【正文】 方程 工程上實(shí)用的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的各種計(jì)算公式，主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的。實(shí)驗(yàn)是將式（ 236）中表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與眾多影響因子的關(guān)系綜合成數(shù)量不多的無(wú)量綱特征數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式，稱之為特征數(shù)方程。各個(gè)特征數(shù)有其特定的物理意義和內(nèi)涵。對(duì)流換熱所涉及的特征數(shù)主要有： 努塞爾數(shù) ?hlNu?標(biāo)志對(duì)流換熱的相對(duì)強(qiáng)弱程度； 雷諾數(shù) vul?Re表征流體在強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，慣性力和粘性力的相對(duì)大??； 普朗特?cái)?shù) av?Pr 反映流體動(dòng)量擴(kuò)散能力與熱擴(kuò)散能力相對(duì)大??； 格拉曉夫數(shù) 23 vtlgaGr V ??反映自然對(duì)流換熱過(guò)程中浮力與粘性力的大小。 特征數(shù)習(xí)慣上稱為準(zhǔn)則數(shù)或準(zhǔn)則，故特征數(shù)方程也稱準(zhǔn)則方程式或特征數(shù)關(guān)聯(lián)式。特征數(shù)中用以確定其物性參數(shù)的溫度稱為定性溫度，包含在特征數(shù)中具有代表性的尺度稱為特征長(zhǎng)度。 第四節(jié) 輻射換熱 輻射換熱是通過(guò)熱輻射進(jìn)行熱量交換的一種方式，在工程中占有重要的地位。 基本要求 （ 1）正確理解熱輻射的本質(zhì)，掌握有關(guān)輻射的概念：黑體，灰體，吸收比，發(fā)射率，有效輻射等。 （ 2）掌握熱輻射的主要基本定律：斯忒藩 ——玻耳茲曼定律和基爾霍夫定律。 （ 3）理解角系數(shù)的物理意義和特征，能用代數(shù)和圖線法計(jì)算工程上常見(jiàn)的角系數(shù)； （ 4）掌握網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算兩個(gè)以長(zhǎng)灰體構(gòu)成的封閉系統(tǒng)的熱輻射。 基本知識(shí) 一、熱輻射的基本概念 （ 1）熱輻射 由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射稱為熱輻射。工程上熱輻射的大部分能量集中在 m?20~的紅外線區(qū)，因此工程上的熱輻射可以看作是紅外輻射。 輻射換熱：物體之間相互輻射和吸收輻射能的總效果。 （ 2）物體表面的吸收、反射和穿透 物體對(duì)投放到表面的輻射能吸收的百分?jǐn)?shù)稱為吸收比 a，反射的百分?jǐn)?shù)稱為反射比 ?，穿透的百分?jǐn)?shù)稱為穿透比 ? 。 顯然有 1??? ???固體和液體對(duì)輻射不能穿透， 1,0 ??? ??? ，因此固體和液體的輻射是表面輻射。 1??的物體稱為絕對(duì)黑體或黑體，它是一種理想物體。 由基耳霍夫定律可得以下結(jié)論： a、因?yàn)樗形矬w的吸收比總小于 1，故同溫度下黑體的輻射力最大； b、 在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對(duì)黑體輻射的吸收比等于同溫下的發(fā)射率 ? ，即： ???（ 3）灰體 a、 光譜吸收比 ?? ：物體對(duì)特定波長(zhǎng)輻射能的吸收比稱為光譜吸收比用 ??表示。 b、 灰體： 把光譜吸收比 ?? 與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體，即對(duì)于灰體 ????? 常數(shù) ???? 常數(shù) c、 體的性質(zhì)： 重點(diǎn)與難點(diǎn) 一、熱輻射與輻射換熱 輻射換熱是物體與周圍物體相互進(jìn)行熱輻射和吸收的總效果。