传热学复习.doc

第一部分：绪论、导热理论基础一、基本概念1.热传导：物体中温度不同的各部分无相对位移或不同温度的物体直接接触时，依靠分子、原子及自由电子的热运动而进行的热量传递现象。或：物体各部分相对静止或不同物体紧密接触时，由于温度不同而发生的热量传递现象。2.传热过程：热量由固体壁面一侧的流体穿过壁面传到另一侧的流体中的过程。两种温度不同的流体通过固体壁面交换热量的过程。3.热对流：依靠流体的运动，将热量从一处传递到另一处的现象。或：流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递现象。4.对流换热：流体与直接接触的固体表面有相互运动时，由于二者的温度不同，所发生的换热过程。或：流体与固体直接接触时的换热过程。5.热辐射：依靠物体表面对外发射可见或不可见的射线(电磁波)来传递热量的过程。或：因热的原因通过电磁波发出辐射能的过程。6.辐射换热：温度不同的表面之间以热辐射的方式进行热量交换的现象。7.传热热阻：是传热过程各传热环节的热阻之和，R KA = 1/W，K 为传热系数。8.传热系数：冷热流体温差1时，通过单位固壁面积传递的热量值。单位是W/m2。它反映传热过程激烈的程度。表示传热过程强弱程度的物理量。9.热流量：单位时间所传递的热量称为热流量，以 表示，其单位为W。10.热流通量：单位时间，通过单位面积所传递的热量称为热流通量，以q表示，其单位为W/m2。11.温度场：物体中各点温度值的总和。12.等温面：同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面叫做等温面。13.等温线：不同的等温面与同一平面相交，则在此平面上构成一簇曲线，称为等温线。14.温度梯度：两等温面之间的温度差t 与其法线方向的距离n 的比值的极限，称为温度梯度。记为gradt，它是一个向量，正向朝着温度增加的方向。15.温度降度：温度梯度的负值“-gradt”叫做温度降度，它的数值与温度梯度相等而方向相反。16.导温系数：物体内各部分温度趋于均匀一致的能力。a=/(c)，单位m2/s。17.内热源强度：物体单位体积单位时间内所发出的热量称为内热源强度，以符号qv 表示，其单位为w/m3。18.导热系数：物体中温度降度为1/m 时，单位时间内通过单位面积的导热量。它表征物质导热能力的大小，单位是W/m。二、基本理论1.傅立叶定律2.牛顿冷却公式3.热扩散率4.时间条件：对非稳态导热来说，必须给出过程开始时刻物体内的温度场，所以时间条件又被称为初始条件。稳态导热过程因为与时间无关，所以不存在初始条件。5.边界条件：说明物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称为边界条件。第一类边界条件：说明物体边界的温度分布。第二类边界条件：说明物体边界的热流密度。第三类边界条件：给出h、tf，说明物体边界导热量与对流换热量的能量平衡关系。三、典型例题1. 傅立叶定律的物理意义及适用条件？其表达式中并不显含时间，为什么可用以计算非稳态导热？物理意义：任意时刻，各向同性的连续介质中任何地点的局部导热热流密度数值上与该点的温度梯度成正比，方向相反，比例系数为导热系数。适用条件：各向同性的连续介质的稳态和非稳态导热。其表达式中 = Aq = Agradt，温度场t本身可以是时间的函数（即非稳态导热），因此傅立叶定律可用以计算非稳态导热。2. 为什么潮湿的多孔材料的导热系数不但比干多孔材料的导热系数大而且还比水的导热系数大?答：因为水分的渗入替代了相当一部分空气，而且更重要的是，当潮湿材料有温度梯度时，水和湿汽顺热流方向迁移(即从高温区向低温区迁移)，同时携带很多热量，温度梯度越大，这种“迁移”量就越大，致使潮湿多孔材料的导热系数不仅比干多孔材料的导热系数值大，而且比水的导热系数值还大。3. 简述导热理论分析方法的基本思路答：1)简化分析导热现象，根据几何条件、物理条件简化导热微分方程式。2)确定初始条件及各物体各边界处的边界条件，每一维导热至少有两个边界条件。