传热学第五版ppt课件完整版

第一章 导热理论基础1导热机理的简介：气体：分子不规则运动相互作用或碰撞介电体（非导电固体）：弹性波（晶格振动的传递）金属：自由电子的相互作用和碰撞液体：类似于介电体（以前曾认为类似于气体）2纯导热过程的实现：多在固体中存在，液体和气体需消除对流3导热理论研究的前提条件：连续介质4导热理论研究的目的求出任何时刻物体中各处的温度第一章 导热理论基础1导热机理的简介：1第一节 基本概念及傅立叶定律11 基本概念：一、温度场：t=f(x,y,z,)稳态温度场、二维和一维温度场二、等温面和等温线：第一节 基本概念及傅立叶定律11 基本概念：2三、温度梯度：n为等温面法向上的单位矢量（温度变化率最大的方向）温度降度：gradt四、热流矢量：三、温度梯度：n为等温面法向上的单位矢量（温度变化率最大的方3Baron Jean Baptlste Joseph Fourier(1768-1830)12 傅立叶定律 确定了热流矢量和温度梯度的关系 q=-gradt W/m2 （负号表示热流矢量的方向和温度梯度的方向相反）在三个坐标轴上热流密度分量的描述Baron Jean Baptlste 12 傅立叶定律4 第二节 导热系数每种物质的导热系数可通过实验确定常用物质可查表获取一般规律固相液相气相金属非金属 晶体无定形态 纯物质有杂质物质 纯金属合金 第二节 导热系数每种物质的导热系数可通过实验确定一般规律固5导热系数的主要影响因素：温度、压力气体的导热系数：随温度升高而增大（由于分子运动速度和比定容热容增大），压力对其影响不大（密度增大但自由程减小）液体的导热系数：非缔合和弱缔合液体：随温度升高而减小（由于密度减小）;强缔合液体：不一定（因为温度升高时密度减小，但缔合性减弱，使分子碰撞几率增加）金属的导热系数：随温度升高而减小（由于晶格振动加强干扰了自由电子运动）;掺入杂质将减小（因为晶格完整性被破坏，干扰了自由电子运动）非金属材料的导热系数：随温度升高而增大（由于晶格振动加强）导热系数的主要影响因素：温度、压力气体的导热系数：液体的导热6保温材料：平均温度不高于350、导热系数不大于0.12W/mK的材料表观导热系数：考虑多孔材料孔隙内介质时，反映材料综合导热性能的导热系数保温材料保温性能的影响因素：a.空隙度：过小：保温性能下降（因为非金属的导热系数大于空气的导热系数）过大：保温性能下降（因为孔隙连通导致孔隙内对流作用加强）b.湿度：过大：保温性能下降（因为水的导热系数大于空气，且会形成更强烈对流）玻璃棉橡塑聚氨酯泡沫塑料保温材料：表观导热系数：保温材料保温性能的影响因素：玻璃棉橡7第三节 导热微分方程式研究目标：确定物体内的温度场 研究基础：导热微分方程式能量守恒定律傅立叶定律 研究对象：右图中的六面微元体第三节 导热微分方程式研究目标：确定物体内的温度场 研究基8根据能量守恒定律：导入和导出微元体的净热量微元体中内热源的发热量微元体热能（内能）的增加导入微元体的净热量：在一定时间d内:导出微元体的净热量：根据能量守恒定律：导入微元体的净热量：在一定时间d内:导出9将微分的定义式：代入上式再将傅立叶定律代入，得出：三个方向导入与导出微元体的净热量：将微分的定义式：代入上式再将傅立叶定律代入，得出：三个方向导10b.内热源的发热量：三式相加，得出：a.导入与导出微元体的总净热量：c.内能增加量：b.内热源的发热量：三式相加，得出：a.导入与导出微元体的总11将a,b,c代入能量守恒定律，得出：导热微分方程式将a,b,c代入能量守恒定律，得出：导热微分方程式12在几种特殊条件下对导热微分方程式的简化：1.物性参数、c均为常数：定义：热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向均匀一致的能力2.物性参数、c均为常数，无内热源：3.物性参数、c均为常数，稳态温度场：在几种特殊条件下对导热微分方程式的简化：1.物性参数、134.物性参数、c均为常数，稳态温度场，无内热源：5.物性参数、c均为常数，二维稳态温度场，无内热源：6.物性参数、c均为常数，一维稳态温度场，有内热源：7.物性参数、c均为常数，一维稳态温度场，无内热源：4.物性参数、c均为常数，稳态温度场，无内热源：14作用：用来对某一特定的导热过程进行进一步的具体说明通解特解四种单值性条件：,l,d,c几何条件物理条件时间条件边界条件导热过程与周围环境相互作用的条件仅在非稳态导热过程中存在第四节 导热过程的单值性条件作用：用来对某一特定的导热过程进行进一步的具体说明通解特解四15传热学中的四种边界条件：一类边界（常壁温边界）：二类边界（常热流边界）：或二类边界的特殊情况绝热边界出现场合：对称边界，长肋肋端传热学中的四种边界条件：一类边界（常壁温边界）：二类边界（常16三类边界（对流边界）：四类边界（接触面边界）：或三类边界（对流边界）：四类边界（接触面边界）：17四种边界条件的已知条件：一类：已知物体壁面温度tw二类：已知穿过物体边界的热流密度qw（热流密度为0时为绝热边界）三类：已知物体边界面周围的流体温度tf和边界面与流体之间的表面传热系数h四类：已知相邻物体与本物体接触面处的温度t2或热流密度q2一个导热问题的完整描述导热微分方程单值性条件四种边界条件的已知条件：一个导热问题的完整描述导热微分方程18第一章重点：1.傅立叶定律的理解2.导热系数的理解和保温材料3.导热微分方程的选择和简化4.