传--热--学

传热学一、热量传递的三种基本方式导热(热传导)对流(热对流)三种基本模式的定义、实例热辐射二、导热1、导热基本定律(Fourier’slaw）1822年，法国数学家傅里叶（Fourier）在实验研究基础上，发现导热基本规律——傅里叶定律垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反导热系数（热导率）直角坐标系中：注：傅里叶定律只适用于各向同性材料各向同性材料：导热系数在各个方向是相同2-grad[Wm]qtW(m),W(mC)K:xyztttqqiqjqkijkxyz;;xyztttqqqxyzWddxtAΦ2mWddxtAΦq上式称为Fourier定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：：热流量，单位时间传递的热量[W]；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积[m2]；：导热系数（热导率）[W/(mK)]。一维稳态平板内导热t0xdxdtQ数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过单位面积的导热量—物质的重要热物性参数影响导热系数的因素：温度、材料种类导热系数的数值表征物质导热能力大小。实验测定-gradqt;金属非金属固相液相气相2、导热系数（Thermalconductivity）W(m),W(mC)K导热系数表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。保温材料及其表观导热系数多孔性结构的保温材料3、导热微分方程及边界条件导热分为稳态导热和非稳态导热。边界条件：说明导热体边界上过程进行的特点反映过程与周围环境相互作用的条件边界条件一般可分为三类：第一类、第二类、第三类边界条件Q1wt2wtA导热热阻的图示1wt2wtt0xdxdtQrtttqww21RtAttΦww21rAR导热热阻单位面积导热热阻导热热阻：平壁，圆筒壁4、通过肋片的导热及传热强化第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热：为了增加传热量，可以采取哪些措施?W112121AhAAhttΦff（1）增加温差（tf1-tf2），但受工艺条件限制（2）减小热阻：a)金属壁一般很薄(很小)、热导率很大，故导热热阻一般可忽略b)增大h1、h2，但提高h1、h2并非任意的c)增大换热面积A也能增加传热量—肋片强化传热的原理肋片效率：肋面总效率：等截面直肋：（2）物理意义vvFoBihlhl1Bi物体表面对流换热热阻物体内部导热热阻＝无量纲热阻无量纲时间Fo越大，热扰动就能越深入地传播到物体内部，因而，物体各点地温度就越接近周围介质的温度。22Flola换热时间边界热扰动扩散到面积上所需的时间5、非稳态导热（1）定义：物体的温度随时间变化的导热过程。非稳态导热过程中，物体的温度t和导热量随时间变化。6、求解导热问题的三种基本方法：(1)理论分析法；(2)数值计算法；(3)实验法7、导热部分作业题1－102－32－42－51二、对流换热1、对流换热的定义和性质对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。●对流换热实例：1)暖气管道;2)电子器件冷却；3)电风扇(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差(3)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层2、对流换热的特点3、对流换热的基本计算式W)(tthAΦw2mW)(fwtthAΦq牛顿冷却式:——当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量))((ttAΦhwK)(mW2影响h因素：流动形式、物性、几何形状、对流类型等hhrthtqRthAtΦ1)(1（Convectionheattransfercoefficient）3、对流表面传热系数4、对流换热的影响因素对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因;(2)流动状态;(3)流体有无相变;(4)换热表面的几何因素;(5)流体的热物理性质(1)流动起因自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动自然强制hh(2)流动状态层流湍流hh(3)流体有无相变单相相变hh层流：整个流场呈一簇互相平行的流线湍流：流体质点做复杂无规则的运动（紊流）（Laminarflow）（Turbulentflow）单相换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等（Singlephaseheattransfer）（Phasechange）（Condensation）（Boiling）(4)换热表面的几何因素：内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束(5)流体的热物理性质：导热系数]C)(mW[密度]mkg[3比热容]C)(kgJ[c动力粘度]msN[2运动粘度]sm[2体胀系数]K1[ppTTvv11自然对流换热增强h)(多能量单位体积流体能携带更、hc)(热对流有碍流体流动、不利于h)(间导热热阻小流体内部和流体与壁面综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：),,,,,,,,(lcttufhpfw5、对流换热的分类：6、对流换热边界层微分方程组:(常物性、稳态、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)22ytaytvxtu221yuxpyuvxuuxu0yvxwxytth,求出温度场之后，可以利用牛顿冷却微分方程：计算当地表面对流传热系数xh3个方程，3个未知量,dp/dx可由边界层外理想流体的伯努利方程确定.