得到导热现象的完整数学描述，包括：导热微分方程式和单值性条件。3)分析求解，得出导热物体的温度场。4)利用傅立叶定律和已有的温度场最终确定热流量。5.冰雹落地后即慢慢融化，试分析一下，它融化所需的热虽是由那些途径得到的?答：共有3个途径：冰雹与地面接触处的导热；冰雹表面与周围空气的热对流与导热（对流换热）；冰雹表面与周围固体表面的热辐射。9.一般保温瓶胆为真空玻璃夹层，夹层内两侧镀银，为什么它能较长时间地保持热水的温度?并分析热水的热量是如何通过胆壁传到外界的?什么情况下保温性能会变得很差？答：保温瓶胆为真空玻璃夹层，其目的是保证夹层散热方式仅是热辐射而没有对流换热方式，同时夹层内两测镀银是为了提高表面反射率，以降低热辐射散热，因此保温瓶可以较长时间地保持热水温度。热水散热的途径：热水 对流换热 内胆内壁面 导热 内胆外壁面 热辐射外胆内壁面 导热 外胆外壁面 对流换热 室内空气；内胆外壁面 对流换热 夹层空气 对流换热 外胆内壁面 导热 外胆外壁面 对流换热 室内空气。当保温瓶胆的真空玻璃夹层成为空气夹层（即失去真空）时，由于内壁外壁面与外壁内壁面之间的热量传递不仅仅是热辐射，还有对流换热（其强度大于热辐射），所以，此时保温瓶保温性能会变的很差。6.一厚度为50mm的无限大平壁，其稳态温度分布为。式中a=200，b=2000/m2。若平壁材料导热系数为45W/m.，试求：(1)平壁两侧表面处的热流通量；(2)平壁中是否有内热源?为什么？若有的话，它的强度应是多大？解：（1）利用傅立叶定律确定热流密度：（2）或：根据 ，得：9.一半径为R的实心球，初始温度均匀并等于，突然将其放入一温度恒定并等于的液体槽内冷却。已知球的热物性参数、和，球壁表面的对流换热系数为h，试写出描写球体冷却过程的完整数学描述。解：该球经历了一维、非稳态、无内热源、导热系数为常数的导热现象，其完整的数学描述为：第二部分：稳态导热一、基本概念1.接触热阻：当两个固体表面不是完全平整的面接触时，界面上产生的对导热过程的额外的热阻。它与接触面的表面状况、材料硬度匹配及压力等有关。2.肋片效率：肋片的实际散热量与假定整个肋片表面处在肋基温度t0 时的理想散热量的比值。二、典型导热现象特征与计算1.无限大平壁稳态导热（C）特征单层无限大平壁内部温度分布为直线；多层无限大平壁内部温度分布为折线；斜率大小由导热系数决定；无限大平壁内部各处热流通量处处相等；传热总热阻为各个环节热阻之和。2. 无限长圆筒壁稳态导热（C）3.肋壁的稳态导热第三部分：非稳态导热一、基本概念1. 非稳态导热2. 毕渥准则数3. 傅立叶准则数4.正常热状况阶段：过余温度对数值随时间变化率不变5.蓄热系数：它表示当物体表面温度波振幅为1时，导入物体的最大热流量。二、典型导热现象特征与计算1.瞬态非稳态导热三个阶段依据温度变化的特点，可将加热或冷却过程分为三个阶段：不规则情况阶段、正常情况阶段、建立新的稳态阶段。2.周期性非稳态导热三个基本特性温度波衰减、温度波时间延迟、温度波的传播特性。三、换热计算求解方法：（任务： 确定温度分布、加热或冷却时间、热量）1.先校核Bi 是否满足集总参数法条件，若满足，则优先考虑集总参数法；2.如不能用集总参数法，则尝试用诺谟（Heisler）图或近似公式；3.若上述方法都不行则采用数值解。1.一块被烧至高温(超过400)的红砖，迅速投入一桶冷水中，红砖自行破裂，而铁块则不会出现此现象。试解释其原因。答：红砖的导热系数小，以致Bi 较大，即在非稳态导热现象中，内部热阻较大，当一块被烧至高温的红砖被迅速投入一桶冷水中后，其内部温差较大，从而产生较大的热应力，则红砖会自行破裂。第四部分：对流换热部分I.名词解释1.流动(速度)边界层：当具有粘性且能润湿壁的流体流过壁面时，由于摩擦力的作用，使靠近壁面附近的流体速度降低，直至紧贴壁面处的流体速度为零。即产生如图的速度分布。曲线0、ux=0，增大，ux 增大，= 时，ux 接近主流速度u。将减速的区域( 的薄层)称为流动(速度)边界层。