边界条件的判断第一章重点：19第二章 稳态导热导热微分方程：稳态时满足：常物性、稳态导热微分方程：无内热源时常物性、稳态导热微分方程：第二章 稳态导热导热微分方程：稳态时满足：常物性、稳态导热20第一节 通过平壁的导热应用领域：墙壁、锅炉壁面一、第一类边界条件1.单层平壁：一维简化的假设条件：高度、宽度远大于厚度常物性时导热微分方程组如下：第一节 通过平壁的导热应用领域：墙壁、锅炉壁面一、第一类边21积分两次，得：代入边界条件解出C1和C2：单层平壁的温度分布：将C1和C2代入导热微分方程，得到：单层平壁的热流密度：上式对x求导，得到：积分两次，得：代入边界条件解出C1和C2：单层平壁的温度分布222.多层平壁可看作数个单层平壁相互串连n层平壁的热流密度：第i层与第i+1层之间接触面的温度：2.多层平壁可看作数个单层平壁相互串连n层平壁的热流密度23二、第三类边界条件单层平壁的热流密度：根据第一类边界条件时的结果:（此时壁温tw1和tw2为未知）与以上两个边界条件共三式变形后相加,可消去tw1和tw2，得：常物性时导热微分方程组如下：多层平壁的热流密度：二、第三类边界条件单层平壁的热流密度：根据第一类边界条件时的24第二节 通过复合平壁的导热应用领域：空心砖，空斗墙请同学们动脑筋思考:空斗墙和空心砖内均存在导热系数很小的空斗墙和空心砖内均存在导热系数很小的空气孔隙，因而保温性能一定会很好吗？空气孔隙，因而保温性能一定会很好吗？为什么？为什么？第二节 通过复合平壁的导热应用领域：空心砖，空斗墙请同学们25一维简化的假设条件：组成复合平壁的各种不同材料的导热系数相差不是很大近似计算式：总导热热阻的计算方法划分单元，模拟电路一维简化的假设条件：近似计算式：总导热热阻的计算方法划分26对于右图所示的复合平壁，有以下两种处理方法：a.先串联再并联的计算方法：b.先并联再串联的计算方法：对于右图所示的复合平壁，a.先串联再并联的计算方法：b.先并27两种处理方法结果并不完全相同，但均为合理结果原因：将二维导热问题简化为一维导热问题，无论采取简化方法，都必然会产生一定误差复合平壁导热问题的注意点：1.区域划分一定要合理，保证每个区域形状完全相同3.对于各部分导热系数相差较大的情况，总热阻必须用二维热流影响的修正系数（教材表21）加以修正2.每个单元的热阻必须使用总热阻，不能使用单位面积热阻两种处理方法结果并不完全相同，但均为合理结果复合平壁导热问题28第三节 通过圆筒壁的导热应用领域：管道蒸汽管热水管（95 70 ，60 45 ）冷冻水管（7 12 ）蒸汽管道保温层第三节 通过圆筒壁的导热应用领域：管道蒸汽管热水管（95 29一、第一类边界条件1.单层圆筒壁：一维简化的假设条件长度远大于壁厚，温度场轴对称请同学们动脑筋思考:管道保温层越厚，保温效果一定越好吗？管道保温层越厚，保温效果一定越好吗？一、第一类边界条件请同学们动脑筋思考:管道保温层越厚，保温效30常物性时导热微分方程组如下：积分一次，得：再积分一次，得：代入边界条件解出C1和C2：常物性时导热微分方程组如下：积分一次，得：再积分一次，得：代31将c1和c2代入导热微分方程，得到：单层圆筒壁的温度分布：通常更多情况下用直径代替半径：将第一次积分的结果：代入傅立叶定律：将c1和c2代入导热微分方程，得到：单层圆筒壁的温度分布：通32得到：单层圆筒壁的热流量：长度为l的圆筒壁的热阻：单位管长单层圆筒壁的热流量：得到：单层圆筒壁的热流量：长度为l的圆筒壁的热阻：单位管长单332.多层圆筒壁可看作数个单层圆筒壁相互串连n层圆筒壁的单位管长热流量：2.多层圆筒壁可看作数个单层圆筒壁相互串连n层圆筒壁的单34二、第三类边界条件常物性时导热微分方程组如下：根据第一类边界条件时的结果:（此时壁温tw1和tw2为未知）与以上两个边界条件共三式变形后相加,可消去tw1和tw2，得：单层圆筒壁的单位管长热流量：二、第三类边界条件常物性时导热微分方程组如下：根据第一类边界35三、临界热绝缘直径有绝缘层时的管道总热阻：当dx增大时：增大减小可能增大亦可能减小，应具体分析必须通过对函数求极值来判断总热阻的变化规律三、临界热绝缘直径有绝缘层时的管道总热阻：当dx增大时：增大36对dx求导并令其为0:从而得出：临界热绝缘直径a.当dxdc时,Rl随dx 增大而增大只有在d2dc时，才可能存在此情况对dx求导并令其为0:从而得出：临界热绝缘直径a.当dx37需要考虑临界热绝缘直径的场合：d2较小时较大时h较小时应用实例：细管，电线电线的绝缘层外直径小于临界热绝缘直径时，可起到散热作用需要考虑临界热绝缘直径的场合：d2较小时较大时h较小时应用38第四节 具有内热源的平壁导热应用领域：混凝土墙壁凝固研究对象：厚度为2的墙壁，内热源强度为qv，两边为第三类边界，中间为绝热边界，取墙壁的一半为研究对象建立导热微分方程常物性时导热微分方程组如下：第四节 具有内热源的平壁导热应用领域：混凝土墙壁凝固39积分两次，得：代入边界条件解出C1和C2,并代入导热微分方程，得到：三类边界时具有内热源平壁的温度分布：上式对x求导，得到：三类边界时具有内热源平壁的热流密度：当h趋于无限大时，得到：一类边界时具有内热源平壁的温度分布：积分两次，得：代入边界条件解出C1和C2,并代入导热微分方程40第五节 通过肋壁的导热肋壁的作用：加大散热面积，增强传热应用领域：冷凝器、散热器、空气冷却器等肋片的类型：肋片散热器第五节 