【精品】传热学总结.doc

【精品】传热学总结 第一章绪论1-1“三个W”1-2热量传递的三种基本方式1-3传热过程和传热系数要求通过本章的学习，读者应对热量传递的三种基本方式、传热过程及热阻的概念有所了解，并能进行简单的计算，能对工程实际中简单的传热问题进行分析（有哪些热量传递方式和环节）。 作为绪论，本章对全书的主要内容作了初步概括但没有深化，具体更深入的讨论在随后的章节中体现。 本章重点1.传热学研究的基本问题物体内部温度分布的计算方法热量的传递速率增强或削弱热传递速率的方法2.热量传递的三种基本方式 (1).导热依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递。 传热学重点研究的是在宏观温差作用下所发生的热量传递。 傅立叶导热公式 (2).对流换热当流体流过物体表面时所发生的热量传递过程。 牛顿冷却公式 (3).辐射换热任何一个处于绝对零度以上的物体都具有发射热辐射和吸收热辐射的能力，辐射换热就是这两个过程共同作用的结果。 由于电磁波只能直线传播，所以只有两个物体相互看得见的部分才能发生辐射换热。 黑体热辐射公式实际物体热辐射3.传热过程及传热系数热量从固壁一侧的流体通过固壁传向另一侧流体的过程。 最简单的传热过程由三个环节串联组成。 4.传热学研究的基础傅立叶定律能量守恒定律+牛顿冷却公式+质量动量守恒定律四次方定律本章难点1.对三种传热形式关系的理解各种方式热量传递的机理不同，但却可以（串联或并联）同时存在于一个传热现象中。 2.热阻概念的理解严格讲热阻只适用于一维热量传递过程，且在传递过程中热量不能有任何形式的损耗。 思考题3.冬天住在新建的居民楼比住旧楼房感觉更冷。 试用传热学观点解释原因。 4.从教材表1-1给出的几种h数值，你可以得到什么结论？5.夏天，有两个完全相同的液氮贮存容器放在一起，一个表面已结霜，另一个则没有。 请问哪个容器的隔热性能更好，为什么?第二章导热基本定律及稳态导热2-1导热的基本概念和定律2-2导热微分方程2-3一维稳态导热2-4伸展体的一维稳态导热要求本章应着重掌握Fourier定律及其应用，影响导热系数的因素及导热问题的数学描写导热微分方程及定解条件。 在此基础上，能对几种典型几何形状物体的一维稳态导热问题用分析方法确定物体内的温度分布和通过物体的导热量。 本章重点1.基本概念温度场t=f(x,y,z,)，稳态与非稳态，一维与二维导热系数.导热基本定律可以认为是由傅立叶导热公式引深而得到，并具有更广泛的适应性。 (1)可以应用于三维温度场中任何一个指定的方向 (2)不要求物体的导热系数必须是常数 (3)不要求沿x方向的导热量处处相等 (4)不要求沿x方向的温度梯度处处相等 (5)不要求是稳态导热3.导热微分方程式及定解条件1)导热微分方程式控制了物体内部的温度分布规律，故亦称为温度控制方程只适用于物体的内部，不适用于物体的表面或边界。 受到坐标系形式的限制。 其推导依据是能量守恒定律和傅立叶定律。 2)定解条件定解条件包括初始条件和边界条件。 第一类边界条件给定边界上的温度值第二类边界条件给定边界上的热流密度值第三类边界条件给定边界对流换热条件3)求解思路求解导热问题的思路主要遵循“物理问题数学描写求解方程温度分布热量计算”4.一维稳态导热问题的解析解1)如何判断问题是否一维2)两种求解方法对具体一维稳态无内热源常物性导热问题，一般有两种求解方法一是直接对导热微分方程从数学上求解，二是利用fourier定律直接积分。 前者只能得出温度分布再应用fourier定律获得热流量。 3)温度分布曲线的绘制对一维稳态无内热源导热问题，当沿热流方向有面积或导热系数的变化时，依此很容易判断温度分布。 本章难点本章难点是对傅立叶导热定律的深入理解并结合能量守恒定律灵活应用，这是研究及解决所有热传导问题的基础。 思考题1.如图所示为一维稳态导热的两层平壁内温度分布，导热系数均为常数。 试确定 (1)q1，q2及q3的相对大小； (2)1和2的相对大小。 