工程热力学和传热学课件

1,工程热力学和传热学,第一篇工程热力学EngineeringThermodynamics,2,工程热力学是研究什么的？WhattheEngineeringThermodynamicsstudyfor?我们为什么要学习工程热力学？WhywestudyEngineeringThermodynamics？,3,第一章概论Introduction,第一节热能及其利用第二节热能在热机中的转化过程第三节工程热力学的研究对象、内容和方法,4,第一节热能及其利用,热能的直接利用热能的动力利用,5,直接利用：烘干、蒸煮、采暖、溶化等。间接利用：热能其他形式的能量（如：机械能、电能热力发电厂、以及车辆、船舶、飞机等的动力装置）热能的间接利用中，能量的转换是能量利用的前提。热动力装置工作的实质（热能动力过程的任务）：热能机械能（电能）历史上，蒸汽机的应用，引起了历史上著名的“工业革命”。现代社会中，所消耗的机械能（电能）绝大多数是由热能转换而来的（热力发电厂、核电厂、汽轮机、内燃机、燃气轮机以及火箭发动机等）。,6,第二节热能在热机中的转换过程,一、热能动力装置中热能转换为机械能的过程,热能动力装置(Thermalpowerplant)定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。,7,1.内燃动力装置进气过程：进气阀开，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气缸。压缩过程：进、排气门关，活塞上行压缩空气，使其温度和压力得以升高。燃烧过程：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高（燃料的化学能转换为热能）。膨胀过程：高温高压气体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。,排气过程：活塞接近下死点时，排气门开，在压差的作用下废气流出气缸。随后，活塞左行，将残余气体推出气缸。重复上述过程，将热能转换为机械能。,8,1.内燃动力装置,9,10,燃气轮机装置示意图,11,2.蒸汽动力装置,锅炉产生蒸汽（将燃料的化学转换为热能并传递给工质）汽轮机将蒸汽的热能转换为机械能。冷凝器将乏汽冷凝成水。水泵使得工作介质循环（保证系统内部的高压）。工质（水、蒸汽）周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械能的任务,12,13,原理，构造均不同。但是共同本质：由媒介物通过吸热膨胀作功排热1相同的能量转换形式化学能热能机械能2工质3排热,14,二、制冷装置中热量从低温处传递到高温处的过程,制冷：以消耗机械功或其它形式的能量为代价，使物体获得低于环境的温度并维持该低温。,15,压缩机吸入来自蒸发器的低压蒸汽，将其压缩(耗功)产生高温高压的蒸汽。冷凝器使气体冷凝，得到常温高压的液体。节流阀使液体降压，产生低压低温的液体（含少量汽体）。蒸发器工质吸收冷藏库内的热量，汽化为低压气体，使冷库降温或保持低温。,工质（气态或液态制冷剂）在压气机的作用下周而复始地循环，进而实现了制冷的任务。,16,工质(workingsubstance;workingmedium),定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质对工质的要求:1）膨胀性;2）流动性3）热容量4）稳定性，安全性5）对环境友善6）价廉，易大量获取,物质三态中气态最适宜。,17,第三节工程热力学的研究对象、内容和方法,研究对象：热能与机械能相互转换的规律和方法以及提高转换效率的途径。基本内容：1）基本概念和定律2）工质的性质和过程；3）工程应用。,18,方法：1）宏观方法；(宏观热力学或经典热力学)2）微观方法；(微观热力学或统计热力学)宏观方法:即不考虑物质的微观结构，而是从宏观现象出发来描述客观规律。用宏观物理量（状态参数）来描述物质所处的状态。优点是直观、可靠。统计热力学采用微观方法，优点是物理概念清楚。,19,热力学（经典热力学）：研究能量（特别是热能)性质及其转换规律的科学。