中南大学复习课_工程传热学ppt课件

1、2021-10-2212021-10-222第一章第一章 绪论绪论热传导热传导 (heat conduction)：定义？定义？付立叶定律付立叶定律导热系数导热系数的定义、物理意义及单位？的定义、物理意义及单位？平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为K/W (heat convection)AR 2021-10-223热对流热对流热对流与对流换热的定义及区别。热对流与对流换热的定义及区别。牛顿冷却公式：牛顿冷却公式：表面传热系数表面传热系数h的定义、物理意义及单位？的定义、物理意义及单位？影响影响h的因素的因素热辐射（热辐射（heat radi

2、ation）热辐射定义热辐射定义斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律2021-10-2242021-10-225第二章第二章 稳态导热稳态导热2-1基本概念基本概念温度场温度场(temperature field) ：用文字描述用文字描述温度不随时间变化的温度场，其中的导热称为稳态导热：温度不随时间变化的温度场，其中的导热称为稳态导热：等温面与等温线等温面与等温线定义定义特征：特征：),(zyxft 0t2021-10-226温度梯度温度梯度(temperature gradient,方向和大小方向和大小)：定义：等温面法线方向的温度变化率定义：等温面法线方向的温度变化率傅立叶定律及导热系数

3、傅立叶定律及导热系数非金属金属气体液体固体合 金纯 金 属2021-10-227冬天，棉被经过晒后冬天，棉被经过晒后 拍打，问什么会觉得暖和？拍打，问什么会觉得暖和？答：棉被晒后，水分蒸发，经拍打，大量空气进入棉絮空间，自然对流不易展开，由答：棉被晒后，水分蒸发，经拍打，大量空气进入棉絮空间，自然对流不易展开，由于空气导热系数低，故起到很好的保温作用。于空气导热系数低，故起到很好的保温作用。2021-10-228温度对导热系数的影响温度对导热系数的影响 一般地说一般地说, 所有物质的导热系数都是温度的函数所有物质的导热系数都是温度的函数,不同物质的热导率随温度的变不同物质的热导率随温度的变化规

4、律不同。化规律不同。 在工业和日常生活中常见的温度范围内在工业和日常生活中常见的温度范围内, , 绝大多数材料的导热系数可以近似绝大多数材料的导热系数可以近似地认为随温度线性变化地认为随温度线性变化, , 表示为：表示为： 变化时温度分布曲线变化时温度分布曲线)1 (0bT2021-10-229导热微分方程导热微分方程建立基础建立基础表达式：表达式：直角坐标系下导热微分方程直角坐标系下导热微分方程圆柱坐标系下一维导热微分方程圆柱坐标系下一维导热微分方程球坐标系下一维导热微分方程球坐标系下一维导热微分方程各项含义各项含义热扩散率定义、出处、物理意义，与导热系数区别热扩散率定义、出处、物理意义，与

5、导热系数区别2021-10-2210导热过程的单值性条件导热过程的单值性条件导热问题的求解方法导热问题的求解方法:(1)分析解法分析解法;(2)数值解法数值解法;(3)实验方法。实验方法。2021-10-22112-2一维稳态导热一维稳态导热1 通过平壁的导热通过平壁的导热)(12Attttq=0( (1+b bt)b0b0t1 t20 x2021-10-22122 通过圆筒壁的导热通过圆筒壁的导热W 2)ln( 2211221Rttlrrttrlqwwww2021-10-2213例：由三层材料组成的加热炉炉墙。第一层为耐火砖。第二层为硅藻土绝热层，第三层为红砖，例：由三层材料组成的加热炉炉墙

6、。第一层为耐火砖。第二层为硅藻土绝热层，第三层为红砖，各层的厚度及导热系数分别为各层的厚度及导热系数分别为 1 1240mm240mm， 1 1=1.04W/(m=1.04W/(m ) )， 2 250mm, 50mm, 2 2=0.15W/(m=0.15W/(m ) )， 3 3115mm, 115mm, 3 3=0.63W/(m=0.63W/(m ) )。炉墙内侧耐火砖的表面温度为。炉墙内侧耐火砖的表面温度为10001000。炉墙外侧红砖的表面。炉墙外侧红砖的表面温度为温度为6060。试计算硅藻土层的平均温度及通过炉墙的导热热流密度。试计算硅藻土层的平均温度及通过炉墙的导热热流密度。解：解

