唐老师传热学教学课件完整版本.ppt

1 第十章几个专题 2 第十章几个专题 10 1太阳能利用中的传热问题 371页 10 2热管及其应用 376页 10 3射流冲击换热 379页 10 4传质过程简介 382页 10 5传热学在科学技术领域中的应用 392页 3 10 1太阳能利用中的传热问题 太阳是个炽热的气团 它的内部不断地进行着核聚变反应 由此产生的巨大能量以辐射方式向宇宙空间发射出去 到达地球大气层外缘的能量 具有如图10 1中位置较高的实线所示的光谱特性 近似于温度为5762K的黑体辐射 4 日地间的距离在一年中是有变化的 在日地平均距离处 大气层外缘与太阳射线相垂直的单位表面积所接受到的太阳辐射能为 此值称为太阳常数 记为Sc 它与地理位置或一天中的时间无关 实际上 大气层外缘水平面上每单位面积接受到的太阳辐射能为 式中 f 地日距离修正系数 f 0 97 1 03 太阳射线与地面法线间的夹角 称天顶角 5 在太阳能利用中会碰到许多传热问题 现以太阳能集热器为例来分析 太阳能集热器是将太阳能转换成工质 水 的热能的设备 典型的集热器如图10 3所示 太阳能在穿过透明的盖板后投射到吸热面上 为了提高效率 在吸热面上常涂有对太阳辐射具有很高光谱吸收比的涂层 所谓太阳能集热器的效率 可定义为集热器的有效收益热流密度qg与投入集热器的太阳辐射Gs的比值 即 6 提高太阳能集热器效率的途径是 在保持最大限度采集太阳辐射的同时 尽可能减小其对流和辐射热损失 措施之一是 利用对太阳光透明的玻璃或塑料薄膜使吸热面不直接暴露于外界环境 如图10 4所示 普通玻璃对 m的热辐射有很高的穿透比 而对 m的热辐射的穿透比很小 于是大部分太阳辐射能穿过玻璃进入有吸热面的腔内 而吸热面发出的常温下的长波辐射却被玻璃阻隔在腔内 从而产生了所谓温室效应 7 吸热面的辐射特性对集热器效率也是重要的 以图10 3所示的平板型集热器为例 在热稳态情况下 集热器单位面积的热平衡方程为 可采用灰体平行平板间的辐射换热公式计算 代入式 10 3 化简 得 8 太阳能利用中吸热面材料理想的辐射特性应是 在0 3 3 m的波长范围内的光谱吸收比接近于1 而在大于3 m的波长范围内的光谱吸收比接近于零 即要求 s尽可能大 而 尽可能小 用人工的方法改造表面 如对材料表面覆盖涂层是提高 s 值的有效手段 这种涂层称为光谱选择性涂层 如在铜材上电镀黑镍镀层 其吸收比特性如图10 5中曲线2所示 黑镍镀层的厚度对表面特性的影响示于表10 1 9 表10 1黑镍镀层厚度对辐射特性的影响 镀层表面温度为50 C 由表中可以看出 黑镍镀层使 s 值可提高到10左右 10 不仅人工研制的涂层表面对太阳能的吸收比不等于其自身的发射率 一般材料也常是如此 表10 2部分材料对太阳辐射的吸收比及自身发射率 11 10 2热管及其应用 热管是20世纪60年代发展起来的具有特别高的导热性能的传热元件 图10 6为其工作原理示意图 工作液在热管内循环流动 把热量从加热段传递到散热段 12 带有吸液芯的热管有突出的优点 对蒸发段与冷凝段的位置没有任何限制 但其制造成本较高 多用于航天事业中 地面上常采用依靠重力回流冷凝液的重力热管 这时冷凝段必须位于蒸发段之上 如图10 7所示 重力热管中应用最广的是钢 水热管 钢 水热管在运行过程中会产生不凝结气体 氢气 并最终聚集到冷凝段使凝结换热恶化 