工程热力学：热力学的一个分支，着重研究热能与机械能相互转换（热功转换）的规律。,20,具体的工程应用,节能潜力的评估露点及控制油船中剩余舱容的确定,第二章基本概念Chapter2BasicConcepts,第一节热力系统第二节热力状态及状态参数第三节热力过程第四节热力循环,第一节热力系统Thermodynamicsystem,一、系统、边界与外界,系统：热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。外界：surrounding系统之外与系统有关的物体。边界：boundary系统与外界的分界面。,边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的。通常用虚线标出。,二、系统的类型,（1）开口系统：opensystem系统与外界有物质交换,（2）闭口系统：closedsystem系统与外界无物质交换,闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不一定都是闭口系统。,（3）绝热系统：adiabaticsystem系统与外界没有热量交换.,（4）孤立系统：isolatedsystem系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换。,2.按系统内部状况分类,1）单相系和复相系2）单元系与多元系3）均匀系统与非均匀系统,系统的选取，取决于分析问题的需要及分析方法上的方便。,第二节热力状态及状态参数,一、状态及状态参数状态：热力系统在某一瞬间所处的宏观物理状况状态参数：描述系统宏观特性的物理量,二、热力学平衡态,1.平衡态：在无外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间而变化，则该系统所处的状态称为热力学平衡态。,2.系统实现平衡态的条件在不发生化学反应的系统内,如同时满足力学平衡条件和热平衡条件,则系统处于热力学平衡态。,3.平衡与稳定、均匀的差别平衡必稳定，稳定未必平衡均匀必平衡，平衡未必均匀,区别平衡与稳定：外圆绝热的均匀金属棒两端与两个恒温热源T1、T2接触，T10系统向外界放热为负。Q0单位：J、kJ,第三节封闭系统热力学第一定律的表达式,单位质量工质,微元过程,可逆过程：,任意工质、可逆过程,1.适用于任意工质、任意过程。2.q、w分别为各个吸热、作功过程的代数和。3.U=U2-U1,例3-1:有一定质量的工质从状态1沿1A2到达终态2，又沿2B1回到初态1，并且,试判断沿过程1A2工质是膨胀还是压缩，并且求工质沿1A2B1回到初态时的净吸热量和净功。,解:,是膨胀过程,第四节开口系统热力学第一定律的表达式,质量守恒方程力学定律能量守恒方程,一元稳定流动,一元流动：与流动方向垂直的同一截面上各点工质的状态参数和流速都是相同的，工质的状态参数和流速仅沿流动方向做一元变化。稳定流动：开口系统内任一点的状态参数和流速均不随时间而变化。,1kg工质,进入系统带入能量：,流出系统带出能量：,吸热：q,作功：ws,1.技术功wt工程上可以直接利用的机械能,喷气式发动机利用,获得推力；,汽轮机利用,带动螺旋桨；,水泵利用,来提高水的位能。,1,2,w,准静态过程的技术功的大小可用过程线左边的面积来表示,2.焓状态参数,推动功,稳定流动能量方程,微元过程,可逆过程,积分形式,第五节稳定流动能量方程的应用,开口系统的典型设备:1.换热器：如锅炉、冷凝器等2.喷管和扩压管3.产生功的装置：如蒸汽轮机、燃气轮机4.消耗功的装置：如泵、压缩机5.节流装置：如膨胀阀,一、换热器(锅炉),适用于任意工质、任意过程,1流入,2流出,Q,无转动机械：,1Kg水,水蒸气需q=2090KJ/Kg,一般：wg1=1-2m,wg2小于30m/s故：,高度h小于30m,故：,相对于q,动能、位能的增量可以忽略，故：,二、喷管和扩压管,喷管,扩压管,可逆流动,三、汽轮机,q=0wt=wS,四、泵和压缩机,五、绝热节流装置,略去入口流速,例3-2已知喷管：,解,解：,例3-5已知：,节流装置换热器冰箱的一部分,作业,P32-33思考题：2习题：1、3、6、8,第四章热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics,第一节热力学第二定律的典型表述第二节卡诺循环和卡诺定理第三节克劳修斯不等式第四节状态参数熵第五节熵增原理,过程具有方向性,问题的提出,自由（无阻）膨胀,不同工质混合,据”一定”：QA=QB(1)设想另一过程：Q从BA据“一定”同样可得：QB=QA(2)常识告诉我们，（2）不可能发生。