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第三章热传递的基本原理 1 1 概述 一 传热学 Heattransfer 研究热量传递规律的一门科学 热量传递的机理 规律 计算和测试方法 热量传递过程的推动力 温差 热力学第二定律 热量可以自发地由高温热源传给低温热源 有温差就会有传热 TheSecondLawofThermodynamics 2 二 传热学与工程热力学的关系 热力学第一定律 热力学研究平衡态 传热学研究过程和非平衡态 传热学 热量Q传递过程的规律 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础即 热量Q传递始终是从高温物体向低温物体传递 在热量传递过程中若无能量形式的转换 则热量始终保持守恒 工程热力学 热能的性质 热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律 ThermodynamicEquilibrium EngineeringThermodynamics TheFirstLawofThermodynamics 3 传热学与工程热力学研究的问题不同 热力学 tm Q 传热学 过程的速率 4 三 传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍 日常生活中的例子 人体为恒温体 若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度 那么在冬天与夏天 人在房间里所穿的衣服能否一样 为什么 夏天人在同样温度 如 25度 的空气和水中的感觉不一样 为什么 北方寒冷地区 建筑房屋都是双层玻璃 以利于保温 如何解释其道理 越厚越好 5 在下列技术领域大量存在传热问题动力 化工 制冷 建筑 机械制造 新能源 微电子 核能 航空航天 微机电系统 MEMS 新材料 军事科学与技术 生命科学与生物技术 6 航空航天 高温叶片气膜冷却与发汗冷却火箭推力室的再生冷却与发汗冷却卫星与空间站热控制空间飞行器重返大气层冷却超高音速飞行器 Ma 10 冷却核热火箭 电火箭微型火箭 电火箭 化学火箭 太阳能高空无人飞机 微电子 电子芯片冷却 7 生物医学 肿瘤高温热疗生物芯片组织与器官的冷冻保存 军事 飞机 坦克激光武器弹药贮存 制冷 跨临界二氧化碳汽车空调 热泵高温水源热泵 新能源 太阳能燃料电池 8 传热学基本内容 1 导热Heatconduction 2 对流换热Convectionheattransfer 3 热辐射及辐射换热Thermalradiationandradiationheattransfer 4 传热过程与换热器Heattransferandheatexchanger 2热量传递的基本方式 热量传递基本方式 热传导 热对流 热辐射 9 一 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 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 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中 物质的属性 可以在固体 液体 气体中发生 10 导热的理论基础 导热 HeatConduction 一 温度场 Temperaturefield 某时刻空间所有各点温度分布的总称温度场是时间和空间的函数 即 Steady stateconduction Transientconduction 11 二 等温面与等温线 1 温度不同的等温面或等温线彼此不能相交 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 用一个平面与各等温面相交 在这个平面上得到一个等温线簇 等温面与等温线的特点 2 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 或者就终止与物体的边界上 物体的温度场通常用等温面或等温线表示 12 等温面上没有温差 不会有热传递 三 温度梯度 Temperaturegradient 不同的等温面之间 有温差 有导热 13 温度梯度 沿等温面法线方向上的温度增量与法向距离比值的极限 gradt 直角坐标系 Cartesiancoordinates 注 温度梯度是向量 正向朝着温度增加的方向 14 导热的基本定律 热流量 单位时间传递的热量 W 平壁两侧壁温之差 热导率 导热系数 1822年 法国数学家Fourier A 垂直于导热方向的截面积 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 Fourier sLaw Heatflux Thermalconductivity 15 三 傅里叶定律 Fourier slaw 1822年 法国数学家傅里叶 Fourier 在实验研究基础上 发现导热基本规律 傅里叶定律 导热基本定律 垂直导过等温面的热流密度 正比于该处的温度梯度 方向与温度梯度相反 热导率 导热系数 直角坐标系中 注 傅里叶定律只适用于各向同性材料各向同性材料 热导率在各个方向是相同的 16 四 热导率 Thermalconductivity 热导率的数值就是物体中单位温度梯度 单位时间 通过单位面积的导热量 物质的重要热物性参数 影响热导率的因素 物质的种类 材料成分 温度 湿度 压力 密度等 热导率的数值表征物质导热能力大小 实验测定 17 注 传热学中热流量的单位是 W 而非 J W J s 热流量是单位时间传递的热量 它体现了传热的速率或快慢 传热是一个过程 