2-传热学基础

1.传热学基础HeatTransfer传热学-基本概念传热学是研究热量传递规律的学科。物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传向低温部分；物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体传向低温物体。由于自然界和生产技术中几乎均有温差存在，所以热量传递已成为自然界和生产技术中一种普遍现象。传热学传热学与流体力学、工程热力学并称能源动力类专业的三大支柱热量传递的基本方式热量传递基本方式：导热（热传导）对流辐射热传导（导热）heatconduction定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。导热的特点必须有温差，物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量，不发生宏观的相对位移导热基本规律傅立叶定律（1822年，法国物理学家）：导热由温差决定热流量：单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，单位w。一维稳态导热-热传导（导热）公式WtAΦ2mWtAΦq：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:平壁的厚度[m]；A：垂直于导热方向的截面积[m2]21wwttt：平壁两侧壁温之差C:C)(mW热导率（导热系数）Thermalconductivity分析导热系数λ表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位：w/mk。不同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。dxdtAq热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定气体液体非金属固体金属;)(398CmW纯铜;)(6.0CmW水）（空气CCmW20)(026.0例题1-1有三块分别由纯铜（热导率λ1=398W/(m·K)）、黄铜（热导率λ2=109W/(m·K)）和碳钢（热导率λ3=40W/(m·K)）制成的大平板，厚度都为10mm，两侧表面的温差都维持为tw1–tw2=50℃不变，试求通过每块平板的导热热流密度。解：这是通过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板，Wttq62w1w111099.101.0/50398导热算例对于黄铜板Wttq62w1w2210545.001.0/50109对于碳钢板Wttq62w1w32102.001.0/50401)对流：是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随有导热现象。2)对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。对流1.定义与特征定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。对流换热：流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程Convectionheattransfer对流换热的基本规律-牛顿冷却公式流体被加热时，流体被冷却时，其中及分别为壁面温度和流体温度；用表示温差（温压），并取为正，则牛顿冷却公式表示为)(fwtthq)(wftthqwtfttthqtAhQ表面传热系数（对流换热系数）（Convectionheattransfercoefficient）))((ttAΦhwC)(mW2——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•h是表征对流换热过程强弱的物理量影响h因素：流动原因、流动状态、流体物性、有无相变、壁面形状大小等，而且与流体的流速有关一般地，就介质而言：水的对流换热比空气强烈；就换热方式而言：有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。流动强制对流层流（Re2300）紊流罐壁自然对流散热例题1-2一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为tw=50℃，和温度为20℃的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h=4W/(m2·K)。试问该暖气片相当于多大功率的电暖气?解：暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，Q=Ah(tw–tf)=3m2×4W/(m2·K)×(50-20)K=360W=0.36kW即相当于功率为0.36kW的电暖气。对流算例热辐射1）辐射和热辐射物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。2）辐射换热辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的辐射热。说明：辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种类不同、表面状况不同，其辐射能力不同热辐射2.辐射换热的特点——不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量——在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换物体热力学能电磁波能物体热力学能——无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温热辐射的基本规律所谓绝对黑体：把吸收率等于1的物体称黑体，是一种假想的理想物体。黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的而且辐射热量服从于斯忒藩——玻耳兹曼定律。黑体在单位时间内发出的辐射热量其中T——黑体的热力学温度K；：黑体辐射常数，A——辐射表面积m*m。4TAkmw*/10*67.528；对于两个相距很近的黑体表面，由于一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上，那么它们之间的辐射换热量为：)(4241TTAQT1T2QA实际物体辐射热流量其中Φ——物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射换热量；：物体的发射率（黑度），其大小与物体的种类及表面状态有关。4TA传热过程传递热量的基本方式：导热、对流、热辐射，由这三个基本方式组成不同的传热过程。如：传热过程分析分析一个实际传热过程的目的，就是分析该过程由哪些串联环节组成。以及每一环节中有哪些传热方式起主要作用，它是解决实际传热的核心基础。导热、对流、热辐射的基本定律：傅里叶定律、牛顿冷却公式、斯忒藩—玻耳兹曼定律，适用于稳态和非稳态热传递过程。暖气：热水对流换热管子内壁导热管子外壁对流换热、辐射换热室内环境冷凝器：蒸汽凝结换热管子外壁导热管子内壁对流换热水墙体传热过程的分析1、概念热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。2、传热过程的组成传热过程一般包括串联着的三个环节组成，即：①热流体→壁面高温侧；②壁面高温侧→壁面低温侧；③壁面低温侧→冷流体。若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。导热对流辐射对流传热过程与热阻导热对流辐射对流tkA传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成k为传热系数，W/(oC)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差=1oC、传热面积A＝1m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。传热过程越强，传热系数越大，反之则越弱。t为热流体与冷流体间的平均温差；假设传热过程处于稳态：导热对流辐射对流屋内热空气的热量通过墙壁和保温层传递给屋外冷空气，这个过程就属于传热过程。若屋内空气温度为tf1，屋外的空气温度为tf2，传热温差=tf1-tf2。若屋内对流和辐射总换热系数为，屋外侧的对流换热系数为，墙壁、保温层的厚度分别为和，墙壁、保温层的导热系数分别为和。121212从热流体tf1到tw1：)(111wfttAQ111AQttwftw1到tw2：1211/)(wwttAQ1121AQttwwtw2到tw3：2322/)(wwttAQ2232AQttwwtw3到冷流体：)(232fwttAQ223AQttfw三个环节-对流、导热、对流从热流体tf1到tw1：)(111wfttAQ111AQttwftw1到tw2：1211/)(wwttAQ1121AQttwwtw2到tw3：2322/)(wwttAQ2232AQttwwtw3到冷流体：)(232fwttAQ223AQttfw三个环节-综合传热系数从热流体tf1到tw1：111AQttwf1121AQttww2232AQttww四式相加223AQttfw三个环节-综合传热系数表示成热阻的形式，有f1f2121122t-t111tQAkAAAAtRtRRRRtQ43212.热阻导热热阻：WAttAΦThermalresistanceforconduction对流换热热阻hhrthtqRthAtΦ1)(1][)(1WChARh][12WCmhrhThermalresistanceforconvectionf1f2121122t-t111tQAkAAAA222111111krk121122111kRAkAAAA单位面积传热热阻]/[2wCmk越大，传热越好。若要增大k，可增大减小,,节能审查问题《公共建筑节能设计标准》GB50189_20054.2.2根据建筑所处城市的建筑气候分区，围护结构的热工性能应分别符合表4.2.2-1、表4.2.2-2、表4.2.2-3、表4.2.2-4、表4.2.2-5以及表4.2.2-6的规定，其中外墙的传热系数为包括结构性热桥在内的平均值Km表4.2.2-4夏热冬冷地区围护结构传热系数和遮阳系数限值围护结构部位传热系数KW/(㎡·K)屋面≤0.70外墙(包括非透明幕墙)≤1.0底面接触室外空气的架空或外挑楼板≤1.0外窗（包括透明幕墙）传热系数KW/(㎡·K)遮阳系数SC（东、南、西向/北向）窗墙面积比≤0.2≤4.7——0.2窗墙面积比≤0.3≤3.5≤0.55/—0.3窗墙面积比≤0.4≤3.0≤0.50/0.600.4窗墙面积比≤0.5≤2.8≤0.45/0.55单一朝向外窗（包括透明幕墙）0.5窗墙面积比≤0.7≤2.5≤0.40/0.50屋顶透明部分≤2.7≤0.40注：有外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数×外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数。围护结构部位传热系数KW/(㎡·K)外墙(包括非透明幕墙)≤1.0导热系数λW/(m·K)钢筋混凝土B06加气混凝土0.223空气对流换热系数αW/(㎡·K)内表面换热系数＝8.7外表面换热系数＝23问:分别采用钢筋混凝土和加气混凝土δ=?才能满足规范要求?1.74/WmC2/WmC222111111krk