传热及气体射流基本知识

黑体的辐射能力为 E0= C0T4 (6-7) E0：黑体单位时间内单位面积向外辐射时的能 量，W/m2 ，称为黑体的辐射力。 C0：黑体的辐射常数，5.67×10-8 W/（m2· 4） 。 K T： 绝对温度，K。
上式称为斯蒂芬-玻尔兹曼定律，又称四次方定 律。可改写成： T 4 E0 C0 ( ) （6-8） 100
第六章 传热及气体射流基本知识
第一节 传热学基本知识 第二节 传热过程 第三节 气体射流简介
第一节 传热学基本知识
一、导热（热传导） 导热：是指温度不同的物体直接接触时，或同 一物体温度不同的相邻部分之间所发生的热传 递现象。 热之所以能通过导热方式传递，是由于组成物 体的微观粒子运动的结果。 在气体中，热传导主要依靠原子、分子的热运 动； 在液体中，热传导主要依靠弹性波的作用； 而在固体中热传导主要依靠晶格振动和自由电 子的运动。
x 1
qx
应说明式（6-1）及（6-3a）仅适用于计算物体 为单层无限大平面壁的热流量。在实际工程中 还会遇到以下几种情况： （一）多层平壁 如房屋以红砖为主体砌成，墙壁内为白灰层， 外抹水泥砂浆、磁砌罩面等均为多层平壁。如 三层平壁导热，两侧表面均能维持稳定温度和， 且各层之间结合严密，接触面温度分别为和， 在稳定情况，通过各层的热流量是相等的，以 三层平壁的每层可分别写出：
1 2 1
l
2
1n
1
d2
式中 L——管长（m）； d1、d2——管内径和外径（mm）。
【例】某一供热锅炉炉墙由三层砌成，内层为耐火砖层厚
=230mm，其导热系数=1.1W/（m· K），最外层为红砖 层厚=240mm，其导热系数=0.58W（m· K），内外层之 间填石棉隔热层，原=50mm，其导热系数=0.10W/ （m· K），已知炉墙最内和最外两表面温度 1 =500℃和 4 =50℃。求通过炉墙的导热热流量值。 【解】依题意，先计算各层面导热热阻值，可得
100

式中 ：物体的辐射率，又称为黑度，数值在0～1之 间。

第二节 传热过程

实际换热过程往往是两种或三种基本换热方式 同时出现的复杂过程。工程领域内经常遇到的 是高温流体通过固体壁把热量传给低温流体。 这种过程称为传热过程。
第三节 气体射流简介


流体以较高的速度（属于紊流流态）经孔口、 管嘴或条缝向四方无限空间的静止气体喷射称 为无限空间射流；如果外射到流动的流体中称 为伴随射流；而外射到有限空间中则称为受限 射流。 它们的流动特征是射流流股与周围流体相互作 用形成射流边界层，边界层的发展变化就构成 了射流运动 。

将（6-3）积分，并代入边界条件：当x=0时， ，则得： ；x=x时， x 1
q dx d
0 x
x
1
所以
qx ( x 1 )
即 q x x 1（6-3a） 或 由此可见，求解方程（6-3a）后，就可求得平壁内部 q 任意位置上的温度值。通常（ ）和均为常数，所 以平壁中的温度分布是直线。
将（6-1）写出一般的微分形式，得一维稳定导热的傅 立叶定律表达式：
d Q F ( J / s或 W ) dx d 2 2 （6-2） q ( J /(m s )或W / m ) dx
或
d dx
式中 ：沿x方向面积为F处的温度梯度。 其它符号意义与式（6-1）相同。 式中负号“—”表示导热量和温度梯度方向相反。将式 （6-2）分离变量后可得 ： （6-3） qdx d
（6-4a）
式中 1 、 2 、 3 ：各层平壁导热系数； 1 、 2 、 3 ：各层平壁厚度； R 、 , 2 、 ,3 ：各层平壁导热热阻。 R R
,1
化简（6-4a）得：
1 2 R ,1Q
2 3 R , 2 Q 3 4 R , 3 Q
R
i 1
n
(W )
（6-4）
,i
（二）单层非平行壁面导热 如圆管的稳定导热热流量时，则式（6-2）应为， 通过分离变量积分等运算后，可得圆管稳定导 热计算式为：
Q 2 l ( 1 2 ) （6-5a） d2 1n d1
或通过单位长度管状的热流量为 ： Q q （6-5b） d 1
1 0.23 m2 K R ,1 0.21 1 1.1 W 2 0.05 m2 K R , 2 0 .5 2 0 .1 W 3 0.024 m2 K R , 3 0.41 3 0.58 W
来自百度文库

代入上式（6-4）可得单位面积热流量为：
Q 500 50 401 .78W / m 2 F 0.21 0.50 0.41
二、热对流和对流换热



热对流：温度不同的流体各部分之间发生相对 位移，把热量从高温处带到低温处的热传递现 象。 对流换热：流动着的流体与温度不同的壁面接 触时，它们之间所发生的热传递现象。 对流换热又分为受迫对流和自然对流（或自由 对流）换热。
对流换热的计算，称为牛顿冷却定律， 其方程式为

Q T A ( J / s或W ) 或
(6-6) 2 2 q T ( J /(s m )或W / m )
式中 Q：对流换热量（W）或（J/s）； A：与流体接触的壁面换热面积（m2）； T：流体和壁面之间的温差（K）或（℃）； ：对流换热系数或放热系数[J/(s· 2· m K)]；或 W/（m2· K），它表示在单位时间内，当流体与壁 面温差为1K时，流体通过壁面单位面积所交换的 热量。其大小表征对流换热的强弱。

固体平壁中进行的导热过程最为简单 。 平壁导热公式为 ：
Q
或

1 2 F 2 Q q 1 F
（6-1） ( J /(s m 2 )或W / m 2 ) ( J / s或W )
式中 Q：单位时间由导热体传递的热量，称 为热流量（J/s）或（W）； ：比例系数，称为导热系数，其意义是 当沿着导热方向每米长度上温度降落1K时， 单位时间通过每平方米面积所传导的热量 （W/m· K）。 1 2：平壁内外两则面的温度差



灰体：对投射来各种波长的射线均同程度吸收的物 体，也即是其表面吸收率与波长无关的物体。 大多数实际固、流体表面很接近灰体性质，因而人 们把实际物体当作灰体处理 。其辐射力为： T 4 E C( ) 100
式中C：为灰体实际物体的辐射系数。 引入辐射率，上式改写成： T 4 （6-9） E C0 ( ) E0
1 2 1 2 1 Q 1 F ( 1 2 ) 1 1 /(1 F ) R ,1 2 3 2 3 1 Q 2 F ( 2 3 ) 2 2 /( 2 F ) R , 2 3 4 3 44 1 Q 3 F ( 3 4 ) 3 3 /( 4 F ) R ,3
（一）无限空间紊流射流的特征
（二）有限空间射流
三、热辐射及辐射换热 辐射能投射到物体上的能量，一般说来，部分 可能被吸收，部分可能被反射，另部分可能穿 透过物体。三者的百分比如以 、 、 表 示，则 =1 、 和 分别称为物体的吸收率、反 射率和透射率。 绝对黑体：对于投射于其上的波长的能量，能 全部吸收的理想物体，称为绝对黑体，简称黑 体。
（6-4b）
把式（6-4b）各等式前后相加并整理可得： 式中 R ,i ：为三层平壁总热阻。 i 1 对于n层平壁导热，则可直接写出：
i 1
3
1 4 1 4 Q 3 (W ) R ,1 R , 2 R ,3 R ,i
（6-4c）
Q
1 n1