7、： 已知已知 1 10.24m, 0.24m, 1 1=1.04W/(m=1.04W/(m ) ) 2 20.05m, 0.05m, 2 2=0.15W/(m=0.15W/(m ) ) 3 30.115m, 0.115m, 3 3=0.63W/(m=0.63W/(m ) ) t t1 1=1000=1000 t t4 4=60=60 2021-10-2214t2t3t4t1 qt1 r1 t2 r2 t3 r3 t4289700/125922231112233221141qttqttmWttq硅藻土层的平均温度为硅藻土层的平均温度为 499232 tt2021-10-2215第三章第三章 非稳

8、态导热非稳态导热3-1非稳态导热过程非稳态导热过程非稳态导热：周期性和非周期性非稳态导热：周期性和非周期性两个阶段：非正规状况阶段（初始状况阶段）、正规状况阶段两个阶段：非正规状况阶段（初始状况阶段）、正规状况阶段(a) = 1 (b) = 2 (c) = 3 (d) = 42021-10-2216边界条件对温度分布的影响边界条件对温度分布的影响傅里叶数、毕渥数的表达式和物理意义傅里叶数、毕渥数的表达式和物理意义t0t t01/h / 2 t / 1/h2 t 1/h / 2 t02021-10-22173-2 集总参数法集总参数法集总参数系统定义、特征集总参数系统定义、特征能量守恒能量守恒温

9、度分布温度分布时间常数定义、表达式、影响因素时间常数定义、表达式、影响因素集总参数系统的判定集总参数系统的判定vvFoBiVchAee0MBiV1 . 02021-10-22183-3 一维非稳态导热的分析解一维非稳态导热的分析解求解思路：建立导热微分方程式，求解思路：建立导热微分方程式， 引进过余温度将非齐次方程组化为齐次方程，采用引进过余温度将非齐次方程组化为齐次方程，采用分离变量法求解温度表达式。分离变量法求解温度表达式。诺模图（海斯勒图）诺模图（海斯勒图）利用线算图可求解温度及热量，注意只适用于利用线算图可求解温度及热量，注意只适用于Fo 0.2的情况。的情况。2021-10-2219

10、例例 一块厚200mm的大钢板，钢材的密度为=7790kg/m3，比热容cp=170J/(kgK)，导热系数为43.2W/(mK)，钢板的初始温度为20，放入1000的加热炉中加热，表面传热系数为 h=300W/(m2K)。试求加热40分钟时钢板的中心温度。解解： 根据题意，根据题意，=100mm = 0.1m。钢材的热扩散率为。钢材的热扩散率为 5343.2W/(m K)1.18 107790kg/m470J/(kg K)pac2021-10-2220傅里叶数为傅里叶数为 83. 2m1 . 0s6040/sm1018. 12252aFo毕渥数为毕渥数为 463. 0K)W/(m2 .43m

11、1 . 0K)W/(m3002hBi查图可得查图可得 32. 00m0mttttm00.320.3220 C 1000 C1000 C686ttttC2021-10-2221第四章第四章 对流换热原理对流换热原理4-1对流换热概述对流换热概述牛顿冷却公式牛顿冷却公式 ,因此求解因此求解h 是对流换热计算的核心问题是对流换热计算的核心问题对流换热微分方程式对流换热微分方程式对流换热影响因素对流换热影响因素:流速、流态、流动起因、换热面的几何因素、流体物性流速、流态、流动起因、换热面的几何因素、流体物性)( ttAhw0yytth2021-10-2222 4-2 层流流动换热的微分方程组层流流动换