通过肋壁的导热肋壁的作用：加大散热面积，增强传热肋41肋片置于管道外侧的原因：换热器或管道内侧流体一般多为流速较高的液体，而换热器或管道外侧流体多为流速较低的气体，大多情况下外侧对流换热热阻最大，对整个传热过程起支配作用肋片置于管道外侧的原因：换热器或管道内侧流体一般多为流速较高42一、等截面直肋的导热一维简化的假设条件：肋片的高度l远大于肋片的厚度，因而厚度方向温差很小，负内热源的处理方法将y方向的对流散热量等效转化为负内热源断面周长：断面面积：一、等截面直肋的导热一维简化的假设条件：负内热源的处理方法43进行负内热源处理后等截面直肋导热微分方程组如下：（假定肋端绝热）定义：令：过余温度使导热微分方程齐次化：并解出其通解为：进行负内热源处理后等截面直肋导热微分方程组如下：（假定肋端绝44代入边界条件求出c1和c2，并代入通解，得出特解：等截面直肋的温度分布：肋端过余温度：肋片散热量：当考虑肋端散热时，计算肋片散热量时可采用假想肋高代替实际肋高 l一维温度场假定的检验：代入边界条件求出c1和c2，并代入通解，得出特解：等截面直肋45肋高越大，肋的散热面积越大，因而采用肋高越大，肋的散热面积越大，因而采用增加肋高的方法可以增加肋的散热量。这增加肋高的方法可以增加肋的散热量。这种方法在实际换热器设计中是否可行？若种方法在实际换热器设计中是否可行？若可行，是否会有某些局限性？可行，是否会有某些局限性？请同学们思考一个问题:肋高越大，肋的散热面积越大，因而采用增加肋高的方法可以增加肋46二、肋片效率提出此概念的目的衡量肋片散热的有效程度肋片效率的定义：肋片表面平均温度tm下的实际散热量假定肋片表面全部处在t0时的理想散热量其中肋片表面平均温度：代入肋片效率定义，得到：肋片效率计算式：二、肋片效率提出此概念的目的衡量肋片散热的有效程度肋片效47m和l对肋片效率的影响分析：b.l一定时，m越大，f越低a.m一定时，l越大，越大，但f越低采用长肋可以提高散热量，但却使肋片散热有效性降低可采用变截面肋片设法降低mm和l对肋片效率的影响分析：b.l一定时，m越大，f越低48根据肋片效率计算散热量的方法（查线图法）：矩形及三角形直肋的肋片效率环肋的肋片效率从线图查出肋片效率f根据肋片效率计算散热量的方法（查线图法）：矩形及三角形直肋的49第六节 通过接触面的导热接触热阻的形成原因固体表面并非理想平整接触热阻的概念接触面孔隙间气体导致两接触面之间存在温差接触热阻的定义：接触热阻的例子镶配式肋片，缠绕式肋片第六节 通过接触面的导热接触热阻的形成原因接触热阻的概50接触热阻的影响因素：粗糙度挤压压力硬度匹配情形空隙中介质的性质表面尽量平整减小接触热阻的措施：两表面一软一硬增加挤压压力涂导热姆接触热阻的影响因素：粗糙度挤压压力硬度匹配情形空隙中介质的性51第七节 二维稳态导热应用领域：房间墙角，地下埋管，矩形保温层，短肋片二维稳态导热微分方程：二维稳态导热问题的研究手段：解析法数值法形状因子法地源热泵地下埋管矩形风管保温层第七节 二维稳态导热应用领域：房间墙角，地下埋管，矩形保温52一维无限大平壁的形状因子：一维无限长圆筒壁的形状因子：其他常见二维稳态导热情况的形状因子查教材表23形状因子S的定义将有关涉及物体几何形状和尺寸的因素归纳为一起，使两个恒定温度边界之间的导热热流量具有一个统一的计算公式一维无限大平壁的形状因子：一维无限长圆筒壁的形状因子：其他常53几种导热过程的形状因子几种导热过程的形状因子54第二章重点：1.各种稳态导热问题的数学模型和求解方法2.临界热绝缘直径问题3.肋片性能分析第二章重点：55第三章 非稳态导热导热微分方程：当非稳态时：无内热源时常物性、非稳态导热微分方程：瞬态导热周期性导热非稳态导热过程导热过程随时间而变化第三章 非稳态导热导热微分方程：当非稳态时：无内热源时常物56瞬态导热的例子淬火体温计烹饪周期性导热的例子建筑外围护结构瞬态导热的例子淬火体温计烹饪周期性导热的例子建筑外围护结构57第一节 非稳态导热的基本概念1.瞬态导热：以采暖房间外墙为例，在某一时刻，墙体某一侧空气温度突然提高，墙体内部温度分布将随时间呈如下变化。tx第一节 非稳态导热的基本概念1.瞬态导热：tx58tx坐标系t坐标系q坐标系q坐标系中：墙体得到的热量（阴影部分面积）tx坐标系t坐标系q坐标系q坐标系中：墙体得到59温度分布变化的三个阶段不规则情况阶段：温度变化没有共同规律，温度分布受初始温度分布的影响很大正常情况阶段：温度变化遵循一定规律，初始温度分布的影响逐渐消失新的稳态阶段：各处温度不再变化，长时间后近似达到温度分布变化的三个阶段不规则情况阶段：温度变化没有共同规律，602.周期性导热：特点：a.物体各部分温度随时间周期波动b.同一时刻物体内温度分布也呈周期波动周期性导热的两个重要特性：衰减和延迟2.周期性导热：特点：周期性导热的两个重要特性：衰减和延迟61第二节 无限大平壁的瞬态导热一、加热或冷却过程的分析解法研究对象：厚度为2的无限大平壁在第三类边界条件下突然冷却，由于两侧对称，因而将坐标轴x的原点放在平壁中心，并满足绝热边界条件常物性时导热微分方程组如下：第二节 无限大平壁的瞬态导热一、加热或冷却过程的分析解法62令：过余温度使导热微分方程边界条件齐次化：对于此类偏微分方程，应采用分离变量法来进行求解：假定：代入导热微分方程，得出：1.