环境工程原理第四章4-5节.ppt

一、辐射传热的基本概念二、物体的辐射能力三、物体间的辐射传热四、气体的热辐射五、对流和辐射联合传热,本节的主要内容,第四节 辐射传热,(一)热辐射,热辐射：物体因热的原因而发出辐射能的过程,辐射：物体以电磁波的方式传递能量的过程,热平衡时，热辐射存在，但辐射传热量为0,一、辐射传热的基本概念,第四节 辐射传热,辐射能：以辐射的形式传递的能量。,辐射传热：自然界中凡是温度高于绝对零度的物体，在向外发 出热辐射的同时，也在不断地吸收周围物体发出的 辐射能，并将其转化为热能，这种物体间相互辐射 和吸收辐射能的传热过程，称为辐射传热。,热辐射的能力与温度有关，随着温度的升高，热辐射的作用将变得越加重要；高温时，热辐射将起决定作用。,理论上，物体热辐射的电磁波波长可以包括电磁波的整个波谱范围。,在工程中有实际意义的热辐射波长在0.420m，而且大部分能量位于红外线区段，即0.820m，0.40.8 m(可见光)波段在很高温度下才有明显作用。,电磁波谱,第四节 辐射传热,(二)热辐射对物体的作用,辐射总能量,反射,吸收,穿透,物体对辐射的吸收率,反射率,穿透率,第四节 辐射传热,热射线在物理本质上与光射线一样服从反射和折射定律。当物体发射的辐射能投射到另一物体表面上时，一部分被物体吸收(QA)，一部分被反射回去(QR)，一部分透过物体(QD)，其中被吸收部分可以转化为热能。,根据能量守恒定律：,引入理想物体的概念，作为实际物体与之比较的标准，可以使辐射传热计算大大简化。,第四节 辐射传热,黑体(绝对黑体)：能将辐射能全部吸收的物体，即 A=1,R=D=0。自然界中不存在绝对黑体，如无光泽的黑墨表面，A=0.960.98；定义黑体的目的是为了在计算中确定一个 比较的标准。,镜体(绝对白体)：能将辐射能全部反射的物体，即 R=1,A=D=0。自然界中也不存在绝对镜体，如表面抛光的铜，R=0.97。,透热体：辐射能全部透过的物体，即D=1,A=R=0。如对称双 原子气体 O2、N2、H2 等都是透热体。,灰体：能以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。灰体也 是理想物体，其特点为：吸收率与波长无关；为不透热 体(A+R=1)。工业上常见的固体材料均可视为灰体。,物体的吸收率、反射率和穿透率大小取决于物体的性质、表面状况、温度和辐射波长。,固体和液体：一般固体和液体都是不透热体，即D 0，A+R=1，辐射能进入其表面后，在极短的距离内被吸收完，吸收能力大的物体其反射能力就小。,（1）物体的性质物态，物质结构,第四节 辐射传热,气体对辐射能几乎没有反射能力，可以认为R=0，A+D=1，吸 收能力大的气体，其穿透能力就差。,（2）表面状况,一般来说，表面粗糙的物体吸收率大。,实际物体对辐射的吸收率不仅和物体本身的情况有关，而且还与辐射波长有关,（3）投射辐射的波长,物体辐射能力：物体在一定温度下，单位表面积、单位时间 内所发出的全部波长的总能量，用E表示，单位：W/m2。,二、物体的辐射能力,第四节 辐射传热,单色辐射能力：单位表面积、单位时间内的发射某一特定 波长的能力，用E表示。,W/m2,辐射能力:,1、黑体的辐射能力,黑体辐射能力,黑体单色辐射能力,黑体单色辐射能力按波长的分布规律,第四节 辐射传热,当=0时，单色发射能力E均等于零；波长增加，单色发射能力随之增加，达到最高值后，E又随 的增加而减小；=，又回到零。,黑体辐射系数，其值为5.67 W/(m2K4),工程上,（2）黑体的辐射能力,第四节 辐射传热,（1）最大单色辐射能力的波长,斯蒂芬-波尔茨曼定律,四次方定律,黑体的辐射常数，其值为5.67108 W/(m2K4),热辐射对温度非常敏感，低温时热辐射往往可以忽略，高温时则起主要作用。,只要知道物体的黑度，就可求得该物体的辐射能力。,2、灰体的辐射能力,灰体的辐射系数,灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比,第四节 辐射传热,在同一温度下，实际物体的辐射能力恒小于同温度下黑体的辐射能力。不同物体的辐射能力也有较大的差别。引入物体的黑度：,黑度表示实际物体接近黑体的程度，1。,第四节 辐射传热,黑度值可以通过实验测定，其值与材料的性质，温度和表面状况有关，常用材料的黑度列于表中。