而非平衡态 这与热力学有区别 导热热阻 与直流电路的欧姆定律I U R相似 18 1 第一类边界条件下通过平壁的一维稳态导热 1 单层平壁 a 为常数 无内热源时 直接积分 得 五 通过平壁的导热 19 导过平壁的热流量 根据边界条件 得 平壁内温度分布 热流密度 线性分布 20 2 多层平壁 多层平壁 由几层不同材料组成 例 房屋的墙壁 白灰内层 水泥沙浆层 红砖 青砖 主体层等组成 假设各层之间接触良好 可以近似地认为接合面上各处的温度相等 温差除以热阻之和 21 对于多层 n层 平壁 22 六 通过圆筒壁的导热 工程上许多导热体是圆筒形的 如 热力管道 换热器中的管道等 一维径向稳态导热 a 导热微分方程 1 第一类边界条件下通过圆筒壁的导热 1 单层圆筒壁 圆筒壁的外半径小于长度的1 10时 可以看作无限长 内 外壁温保持不变时 不必考虑轴向和周向导热 假设 单圆筒的长度为L 热导率为定值 无内热源 23 b 几何条件 单层圆筒壁 r1 r2 c 物理条件 已知 无内热源 e 边界条件 r r1 t tw1 r r2 t tw1 d 时间条件 a 导热微分方程 24 圆筒壁内温度分布 25 圆筒壁内温度分布 圆筒壁内温度分布曲线的形状 26 圆筒壁内导热热流量 单位长度圆筒壁的热流量 27 2 多层圆筒壁 由不同材料构成的多层圆筒壁 其导热热流量可按总温差和总热阻计算 n层圆筒壁 28 二 热对流 Convection 流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导 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 若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度t1处流至温度t2处 则此热对流过程传递的热流量为 对流换热 流体与固体壁间的换热 Convectionheattransfer 29 对流换热概述 对流换热 Convectionheattransfer 一 对流换热 对流换热 流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程 对流换热实例 1 暖气管道 2 电子器件冷却 对流换热与热对流不同 既有热对流 也有导热 不是基本传热方式 30 对流换热的特点 1 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 2 必须有直接接触 流体与壁面 和宏观运动 也必须有温差 3 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响 紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层 对流换热的基本计算式 牛顿冷却公式 1701 31 表面传热系数 对流换热系数 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 如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题 研究对流换热的方法 1 分析法 2 实验法 3 比拟法 4 数值法 32 二 对流换热的影响因素及对流换热的分类 对流换热 导热 热对流 对流换热的分类 影响因素 流动起因 流动状态 流体有无相变 换热表面的几何因素 流体的热物理性质等 1 流动起因 自然对流 流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动 强制对流 由外力 如 泵 风机 水压头 作用所产生的流动 Freeconvection Forcedconvection 33 2 流动状态 层流 整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流 流体质点做复杂无规则的运动 紊流 3 流体有无相变 单相换热 相变换热 凝结 沸腾 升华 凝固 融化等 Laminarflow Turbulentflow Singlephaseheattransfer Phasechange Condensation Boiling 34 4 换热表面的几何因素 内部流动对流换热 管内或槽内 外部流动对流换热 外掠平板 圆管 管束 5 流体的热物理性质 热导率 密度 比热容 动力粘度 运动粘度 体胀系数 35 综上所述 表面传热系数是众多因素的函数 36 对流换热分类 37 相似理论在对流换热中的应用 实验研究是传热学研究中的主要和可靠手段 尤其是复杂的传热学问题 问题 如何进行实验研究 尽管数值传热学发展很快 但实验研究仍是检验数值模拟和数学模型正确与否的唯一方法 相似理论指导下的实验研究 表面传热系数是众多因素的函数 有些影响因素相互制约和影响 如 温度与热物性 如果采取逐个研究各变量的影响 实验工作量极为庞大 也极难进行 38 相似准则 无量纲 它们对于两个现象是否对应相等是判断这两个现象是否相似的必要条件 相似特征数 相似准则 以杰出科学家的名字命名 39 管内强迫对流换热的特点及几个重要的物理量 2 层流 紊流 临界雷诺数Rec 2300 1 流动进口段与充分发展段 40 管内强迫对流换热特征数关联式 换热计算时 先计算Re判断流态 再选用公式 大多数计算关联式是前人根据实验数据整理的 a 迪图斯 贝尔特 Dittus Boelter 关联式 1紊流换热 适用的参数范围 评价 误差大 适用于壁面与流体温差不很大时 41 或 b 光滑长管 强制对流换热 2 层流 Re 2300 42 有相变的对流换热 1 凝结换热当蒸汽与低于其相应压力下的饱和温度的壁面