分离变量法求解导热微分方程：令：过余温度使导热微分方程边界条件齐次化：对于此类偏微63令：并对两式分别求解求解结果：因 不可能是无限大或常数，所以只能有：0.2时，仅用级数第一项来描述，已足够精确，即：二、正常情况阶段Fo准则对温度分布的影响对进行收敛性分析70热流量计算式：令无限长时间后壁面冷却到tf时的最大放热量热流量的计算：热流量计算式：令无限长时间后壁面冷却到tf时的最大放热量71热流量计算步骤计算Bi和Fo由图37计算热流量温度分布计算步骤由图36计算任意处温度由图35计算中心温度计算Bi和Fo无限大平壁非稳态导热问题的另一种计算方法计算线图法热流量计算Bi和Fo由图37计算热流量温度分布由图36计72三、集总参数法Bi准则对温度分布的影响Bi准则对无限大平壁温度分布的影响Bi时，平壁表面温度近似等于流体温度Bi0时，平壁内温度分布趋于均匀一致可用集总参数法处理三、集总参数法Bi准则对温度分布的影响Bi准则对无限大平73集总参数法的使用条件：当Bi表面张力附着力表面张力稳定性好不好换热性能不好好第一节 凝结换热树叶上的珠状凝结玻璃窗上的膜状凝结膜状凝结177层流膜状凝结换热速度变化规律：层流膜状凝结换热温度变化规律：蒸气静止，且对液膜无黏滞应力作用ts为蒸气饱和温度可采用对流换热微分方程组对垂直壁层流膜状凝结换热加以研究一、垂直壁和水平管膜状凝结换热层流膜状凝结换热层流膜状凝结换热蒸气静止，且对液膜无黏滞应力178将：代入，得：假定液膜流动缓慢，则惯性力项可忽略，动量方程可简化为：一般情况下：从而：积分两次，得到液膜内速度分布：2.液膜能量方程：假定液膜流动缓慢，则对流换热项可忽略，能量方程可简化为：积分两次，并将边界条件代入，得到液膜内温度分布：1.X方向液膜动量方程：将：代入，得：假定液膜流动缓慢，则惯性力项可忽略，动量方程可1793.液膜微元段热平衡：凝液带入热量凝液带出热量墙壁导热出热量蒸气带入热量凝液焓（饱和液体）蒸气焓（饱和气体）凝液质流量其中：液膜微元段热平衡方程：3.液膜微元段热平衡：凝液带入热量凝液带出热量墙180质流量在dx距离内的增量：近似认为膜内温度分布为线性，则有：将以上关系式代入液膜微元段热平衡方程，得到：蒸气潜热：分离变量，得：上式在0内积分，得到x处的液膜厚度：由于dx微元段的凝结换热量应该等于该段的导热量，故：质流量在dx距离内的增量：近似认为膜内温度分布为线性，则有：181垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：注意点：以上两式并非最后的正确结果，计算中不得直接使用！将 代入，得到垂直壁层流膜状凝结换热局部表面传热系数：水平圆管层流膜状凝结换热平均表面传热系数：定性温度：定型尺寸：x(l)定性温度：定型尺寸：d垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：注意点：以上两式并非182将平均表面传热系数表达式写为准则方程：垂直壁：水平管：由于未考虑液膜波动因素，垂直壁理论解较实验结果偏低约20，因而应将其修正为：垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：进行修正后，得到：垂直壁与水平管凝结换热强度的比较由于垂直壁定型尺寸远大于水平管，因而水平管凝结换热性能更好，在实际管外凝结式冷凝器设计中多采用水平管。适用范围：适用范围：（由于管径不会很大，一般不会到达紊流）将平均表面传热系数表达式写为准则方程：垂直壁：水平管：由于未183垂直壁层流膜状凝结换热另一准则方程：适用范围：垂直壁紊流段膜状凝结换热准则方程：适用范围：存在紊流时整个垂直壁平均凝结对流表面传热系数：xcRec1800时的临界高度hl层流段平均凝结对流表面传热系数ht紊流段平均凝结对流表面传热系数l垂直壁高度垂直壁层流膜状凝结换热另一准则方程：适用范围：垂直壁紊流段膜184二、水平管内凝结换热蒸气流速较低时，凝液主要在管子底部，蒸气位于管子上部，上部换热较好蒸气流速较高时，形成环状流动，凝液均匀分布在管子四周，中间为蒸气核二、水平管内凝结换热蒸气流速较低时，凝液主要在蒸气流速较高时185三、水平管束管外凝结换热上一层管子的凝液流到下一层管子上，使下一层管面的膜层增厚下层管上的h比上层管的h低计算方法：用nd代替d代入水平单管管外凝结换热计算式三、水平管束管外凝结换热上一层管子的凝液流到下一层管子上，使186四、影响膜状凝结换热的因素及增强换热的措施影响因素蒸气速度高速液膜吹脱壁面h增大低速蒸气向下吹液膜变薄h增大蒸气向上吹液膜变厚h减小蒸气含不凝气体不凝气体聚集在表面，蒸气扩散阻力增加膜层表面蒸气分压降低，ts降低，ts-tw降低h减小表面粗糙度低Rec凝液积聚，液膜增厚h减小高Rec凸出点对凝液产生扰动h增大蒸气含油壁上形成油垢 h减小过热蒸气蒸气与凝液焓差增大 h增大（计算时潜热修正为实际焓差）四、影响膜状凝结换热的因素及增强换热的措施影响因素蒸气速度高187增强凝结换热的措施：1.改变表面几何特征：采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.采用抽气装置排除不凝气体3.采用机械方法加速凝液排泄4.促进珠状凝结的形成（1）壁面涂镀材料减小附着力（2）蒸气加促进剂增大表面张力（c）沟槽管（d）微肋管增强凝结换热的措施：（c）沟槽管（d）微肋管188第二节 沸腾换热沸腾换热大空间沸腾换热（蒸气泡能自由浮升，穿过自由表面进入容器空间）有限空间沸腾换热（蒸气和液体混合在一起，形成两相流）一、大空间沸腾换热饱和沸腾：过冷沸腾：定义工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式第二节 沸腾换热沸腾换热大空间沸腾换热有限空间沸腾换热一、189沸腾换热小实验气泡的变化规律产生长大浮升逸出沸腾换热小实验气泡的变化规律产生长大浮升逸出190大空间饱和沸腾过程的四个阶段：（控制壁温加热）对流沸腾泡态沸腾过渡态沸腾膜态沸腾大空间饱和沸腾对流沸腾泡态沸腾过渡态沸腾膜态沸腾191曲线A-BB-CC-DD-E名称对流沸腾泡态沸腾过渡态沸腾膜态沸腾tw-ts120现象气泡微小，附着于壁面不能浮升气泡不断产生、长大、浮升、逸出气泡太多形成气膜，阻碍传热形成稳定气膜，与壁面辐射换热量显著增加热流密度很小急剧增大下降回升大空间饱和沸腾过程的四个阶段（控制壁温加热）曲线A-BB-CC-DD-E名称对流沸腾泡态沸腾过渡态沸腾膜192控制热流密度加热时大空间饱和沸腾换热的烧毁点：热流密度不断增加到qc（106W/m2）附近时,沸腾状态将由C点沿红线跳跃至E点，壁温突然升至1000 以上，设备将在瞬间烧毁。