传热学总结期末复习专用学习教案

会计学1传热学总结传热学总结(zngji)期末复习专用期末复习专用第一页，共27页。热量传递的三种基本方式：1.热传导（导热）：物体各部分(b fen)之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称热传导。导热的基本规律（傅立叶定律）：称为热导率，又称导热系数，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。 2.热对流：是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分(b fen)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。对流换热：指流体流经固体表面时流体与固体表面之间的热量传递现象。dxdtA 第1页/共27页第二页，共27页。 1）根据对流换热时是否发生相变分：相变对流换热和单相(dn xin)对流换热。 2）根据引起流动的原因分：自然对流和强制对流。对流换热的基本规律 h 比例系数（表面传热系数），单位 。h 的物理意义：单位温差作用下通过单位面积的热流量。一般地，就介质而言：水的对流传热比空气强烈； 就传热方式而言：有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。3.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。 辐射传热 ：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传热。 thq tAh 2W/ mK第2页/共27页第三页，共27页。导热(dor)、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。 在辐射传热过程中，不仅有能量的转移，而且伴随有能量形式的转换。辐射传热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。把吸收率等于 1 的物体称黑体，是一种假想的理想物体。实际物体辐射热流量根据斯忒潘玻耳兹曼定律求得：传热过程：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。 传热过程三个环节：1.从热流体到壁面高温侧的热量传递；2.从壁面高温侧到壁面低温侧的热量传递；3.从壁面低温侧到冷流体的热量传递。传热过程越强烈，传热系数越大，反之则越小。212111)(hhttAff12()ffAk ttAk t 21111hhk4TA第3页/共27页第四页，共27页。温度场:温度场是指在各个时刻物体内各点温度所组成的集合，又称温度分布。稳态温度场:是指物体各点的温度随空间坐标而不随时间变化的温度场称稳态温度场。非稳态温度场：是指物体中各点的温度分布随空间坐标和时间而变化的温度场称非稳态温度场。等温面：同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起来所构成的面。等温线：用一个平面与等温面相交，平面与等温面的交线称为等温线。温度不同的等温面或等温线彼此不能相交。在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止于物体的边界(binji)上。热量传递方向与温度升高方向相反。等温线图的物理意义：若等温线图上每两条相邻等温线间的温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的相对大小。热流线 ：热流线是一组与等温线处处垂直的曲线，通过平面上任一点的热流线与该点的热流密度矢量相切。（热流线反应热流密度走向）第4页/共27页第五页，共27页。影响导热系数的因素：物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等。对于任何导热过程，完整的数学描写包括(boku)导热微分方程和单值性条件。初始条件：初始时间温度分布的初始条件； 边界条件：导热物体边界上温度或换热情况的边界条件。 非稳态导热定解条件有两个； 稳态导热定解条件只有边界条件，无初始条件。导热问题的常见边界条件可归纳为以下三类1）规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件。对于非稳态导热，这类边界条件要求给出以下关系式：2）规定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件。对于非稳态导热，3）第三类边界条件规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数及周围流体的温度。; 金属非金属固相液相气相 0wtf时20()( )wtfn时()()wwfth ttn第5页/共27页第六页，共27页。热扩散率： 越大，表示物体受热时，其内部温度扯平的能力越大。 越大，表示物体中温度变化传播的越快。所以，也是材料传播温度变化能力大小的指标，亦称导温系数。 典型一维稳态导热问题：平壁导热面积热阻RA ：单位面积的导热热阻称面积热阻。 热阻R：整个平板导热热阻称热阻。圆筒壁的导热：球壳导热：串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递(chund)过程中，若通过各串联环节的热流量相同，则串联过程的总热阻等于各串联环节的分热阻之和。肋片：指依附于基础表面上的扩展表面。作用：增大对流换热面积及辐射散热面 , 以强化换热。()ac)(Attq121221212()()=ln()ln()/(2)l ttttr rr rl12124()11ttrr 121114Rrr实际散热量肋片效率假设整个肋表面处于肋基温度下的散热量第6页/共27页第七页，共27页。非稳态导热(dor)的定义：物体的温度随时间而变化的导热(dor)过程称非稳态导热(dor)。周期性非稳态导热(dor)：物体的温度随时间而作周期性的变化。