2.一球形贮罐内有-196的液氦，外直径为2m，外包保温层厚30cm，其=0.6w/m.k。 环境温度高达，罐外空气与保温层间的h=5w/m2.k试计算通过保温层的热损失并判断保温层外是否结霜。 403.试推导变截面伸展体的导热微分方程，并写出其边界条件。 假设伸展体内导热是一维的。 第三章非稳态导热3-1非稳态导热的基本概念3-1集总参数法3-3非稳态导热过程的微分方程分析要求通过本章的学习，读者应熟练掌握非稳态导热的基本特点，集总参数法的基本原理及其应用，一维非稳态导热问题的分析解及海斯勒图的使用方法。 读者应能分析简化实际物理问题并建立其数学描写，然后求解得出其瞬时温度分布并计算在一段时间间隔内物体所传递的导热量。 本章重点；一.非稳态导热过程1.实质由于某种原因使物体内某点不断有净热量吸收或放出，形成了非稳态温度场。 2.一维非稳态导热的三种情形见教材图3-3。 3.Bi,Fo数的物理意义二.集总参数法1.实质是当导热体内部热阻忽略不计即Bi0时研究非稳态导热的一种方法。 判别依据Bi0.2以后，非稳态导热进入正规状况阶段。 此时从数学上表现为解的无穷级数只需取第一项，从物理上表现为初始条件影响消失，只剩下边界条件和几何因素的影响。 本章难点1.对傅立叶数Fo和毕渥数Bi物理含义的理解。 2.集总参数法和一维非稳态导热问题分析解的定量计算。 思考题1.两个侧面积和厚度都相同的大平板，也一样，但导温系数a不同。 如将它们置于同一炉膛中加热，哪一个先达到炉膛温度？3.某同学拟用集总参数法求解一维长圆柱的非稳态导热问题，他算出了Fo和Bi数，结果发现Bi不满足集总参数法的条件，于是他改用Fo和Bi数查海斯勒图，你认为他的结果对吗，为什么？4.在教材图3-6中，当越小时，越小，此时其他参数不变时越小。 即表明越小，平板中心温度越接近流体温度。 这说明越小时物体被加热反而温升越快，与事实不符，请指出上述分析错误在什么地方。 第五章对流换热5-1对流换热概说5-2对流换热的数学描写5-3对流换热边界层微分方程组5-4相似理论基础5-5管内受迫流动5-6横向外掠圆管的对流换热5-7自然对流换热及实验关联式要求；通过本章的学习，读者应从定性上熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。 本章主要从定量上计算无相变流体的对流换热，读者应能正确选择实验关联式计算几种典型的无相变换热（管槽内强制对流，外掠平板、单管及管束强制对流，大空间自然对流）的表面传热系数及换热量。 本章重点一.对流换热及其影响因素对流换热是流体掠过与之有温差的壁面时发生的热量传递。 导热和对流同时起作用。 表面传热系数h是过程量。 研究对流换热的目的从定性上讲是揭示对流换热机理并针对具体问题提出强化换热措施，从定量上讲是能计算不同形式的对流换热问题的h及Q。 对流换热的影响因素总的来说包括流体的流动起因、流动状态、换热面几何因素、相变及流体热物性等。 亦说明h是一复杂的过程量，Newton冷却公式仅仅是其定义式。 二.牛顿冷却公式三.分析法求解对流换热问题的实质分析法求解对流换热问题的关键是获得正确的流体内温度分布，然后利用式5-3求出h，进而得到平均表面传热系数。 四.边界层概念及其应用速度和温度边界层的特点及二者的区别。 温度边界层内流体温度变化剧烈，是对流换热的主要热阻所在。 数量级对比是推导边界层微分方程组常用的方法。 基于五.相似原理对流换热的主要研究方法是在相似理论指导下的实验方法。 学习相似理论，应充分理解并掌握三个要点如何安排实验（应测的量）；实验数据和方法；所得实验关联式推广应用的条件。 准则数一般表现为相同量纲物理量或物理量组合的比值，在具体问题中表示的并不是其比值的真正大小，而是该比值的变化趋势。 传热与流动中常见的准则数Re、Pr、Nu、Gr、Bi、Fo，其定义和物理意义是应该熟练掌握的。 六.