实例：在高压锅炉水冷壁设计中，务必使热流密度小于106W/m2水的大空间沸腾换热计算式：已知热流密度：已知壁温：控制热流密度加热时大空间实例：在高压锅炉水冷壁设计中，务必使193传热学第五版ppt课件完整版194二、管内沸腾换热特征：由于流体温度随流向逐渐升高，沸腾状态随流向不断改变液相单相流泡状流块状流环状流气相单相流h较低h升高h高h高h急剧降低垂直管内沸腾二、管内沸腾换热液相单相流泡状流块状流环状流气相单相流h较低195水平管内沸腾液相单相流泡状流块状流波浪流环状流气相单相流汽水分层，管上半部局部换热较差水平管内沸腾液相单相流泡状流块状流波浪流环状流气相单相流汽水196第三节 热管热管的工作原理：沸腾换热和凝结换热两种相变换热过程的巧妙结合。热管的特点：1.靠蒸气流动传输热量，传热能力大。2.加热区和散热区趋于等温，温差损失小。3.采用不同工作液，可适应各种温度范围。4.加热区和散热区热管表面的热流密度可以不相同。5.结构简单，无运动部件，工作可靠。第三节 热管热管的工作原理：热管的特点：197第七章重点：1.膜状凝结换热特征和计算方法2.沸腾换热的四个阶段3.热管的工作原理第七章重点：198第八章 热辐射的基本定律热辐射与热量相关的电磁波辐射，是一切物体所固有的特性即使中间阻隔低温物体，传热亦能发生一切物体均能发射热辐射第八章 热辐射的基本定律热辐射即使中间阻隔低温物体，传热亦199第一节 基本概念一、热辐射的本质和特点热辐射的本质电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发射电磁波向空间传播。电磁波谱第一节 基本概念一、热辐射的本质和特点热辐射的本质电子200可见光范围：0.380.76m几个常用波段：太阳辐射范围：0.22m热射线范围：0.1100m热辐射的波粒二象性Max Karl Ernst Ludwig Planck(1858-1947)波动性粒子性光速波长频率光子能量普朗克常数可见光范围：0.380.76m几个常用波段：太阳辐射范围201 热辐射的三个特点：1.不需要媒介2.能量的二次转化过程：内能电磁能内能3.存在于任何物体，总能量得失取决于两物体能量交换之差发射与投射发射指物体发出电磁波，与本物体温度和表面性质有关。投射指物体一发出电磁波落到物体二的部分，与两物体相对位置，以及物体二的形状尺寸、表面性质有关。热辐射的三个特点：发射与投射202二、吸收、反射和穿透1.能量投射的三种情况:吸收反射穿透（用百分率来表示）吸收比反射比穿透比（某一频率下）光谱吸收比光谱反射比光谱穿透比二、吸收、反射和穿透1.能量投射的三种情况:吸收反射穿透（用2032.辐射能投射实际物体：大多数固体和液体：（玻璃、水例外）气体：稀薄的单原子和双原子气体：3.黑体、白体和透明体（均指全波长范围）：黑体：白体：透明体：土壤a=0.920.95纯金a=0.02普通玻璃a=0.94雪a=0.822.辐射能投射实际物体：大多数固体和液体：（玻璃、水例外）气204三、定向辐射强度和定向辐射力1.定向辐射强度 单位立体角的辐射能立体角体现辐射空间性的量度单位sr球面度单位右图中，微元体的长为：微元体的宽为：整个半球的立体角：三、定向辐射强度和定向辐射力1.定向辐射强度 单位立体角205a.定向辐射强度在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量。b.光谱定向辐射强度在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐射面积，在波长附近的单位波长间隔内、单位立体角内所发射的能量。定向辐射强度和光谱定向辐射强度两者关系：a.定向辐射强度b.光谱定向辐射强度定向辐射强度和光谱定向辐2062.辐射力整个半球空间的辐射能a.定向辐射力在某给定辐射方向上，单位时间内、物体单位辐射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量。在发射辐射能物体表面的法线方向上：b.辐射力单位时间内、物体单位辐射面积向半球空间所发射全部波长的总能量。2.辐射力整个半球空间的辐射能a.定向辐射力在发射辐射能207c.光谱辐射力单位时间内、物体单位辐射面积、在波长附近的单位波长间隔内，向半球空间所发射的能量。或d.光谱定向辐射力在某给定辐射方向上，单位时间内、物体单位辐射面积、在单位立体角内发射的波长附近单位波长间隔内的能量。或c.光谱辐射力或d.光谱定向辐射力或208第二节 热辐射的基本定律辐射换热分析比较的标准黑体人工黑体一、普朗克定律黑体光谱辐射按波长分布普朗克第一常数：普朗克第二常数：能量经过多次吸收和反射，最终全部被吸收1.普朗克定律:第二节 热辐射的基本定律辐射换热分析比较的标准黑体人工209黑体光谱辐射力分布图普朗克定律所揭示的规律：1.对任一波长，温度越高，黑体光谱辐射力越强。