以致使热管性能变坏或失效 这种现象称为钢 水的不相容性 13 下面我们以一根钢 水重力热管为例来分析其热传递过程中各个环节的热阻大小 设热管的外径do 25mm 内径di 21mm 蒸发段长度le及冷凝段长度lc均为1m 碳钢导热系数 43 2W m K 热量从热流体传到冷流体的过程中各个环节的热阻如下 设蒸发段外表面总表面传热系数为ho e 则 1 从热流体到蒸发段外壁的换热热阻R1 2 从蒸发段外壁到内壁的导热热阻R2 14 3 蒸发段换热热阻R3设蒸发换热的表面传热系数hi e 5000W m2 K 则 4 从蒸发段到冷凝段蒸汽流动的压降所引起的热阻R4蒸汽的压降导致饱和温度下降 这等价于存在一个热阻 但实际上由于压降很小 因而所引起的相应的温差也很小 所以R4 0 5 冷凝段固体壁面导热热阻R5R5与R2相同 为6 4 10 4K W 15 6 冷凝段换热热阻R6取凝结换热的表面传热系数为hi c 6000W m2 K 则 7 冷凝段外管壁与冷流体间的换热热阻设冷流体的总表面传热系数为ho c 则 在R1 R7中 属于热管内部的热阻为R2 R6 其和为6 78 10 3K W 一根长2m 直径为25mm的铜棒的热阻是上述钢 水热管的1500倍 热管的这种特别优良的导热性能又被称为 超导热性 16 10 3射流冲击换热 当需要在换热表面的局部地区产生强烈的换热效果时 可采用冲击射流 冲击射流已广泛用于平板玻璃回火 金属薄板退火 纺织品或纸张干燥 燃气轮机叶片冷却及电子器件冷却等技术中 在这种换热方式中 气体或液体在压差作用下通过一个圆形或窄缝形喷嘴垂直 或成一定倾角 地喷射到被冷却的表面上 从而使直接受到冲击的区域产生很强的换热效果 如图10 9 10 10所示 射流到达壁面前的区域称为自由射流 抵达壁面后 射流向四周沿着壁面流开 形成贴壁射流区 固体表面上正对喷嘴中心处称为滞止区 这里的局部换热强度特别高 17 图10 11示出了一些典型情况下滞止区及其附近局部表面传热系数的变化情况 滞止区以外的射流冲击区域中的平均换热特性为 18 函数f1 f2 f3可按以下公式计算 式 10 6 10 7 的适用范围为 在玻璃 纸张等的冷却或干燥工艺中还经常采用狭缝冲击射流 此时喷嘴出口形状为狭长的长方形 一般其宽度小于长度的十分之一 19 10 4传质过程简介 在含有两种或两种以上组分的流体内部 如果有浓度梯度存在 则每一种组分都有向低浓度方向转移 以减弱这种浓度不均匀的趋势 混合物的组分在浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质 亦称质量传递 正如温度差是热量传递的推动力那样 浓度差是质量传递的推动力 衣服的晾干是日常生活中遇到的空气 水分二元混合物的传质现象 在能源 动力 低温工程 化工及环境保护等工程领域中 存在着大量的物料干燥 加湿 去湿 吸收 脱吸等传质过程 由于分子运动而引起的质量传递过程称为质扩散 由于对流掺混而引起的质量传递称为质对流 20 一 混合物浓度的表示方法 组分的浓度通常用质量浓度 和物质的量浓度c表示 其定义为 式中 分别为混合物容积V中组分A及B的质量 分别为混合物容积V中组分A及B的物质的量 21 二 质扩散裴克 Fick 定律及典型扩散过程 如图10 12所示 组分A及组分B被分隔在容器的两侧 抽去隔板时 由于浓度梯度的存在组分A B相互扩散 