瞬态非稳态导热(dor)：物体的温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值。非正规状况阶段(右侧面不参与换热 )：温度分布显现出部分为非稳态导热(dor)规律控制区和部分为初始温度区的混合分布。正规状况阶段(右侧面参与换热 )：当右侧面参与换热以后，物体中的温度分布不受 初始温度影响，主要取决于边界条件及物性，此时，非稳态导热(dor)过程进入到正规状况阶段。第三章第三章 非稳态热传导非稳态热传导第7页/共27页第八页，共27页。毕渥数：Bi 物理意义： Bi 的大小反映了物体在非稳态条件下内部(nib)温度场的分布规律。特征数（准则数）：表征某一物理现象或过程特征的无量纲数。特征长度：是指特征数定义式中的几何尺度。集中参数法：忽略物体内部(nib)导热热阻、认为物体温度均匀一致的分析方法。此时， ，温度分布只与时间有关，即 ，与空间位置无关，因此，也称为零维问题。1hBih 0Bi )(ft VchAetttt002)()(AVaFoAVhBivv%8 .36 10e%83. 1 40时，当hAVc工程上认为(rnwi) =4c时导热体已达到热平衡状态M1 . 0)AV(hBiv第8页/共27页第九页，共27页。研究对流传热的方法：分析法、实验法、比拟法、数值法。影响表面(biomin)传热系数的因素：流体流动的起因、流体有无相变、流体的流动状态、换热表面(biomin)的几何因素、流体的物理性质。第五章第五章 对流传对流传(lichun)(lichun)热的理论基础热的理论基础沸腾传热沸腾传热管内沸腾管内沸腾珠状凝结珠状凝结相变对流传热相变对流传热大容器沸腾大容器沸腾膜状凝结膜状凝结凝结传热凝结传热对流传热对流传热单相对流传热单相对流传热在对流传热的流场中：边界层区必须考虑粘性对流动的影响，要用N-S方程求解。主流区边界层外，流速维持不变，流动可以作为理想流体的无旋流动，用描述理想流体的运动微分方程求解。 在固体表面附近流体速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层。边界层分为层流边界层和湍流边界层。湍流边界层包括(boku)湍流核心、缓冲层、层流底层。在层流底层中具有较大的速度梯度。在固体表面附近流体温度发生剧烈变化的薄层称为热边界层。第9页/共27页第十页，共27页。斯坦顿（Stanton）数xxRe0 . 521Re664. 0 xfc111133220.332Re Pr0.664Re Prxxxh xhlNuNuxfxcNuRe21 31/2Pr5 RetxRe PrtNuS113241530.332Re Pr0.0296Re PrcxcxxxNuxxNu时，层流，时，湍流，第10页/共27页第十一页，共27页。第六章 相似(xin s)原理及量纲分析第11页/共27页第十二页，共27页。国际单位制中的7个基本物理量：长度m，质量kg，时间s，电流A，温度(wnd)K，物质的量mol，发光强度cd相似原理的重要应用：1.相似原理在传热学中的一个重要的应用是指导试验的安排及试验数据的整理。2.相似原理的另一个重要应用是指导模化试验。自然对流亦有层流和湍流之分。自然对流传热可分成大空间和有限空间两类。 数是浮升力/粘滞力比值的一种量度。32gtlGr3PrvgtlRaGr瑞利数：第12页/共27页第十三页，共27页。第13页/共27页第十四页，共27页。第七章 相变对流传(lichun)热凝结(nngji)传热现象：蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结(nngji)液的过程，称凝结(nngji)传热现象。凝结(nngji)换热的分类：根据凝结(nngji)液与壁面浸润能力不同分为膜状凝结(nngji)与珠状凝结(nngji)。膜状凝结(nngji)：凝结(nngji)液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结(nngji)形式，称膜状凝结(nngji)。 特点：壁面上有一层液膜，凝结(nngji)放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上， 此时液膜成为主要的换热热阻。珠状凝结(nngji)：凝结(nngji)液体不能很好地湿润壁面，在壁面上形成一个个小液珠的凝结(nngji)形式，称珠状凝结(nngji)。特点：凝结(nngji)放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。所以，在其它条件相同时，珠状凝结(nngji)的表面传热系数定大于膜状凝结(nngji)的传热系数。珠状凝结(nngji)好，但是难于实现，因此工业上多采用膜状凝结(nngji)。fd105hh第14页/共27页第十五页，共27页。412)(4lwsllrgxtt13244()llxlswrghttx 13241.13()llVlswrghl tt 竖壁的平均(pngjn)表面传热系数：倾斜(qngxi)壁4123)(sin943. 0wslllttlrgh水平管4123)(729.0wslllHttdrgh球表面4123)(826.0wslllSttdrghsw4hl(tt )Rer竖壁液膜流态d对水平管，用 代替上式中的 即可。l第15页/共27页第十六页，共27页。第16页/共27页第十七页，共27页。第八章 热辐射(fsh)基本定律及辐射(fsh)特性可见光，0.380.76 m 。0.76-1000 m为红外线区域。工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1100m。物体对热辐射的吸收、反射和穿透对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体(qt)：对于黑体： 镜体或白体：透明体：黑体、白体和透明体的定义是针对全波长而言的，由于可见光只占整个波长的一小部分，故物体对辐射能量的吸收能力的大小不能凭物体的颜色来判断。反射又分镜反射和漫反射两种。11111,01,0第17页/共27页第十八页，共27页。