2.对任一温度，黑体光谱辐射力随波长增加先增大后减小。3.对任一温度，黑体光谱辐射力在某个波长会达到一个峰值max。4.随着温度升高，峰值波长max向短波方向移动。黑体光谱辐射力分布图普朗克定律所揭示的规律：210黑体光谱辐射力通用曲线2.维恩位移定律黑体辐射峰值波长与热力学温度乘积为常数Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien(1864-1928)实例：光谱测温实例：金属加热时的颜色变化（随着温度升高，可见光在总能量中所占比例逐渐增加）红外测温仪黑体光谱辐射力通用曲线2.维恩位移定律Wilhelm Car211二、斯蒂芬玻尔兹曼定律黑体辐射力与热力学温度四次方成正比黑体辐射常数或写成：黑体辐射系数Ludwig Boltzmann（1844-1906）某一波段范围内黑体辐射力的计算：可根据T直接查教材表81。黑体辐射函数二、斯蒂芬玻尔兹曼定律黑体辐射常数或写成：黑体辐射系数Lu212材料对太阳辐射能量的选择性吸收材料对太阳辐射能量的选择性吸收213实例一：保温玻璃的原理（短波透过，阻挡长波）实例三：白炽灯照明的能量浪费（2800K的钨丝辐射总能量中，位于可见光波段的能量只占8.8%，其他波段发出的能量对照明不起作用。）实例二：大气层的温室效应白炽灯节能灯实例一：保温玻璃的原理实例三：白炽灯照明的能量浪费实例二：大214三、兰贝特余弦定律黑体辐射具有漫射表面，各方向辐射强度相等Johann Heinrich Lambert(1728-1777)漫发射物体发射的定向辐射强度与方向无关的特性漫反射物体反射的定向辐射强度与方向无关的特性漫射表面同时具有漫发射和漫反射特性的表面黑体的定向辐射力随方向角按余弦规律变化，法线方向的定向辐射力最大1.定向辐射强度:2.定向辐射力:3.辐射力:黑体的半球空间辐射力是任意方向定向辐射强度的倍。三、兰贝特余弦定律Johann Heinrich Lambe215四、基尔霍夫定律实际物体发射率与吸收率的关系1.实际物体的辐射发射率:a.实际物体的光谱辐射力随波长和温度的变化是不规则的，不遵守普朗克定律，如右图所示。为描述实际物体与黑体辐射间关系，定义：发射率：光谱发射率：定向发射率：光谱定向发射率：灰体实际物体在红外波段内可近似地视为灰体四、基尔霍夫定律1.实际物体的辐射发射率:发射率：光谱发射率216b.实际物体的定向辐射强度在半球的不同方向上有些变化，不遵循兰贝特定律，如右图所示。半球平均发射率与法向发射率的关系：（实际发射率修正方法）几种金属导体的定向发射率几种非导电体的定向发射率非金属表面：磨光金属表面：漫射体作以上修正后，实际物体可近似地视为漫射体b.实际物体的定向辐射强度几种金属导体的定向发射率几种非导电2172.基尔霍夫定律：Gustav Robert Kirchhoff(1824-1887)基尔霍夫定律推导过程：如右图，两块平行平板板1为黑体，辐射力、吸收比和表面温度分别为Eb、ab（=1）、T1板2为任意物体，辐射力、吸收比和表面温度分别为E、a、T2 由板1发射被板2吸收的能量：板2能量得失的差额即为板2的热流密度：当体系处于热平衡状态（T1=T2）时，应有q=0，上式变为：T1=T2时，板2的Eb与板1相同，板2的发射率：因而，对于板2有：2.基尔霍夫定律：Gustav Robert Kirchho218基尔霍夫定律基本表达式：对漫射表面：对灰表面：对漫射灰表面：漫射灰表面的适用条件参与辐射的各物体温差不是很大（太阳辐射不适用）物体发射辐射能的能力愈强，吸收辐射能的能力也愈强对黑表面：基尔霍夫定律基本表达式：对漫射表面：对灰表面：对漫射灰表面：219第八章重点：1.表面的热辐射性质2.热辐射四个基本定律第八章重点：220第九章 辐射换热计算影响辐射换热的因素1.表面温度2.表面的几何特性（面积大小、形状）3.表面间的相对位置4.表面的辐射性质辐射换热计算的研究方法辐射热阻法第九章 辐射换热计算影响辐射换热的因素辐射换热计算的研究方221第一节 黑表面间的辐射换热一、任意位置两非凹黑表面间的辐射换热1.两黑表面间的辐射换热:微面积dA1投射到微面积dA2的辐射能:根据兰贝特定律:立体角的定义：代入上式，得：第一节 黑表面间的辐射换热一、任意位置两非凹黑表面间的辐射222微面积dA1和dA2之间的辐射换热量:黑表面A1和A2之间的辐射换热量:同理可得微面积dA2投射到微面积dA1的辐射能:微面积dA1和dA2之间的辐射换热量:黑表面A1和A2之间223微面积dA1对微面积dA2的角系数:微面积dA1对表面积A2的角系数:离开表面1落到表面2的角系数角系数离开表面的辐射能中直接落到另一表面的百分数并不一定被吸收2.角系数：微面积dA1对微面积dA2的角系数:微面积dA1对表面积A2224同理可得，表面积A2对表面积A1的角系数:由两式得出:角系数的互换性仅和几何因素有关，与是否黑体无关，因而可适用于非黑体表面积A1对表面积A2的角系数:同理可得，表面积A2对表面积A1的角系数:由两式得出:角2253.辐射空间热阻：任意两黑表面间的辐射换热计算式:将上式改写为：辐射空间热阻或3.辐射空间热阻：任意两黑表面间的辐射换热计算式:将上式改写226二、封闭空腔诸黑表面间的辐射换热根据能量守恒定律，i表面向外发射的总能量应该等于向所有表面投射的能量之和。