第一定律有局限性！,热力学第一定律能量守恒和转换定律。不违背第一定律的过程是否都能自发地实现？,1.一杯热水热量：水空气（自发过程）将散失到空气中的热量自发地聚集起来，使水加热？2.运动的机械摩擦生热，功量为热量（自发过程）将散失到空气中的热量自发地聚集起来，使机械重新运动？3.高压容器中的气体高压低压（自发过程）让泄露到大气中的气体自发地重入容器，使容器恢复高压？4.功量热量（无条件，100%），热量功量（100%）过程的进行是有方向的、有条件的、有限度的。热力学第二定律的任务：判断进行的方向、条件、限度。,第一节热力学第二定律的典型表述,一、克劳修斯Clausius说法（1850年）二、开尔文Kelvin说法（1851年）,Clausius,不可能使热量由低温物体向高温物体传递而不引起其它的变化。,1,2,Kelvin,不可能从单一热源吸热并全部转变为功，而不发生其他的变化。,等温膨胀,克劳修斯Clausius说法能量传递开尔文Kelvin说法能量转换两种说法是等价的。,热力学第二定律的各种说法是一致的，若假设能违反一种表述,则可证明必然也违反另一种表述。假设机器A违反开尔文说法能从高温热源取得热量q1而把它全部转变为机械功w0，即w0q1，则可利用这些功来带动制冷机B，由低温热源取得热量q2而向高温热源放出热量q1。即,A机：,B机：,从上两式：,有,即低温热源给出热量q2，而高温热源得到了热量q2，此外没有其它的变化。这显然违反了克劳修斯说法。,自然热的利用,Theuseoftheheatinnature,温州汽车研究员自称：推翻了“热力学第二定律”2005-03-1111:15:00每日新报,日前，外地媒体报道，一名自称“科学巨人”的温州人找到报社表示，他已经“推翻了”热力学第二定律“，要向社会悬奖50万，征求能推翻他的逻辑反例。这名“科学巨人”叫赵兴龙，今年55岁。两年前，他曾悬奖5万元在中科大征求过反例，但没有人能举证。两个月前，他将悬奖额度提高到50万元，仍然没人能举出反例。所以他认为，这是个普遍适用的逻辑模型，是个正确的逻辑模型。现在他向全社会悬奖50万元，如果这个“逻辑定律”再找不到反例，那么热力学第二定律就被“推翻”了。,例:某热机中工质先从T1=1000K的热源吸热150kJ/kg，再从T1”=1500K的热源吸热450kJ/kg，向T2=500K的热源放热360kJ/kg，试判断该循环能否实现；是否为可逆循环？若令该热机做逆循环，能否实现？,现在无法判别，因为“说法”只是原则性的指导意见。,第二节卡诺循环和卡诺定理,卡诺,一、卡诺循环,可逆循环：循环的各过程均为可逆过程，相应的热机为可逆热机。,卡诺循环：两热源间的可逆循环，由定温吸热、绝热膨胀、定温放热、绝热压缩四个可逆过程组成。,二、卡诺定理,（1）在两个给定的热源之间工作的所有热机，不可能具有比可逆热机更高的热效率。（2）在两个热源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率。结论：在同样的两个温度不同的热源间工作的热机，以可逆热机热效率为最大，不可逆热机的热效率小于可逆热机,它指出了在两个温度不同的热源间工作的热机热效率的最高极限值。另一种说法：在温度为T1的高温热源和温度为T2的低温热源之间工作的热机循环，以卡诺循环的热效率为最高。”,卡诺循环热效率：,可见：,q1=T1(sa-sb)q2=T2(sd-sc),卡诺循环的有关结论对工程实践有着非常重要的指导意义！,第三节克劳修斯不等式,一、两热源间的循环,“=”表示可逆，“0吸热ds大于比定容热容,三、理想气体的熵,例5-4试求空气在自由膨胀中比熵的变化量，已知初态空气的温度为，体积为，膨胀终了的容积。