单位时间内在垂直于质量扩散方向的面积上所扩散的组分 可用裴克定律计算 DAB为比例系数 称为质扩散率 下角码AB表示物质A向物质B扩散 负号表示质量通量密度及物质的量的通量指向浓度降低的方向 22 两种典型的扩散过程1 等摩尔逆向扩散 如图10 13所示 设组分A B以相同的物质的量的通量密度向相反方向扩散 则称这种扩散过程为等摩尔逆向扩散 计算式为 23 因为NA NB 故得 则有 在气体分离的蒸馏过程中 当低沸点组分和高沸点组分的潜热相近时 高沸点组分凝结释放出的热量使相同物质的量的低沸点组分汽化 则该过程可近似地按等摩尔逆向扩散来处理 24 2 单向扩散 考虑如图10 14所示的量筒底部的水层向顶部大气的扩散过程 由于水面上水分的蒸发 水蒸气不断地向上扩散 设在量筒口有一股极低流速的气流不断地把水蒸气带走 则可建立起一个稳态的扩散过程来 假设 1 扩散过程是稳态的 2 系统是等温的 3 水面上方气空间的压力p0为常数 4 混合气体可以作为理想气体处理 25 由假定知 空气在水中的溶解度几乎为零 因而不能向水中扩散 在这一过程中水面上的水蒸气不断向空气扩散 而空气不能进入水面 因而称为单向扩散 量筒口处空气的分压力要大于水面上的分压力 必然有空气不断地从量筒口向量筒底扩散 会在水平面上积聚起越来越多的空气 为了维持一个稳定的扩散过程 设想有一股沿水面法线方向向上流动的混合气流 夹带有空气 以补偿从量筒口向水面的空气扩散 在量筒任一截面上这股气流的流速应使此处空气的净质量交换率为零 即 26 该截面上水蒸气的总质量交换率为 对于理想气体 有 27 将式 e 代入式 d 得 这是在裴克定律的基础上考虑了单向扩散后得出的物质的量的通量密度计算式 称为斯蒂芬 Stephan 定律 将式 a 代入式 10 16 得 积分得 28 若以水蒸气的气体常数Rw来代替摩尔气体常数R 则计算得到的是质量通量密度 即 式 10 17 10 18 称为斯蒂芬定律的积分表达式 29 三 对流传质及表面传质系数 对流传质是指当流体流经一个相界面时与界面之间发生的质量交换 计算公式为 30 四 质量与热量同时传递的过程 以干湿球温度计为例来分析传热 传质过程中的温度差及浓度差之间的关系 如图10 16所示 当一股温度为t 水蒸气质量浓度为 的气流吹过湿球时同时发生着对流传质及对流传热 单位水膜面积上的质交换为 单位面积上的换热量为 31 10 5传热学在科学技术领域中的应用 1 选用或发展合适的换热关联式 以便有效地设计各类热交换设备 在能源 动力 化工 冶金等工程部门中大量地使用着各类热交换设备 如火力发电厂中的锅炉以及火力发电厂 核电厂的汽轮机系统中的凝汽器 除氧器 加热器 冷却塔 制冷与空调装置中制冷介质的蒸发器与冷凝器 石油 化工生产中用的加热器 重沸器 蒸馏釜 冶金工业中的各种加热炉 热风炉等都是热交换设备 传热学的应用几乎涉及到每一个技术领域 以下我们从10个方面概要介绍生产技术领域中应用传热学的目的或传热学在发展某些科学技术领域中的作用 32 2 利用或开发各种强化换热的手段 以提高传热效果 降低材料消耗 改进设备紧凑性 由于在许多工艺或生产过程中换热器的投资占设备总投资相当大的比例或者是工艺过程的关键环节 因而如何强化传热 提高经济性就成为一项重要的工作 近20年来涌现出来的各种翅片管 紧凑式换热器以及强化制冷剂凝结与沸腾的多种强化表面就是适应这种需要的结果 