将上式两边同除以i，得到:角系数的完整性黑表面i与所有其他黑表面间的辐射换热量：将上式简化为：根据完整性：根据互换性：表面i发射的能量诸黑表面向表面i投射的能量二、封闭空腔诸黑表面间的辐射换热根据能量守恒定律，i表面向外227三个黑表面组成空腔的辐射网络图三、辐射换热的网络计算方法画出辐射换热网络图列出每个表面的辐射净热量方程确定每两个表面间的角系数方程组联立求解重辐射面参与辐射过程中没有净热量交换的绝热表面重辐射面的特点：将投射过来的辐射能全部反射回去，并且是将空间某一方向投射来的能量，转到空间的另一个方向上去。重辐射面在网络图上的处理方法：不和外源相连接，形成浮动节点三个黑表面组成空腔三、辐射换热的网络计算方法画出辐射换热网络228第二节 灰表面间的辐射换热一、有效辐射1.有效辐射：有效辐射J单位时间离开单位面积表面的总辐射能表面1本身辐射表面1投射辐射的反射第二节 灰表面间的辐射换热一、有效辐射1.有效辐射：有效辐229对于漫射灰表面，根据基尔霍夫定律：代入上式消去G1，得：辐射表面热阻表面1向外界的净传热量平衡关系式：有效辐射与投射辐射之差本身辐射与吸收辐射之差2.辐射表面热阻：对于漫射灰表面，根据基尔霍夫定律：代入上式消去G1，得：辐射230二、组成封闭腔的两灰表面间的辐射换热1.辐射换热量计算式：2.系统发射率：式中：系统发射率二、组成封闭腔的两灰表面间的辐射换热1.辐射换热量计算式：22313.三种常见情况的简化：a.两无限大平行灰平壁：b.空腔与内包壁面：c.空腔与空腔内很小的内包壁面：3.三种常见情况的简化：a.两无限大平行灰平壁：b.空腔与内232三、封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热画出辐射换热网络图列出每个节点的热流平衡方程确定每两个表面间的角系数方程组联立求解三灰表面节点方程组三、封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热画出辐射换热网络图列出每个233三表面系统的两个特例表面3为黑体表面3为重辐射面表面3无表面热阻，直接连接外源表面3不连接外源，成为浮动节点三表面系统的两个特例表面3为黑体表面3为重辐射面表面3无表面234四、遮热板削弱两表面间辐射换热的方法未加遮热板时：加遮热板时：遮热板辐射网络图四、遮热板削弱两表面间辐射换热的方法未加遮热板时：加遮热235遮热板的例子遮热罩式热电偶水幕墙进一步削弱辐射换热的措施增加总辐射热阻中两项，即减小遮热板两侧的发射率常用材料：铝箔（管道外保温），镀银（保温瓶胆）遮热板的例子遮热罩式热电偶水幕墙进一步削弱辐射换热的措施236第三节 角系数的确定方法一、积分法确定角系数以微表面积dA1向与之平行的直径为D的圆A2辐射的角系数为例，对角系数进行推导：环形微元体面积：两微面积法向与连线夹角：两微面积距离：第三节 角系数的确定方法一、积分法确定角系数以微表面积dA237由角系数表达式：为便于计算，表面间不同相对位置的角系数制作成线图，见教材图9-18（两平行长方形表面），图919（两同轴平行圆盘），图920（两垂直长方形）由角系数表达式：为便于计算，表面间不同相对位置的角系数制作成238二、代数法确定角系数线图应用范围的扩大角系数的分解性二、代数法确定角系数线图应用范围的扩大角系数的分解性239复杂情况下角系数的确定方法在图918，919，920的基础上，利用角系数三个特性，对适用范围进行拓展角系数的互换性角系数的完整性角系数的分解性复杂情况下角系数的确定方法角系数的互换性角系数的完整240第九章重点：1.黑表面的辐射计算方法2.灰表面的辐射计算方法3.角系数的三个特性第九章重点：241第十章 传热和换热器研究内容1.在以前知识的基础上，对几种综合传热问题进行分析2.对传热强化和削弱的各种方法进行归纳总结3.换热器的构造原理和设计、校核方法第十章 传热和换热器研究内容242第一节 通过肋壁的传热无肋侧换热：壁的导热：肋侧换热：肋间面积肋片面积肋片平均温度肋片效率：将肋片效率表达式代入肋侧散热量计算式：肋壁总效率：第一节 通过肋壁的传热无肋侧换热：壁的导热：肋侧换热：肋间243肋壁传热量计算式：以光壁面面积为基准：肋化系数以肋壁面面积为基准：肋片强化传热方法的分析：1.提高肋高l，则K提高，但f下降。2.可适当减小肋片间距使提高，但不应小于两个边界层厚度。3.采用柱形、齿形等断续肋破坏边界层。4.肋片应加装于表面传热系数较低的一侧。肋壁传热量计算式：以光壁面面积为基准：肋化系数以肋壁面面244第二节 复合换热时的传热计算复合换热指流体为气体时，壁面上对流和辐射并存的传热方式。复合换热问题的处理方法将辐射换热改写成对流换热计算式的形式，得出辐射换热表面传热系数。对流换热热流密度：辐射换热热流密度：辐射换热表面传热系数：复合换热热流密度：复合换热表面传热系数：第二节 复合换热时的传热计算复合换热复合换热问题的处理方法245复合换热的两种情况：第一种情况：第二种情况：物体处在对流与辐射热平衡状态：冬季地面结霜过程的热平衡复合换热的两种情况：第一种情况：第二种情况：物体处在对流与辐246第三节 传热的增强和削弱增强或削弱传热的三种途径增加（降低）传热系数增加（降低）传热面积增加（降低）传热温差传热量计算式：增强传热的目的节约能源，减少动力消耗。节省金属材料，使设备趋于紧凑，重量轻。控制设备或其零部件的温度，使之安全运行。削弱传热的目的节约能源，降低能量损失。安全防护。环境保护。满足工艺要求。第三节 传热的增强和削弱增强或削弱传热的三种途径增加（降低247一、增强传热的原则1.扩展传热面：肋壁、肋片管、波纹管、板翅式换热面波纹管2.改变流动状况：（1）增加流速：管壳式换热器中增加管程和壳程数（2）流道中加进插入物增强扰动：（3）采用旋转流动装置：涡流发生器（4）采用射流方法喷射传热表面：3.