(P61),解：取整个容器内的空气为孤立系统（系统与外界无功、热及物质交换）,即：,T2V2=2V1,0,第四节理想气体的热力过程,一、研究热力过程的目的和方法,目的：揭示过程中工质状态参数的变化规律，以及该过程中热能与机械能之间的转换情况，进而找出影响它们转换的主要因素。,方法：讨论理想气体的可逆过程1.过程方程,一般写成的形式。2.利用状态方程和过程方程推出初、终状态参数之间的关系式。3.在p-v图和T-s图上表示出该过程曲线。4.该过程热力学能、焓、熵的变化以及功和热量。,第四节理想气体的热力过程,二、定容过程,1过程方程,2初、终状态参数关系,3p-v图及T-s图,在Ts图上，由于即T随s按指数曲线变化，斜率为,4、能量转换,1）过程功,2）热量,三、定压过程,1过程方程,2初、终状态参数关系,3p-v图及T-s图,曲线斜率,在T-s图上，同一温度下定容线比定压线的斜率大。,4、能量转换,1）过程功,2）热量,四、定温过程,4、能量转换,1）过程功,2）热量,五、绝热过程,1过程方程,绝热指数，其数值随气体的种类和温度而变,对于空气和燃气，,关于过程方程的推导,0,0,3p-v图及T-s图,曲线斜率,在P-v图上，绝热线比定温线陡。,3）热量,技术功是膨胀功的倍。,2）技术功,六、多变过程,1.过程方程：,分别为定容、定压、定温、绝热过程,称为多变指数,2.初、终状态参数间的关系：,将绝热过程中的换成n即可。,3.热力学能、焓、熵的变化：,4.功、热量：,多变指数为n的多变过程，技术功是体积功的n倍,第五节理想气体热力过程的图示综合分析,三条分界线：,定容线：右侧，体积功为正；左侧，体积功为负。定温线：上方，温度增加；下方，温度降低。绝热线：右侧，吸热；左侧，放热。,已知某一膨胀过程的n值为11，超音速流动Ma=1，临界流动Macr,则Ma1，超音速流动,根据临界压力比公式可求临界速度,三、渐缩喷管在非设计工况下的工作（略去）,设计工况：P2=Pcr,1.背压,出口膨胀波：,2.背压,出口雍塞：,非设计工况：,四、质量流量（一元稳定流动）,1、对于渐缩喷管：出口截面为最小截面,其中：,讨论：（1）当p2/p1=1，质量流量为零，流不动，如图中点A。,（2）当p2/p1下降时，质量流量增加，当压力比达到临界压力比时，质量流量达到最大值。如图中点B。,（3）当p2/p1再下降时，尽管从力学条件上气流可达到超音速，对于渐缩喷管而言，其几何形状限制了气流的膨胀。出口截面上的压力仍为pcr，流量为最大流量。实际按BC变化。,2、对于缩放喷管：临界截面为最小截面,对于理想气体，由临界压力比及绝热过程方程得：,例8-1废气涡轮中渐缩喷管出口截面积A2=200cm2，背压P2=0.11MPa，喷管入口燃气压力P1=0.2MPa，温度t1=400C燃气具有空气性质，试求喷管出口截面处的流速和质量流量。,解首先判断背压是大于还是小于临界压力：,背压大于临界压力，故。,例8-2渐缩喷管出口截面积A2=3cm2，背压P2=0.5MPa，喷管入口空气压力P1=1MPa，温度t1=700C，试求喷管出口截面处的流速和质量流量。,解首先判断背压是大于还是小于临界压力：,背压小于临界压力，故。出口处为临界状态,绝热节流装置,第三节气体和蒸汽的绝热节流,节流阀,节流流体流经通道突然缩小的截面后发生压力降低的现象。,工程上常利用节流过程控制流体的压力,还可利用节流时压力降低与流量的对应关系进行流量测量。,气流在孔口前截面收缩，p、cf，孔口后气流截面达到最小，然后又逐渐增大，p、cf，最后达到稳定。由于孔口附近的扰动及涡流，造成不可逆损失，因此气流恢复稳定时，p2比节流前稳定气流的压力p1要低。,2、实际气体：h=f(T,p),节流后温度变化不定。T2T1，“节流热效应”,绝热节流：1、h1=h22、p20,s2s1,sf=04、v2v1,绝热节流的温度效应称为“焦尔-汤姆逊效应”,1、理想气体：因为h=f(T)，T1=T2,汤姆逊在实验室,作业P106-107习题：1、3、7,第九章压缩机的热力过程,第一节单级活塞式压缩机的工作原理第二节单级活塞式压缩机所消耗的机械功和容积效率第三节双级活塞式压缩机的工作过程第四节叶轮式压气机,工作原理：活塞式、叶轮式和引射式出口压力：压气机、鼓风机、通风机,第一节单级活塞式压缩机的工作原理一、结构简图主要部件：1、活塞2、气缸3、滤清器4、吸、排气阀5、散热肋片,二、工作过程,1、吸气过程0-1,2、压缩过程1-2,3、排气过程2-3,图中过程2-3和0-1不是状态变化，而是表示气缸内气体质量的变化。