中南大学复习课-工程传热学

2020/5/181工程传热学复习课2020/5/182第一章绪论热传导(heatconduction)：定义？付立叶定律导热系数λ的定义、物理意义及单位？平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为K/W(heatconvection)AR2020/5/183热对流热对流与对流换热的定义及区别。牛顿冷却公式：表面传热系数h的定义、物理意义及单位？影响h的因素热辐射（heatradiation）热辐射定义斯蒂芬-玻尔兹曼定律2020/5/184传热过程与传热系数传热过程定义传热系数定义传热过程计算2020/5/185第二章稳态导热§2-1基本概念温度场(temperaturefield)：用文字描述温度不随时间变化的温度场，其中的导热称为稳态导热：等温面与等温线定义特征：),,,(zyxft0t2020/5/186温度梯度(temperaturegradient,方向和大小)：定义：等温面法线方向的温度变化率傅立叶定律及导热系数非金属金属气体液体固体合金纯金属2020/5/187冬天，棉被经过晒后拍打，问什么会觉得暖和？答：棉被晒后，水分蒸发，经拍打，大量空气进入棉絮空间，自然对流不易展开，由于空气导热系数低，故起到很好的保温作用。2020/5/188温度对导热系数的影响一般地说,所有物质的导热系数都是温度的函数,不同物质的热导率随温度的变化规律不同。在工业和日常生活中常见的温度范围内,绝大多数材料的导热系数可以近似地认为随温度线性变化,表示为：λ变化时温度分布曲线)1(0bT2020/5/189导热微分方程建立基础表达式：直角坐标系下导热微分方程圆柱坐标系下一维导热微分方程球坐标系下一维导热微分方程各项含义热扩散率定义、出处、物理意义，与导热系数区别2020/5/1810导热过程的单值性条件导热问题的求解方法:(1)分析解法;(2)数值解法;(3)实验方法。2020/5/1811§2-2一维稳态导热1通过平壁的导热)(12Attttqλ=λ0(1+bt)b0b0t1t20δx2020/5/18122通过圆筒壁的导热W2)ln(2211221RttlrrttrlqΦ2020/5/1813例：由三层材料组成的加热炉炉墙。第一层为耐火砖。第二层为硅藻土绝热层，第三层为红砖，各层的厚度及导热系数分别为1＝240mm，1=1.04W/(m℃)，2＝50mm,2=0.15W/(m℃)，3＝115mm,3=0.63W/(m℃)。炉墙内侧耐火砖的表面温度为1000℃。炉墙外侧红砖的表面温度为60℃。试计算硅藻土层的平均温度及通过炉墙的导热热流密度。解：已知1＝0.24m,1=1.04W/(m℃)2＝0.05m,2=0.15W/(m℃)3＝0.115m,3=0.63W/(m℃)t1=1000℃t4=60℃2020/5/1814t2t3t4t1qt1r1t2r2t3r3t4℃℃289700/125922231112233221141qttqttmWttq硅藻土层的平均温度为℃499232tt2020/5/1815第三章非稳态导热§3-1非稳态导热过程非稳态导热：周期性和非周期性两个阶段：非正规状况阶段（初始状况阶段）、正规状况阶段t1t0ABCDt1t0ABCDt1t0ABCDt1t0ABCDt1t0ABCDt1t0ABCDt1t0ABCDt1t0ABCD(a)=1(b)=2(c)=3(d)=42020/5/1816边界条件对温度分布的影响傅里叶数、毕渥数的表达式和物理意义t0tt01/h/2t/1/h2t1/h~/2t02020/5/1817§3-2集总参数法集总参数系统定义、特征能量守恒温度分布时间常数定义、表达式、影响因素集总参数系统的判定vvFoBiVchAee0MBiV1.02020/5/1818§3-3一维非稳态导热的分析解求解思路：建立导热微分方程式，引进过余温度将非齐次方程组化为齐次方程，采用分离变量法求解温度表达式。诺模图（海斯勒图）利用线算图可求解温度及热量，注意只适用于Fo≥0.2的情况。2020/5/1819例一块厚200mm的大钢板，钢材的密度为ρ=7790kg/m3，比热容cp=170J/(kg·K)，导热系数为43.2W/(m·K)，钢板的初始温度为20℃，放入1000℃的加热炉中加热，表面传热系数为h=300W/(m2·K)。试求加热40分钟时钢板的中心温度。解：根据题意，δ=100mm=0.1m。钢材的热扩散率为5343.2W/(mK)1.18107790kg/m470J/(kgK)pac2020/5/1820傅里叶数为83.2m1.0s6040/sm1018.12252aFo毕渥数为463.0K)W/(m2.43m1.0K)W/(m3002hBi查图可得32.00m0mttttm00.320.3220C1000C1000C686ttttC2020/5/1821第四章对流换热原理§4-1对流换热概述牛顿冷却公式,因此求解h是对流换热计算的核心问题对流换热微分方程式对流换热影响因素:流速、流态、流动起因、换热面的几何因素、流体物性))((ttAΦhw0yytth＝－2020/5/1822§4-2层流流动换热的微分方程组不可压缩牛顿型流体二维对流换热问题，常物性假定。