輻射換熱與導(dǎo)熱和對(duì)流換熱的一個(gè)重要區(qū)別是，當(dāng)熱量傳遞以輻射方式進(jìn)行時(shí)，兩物體間可以沒(méi)有物質(zhì)，處于真空，且處于真空效果更好，但導(dǎo)熱和對(duì)流換熱的發(fā)生均離不開物質(zhì)。另一區(qū)別是，熱輻射和輻射換熱過(guò)程發(fā)生了能量形式的轉(zhuǎn)換：熱輻射時(shí)物體內(nèi)部的熱量轉(zhuǎn)化成輻射能，輻射能被物體吸收被轉(zhuǎn)化為熱能。 熱輻射能是一種電磁波，它與可見(jiàn)光等產(chǎn)生的電磁波無(wú)本質(zhì)區(qū)別，也有吸收、穿透和反射性能。對(duì)于大多數(shù)固體和液體材料，輻射能的發(fā)射與吸收僅在表面進(jìn)行，因而 1,0 ??? ???這類輻射能的傳遞稱為表面輻射。我們僅討論表面輻射。 輻射能投射到物體表面上時(shí)，由于表面情況不同而會(huì)出現(xiàn)和可見(jiàn)光一樣的鏡面輻射和漫反射，它取決于投入輻射的波長(zhǎng)與表面粗糙度之間的相對(duì)大小。當(dāng)物體表面的不平整尺寸小于投入輻射的波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)形成鏡面反射。當(dāng)表面的表面的不平整尺寸大于投入輻射的波長(zhǎng)時(shí)，形成漫反射，工程中的物體表面大多數(shù)可作為漫反射表面。 黑體與熱力學(xué)中的理想氣體一樣是從實(shí)際物體抽象出來(lái)的理想氣體。正像理想氣體在熱力學(xué)中的研究中所起的重要作用一樣，黑體在熱輻射和輻射換熱中占有重要地位。在建立了黑體的模型后，我們處理實(shí)際物體輻射換熱的思路是：先討論研究黑體的熱輻射和輻射換熱，然后找出實(shí)際物體與黑體輻射的偏差，在提出灰體概念的基礎(chǔ)上，利用有效輻射解決實(shí)際物體（灰體）間的輻射換熱。工程上沒(méi)有絕對(duì)黑體，在實(shí)驗(yàn)室中可以造出十分接近黑體的模型。要注意的是：模型空腔溫度是均勻的，具有黑體輻射特性的是模型上的小孔，而不是腔壁。 黑體輻射的基本定律是斯忒藩 ——玻爾茲曼定律。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式比較簡(jiǎn)單，為 404 )10 0( TCTE b ?? ? 黑體與黑體輻射是實(shí)際物體輻射換熱研究的基礎(chǔ)。對(duì)于實(shí)際物體的熱輻射和輻射換熱，主要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是輻射力的大小如何確定；一個(gè)是外界投入它表面上的輻射能如何吸收，吸收比為多大。 （ 1）實(shí)際物體的輻射力 E 實(shí)際物體的輻射力 E小于同溫下黑體的輻射力，這一點(diǎn)不但由實(shí)驗(yàn)得到了證明，而且可以叢基爾霍夫定律得出。根據(jù)基爾霍夫定律有 1???bEE從而說(shuō)明實(shí)際物體的輻射力 E小于同溫下黑體的輻射力。為此，定義一表征實(shí)際物體輻射力大小的物理量 ——發(fā)射率 ? 又稱黑度 bEE?? 顯然 1?? ，且只要有了 ? 值（由實(shí)驗(yàn)測(cè)定），便可依據(jù)下式 404 )100( TCTEE b ???? ???求出實(shí)際物體的輻射力 應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格正比于溫度的四次方，例如金屬的方次一般大于 4。但實(shí)際計(jì)算中仍取次方為 4，而把其它所有復(fù)雜因素都?xì)w入到發(fā)射率 中去。 ?（ 2）基爾霍夫定律 實(shí)際物體的發(fā)射率可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，那么實(shí)際物體的吸收比如何定呢？對(duì)于黑體而言，黑體的發(fā)射率和吸收比均為 1，即吸收比等于發(fā)射率。