通常规定ux/u=0.99 处作为流动边界层的界限，其厚度用 表示。2.热(温度)边界层：当流体流过与其温度不同的壁面时，除了会形成一个流动边界层之外，还因受热或冷却，使靠近壁面附近的流体温度发生变化，即产生如图的温度分布。曲线、w；t，f ，01，虽然1，故：肋化使传热系数和传热量提高。加肋后对流换热热阻降低的程度与1/()有关肋片间距、肋高、肋的材料及制造工艺。（1）减小肋片间距：肋的数量增多，肋壁表面积增大， 增大；减小肋间距可增强肋间流体扰动有利于减小热阻。但有限制：肋间距不应小于热边界、层厚度的2 倍，以免降低传热温差。可采用不连续的断肋：柱形、齿形，破坏边界层。（2）肋片高度：l_f； l_A2_ 。应综合考虑：当h1 与h2 相差35倍时（如：制冷系统中的冷凝器），可使用 较小的螺纹管。当h1 与h2 相差10倍以上时（如：蒸汽-空气加热器），可选用 高的肋片。2. 强化传热的基本途径及其内涵。由传热公式=kAt 可看出，增加k、A、t 三项中的任一项均可使 增大达到增强传热的目的。扩展传热面：以此方法来增强传热，并不是单纯依靠增强设备体积和台数来达到增加传热面积和传热量，而是应合理提高换热设备单位体积的传热面积而达到增强传热的目的。加大传热温差：改变冷热流体温度和采用不同流体流向布置方式均有可能提高温差，而前者常受到许多限制。提高传热系数：分析传热过程各项热阻，降低其中最大项热阻值，可有效地提高传热系数。三典型例题6. 选用管壳式换热器，两种流体在下列情况下，何种应安排在管内?何种应在管外?(1)清洁的和不清洁的；(2)腐蚀性小的和强的；(3)温度高的和常温的I(4)高压的和常压的；(5)流量大的和小的；(6)粘度大和粘度小的；(7)密度大的和密度小的。如果不限于管壳式，试问针对这几种情况，选用何种类型换热器较合适?答：(1)不清洁流体应在管内，因为壳侧清洗比较困难，而管内可定期折开端盖清洗；(2)腐蚀性大的流体走管内，因为更换管束的代价比更换壳体要低，且如将腐蚀性强的流体置于壳侧，被腐蚀的不仅是壳体，还有管子。(3)温度低的流体置于壳侧，这样可以减小换热器散热损失；(4)压力大的流体置于管内，因为管侧耐压高，且低压流体置于壳侧时有利于减小阻力损失。(5)流量大的流体放在管外，横向冲刷管束可使表面传热系数增加。(6)粘度大的流体放在管外，可使管外侧表面传热系数增加。13. 一换热器，重油从300冷却到180，而石油从20被加热到150，如换热器流动方式安排成(1)顺流；(2)逆流；(3)交叉流(石油为不混合)，问平均温差各为若干?解：顺流：，逆流：，交叉流：由P、R查教材P288图10-14得：温差修正系数平均温差为：逆14. 流量0.1kg/s、=2.1kJ/kg.、=350的油把相同流量的水从100加热到200，今有两个套管换热器，(1)k=500W/m2.，A=0.8m2；(2)k=400W/m2.，A=1.2m2，问选哪一个并应用何种流动方式才能满足要求?解：先确定热流体出口温度：由定性温度，得由热平衡方程式，得确定LMTD：因，显然该换热器为逆流流动方式，确定换热量：套管换热器：套管换热器：显然，虽然是逆流方式，两个换热器均不满足要求，更接近一些。23. 一逆流套管换热器，其中油从100冷却到60，水由20加热到50，传热量为2.5 104W，传热系数350W/m2.，油的比热容2.131kJ/kg.，求换热面积?如使用后产生污垢，垢阻为0.004m./W，流体入口温度不变，问此时换热器的传热量和两流体出口温度各为多少?解：确定换热面积LMTD法：，由，得-NTU法：因t油t水，则油的热容量小，所以换热器效能由热平衡方程式得：由查P279图10-18得：由NTU定义知：确定产生污垢热阻后的参数需采用-NTU法传热系数由NTU=0.376及查P279图10-18得：而，则热流体出口温度由热平衡方程式得：换热量冷流体出口温度26. 流量为5000kg/h，入口温度为300的水，通过单壳程、四管程的换热器，能将另一侧流量为10000kg/h的冷水从35加热到120，设此时传热系数为1500W/