无相变对流换热的定量计算注意判断问题的性质选择正确的实验关联式三大特征量的选取、牛顿冷却公式对不同的换热，温差和换热面积有区别实际问题中常常需要使用迭代方法求解，计算结束时应校核前提条件是否满足。 （或则，需先假定流态，最后再校核）对流换热常常与辐射换热同时起作用，尤其在有气体参与的场合。 本章难点对流换热机理和过程的理解相似原理和相似准则数意义的理解定量计算思考题；1.管内强制对流换热，为何采用短管或弯管可以强化流体换热？2.其它条件相同时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷比，哪个的h大，为什么？4.由式中没有出现流速，?h与流体速度场无关，这样说对吗？5.一般情况下粘度大的流体其Pr也大。 由可知，Pr越大，Nu也越大，从而h也越大，即粘度大的流体其h也越高，这与经验结论相悖，为什么？第六章凝结与沸腾换热凝结换热现象膜状凝结分析解及实验关联式影响凝结换热的因素沸腾换热现象沸腾换热计算式影响沸腾换热的因素要求通过本章的学习，读者应从定性方面掌握凝结和沸腾两种对流换热方式的特点、影响因素和强化措施，尤其是膜状凝结的影响因素和大容器饱和沸腾曲线。 从定量上应掌握竖壁、水平单管和管束的膜状凝结工程计算，以及大容器核态沸腾及临界热流密度的计算。 本章重点一.凝结换热1.现象与特点产生条件是壁面温度 珠状凝结和膜状凝结的特点、热量传递规律，h珠状h膜状，但不能持久。 2.竖壁膜状凝结分析解Nusselt分析解基于9条假设，视液膜内只有纯导热。 因此要获得局部表面传热系数，只需获得该处液膜厚度。 3.膜状凝结的工程计算流态判别(Re迭代法)；关联式；注意特征长度和定性温度4.影响因素掌握膜状凝结诸影响因素，尤其是不凝性气体和蒸气流速的影响机理。 5.凝结换热的强化当凝结热阻是传热过程主要分热阻时，强化效果较好。 强化的原则主要是破坏或减薄液膜层，或加速液膜的排泄。 二.沸腾换热1.特点饱和沸腾和过冷沸腾；大容器沸腾和强制对流沸腾；沸腾与蒸发。 汽化核心数是衡量强化沸腾的重要参数。 2.大容器饱和沸腾曲线曲线形式，随着?t?，四个不同区域的换热规律和特点。 核态沸腾是工业中理想的工作区域，其温差小，换热强。 3.沸腾换热的两种加热方式控制壁温(改变壁温tw与液体饱和温度ts之差?t=tw-ts，q的大小受沸腾侧影响很大。 )控制热流(改变壁面处的热流密度q，q取决于外部施加的条件，而与h无关)。 4.临界热流密度qmax的意义对热流可控使q 6.汽化核心结合汽化核心概念理解沸腾换热机理，结合大容器饱和沸腾曲线了解气泡的生成、长大、脱离、破裂等规律7.沸腾换热影响因素和强化沸腾换热影响因素就是气泡生长运动的影响因素。 强化沸腾换热的主要出发点是增加壁面汽化核心数，基本手段是沸腾表面的特殊加工。 本章难点凝结与沸腾换热机理和过程的理解层流膜状凝结Nusselt简化分析的理解沸腾换热中烧毁点的理解思考题2.为什么蒸气中含有不凝性气体会影响凝结换热的强度？3.两滴完全相同的水在大气压下分别滴在表面温度为120和400的铁板上，哪块板上的水先被烧干？为什么？4.在电厂动力冷凝器中主要冷凝介质是水蒸气，制冷系统的冷凝器中介质是氟利昂蒸气。 在工程实际中常常要强化制冷设备中的凝结换热，而不强化电力设备中的，为什么？第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性7-1热辐射的基本概念7-2黑体辐射基本定律7-3实际物体的发射特性7-4实际物体的吸收特性要求本章重点是了解热辐射的特点，掌握热辐射的一些基本概念，学习并理解描写黑体辐射的几个基本定律。 理解基尔霍夫定律的含义及其作用，了解灰体与黑体、特别是灰体与实际物体的差异。 本章重点一.热辐射和黑体辐射1.热辐射1)热辐射指物体由于热的原因发射电磁波的过程。 对工程实际的大多数问题来说，热辐射特性主要是红外线的特性，因此不能用可见光的理论来解释。 2)固体和液体的辐射和吸收是在物体表面上进行，而气体却在整个容积中进行。 由此对固体和液体在研究发射和吸收特性时，均只研究半球空间。 