()()(11112222fawwwftthqttkqtthqtHtthkhqff)(11112212tf2tw 2tw 11tf1现在学习的是第92页，共92页