12、热的微分方程组不可压缩牛顿型流体二维对流换热问题，常物性假定。不可压缩牛顿型流体二维对流换热问题，常物性假定。连续性方程连续性方程动量微分方程动量微分方程(2个个)能量微分方程能量微分方程对流换热微分方程对流换热微分方程求解途径求解途径 各项含义、能量微分方程与导热微分各项含义、能量微分方程与导热微分方程联系方程联系2021-10-22234-3 对流换热过程的相似理论对流换热过程的相似理论无量纲准则的表达式和物理意义无量纲准则的表达式和物理意义Eu、Re、Pr、Pr、Nu（Bi）、）、Gr只有同类现象才有相似的可能性只有同类现象才有相似的可能性对流换热准则关系式的实验获取方法对流换热准则关系

13、式的实验获取方法2021-10-22244-4边界层（边界层（Boundary layer）理论）理论边界层定义边界层定义边界层厚度（相对大小决定于边界层厚度（相对大小决定于Pr）：画图（还包括速度和温度剖面）：画图（还包括速度和温度剖面）边界层微分方程组边界层微分方程组基本思路：对微分方程组中的各项进行数量级比较，略去高阶小量。基本思路：对微分方程组中的各项进行数量级比较，略去高阶小量。简化条件：简化条件：Re足够大、足够大、Pe足够大足够大结论：忽略结论：忽略、方程变化、物理特征。、方程变化、物理特征。2021-10-2225例例 温度为温度为30的空气以的空气以0.5m/s的速度平行掠过

14、长的速度平行掠过长250mm、温度为、温度为50的平板，试求出平板的平板，试求出平板末端流动边界层和热边界层的厚度及空气与单位宽度平板的换热量。末端流动边界层和热边界层的厚度及空气与单位宽度平板的换热量。解：解： 边界层的平均温度都为边界层的平均温度都为 空气空气40的物性参数分别为的物性参数分别为v=16.96x10-6m2/s , =2.76x10-2W/m.k, Pr=0.699,在离平板前沿在离平板前沿250mm处，雷诺数为处，雷诺数为 mw1402tttC2021-10-2226边界层为层流。流动边界层的厚度为边界层为层流。流动边界层的厚度为 热边界层的厚度为热边界层的厚度为 可见，

15、空气的热边界层比流动边界层略厚。可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。 整个平板的平均表面传热系数整个平板的平均表面传热系数 3620.5m/s 0.25m7.37 1016.96 10 m /sulRe0.51/235.0Re5 0.25m7.37 100.0146xm 1/31/3Pr14.6mm0.69916.4tmm1/21/21/331/30.664RePr0.6647.37 100.69950.6Nu2021-10-22271m宽平板与空气的换热量为宽平板与空气的换热量为 222.76 10 W/(m K)50.65.6/0.25mhNuW mKlw21m 0.25m 5.6W /

16、(mK)5030 K28Ah ttW 2021-10-2228第五章第五章 对流换热计算对流换热计算5-1 管管(槽槽)内流体受迫对流换热计算内流体受迫对流换热计算 基本概念：进口段与充分发展段基本概念：进口段与充分发展段管内受迫对流换热的计算管内受迫对流换热的计算紊流与层流的准则关联式（紊流与层流的准则关联式（Re=2200 104 ）注意：定性温度与定型尺寸的选择注意：定性温度与定型尺寸的选择2021-10-22295-2 流体外掠物体的对流换热计算流体外掠物体的对流换热计算外掠平板（外掠平板（Rec=5105）准则关联式，定性温度与定型尺寸准则关联式，定性温度与定型尺寸外掠单管外掠单管边

17、界层分离边界层分离准则关联式，定性温度与定型尺寸准则关联式，定性温度与定型尺寸外掠管束外掠管束准则关联式，定性温度与定型尺寸准则关联式，定性温度与定型尺寸2021-10-22305-3 自然对流换热计算自然对流换热计算无限空间自然对流换热：例如，热力管道表面散热无限空间自然对流换热：例如，热力管道表面散热竖直平板在空气中自然冷却流动和换热特征竖直平板在空气中自然冷却流动和换热特征 竖板自然对流换热的微分方程组竖板自然对流换热的微分方程组有限空间自然对流换热有限空间自然对流换热 ： 例如，空气夹层例如，空气夹层2021-10-2231对流换热经验公式不需要记，但给出诸如对流换热经验公式不需要记，