,三种压缩过程图示,1-2定温过程,1-2”绝热过程,1-2多变过程,第二节单级活塞式压缩机所消耗的机械功和容积效率,技术功,压缩机所需的功Wc，在数值上等于压缩过程的技术功。,对压缩机而言，示功图p-V图所包围的面积表示压缩机的耗功，可以看出定温压缩耗功最少，排温最低，而绝热压缩所消耗的机械功最大，排温最高。因此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而且保证润滑条件。,1、可逆定温压缩,2、可逆绝热压缩,3、可逆多变压缩,1kg工质,二、容积效率,余隙容积clearancevolume产生原因：布置进、排气结构制造公差部件热膨胀,1、有余隙容积存在时，对Wc及供气量的影响,有余隙容积时，压缩机耗功,式中，V1-V4=mv1,m为有余隙容积时进入气缸的气体质量,压缩1kg气体所消耗的功为：,无余隙容积时，压缩1kg气体所消耗的功为：,2、容积效率：,容积效率：有效吸气体积与气缸工作体积之比。,有效吸气体积：V1-V4,气缸工作体积：Vs=V1-V0,增大、提高时，容积效率降低。,容积效率：,称为压缩机的余隙比称为压缩机的增压比,对于压力较高的情况，一般采用双级压缩和中间冷却。,3、增压比对容积效率的影响,V吸，v，当增加到某一数值时，V吸=0，v=0，活塞徒劳往返，无压缩气体排出，同时，压缩终温t2，为保证润滑，要求t20就有能量辐射与绝对温度呈4次方关系,辐射换热公式,具有不同表面温度的物体之间，依靠热辐射进行的热传递过程，或者有热辐射能力的气体与包壳之间热传递过程，均称为辐射换热。,Cs为该辐射系统的辐射系数，它和参与辐射物体的性质、物体之间的距离、相对论位置、物体的形状等因素有关，其单位为W/m2K4,四、传热公式,一维稳态传热过程,忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻,固体的导热热阻,右侧对流换热热阻,燃气侧,冷却水侧,一维稳态传热过程中的热量传递-内燃机气缸壁的冷却过程,上面传热过程中传递的热量为：,传热系数，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。,传热系数,例1有一平底铝制水壶，壶底直径D为24cm，底厚=2mm，内装tf2=20C的冷水，置于电炉上。已知铝的导热系数为200W/(mK)，传热热流量Q=400W，壶内壁对冷水的换热系数为200W/(m2K)，求壶底外壁的温度。t1。,解：,P155,作业,P157习题：2、4,第十四章导热,第一节傅立叶定律和导热系数第二节导热微分方程第三节平壁导热第四节圆筒壁导热第五节通过接触面的导热,第一节傅里叶定律和导热系数,一、温度场和温度梯度,1、温度场：任一瞬间，在所研究空间中所有点上温度分布的总称，是空间坐标和时间的函数。,2、等温面与等温线：在温度场中,将温度相等的点连成面即为等温面。等温面与任一平面的交线便是等温线。,热流线与等温线垂直，且指向温度降低的方向。,3、温度梯度：在温度场中，温度在空间上改变的大小程度，用gradt表示。它是在等温面法线方向上单位长度的温度增量,它是一个矢量,指向温度增大的方向。,二、傅立叶定律,热流量,热流密度,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。,1）2）各种物质的值都是温度的函数。3）多孔物质的值较小，吸水后导热系数急剧增大。,三、导热系数,导热系数表明物体导热能力的程度，是每单位温度梯度所传导的热流密度值。,第二节：导热微分方程式（HeatDiffusionEquation）,确定导热体内的温度分布是导热理论的首要任务。