连续性方程动量微分方程(2个)能量微分方程对流换热微分方程求解途径各项含义、能量微分方程与导热微分方程联系2020/5/1823§4-3对流换热过程的相似理论无量纲准则的表达式和物理意义Eu、Re、Pr、Pr、Nu（Bi）、Gr只有同类现象才有相似的可能性对流换热准则关系式的实验获取方法2020/5/1824§4-4边界层（Boundarylayer）理论边界层定义边界层厚度（相对大小决定于Pr）：画图（还包括速度和温度剖面）边界层微分方程组基本思路：对微分方程组中的各项进行数量级比较，略去高阶小量。简化条件：Re足够大、Pe足够大结论：忽略…、方程变化、物理特征。2020/5/1825例温度为30℃的空气以0.5m/s的速度平行掠过长250mm、温度为50℃的平板，试求出平板末端流动边界层和热边界层的厚度及空气与单位宽度平板的换热量。解：边界层的平均温度都为空气40℃的物性参数分别为v=16.96x10-6m2/s,λ=2.76x10-2W/m.k,Pr=0.699,在离平板前沿250mm处，雷诺数为mw1402tttC2020/5/1826边界层为层流。流动边界层的厚度为热边界层的厚度为可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。整个平板的平均表面传热系数3620.5m/s0.25m7.371016.9610m/sulRe0.51/235.0Re50.25m7.37100.0146xm1/31/3Pr14.6mm0.69916.4tmm1/21/21/331/30.664RePr0.6647.37100.69950.6Nu2020/5/18271m宽平板与空气的换热量为222.7610W/(mK)50.65.6/0.25mhNuWmKlw21m0.25m5.6W/(mK)5030K28AhttW2020/5/1828第五章对流换热计算§5-1管(槽)内流体受迫对流换热计算基本概念：进口段与充分发展段管内受迫对流换热的计算紊流与层流的准则关联式（Re=2200~104）注意：定性温度与定型尺寸的选择2020/5/1829§5-2流体外掠物体的对流换热计算外掠平板（Rec=5×105）准则关联式，定性温度与定型尺寸外掠单管边界层分离准则关联式，定性温度与定型尺寸外掠管束准则关联式，定性温度与定型尺寸2020/5/1830§5-3自然对流换热计算无限空间自然对流换热：例如，热力管道表面散热竖直平板在空气中自然冷却流动和换热特征竖板自然对流换热的微分方程组有限空间自然对流换热：例如，空气夹层2020/5/1831对流换热经验公式不需要记，但给出诸如Nu=f(Re,Pr)或Nu=(Gr,Pr)的经验公式后，针对上面公式中的修正需要知道对什么进行现象修正壁面温度、弯曲、入口段等怎么查如μf、μw如何选取2020/5/1832例1温度为30℃的空气以0.5m/s的速度平行掠过长250mm、温度为50℃的平板，试求出平板末端流动边界层和热边界层的厚度及空气与单位宽度平板的换热量。解：边界层的平均温度都为mw1402ttt空气40℃的物性参数分别为v=16.96x10-6m2/s,λ=2.76x102W/m.k,Pr=0.699,在离平板前沿250mm处，雷诺数为2020/5/18333620.5m/s0.25m7.371016.9610m/sulRe边界层为层流。流动边界层的厚度为0.51/235.0Re50.25m7.37100.0146xm热边界层的厚度为1/31/3Pr/1.02614.6mm0.699/1.02616.4tmm可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。整个平板的平均表面传热系数1/21/21/331/30.664RePr0.6647.37100.69950.6Nu2020/5/1834222.7610W/(mK)50.65.6/0.25mhNuWmKl1m宽平板与空气的换热量为w21m0.25m5.6W/(mK)5030K28AhttW2020/5/1835例2在一冷凝器中，冷却水以1m/s的流速流过内径为10mm、长度为3m的铜管，冷却水的进、出口温度分别为15℃和65℃，试计算管内的表面传热系数。解：由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为f115C65C402tC从附录中水的物性表中可查得2020/5/1836λf=0.635W/m.k,vf=0.659x10-6m2/s,Pr=4.31管内雷诺数为4f62f1m/s0.01mRe1.52100.65910m/sud管内流动为旺盛紊流。0.80.4fff0.023RePr91.4Nu2ff0.635W/(mK)91.45804/0.01mhNuWmKd2020/5/1837第六章辐射换热原理§6-1热辐射的基本概念热辐射的本质和特点本质：电磁波特点：吸收,反射和透射吸收率，反射率及透射率的定义透明体，白体及黑体的定义2020/5/1838§6-2黑体辐射和吸收的基本性质辐射力E；定义单色辐射力定向辐射力立体角辐射强度注意：辐射力是以发射物体的单位面积作为计算依据，而辐射强度是以垂直于发射方向的单位投影面积作为计算依据。2020/5/1839黑体辐射的基本定律普朗克定律给出黑体单色辐射力和波长、热力学温度之间的函数关系维恩位移定律内容：思考：加热金属时，试用维恩位移定律分析金属颜色随温度的变化。2020/5/1840斯蒂芬-玻尔兹曼定律兰贝特余弦定律注意：漫辐射表面遵守兰贝特余弦定律波段辐射与辐射函数黑体的吸收特性bbIIEbbbEEF)(21)0()0(12bbFF202