——可求得速度场(u,v)和温度场(t)，既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）7无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法(1)相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。以左图的对流换热为例，00yytth现象1：00yytth现象2：数学描述：对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个新的无量纲数——格拉晓夫数23tlgGr式中：——流体的体积膨胀系数K-1Gr——表征流体浮生力与粘性力的比值(2)量纲分析法：在已知相关物理量的前提下，采用量纲分析获得无量纲量。8常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式(很重要）9实验数据整理特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定的经验性目的：完满表达实验数据的规律性、便于应用，特征数关联式通常整理成已定准则的幂函数形式：式中，c、n、m等需由实验数据确定，通常由图解法和最小二乘法确定nmnncccPr)Gr(NuPrReNuReNuPr),Gr(Nuf自然对流换热：混合对流换热：Pr),Gr(Re,NufPr)Re,,(NuPr)(Re,Nu'xffx；强制对流:④常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义⑤模化试验应遵循的准则数方程nmnncccPr)Gr(NuPrReNuReNu试验数据的整理形式：Pr),Gr(Nuf自然对流换热：混合对流换热：Pr),Gr(Re,NufPr)Re,,(NuPr)(Re,Nu'xffx；强制对流:④常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义⑤模化试验应遵循的准则数方程nmnncccPr)Gr(NuPrReNuReNu试验数据的整理形式：10.管槽内部流动强制对流传热实验关联式湍流：加热流体时：n=0.4;冷却流体时：n=0.3影响：（1）入口段的热边界层薄，表面传热系数高。层流入口段长度:湍流时:0.80.023RePrnfffNu/0.05RePrld/60ld（2）螺旋管等弯管——弯管效应：二次环流强化传热（3）非圆形截面槽道——当量直径：层流湍流11、横掠管束换热实验关联式•外掠管束在换热器中很常见。•通常管子有叉排和顺排两种排列方式。顺叉排换热的比较：叉排换热强、阻力损失大、难于清洗。影响管束换热的因素除数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。、RePr气体横掠10排以上管束的实验关联式为式中：定性温度为特征长度为管外径d，数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。实验验证范围：C和m的值见下表。RemNuC()/2;rwftttRe。Re2000~40000f后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失。这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管束排数的因素作为修正系数。12、自然对流换热及实验关联式自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。自然对流的自模化现象：紊流时换热系数与特征尺度无关。•大空间自然对流换热的实验关联式：•定性温度采用Gr数中的为-对于符合理想气体性质的气体，。特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。常数C和n的值见下表。层流时：n=1/4湍流时：n=1/3(Pr)nNuCGr；()/2mwttttwtt＝1/T13、有相变的对流换热——凝结换热和沸腾换热相变换热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。（1）凝结传热凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。珠状凝结当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）gswttgswtt工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。1.不凝结气体不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力ht。2.蒸气流速流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，增大；反之使减小。h3.凝结表面的几何形状•强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。•可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。（2）大容器沸腾传热模式及临界热流密度CHF14、对流部分作业题1－126－146－166－36三、热辐射的基本概念1.热辐射特点(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)特点：a任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。电磁辐射包含了多种形式，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。电磁波的传播速度：c=fλ式中：f—频率，s-1;λ—波长，μm当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图所示。11QQQQQQQQQQ2.物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收反射和穿透吸收率、反射率和透过率（1）黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制