實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收很復(fù)雜，吸收比取決于兩方面因素：一是物體本身的特性，即物體的種類、表面溫度和狀態(tài)情況等，二是投入輻射的性質(zhì)。 實(shí)際物體對(duì)投入輻射能不同波長(zhǎng)的吸收是有選擇性的。為此，吸入了光譜吸收比 ??的概念，它是物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能吸收的百分?jǐn)?shù)。圖 244顯示了某鐘物體在室溫條件下的光譜吸收比 ??隨波長(zhǎng)變化的情況。世上萬(wàn)物之所以呈現(xiàn)出五彩繽紛的顏色，主要原因在于物體表面對(duì)可見(jiàn)光的吸收和反射的選擇性。然而，光譜吸收隨波長(zhǎng)變化的特性，還與投射到表面的輻射能的能量分布有關(guān)。為次引入灰體的概念。 灰體忽然黑體一樣也是一理想物體。所謂灰體指光譜吸收率 ??與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體計(jì)較對(duì)與灰體有 ?????灰體的引入吸收比的計(jì)算簡(jiǎn)化，而且在工程計(jì)算中熱輻射主要位于紅外線范圍內(nèi)，大多數(shù)上午光譜吸收比與波長(zhǎng)關(guān)系不大，因此在輻射換熱的工程計(jì)算中，把一般物體做為灰體是可行的。 建立物體發(fā)射率與吸收比的關(guān)系給確定實(shí)際物體、灰體的吸收比帶來(lái)很大便利?；鶢柣舴蚨山鉀Q了這一問(wèn)題，根據(jù)黑體的概念和熱平衡原理可以得到該定律：在熱平衡條件下。任意物體對(duì)黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。值得注意的是，這一結(jié)論是在下面兩個(gè)條件下得到的：（ 1）投入輻射是黑體輻射；（ 2）該物體與黑體處于熱平衡。但在實(shí)際工程中投入輻射不是黑體輻射，更重要的是在研究輻射換熱時(shí)不可能是熱平衡條件。索性由于灰體概念的引入，使此兩條件均可舍棄，即對(duì)于灰體而言 ???是無(wú)條件的 。這是因?yàn)榛殷w的吸收比僅取決于本身情況而與投入輻射無(wú)關(guān)，因此不論該灰體 常數(shù) 第五節(jié) 換熱器 以在兩中流體之間用來(lái)傳遞熱量為基本目的的裝置統(tǒng)稱換熱器。按換熱器工作原理可將其分為間壁式、混合式及蓄熱式（或稱回?zé)崾剑┤箢悺? (1) 間壁式換熱器 ——冷熱流體由壁面間隔開來(lái)而分別為于壁面的兩側(cè)。如暖風(fēng)機(jī)、燃?xì)饧訜崞?、冷凝器等? （ 2） 混合式換熱器 ——冷熱兩種流體通過(guò)直接接觸、互相混合來(lái)實(shí)現(xiàn)換熱，如空調(diào)工程中的噴淋室、火力發(fā)電廠中的冷卻塔等； （ 3） 蓄熱式換熱器 ——冷熱兩中流體依次交替地流過(guò)同一換熱表面而實(shí)現(xiàn)熱量的交換，在這種換熱器中，固體表面除了換熱以外還起到蓄熱的作用：高溫流體流過(guò)時(shí)，固體表面吸收并積蓄熱量，然后釋放給接著流過(guò)的低溫物體，如鍋爐中回?zé)崾娇諝忸A(yù)熱器。 在三類換熱器中以間壁式換熱器應(yīng)用最廣。 一、間壁式換熱器的主要形式 （一）套管式換熱器 這是最簡(jiǎn)單的一種間壁式換熱器，依兩種流體的流動(dòng)方向不同而又有順流布置及逆流布置?？偟膩?lái)說(shuō)，這類間壁式換熱器適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形。 （二）殼管式換熱器 這是間壁式換熱器的一種主要形式，又稱殼管式換熱器?；S中的加熱器、冷卻器，電廠中的冷凝器、冷油器以及壓縮機(jī)的中間冷卻器等都是殼管式換熱器的實(shí)例。圖 52是一種最簡(jiǎn)單的殼管式換熱器的示意圖。它的傳熱面由管束構(gòu)成，管子的兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)，外殼兩端有封頭，一種流體（圖中冷流體）從封頭進(jìn)口流進(jìn)管子里，再經(jīng)封頭流出。