改变流体物性：流体内加添加剂、珠状凝结促进剂涡流发生器一、增强传热的原则1.扩展传热面：波纹管2.改变流动状况：32485.改变换热面形状和大小：（1）采用小直径管、椭圆管：（2）凝结换热中采用水平管：（3）自然对流换热中采用竖管代替竖壁：6.改变能量传递方式：对流辐射板对流辐射板7.靠外力产生振荡，强化传热：4.改变表面状况：（1）增加粗糙度：（2）改变表面结构：多孔金属层增强沸腾换热，沟槽、螺纹结构增强凝结换热（3）表面涂层：降低表面张力促成珠状凝结，提高发射率增强辐射换热多孔金属板5.改变换热面形状和大小：6.改变能量传递方式：对流辐射板249二、削弱传热的原则1.覆盖热绝缘材料：（1）泡沫热绝缘材料：（2）超细粉末热绝缘材料：（3）真空热绝缘层：2.改变表面状况和材料结构：（1）采用选择性涂层增强对投入辐射的吸收，同时削弱本身对环境的辐射换热损失：（2）附加抑制对流的元件：（3）在保温材料表面或内部添加憎水剂：（4）利用空气夹层隔热：保温瓶中的真空热绝缘层太阳能平板集热器二、削弱传热的原则1.覆盖热绝缘材料：2.改变表面状况和材料250第四节 换热器的形式和基本构造间壁式换热器回热式换热器混合式换热器原理冷热流体被壁面隔开冷热流体交替流过由蓄热材料构成的换热器冷热流体直接接触换热效果一般较好最好适用范围不可接触的两种流体可以接触的两种流体可以混合的两种流体例子冷凝器、蒸发器、暖风机回转式空气预热器喷淋冷却塔冷却塔回转式空气预热器电暖风机第四节 换热器的形式和基本构造间壁式换热器回热式换热器混合251一、管壳式换热器2壳程4管程3壳程6管程优点：结构坚固，易于制造，适应性强，处理能力大，高温、高压情况下亦可应用，换热表面清洗较方便。缺点：材料消耗大，不紧凑。管壳式换热器原理管壳式换热器一、管壳式换热器2壳程4管程3壳程6管程优点：结构坚固，易于252传热学第五版ppt课件完整版253传热学第五版ppt课件完整版254二、肋片管式换热器优点：结构紧凑。缺点：肋片侧的流动阻力较大。肋片管式换热器原理肋片管式换热器锅炉省煤器二、肋片管式换热器优点：结构紧凑。肋片管式换热器原理肋片管式255三、板式换热器板式换热器原理板式换热器板式换热器的板片优点：传热系数高，阻力相对较小，结构紧凑，金属消耗量低，拆装清洗方便，传热面可以灵活变更和组合。缺点：易发生内漏，密封材料不能耐高温。三、板式换热器板式换热器原理板式换热器板式换热器的板片优点：256四、板翅式换热器板翅式换热器原理板束体基本结构板翅式换热器翅片形式优点：翅片增加流体的扰动，传热系数很高，结构紧凑。缺点：容易堵塞，清洗困难，不易维修。四、板翅式换热器板翅式换热器原理板束体基本结构板翅式换热器翅257五、螺旋板式换热器螺旋板式换热器螺旋板式换热器内部结构优点：结构紧凑，流动阻力小，传热系数很高，流动冲刷效果好，不易结垢。缺点：不易清洗，清理困难，承压能力低。螺旋板式换热器原理五、螺旋板式换热器螺旋板式换热器螺旋板式换热器内部结构优点：258传热学第五版ppt课件完整版259第五节 平均温度差研究目标确定中的换热器传热计算的特点冷热流体两沿传热面进行换热，其温度沿流向不断变化，因而温度差亦不断变化。顺流逆流顺流和逆流时的对数平均温度差：换热器温差较大一端的冷热流体温度差换热器温差较小一端的冷热流体温度差第五节 平均温度差研究目标确定中的换热器传热计算的特点260其他流动方式的平均温度差计算方法：按逆流方式计算计算出对数平均温差 计算 查表得出温差修正系数 平均温差其他流动方式的平均温度差计算方法：按逆流方式计算计算出对261一侧流体混合，一侧流体不混合的一次交叉流两侧流体均不混合的一次交叉流一侧流体混合，一侧流体不混合的一次交叉流两侧流体均不混合的一262单壳程2、4、6管程的壳管式换热器相同的进出口温度下，逆流换热器具有最大的平均温差。相变换热的平均温度差：饱和热流体凝结换热饱和冷流体沸腾换热饱和热流体凝结：饱和冷流体沸腾：单壳程2、4、6管程的壳管式换热器相同的进出口温度下，逆流换263第六节 换热器计算换热器计算基本公式换热器传热量热流体失热量冷流体得热量换热器计算类型设计计算校核计算根据换热要求，计算换热器换热面积对现有换热器计算其能达到的出口温度第六节 换热器计算换热器计算基本公式换热器传热量热流体264一、平均温差法(LMTD法)1.计算步骤：见右图开始N结构设计tm和 假定tWK校核tW传热面积A管长lY阻力校核Y结束N2.特点：比较适合设计计算一、平均温差法(LMTD法)1.计算步骤：见右图开始N结构设265二、传热单元数法(NTU法)1.效能 换热器实际传热量与最大可能传热量之比当冷流体M2c2较小时：当热流体M1c1较小时：2.传热单元数NTU 无量纲传热系数3.计算步骤：NTU t1或 t2 查表4.特点比较适合校核计算二、传热单元数法(NTU法)1.效能 换热器实际传266第七节 换热器性能评价简述换热器选型和设计的要求：a.达到生产过程的换热要求（换热量、温度等）b.强度可靠c.便于制造、安装和检修d.经济合理换热器性能评价指标：热力学性能、传热性能、阻力性能、机械性能、可靠性、经济性等换热器性能评价方法：a.单一性能评价b.传热量与功率消耗比的评价c.传热面积与其他性能比的评价d.能量转换和利用性能比的评价第七节 换热器性能评价简述换热器选型和设计的要求：换热器性267第十章重点：1.肋壁传热和复合传热的计算2.强化传热和削弱传热的手段3.换热器及其计算第十章重点：268