辐射力：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。 (W/m2)；光谱辐射力：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)；立体角：球面面积除以球半径的平方(pngfng)称为立体角，单位：sr(球面度)。定向辐射强度：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。 1)普朗克定律(第一个定律)：描述了黑体辐射能按波长的分布规律。m与T 的关系由维恩位移定律：2)斯忒藩波尔兹曼定律：3）兰贝特 定律：1)(512TcbecEKmTm3108976. 240bbEE dT d ( )cosd dIA第18页/共27页第十九页，共27页。黑体的辐射力由斯忒藩-玻耳兹曼定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；是温度函数(hnsh)黑体的辐射能量按波长的分布服从普朗克定律；黑体的辐射能量按空间方向的分布服从兰贝特定律；黑体的光谱辐射力峰值所对应的波长由维恩位移定律确定。发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比。方向发射率实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比。光谱发射率实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比。漫射体：表面的方向发射率 与方向无关，即定向辐射强度与方向无关的物体。灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。 实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；实际物体的定向辐射强度也不严格遵守兰贝特定律，等等。第19页/共27页第二十页，共27页。选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体(wt)对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收。吸收比：物体(wt)对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件， 为天顶角为天顶角漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TTKirchhoff Kirchhoff 定律定律(dngl)(dngl)的不同表达式的不同表达式第20页/共27页第二十一页，共27页。第九章 辐射(fsh)传热的计算角系数：把表面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，记为X1,2。角系数的性质(xngzh)： 1.角系数的相对性2.角系数的完整性3.角系数的可加性角系数的计算方法：直接积分法、几何分析法代数分析法：三个表面组成的封闭系统任意两个非凹表面间的角系数（交叉线法）1 , 222 , 11XAXA 1, 13, 12, 11 , 1 nXXXXbaXXX2 , 12 , 12 , 1 221 ,2221 ,21 , 2AAXAAXXbbaa 2312 ,322AAAXA1231,212AAAXA1321,312AAAXA1,212XA交叉线之和不交叉线之和表面 的断面长度第21页/共27页第二十二页，共27页。两漫灰表面组成的封闭系统的辐射换热计算(j sun)1）投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能。2）有效辐射：单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射。2222,11111212,1111AXAAEEbb1bE1J2J2bE1111A11,21A X2221A第22页/共27页第二十三页，共27页。(a)(a)由三个表面组成的封闭由三个表面组成的封闭系统系统(b)(b)三表面封闭腔的等效网三表面封闭腔的等效网络图络图多表面系统的辐射(fsh)传热强化辐射传热(chun r)的主要途径有两种：增加发射率；增加角系数。削弱辐射传热(chun r)的主要途径有三种：降低角系数；降低发射率；加入遮热板。 第23页/共27页第二十四页，共27页。AhAAhttff212111)(21ffttkA21111hhk2. 通过圆筒壁的传热过程(guchng)计算)(1ln2112122121121fflfflttkdhdddhttq3、通过肋壁的传热：肋面总效率肋化系数 传热系数在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化(qinghu)传热的一种行之有效的方法。ofoAAA)(21ioAAooihhk111第十章 传热过程分析与换热器计算第24页/共27页第二十五页，共27页。临界热绝缘(juyun)直径记1.当裸管的外径 d c r时，保温层越厚，保温效果越好2.当裸管的外径 d c r时，保温层厚度要超过某一厚度后才起作用。3.要考虑较小的的保温材料，使d c r通常将导热系数值小于 0.14W/（mK）的材料称为隔热材料。换热器：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。按换热器操作过程分为：间壁式、混合式及蓄热式(或称回热式)三大类。在三类换热器中以间壁式换热器应用最广。对数平均温差：算术平均温差：复杂布置时换热器平均温差：cr2odhminmaxminmaxlntttttm2minmax,tttm算术ctfmmtt第25页/共27页第二十六页，共27页。增强传热的方法（1）扩展传热面（2）改变流动状况（3）使用(shyng)添加剂改变流体物性（4）改变表面状况（5）改变换热面形状和大小（6）改变能量传递方式（7）靠外力产生振荡，强化换热第26页/共27页第二十七页，共27页。