18、但给出诸如Nu=f(Re,Pr)或或Nu=(Gr,Pr)的经验公式后，的经验公式后，针对上面公式中的修正需要知道针对上面公式中的修正需要知道对什么进行现象修正对什么进行现象修正壁面温度、弯曲、入口段等壁面温度、弯曲、入口段等怎么查怎么查 如如f 、 w如何选取如何选取2021-10-2232例例1 温度为温度为30的空气以的空气以0.5m/s的速度平行掠过长的速度平行掠过长250mm、温度为、温度为50的平板，试求出平板的平板，试求出平板末端流动边界层和热边界层的厚度及空气与单位宽度平板的换热量。末端流动边界层和热边界层的厚度及空气与单位宽度平板的换热量。解：解： 边界层的平均温度都为边界层的

19、平均温度都为 mw1402ttt空气空气40的物性参数分别为的物性参数分别为v=16.96x10-6m2/s , =2.76x102W/m.k, Pr=0.699,在离在离平板前沿平板前沿250mm处，雷诺数为处，雷诺数为 2021-10-22333620.5m/s 0.25m7.37 1016.96 10 m /sulRe边界层为层流。流动边界层的厚度为边界层为层流。流动边界层的厚度为 0.51/235.0Re5 0.25m7.37 100.0146xm 热边界层的厚度为热边界层的厚度为 1/31/3Pr/1.02614.6mm0.699/1.02616.4tmm可见，空气的热边界层比流动边

20、界层略厚。可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。 整个平板的平均表面传热系数整个平板的平均表面传热系数 1/21/21/331/30.664RePr0.6647.37 100.69950.6Nu 2021-10-2234222.76 10 W /(m K)50.65.6/0.25mhNuWmKl1m宽平板与空气的换热量为宽平板与空气的换热量为 w21m 0.25m 5.6W /(mK)5030 K28Ah ttW 2021-10-2235例例2 在一冷凝器中，冷却水以在一冷凝器中，冷却水以1m/s的流速流过内径为的流速流过内径为10mm、长度为、长度为3m的铜管，冷却水的的铜管，冷却水的进、出

21、口温度分别为进、出口温度分别为15和和65，试计算管内的表面传热系数。，试计算管内的表面传热系数。解：解： 由于管子细长，由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为 f115 C65 C402tC 从附录中水的物性表中可查得从附录中水的物性表中可查得 2021-10-2236f=0.635W/m.k,vf=0.659x10-6m2/s,Pr=4.31管内雷诺数为管内雷诺数为 4f62f1m/s 0.01mRe1.52 100.659 10 m /sud管内流动为旺盛紊流。管内流动为旺盛紊流。 0.80.4fff0.023Re

22、Pr91.4Nu 2ff0.635W/(m K)91.45804/0.01mhNuW mKd2021-10-2237第六章辐射换热原理第六章辐射换热原理 6-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 热辐射的本质和特点热辐射的本质和特点本质：电磁波本质：电磁波特点：特点：吸收吸收,反射和透射反射和透射吸收率，反射率及透射率的定义吸收率，反射率及透射率的定义透明体，白体及黑体的定义透明体，白体及黑体的定义2021-10-22386-2黑体辐射和吸收的基本性质黑体辐射和吸收的基本性质辐射力辐射力E ；定义；定义单色辐射力单色辐射力定向辐射力定向辐射力立体角立体角辐射强度辐射强度注意：辐射力是以发射物体的单位面积作为计算依据，而辐射强度是以垂直于发射方注意：辐射力是以发射物体的单位面积作为计算依据，而辐射强度是以垂直于发射方向的单位投影面积作为计算依据。向的单位投影面积作为计算依据。2021-10-2239黑体辐射的基本定律黑体辐射的