3)黑体的定义是吸收比为1的物体，它是研究辐射换热最重要的简化模型。 实际物体的辐射与吸收都以黑体为参照对象。 在相同温度的物体中，黑体的辐射能力和吸收能力都是最大的。 4)“漫射体”和“灰体”是辐射换热研究中另外两个重要模型。 漫射体是指辐射特性与方向无关的物体，灰体是指单色吸收比?(?)与波长无关的物体。 2.斯蒂芬-玻尔兹曼(S-B)定律Eb=?T4w/m23.普朗克(Planck)定律和维恩(Wien)位移定律Planck定律描述黑体的Eb?随?变化的规律。 Eb?=f(?,T)，某一T的曲线与横轴之间的面积代表了该T下的Eb，并且T越高，曲线的峰值越往短波方向移动。 T?m=常数就是Wien位移定律。 4.兰贝特(Lambert)定律Lambert定律描述的是黑体辐射能量在半球空间不同方向上的分布规律。 应注意此时是指半球空间某一指定方向全部波长能量的分布规律，在不同方向上能量的比较，只有在相同立体角的基础上才有意义。 Lambert定律表明，虽然黑体辐射沿半球空间各方向的能量不相同(沿表面法线方向最大，切线方向最小)，但定向辐射强度却相同，这是由于定向辐射力的定义中强调的是辐射表面的面积，而定向辐射强度中用到的是可见辐射面积，所以表面法线方向可见辐射面积最大，其辐射能亦最大，切线方向可见面积为零，则辐射能也为零。 黑体的定向辐射强度=常数。 具有这种特性的表面即为漫射表面。 漫射表面并非一定是黑体表面。 5.黑体辐射函数Fb(0-?)表示某一T下物体在0-?波长范围内黑体辐射能占同T下黑体辐射力的百分比。 它用来计算黑体或实际物体的辐射。 见教材例7-4，7-5。 二.实际物体的辐射特性灰体和漫射体是实际物体的两种有效简化。 1)物体的发射率只取决于其表面特性,与外界条件无关2)对同种材料而言一般有?粗糙面?磨光面，?氧化表面?非氧化面3)光滑表面的?=0.95?n，粗糙表面的?=0.98?n。 工程中一般假定?(?)=?n=?，但高度磨光金属表面?=1.2?4)实际物体辐射力并非严格与T4呈正比，但通常仍用T4表示，而把其它复杂因素归于?中。 n5)实际物体在表面法线方向大约?=060范围内的定向发射率均保持常数，而表面发射的辐射能绝大部分集中在这一区域，因此通常认为金属和非金属表面为漫射表面。 三.实际物体的吸收特性实际物体的吸收特性远比其发射特性复杂，吸收比不仅取决于自身表面特性，还对投入辐射的波长具有选择性。 灰体是对实际物体的吸收比进行抽象简化后的理想模型，它的?(?)?=常数。 对灰体的理解，只要在所研究的辐射能覆盖的波长范围内?(?)?常数即可，而不必追求对所有波长都严格成立四.基尔霍夫(Kirchhoff)定律Kirchhoff定律将实际物体的发射率与吸收比联系起来。 ?(T)=?(T)要求该物体在与黑体处于热平衡时成立。 对漫射灰体而言，则恒有?(T)=?(T)，而不需要附加条件。 1)Kirchhoff定律的三种不同表达式及其成立条件2)研究有太阳辐射的情形时，不可随意利用?(?)=?(?)这一条件，因为太阳辐射不能作为灰体3)对漫灰表面?(T)=?(T)，表明同温度下黑体辐射力最大，善于发射的物体必善于吸收，对黑体?=?=14)引入Kirchhoff定律后，物体的?与?被联系在一起，由于物体的?只取决于自身的温度及表面状况，一般文献中只给出?的数据。 本章难点对辐射强度定义的理解，对Lambert定律意义的认识引入漫灰表面的原因、作用和适用条件Kirchhoff定律的成立条件思考题1.解释下列名词定向辐射强度、立体角、光谱发射率、灰体、漫射表面3.“善于发射的物体必善于吸收”，即物体辐射力越大其吸收比也越大，你认为对吗？5.选择太阳能集热器的表面涂料时，其?(?)的最佳曲线应是怎样的？取暖用的辐射采暖片也应该用这种涂料吗？第八章辐射换热计算8-1角系数8-2两固体表面间的辐射换热8-3多表面系统的辐射换热8-4辐射换热的强化与削弱8-5气体辐射要求本章要求掌握角系数的定义、性质及计算方法。 