33 大型发电机中的定子线圈与转子线圈 电子器件中大规模集成电路的芯片以及核反应堆中的燃料棒 在运行中都会产生大量的热量 燃气轮机中转子上的叶片 各种车辆发动机中的汽缸及重返大气层时航天器的壳体 在运行过程中都受到强烈的加热 必须及时把这些热量有效地传递出去 才能保证设备的安全经济运行 3 开发或选择有效的冷却方法 以提高发热 受热 元件或设备的冷却效果 保障设备的安全 经济运行 34 4 设计绝热工程 开发绝热技术 以节约能量 保护环境 几乎在所有的热能利用与热量传递场合 都会遇到不同程度的绝热问题 例如各种工业炉 窑的炉墙保温 工业与民用建筑的采暖与保温 冷冻 冷藏食品的保存 特别是低温与极低温 4K 环境的保持都需要利用绝热技术 35 5 预测加工制造工艺中工件内部的温度场 以合理地控制生产工艺过程 提高产品质量 或为热应力 热变形的计算提供依据 在金属材料的成型过程中会遇到大量的加热 冷却 金属熔化及液态金属凝固等复杂的传热问题 研究与预测这些工艺过程中工件的温度场的变化 对于控制产品的质量和生产率具有重要意义 各种热力设备 如汽轮机与锅炉的汽包 起动 停车过程中在壁面中形成的温差常比正常运行时大 造成较大的热应力 在这种情况下 必须运用传热学的知识计算温度场 预测热应力 从而制定出可靠的起动 停车制度 电子设备 精密仪表在运行过程中同样存在热变形问题 因此设计时必须对不同环境条件下机内温度工况及变形有合理的计算 36 6 开发新能源 清洁能源 合理利用现有能源 传热学在开发新能源中的作用可以太阳能利用作为典型 在合理利用现有能源方面 可以相变储能技术的开发为例 为了解决普遍存在的日间用电高峰时段供不应求 而后夜低谷时段电力富裕的问题 称为峰谷差 世界各国多采用相变储能技术 即在夜间电网低谷电价较低时 采用电动制冷机将冷量储蓄于蓄冷介质中 如将水变成冰 然后在日间用电高峰期部分或完全停止电动机组的运行 将蓄冷装置中的冷量释放出来 以满足建筑物空调或生产工艺用冷的要求 实现这种蓄冷的关键问题之一是相变换热的规律性研究 37 7 多孔介质中的传热传质是与农业 林业 食品等部门中的许多操作或工艺有关的基本物理过程 多孔介质是构成地球生物圈的最基本的物质形式 土壤 岩层 植物与动物肌体都属于多孔介质 土壤与植物中的水分迁移 食品 木材 药品 农产品的干燥等都与多孔介质中的传热传质问题有关 土壤中热质迁移规律的研究对于土壤中的水分保持 肥 盐 污染物的处理具有重要意义 又如 食品的真空冷冻干燥过程是多孔介质中具有运动相界面的传热传质问题 这种方法可保留新鲜食品的色 香 味及维生素 是新一代的高质量食品保存方法 真空冷却的方法也用来冷却经烘焙杀菌的食品 38 8 生物医学工程中存在着大量涉及热量传递各种方式及非牛顿流体的传热问题 生物医学领域存在着大量的能量传递及平衡的现象 首先 人体与环境的换热就涉及到辐射及多种对流方式 人体向环境散热规律的研究为设计舒适的环境 如轿车车内环境 提供了基础数据 在人体内部更是进行着各种常伴有化学反应的传热传质过程 并且经常由于能量传递与质量传递的不平衡导致人体内局部或大面积的病变 正是由于传热 传质的基本规律在生命科学研究中的重要作用 最近十余年来已逐渐形成了传热传质学的一门分支学科 生物传热学 实际上 人体从各种食物中摄入的营养 最终大都以热能的形式散逸于环境中 热量传递过程在生命科学中的重要性由此可