,3、物体的辐射能力与吸收能力的关系,灰体,黑体,热平衡时,透热体,(1),对壁面1，热量的收支差额为,两壁面间辐射传热的热通量，W/m2,第四节 辐射传热,E1=A1Eb 即,若板 1 用任意灰体板来代替，则得,上式即为克希霍夫(Kirchhoff)定律,第四节 辐射传热,一切物体的辐射能力与其吸收率得比值均相等，且等于同温度下绝对黑体的辐射能力，其值只与温度有关。,物体的吸收率越大，其辐射能力越强；善于吸收的物体必善于辐射。,在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上相等。表示灰体发射能力占黑体发射能力的分数 A为外界投射来的辐射能被物体吸收的分数,三、物体间的辐射传热,第四节 辐射传热,若两物体的温度各为T1和T2，且T1T2，则物体1发射E1至物体2时，其中部分被吸收，其余部分被反射，反射回去的能量又被物体部分吸收和部分反射，如此无穷往返直至E1被全吸收为止，从物体2发射的辐射能E2，也要经历反复吸收和反射的过程。,发射或反射的能量不一定能全部投射到对方物体上，因此，在计算两固体间辐射传热时，必须考虑两物体的吸收率与反射率，形状与大小，以及两者之间的距离和位置。,两表面之间的辐射传热量与两表面间的相对位置有很大的关系，两表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到传热量。,定义：表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1 对表面2的角系数,第四节 辐射传热,对于任意形状的两个物体,物体1对物体2辐射的角系数，与两表面的形状、大小、相互位置及距离有关,第四节 辐射传热,总辐射系数，与两灰体的黑度和相对位置有关,辐射面积,N2、H2、O2等具有非极性对称结构的气体，在低温时几乎不具有吸收和辐射能力，故可视为透热体；,（1）不同气体的辐射能力和吸收能力差别很大,CO、CO2、H2O以及各种碳氢化合物的气体则具有相当大的辐射能力和吸收率。,四、气体的热辐射,（2）气体的辐射和吸收对波长具有选择性,气体辐射光谱具有不连续性，决定了气体不能近似地作为灰体处理,1、气体辐射的特点,第四节 辐射传热,二氧化碳及其他温室气体对于来自太阳的短波相对透明，但是它们往往吸收那些由地球辐射出去的长波。在大气中积累的温室气体就像一个包裹在地球外表面的毯子，搅乱了地球的辐射平衡，导致地球温度升高。,第四节 辐射传热,（3）气体发射和吸收辐射能发生在整体气体体积内部，即 吸收和辐射与热射线所经历的路程有关,吸收：辐射能被沿途的气体分子吸 收而逐渐减少。,辐射：气体表面上的辐射应为达到 表面的整个容积气体辐射的 总和。,光谱辐射穿过气体层时的减弱,第四节 辐射传热,2、气体辐射的辐射能力和黑度,容积过程，实际上不遵守四次方定律。将误差归到g中进行修正。,气体只能选择性地吸收某些波长的辐射能，因此气体的吸收率不仅与本身状况有关，而且与外来辐射有关。气体的吸收率不等于黑度。,第四节 辐射传热,当设备的外壁温度Tw高于周围大气温度T 时，热量将由壁面散失到周围环境中。由于这种情况下壁面对气体的对流传热强度较小，因而不论壁面温度高低，热辐射的作用一般都不能忽视。,对流辐射联合传热系数，单位为W/(m2.K)。,对流和辐射联合传热时，设备的热损失应为对流传热和辐射传热之和,五、对流和辐射联合传热,第四节 辐射传热,(1)分析热辐射对固体、液体和气体的作用特点。(2)比较黑体和灰体的特性及其辐射能力的差异。(3)温度对热辐射和辐射传热的影响。(4)分析物体辐射能力和吸收能力的关系。(5)简述气体发射和吸收辐射能的特征，分析温室效应产生的机理。,本节思考题,第四节 辐射传热,一、换热器的分类与结构形式二、管式换热器三、板式换热器四、强化换热器传热过程的途径,本节的主要内容,第五节 换热器,一、换热器的分类与结构形式,按用途分,按交换方式分,加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器冷却器、冷凝器,间壁式直接接触式蓄热式,换热面型式,管式,板式,翅片式,第五节 换热器,第五节 换热器,二、管式换热器,(一)蛇管式换热器,两种流体分别在蛇管内外两侧通过管壁进行热交换，按换热方式分为浸没式和喷淋式两类。,第五节 换热器,优点：结构简单、价格低廉，能承受高压，可用耐腐蚀材料 制造 缺点：容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小。