重点是利用代数分析法计算角系数。 还要求读者熟练运用有效辐射概念及辐射网络图对两漫灰表面及三个漫灰表面组成的封闭腔系统进行辐射换热的计算。 理解辐射换热强化与削弱的原理、遮热板的原理及应用。 本章重点一.角系数1.角系数反映的是能量分配的关系，与物体发射辐射在空间不同方向的分布、两物体的几何形状及物体间距离有关。 2.漫发射体对其它物体的角系数是纯几何参数。 3.角系数的相对性、完整性和可加性是求角系数的基本关系式。 二.物体间的辐射换热计算1.用漫灰体代替实际物体，辐射换热计算大为简化。 因为角系数是纯几何参数且?=?。 2.投入辐射G和有效辐射J一个辐射面的投入辐射是辐射系统中所有其它辐射面投向该面的热辐射总和。 一个辐射面的有效辐射是离开这个面的所有热辐射，包括本身热辐射及反射热辐射本身热辐射只与该辐射面的特性有关，反射热辐射与其所在的辐射系统有很大关系。 一个辐射面(J-G)的大小决定了该面是吸收热量或放出热量。 3.表面辐射热阻和空间辐射热阻表面辐射热阻表示一个物体参与辐射换热能力与黑体的差别。 其大小与表面的辐射特性?吸收特性?都有关系，只是在?=?时有较为简单的表达式。 空间辐射热阻表示两个辐射面由于空间位置所引起的辐射换热能力的减小，其大小只与两表面间的空间结构有关。 4.等效网络图法辐射网络画好后，建立热辐射方程主要依据两个原理其一是能量守恒，即流入某一节点的热量之代数和为零；其二是辐射热流率等于辐射驱动力除以辐射热阻的原理。 重辐射面和黑体的区别虽然看起来二者都有J=Eb。 对重辐射面来说J=Eb是一个浮动热势，它与其它表面的J及空间热阻有关。 而对黑体表面来说，J=Eb是源热势，不依赖于其它表面。 二者在网络图上亦有区别。 5.辐射换热计算的要求我们所讨论的辐射换热计算是基于如下前提的1)封闭腔模型2)稳态换热3)所有表面不透明，但表面被透热介质隔开4)表面具有漫灰性质5)每一表面的有效辐射J是均匀的。 6)不计对流换热三.辐射换热的强化与削弱1.遮热板的原理加入一块遮热板增加了两个表面热阻和一个空间热阻，因此辐射换热降低2.遮热板的应用教材例8-9，8-10四.气体辐射特点气体辐射对波长的选择性，容积性，不同气体辐射本领有差异。 “温室效应”现象的解释辐射换热名词术语汇总黑体、灰体、漫射体、封闭腔、重辐射面辐射力E、光谱辐射力E?、发射率(黑度)?、定向辐射强度L、有效辐射J、投入辐射G吸收比?、反射比?、穿透比?、光谱吸收比?(?)、黑体辐射函数Fb(0-?)S-B定律、Planck定律、Wien位移定律、Lambert定律、Kirchhoff定律角系数Xi，j、角系数性质表面的净辐射换热量?i、辐射换热量?i，j、表面辐射热阻、空间辐射热阻遮热板、透热介质立体角?、网络法思考题1.试解释下列名词有效辐射，表面辐射热阻，重辐射面，遮热板2.黑体和重辐射面都有J=Eb。 是否意味着二者有相同的性质？3.在太阳系中地球和火星距太阳的距离相当，为什么火星表面温度昼夜变化要比地球大得多？第九章传热过程与换热器9-1复合换热过程9-2传热过程分析和计算9-3传热的增强与削弱9-4换热器9-5换热器的热计算要求通过本章学习，从定量上应熟练掌握复合换热的分析计算、传热过程的分析计算、对数平均温差计算、间壁式换热器的设计和校核计算。 从定性角度应掌握传热过程的热阻分析方法、临界热绝缘直径的含义、综合传热问题的分析方法。 本章重点一.传热过程1.传热过程的分析方法工程传热计算中引入传热系数和传热过程是因为流体进出口温度远比壁温容易测量。 传热过程是一个复杂的物理过程，一个完整的传热过程至少有三个换热环节串联而成，每个串联环节又可能是若干个换热方式的并联。 传热系数应理解成复合换热的表面传热系数。 传热系数计算是换热器热计算的基础。 对圆管壁、肋壁计算传热系数时，应注意以哪一侧面积为基准，同时还应考虑污垢热阻的影响。 有效利用热阻分析法分析实际的传热过程，分析强化与削弱传热的效果。 比较传热过程壁面两侧的热阻大小应以总面积热阻1/hA为依据