,傅里叶定律：,确定热流密度的大小，应知道物体内的温度场:,理论基础：傅里叶定律+热力学第一定律,假设：(1)所研究的物体是各向同性的连续介质(2)热导率、比热容和密度均为已知(3)物体内具有内热源；强度W/m3;内热源均匀分布；表示单位体积的导热体在单位时间内放出的热量,一、导热微分方程式,在导热体中取一微元体,热力学第一定律：,d时间内微元体中：,导入与导出净热量+内热源发热量=热力学能的增加,1、导入与导出微元体的净热量,d时间内、沿x轴方向、经x表面导入的热量：,d时间内、沿x轴方向、经x+dx表面导出的热量：,d时间内、沿x轴方向导入与导出微元体净热量：,其中：,同理：,d时间内、沿y、z轴方向也有导入与导出微元体净热量：,2、微元体中内热源的发热量,d时间内微元体中内热源的发热量：,3、微元体热力学能的增量,d时间内微元体中热力学能的增量：,由1+2=3：,导热微分方程式、导热过程的能量方程,直角坐标系下，为常数，有内热源的、三维、非稳态导热微分方程：,a为导温系数（是一个物性参数），也称热扩散系数，说明物体被加热或冷却时其各部分温度趋于一致的能力。a大的物体被加热时，各处温度能较快地趋于一致。,对无内热源、常物性、一维非稳态导热微分方程,对无内热源、常物性、一维稳态导热微分方程,或者：,定解条件：使微分方程获得适合某一特定问题的解的特定条件。,初始时刻的温度分布，只适用于非稳态导热。,导热物体边界上的温度或换热情况。,1）第一类边界条件：给定边界上的温度值；2）第二类边界条件：给定边界上的热流密度值；3）第三类边界条件：给定边界上物体与周围流体间的换热系数及周围流体的温度。,第三节平壁导热,一、单层平壁,平壁的长和宽远远大于，且两侧壁面温度保持t1和t2，则热量只沿x方向传导，为一维温度场。,第三节平壁导热,一、单层平壁,平壁的长和宽远远大于，且两侧壁面温度保持t1和t2，则热量只沿x方向传导，为一维温度场。,无内热源、常物性、一维稳态导热微分方程。,一次积分,二次积分,二、多层平壁的导热,第四节圆筒壁导热,一、单层圆筒壁,导热只沿半径方向,从上式解出，通过每米管长的导热量ql,二、多层圆筒壁的导热,当d2/d12时，若按平壁计算，其误差不超过4；当d2/d11.3时，其误差不超过0.5。对于锅炉中的管子、冷凝器中的管子以及气缸壁，都可以用平壁公式来计算。,第五节：通过接触面的导热,实际固体表面不是理想平整的，所以两固体表面直接接触的界面容易出现点接触，或者只是部分的而不是完全的和平整的面接触给导热带来额外的热阻。,当界面上的空隙中充满导热系数远小于固体的气体时，接触热阻的影响更突出。,接触热阻,当两固体壁具有温差时，接合处的热传递机理为接触点间的固体导热和间隙中的空气导热，对流和辐射的影响一般不大。,(Thermalcontactresistance）,：接触热阻,（1）当热流量不变时，接触热阻Rt较大时，必然在界面上产生较大温差;（2）当温差不变时，热流量必然随着接触热阻Rt的增大而下降;（3）即使接触热阻Rt不是很大，若热流量很大，界面上的温差是不容忽视的。,接触热阻的影响因素：,（1）固体表面的粗糙度,（3）接触面上的挤压压力,（2）接触表面的硬度匹配,（4）空隙中的介质的性质,在实验研究与工程应用中，消除接触热阻很重要,导热姆（导热油、硅油）、银,先进的电子封装材料（AIN），导热系数达400以上,作业,P169习题1：其中,习题2,第十五章对流换热原理,运动着的流体与固体壁面之间的热传递过程称为对流换热。对流换热是热对流和热传导两种热传递基本方式同时起作用的一种复杂的热传递过程。因此,影响对流换热的因素远比导热要多。,第一节对流换热概述第二节对流换热过程的数学描述第三节对流换热过程的实验求解,第一节：对流换热概述,1对流换热的定义和性质,对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。,对流换热实例：1)暖气管道;2)电子器件冷却；3)电风扇,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,(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,2对流换热的特点,3对流换热的基本计算式,牛顿冷却式:,4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,5对流换热的影响因素,对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因;(2)流动状态;(3)流体有无相变;(4)换热表面的几何因素;(5)流体的热物理性质。