這種路徑稱為管程。另一種流體從外殼上的連接管進(jìn)入換熱器，在殼體與管子之間流動(dòng)，這條路徑稱為殼程。管程流體和殼程流體互不摻混，只是通過(guò)管壁交換熱量。在同樣流速下，流體橫向掠過(guò)管子的換熱效果要比順著管面縱向流過(guò)時(shí)好，因此外殼內(nèi)一般裝有折流板，來(lái)改善殼程的換熱。 為了提高管程流體的流速，在圖 52所示的換熱器中，一端的封頭里加了一塊隔板，構(gòu)成了兩管程的結(jié)構(gòu)，稱為 12型換熱器（此處 1表示殼程數(shù)， 2表示管數(shù)）。圖 53所示是一個(gè) 12型換熱器的剖面圖。圖中管束采用 U形管。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是可以避免因管子受熱膨脹引起的熱應(yīng)力。在殼體兩端封頭里加裝必要數(shù)量的隔板，還可以得到 8等多管程的結(jié)構(gòu)。把幾個(gè)殼程串聯(lián)起來(lái)也能得到多殼程結(jié)構(gòu)。圖 54所示是由兩個(gè) 12型換熱器串聯(lián)組成的一個(gè) 24型換熱器。 （三）交叉流換熱器 它是間壁式換熱器的又一種主要形式。根據(jù)換熱表面結(jié)構(gòu)的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等區(qū)別，如圖 55所示。鍋爐裝置中的蒸汽過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器是管束式交叉流換熱器的例子 [圖 55（ a） ]。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱器 [圖 55（ b） ]屬于管翅式，其中換熱管（一般為橢圓管或扁管）外布置了多層翅片以強(qiáng)化空氣側(cè)的換熱。翅板式換熱器廣泛應(yīng)用于低溫工程中。在管束式及管翅式換熱器中，管內(nèi)流體在各自管子內(nèi)流動(dòng)，管換熱器中管外流體由于受翅片的分隔也不能自由摻混。在圖 55（ c）所示結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器中兩種流體都不能自由摻混。交叉流換熱器中流體各部分是否可以自由摻混，對(duì)于計(jì)算換熱器的平均溫差有一定的影響。 （四）板式換熱器 板式換熱器由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成，兩相鄰平板之間用特殊設(shè)計(jì)的密封墊片隔開，形成一個(gè)通道，冷、熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)。為強(qiáng)化換熱并增加板片的剛度，常在平板上壓制出各種波紋。板式換熱器中冷、熱流體的流動(dòng)有多種布置方式 （五）螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器的換熱表面系由兩塊金屬板卷制而成，冷、熱流體在螺旋狀的通道中流動(dòng)，圖57所示是其兩個(gè)方向的截面示意圖。這種換熱器換熱效果較好，缺點(diǎn)是換熱器的密封比較困難。 二、平均溫度差 換熱器傳熱的基本計(jì)算式為 tK????其中 t? 是冷熱兩種流體的溫度差。在以前的傳熱計(jì)算中，都把 t?作為一個(gè)定值處理。對(duì)于換熱器，則情況不同了，冷熱兩種流體沿傳熱面進(jìn)行換熱，其溫度沿流向不斷變化，故溫度差 也是不斷變化的。 t? t? 指進(jìn)口溫度 , t? 指出口端溫度。由于熱流體沿程放出熱量溫度不斷下降，冷流體沿程吸熱而溫度上升，且冷、熱流體間的溫差沿程是不斷變化的，因此，當(dāng)利用傳熱方程式來(lái)計(jì)算整個(gè)傳熱面上的熱流量時(shí)，必須使用整個(gè)傳熱面積上的平均溫差（又稱平均溫壓），記為 mt?故傳熱方程式的一般形式為 mtKA???不論順流、逆流，對(duì)數(shù)平均溫差可統(tǒng)一用以下計(jì)算式表示： m inm axm inm axln tttttm?? ???