,1、浸没式蛇管换热器,第五节 换热器,2、喷淋式蛇管换热器,通常用作冷却器。被冷却流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置通过齿型堰板均匀喷洒在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盘内。喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质可以适当降低。,第五节 换热器,（二）套管式换热器,由直径不同的金属管装配成的同心套管，每一段套管称为一程。在套管中冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。,优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活。缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，一般适合于流体 流量不大、传热负荷较小的场合。,第五节 换热器,（三）列管式换热器,优点：单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑、紧固传热效果好。能用 多种材料制造，故适用性较强，操作弹性较大，尤其在高温、高压 和大型装置中多采用列管式换热器。,根据热补偿方法的不同，列管式换热器分为以下几种主要形式：,第五节 换热器,第五节 换热器,三、板式换热器,1、夹套式换热器,结构简单，但加热面受容器限制，传热系数不高。为提高传热系数，可在器内安装搅拌器，为补充传热面的不足，也可在器内安装蛇管。,第五节 换热器,传热系数高，不易堵塞，流道长，可为完全逆流，便于控制温度和利用低温热源。操作压力和温度不能太高，不易检修。,2、螺旋板式换热器,第五节 换热器,第五节 换热器,3、平板式换热器,优点：传热系数高；结构紧凑；具有可拆结构，操作灵活性大，检修、清洗方便。缺点：允许操作压强和温度比较低，两板间距仅几毫米，流通面 积较小，流速不大，处理量小。,第五节 换热器,第五节 换热器,四、翅片式换热器,结构：在管子外表面上装有径向或轴向翅片。用途：适用于两种流体的给热系数相差很大的场合，例如水蒸气 和空气间的换热，若空气在管外流动，则在管外装置翅 片，既可增大空气侧的传热面积，又可促进空气湍动，从 而提高换热器的传热速率。翅片与光管的连接应紧密无间，否则会在连接处产生很大的接触热阻。常用的连接方法有镶嵌、缠绕或高频焊接，其中焊接最为密切，但加工费用较高。,第五节 换热器,翅片盘管换热器,空调机组表冷器,第五节 换热器,(a)光直翅片(b)锯齿翅片(c)多孔翅片,五、热管换热器,结构及工作原理：将一根金属管的两端密封，抽出不凝性气体，充以一定量的某种工作液体而成。当热管的一端被加热时，工作液体受热沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷却端冷凝放出冷凝潜热，冷凝液沿着具有毛细结构的吸液芯在毛细管力的作用下回流至加热段再次沸腾汽化，工作介质如此反复循环，热量则由热管的轴向由加热端传至冷却端。,1导管 2吸液芯 3蒸汽 4吸热蒸发端 5保温层 6放热冷凝端,第五节 换热器,特点：有相变对流传热系数大，结构简单，壁温均匀。,用途：给热系数很小的气-气换热过程。,热管式CPU散热器,第五节 换热器,当液体和气体换热时，可将管外表面翅化以强化传热。,Zalman夹心式一体化热管显卡散热器,第五节 换热器,其它形式的热管散热器,（1）增大传热面积,六、强化换热器传热过程的途径,第五节 换热器,采用小直径管、用螺旋管、波纹管代替光滑管，在管外加装翅片，在管壁上加工轴向肋片等。,（2）增大平均温度差,改变两侧流体相互流向；提高蒸汽的压强可以提高蒸汽的温度；增加管壳式换热器的壳程数。,（3）提高传热系数,设法减少对传热系数影响最大的热阻：提高流体的速度；增强流体的扰动；在流体中加固体颗粒；在气流中喷入液滴；采用短管换热器；防止结垢和及时清除污垢。,(1)简述换热器的类型。(2)什么是间壁式换热器，主要包括哪几种类型？(3)列管式换热器式最常用的换热器，说明什么是管程、壳程，并分析当气体和液体换热时，气体宜通入哪一侧？(4)简述强化换热器传递过程的途径。,本节思考题,第五节 换热器,