,6对流换热的分类：,(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。,(2)流动状态,(3)流体有无相变,(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,综上所述，对流换热系数是众多因素的函数：,对流换热问题的分类,对流换热,无相变,有相变,强制对流,内部流动,外部流动,自然对流,混合对流,沸腾换热,凝结换热,局部换热系数在整个换热面上的积分平均值为该换热面的平均换热系数。,第二节对流换热过程的数学描述,以常物性、不可压缩流体的二维稳定流动为例的对流换热微分方程组：,（1）换热微分方程,故引入：（2）能量微分方程描述流体的温度场,取微元体，据“一定”：导热传入的净热量热对流传入的净热量焓的增量经过推导，可得：,0,故引入：（2）动量微分方程描述流体的流速场,故引入：,（4）基于质量守恒定律的连续性微分方程,综上：微分方程组5个方程,单值性条件,完整的数学描述,对流换热过程的单值性条件：,几何条件：换热物体的形状和尺寸；物性条件：流体的种类以及热物性参数；边界条件：流体边界面上的速度和温度；时间条件：初始时刻的速度和温度等；只适用于非稳态过程。,确定对流换热系数的方法,数学分析法、实验法和类比法,2.实验法,3.类比法,将对流换热过程中的热量传递和动量传递相类比，用数学关系式将两个传递现象联系起来，由流体流动的阻力规律来求解对流换热规律。,第三节对流换热过程的实验求解,试验是不可或缺的手段，然而，经常遇到如下两个问题:(1)变量太多,相似原理,1问题的提出,(2)实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？,相似原理将回答上述三个问题。,相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系，物理现象相似：对于同类的物理现象，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。同类物理现象：用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。3物理现象相似的特性同名特征数对应相等；各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数：,特征数方程：无量纲量之间的函数关系,4物理现象相似的条件同名的已定特征数相等单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件,实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲目性解决了实验中测量哪些物理量的问题,按特征数之间的函数关系整理实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理的问题,因此，我们需要知道某一物理现象涉及哪些无量纲数？它们之间的函数关系如何？这就是我们下一步的任务,可以在相似原理的指导下采用模化试验解决了实物试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题,相似理论（原理）,影响换热系数的因素很多，要找出众多变量间的函数关系，实验次数非常之多，以致无法实现。通过相似原理的理论分析：可以大幅度地减少变量；代表性提高；可减少盲目性。1.物理量的相似对于几何相似有：几何体各对应边应成同一个比例。,tw,tf,同几何相似一样，对于彼此相似的物理分布，可通过将其中的一个分布全盘放大或缩小而得到与之相似的一切分布物理相似。,5无量纲量的获得：相似分析法,在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现