传热应用与分析第一章 绪论

1、 毛军逵，副教授，主要承担工程热力学、采暖通风 传热应用与分析等课程的教学工作 从事航空发动机热分析、红外隐身、电子散热、 高超气动热和 CFD仿真研究 明故宫校区 能源与动力学院 312房间由于在自然界以及各种工程领域中无处不存在温差，因而由于在自然界以及各种工程领域中无处不存在温差，因而无处不存在热量传递现象；使得传热学与工业生产和日常生无处不存在热量传递现象；使得传热学与工业生产和日常生活的关系特别密切。活的关系特别密切。工业、科技领域的发工业、科技领域的发展需求是传热学发展展需求是传热学发展的根本动力的根本动力能源动力 化工冶金 机械制造 材料制备 电子技术

2、航空航天. 火力发电厂： 锅炉、凝汽器、除氧器、加热器、冷却塔； 制冷与空调装置：蒸发器与冷凝器； 石油、化工生产：加热器、重沸器、蒸馏釜； 冶金工业：各种加热炉、热风炉。 热端部件的强化冷却技术航航 空空 航航 天天3T航航 空空 航航 天天 高超声速热防护技术新技术赋予传热学的新使命新技术赋予传热学的新使命p 新能源技术 太阳能、地热能开发过程中蓄热、放热问题 p 环境技术 p 空间技术 微重力场下的传热问题 p 材料技术 微尺度传热学p ：p ： 封闭腔辐射换热选择性涂层保温层散热肋壁温度场分析有限空间自然对流傅立叶定律傅立叶定律导热机理导热机理导热过程（稳态、非稳态）导热过程（稳态、非

3、稳态）肋壁的导热过程肋壁的导热过程牛顿冷却公式牛顿冷却公式边界层理论边界层理论相似原理相似原理典型的对流换热过程典型的对流换热过程斯忒藩斯忒藩- -玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律黑体、灰体的辐射换热黑体、灰体的辐射换热角系数角系数 电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化迅速增加。 随着功率不断增加，电子器件的冷却成为目前IT 工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因。 辐射热流密度为700W/m2的太阳辐射投射在用于加热水的平板型太阳能集热器上。集热器的面积为3m2，90的太阳辐射穿过玻璃盖板并被吸热板吸收，剩余的

4、10被集热器反射出去。水在吸热板背部的管道中流过。温度由进口的T1加热到出口温度T2。工作温度为30oC的玻璃盖板发射率为0.94，与处于10oC的天空之间进行辐射换热。玻璃盖板与25oC的环境空气之间的对流换热系数为10W/（m2*K）。1、对集热器进行能量平衡分析，确定单位集热器面积收集有 用热量的速率表达形式2、在流量为0.01kg/s时计算水的温升T2T1。假设水的比容 为4179J/（Kg*K）3、求集热器的效率。效率定义为收集有用热量速率同太阳能 投射到集热器上的速率之比。假设假设 1、传热过程是稳态的 2、集热器的周测和背面没有损失 3、与天空相比，集热器的面积很小。具体问题中是

5、单层具体问题中是单层如果是双层玻璃如果是双层玻璃CTTTTcmqqqmwqTThqTTqqqqqqqEEEopusefulsusefulusefulcconvskycradssolarusefulconvradsolarcvgenoutin7 .27A255. 0/3/3869 . 0E11212244遵循能量守恒、水管内的水加热过程、显然集热器的效率其中：有根据每个过程的分析，系容积，写出能量守恒关、将集热器定义为控制平板集热器平板集热器是在17世纪后期发明的，但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。目前大量使用的是

6、液体集热器； 按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等； 按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集热器等。目前，国内外使用比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和铜管的结合，现在国内已建成十几条铜铝复合生产线。 真空管集热器为了减少平板集热器的热损，提高集热温度，70年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能。将若干支真空集热管组装在一起，即构成真空管集热器，为了增加太阳光的采集量，有的在真空集热管的背部还加装了反光板。真空集热管大体可分为全玻璃真空集热管，玻璃-U型管真空集热管，直

7、通式真空集热管和贮热式真空集热管。我国拥有全部知识产权的热管真空管生产基地，产品质量达到世界先进水平，生产能力居世界首位。 聚光集热器聚光集热器主要由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。按照聚光原理区分，聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光两大类，每一类中按照聚光器的不同又可分为若干种。在本世纪研制开发的聚光集热器品种很多，但推广应用的数量远比平板集热器少，商业化程度也低。 在反射式聚光集热器中应用较多的是旋转抛物面镜聚光集热器（点聚焦）和槽形抛物面镜聚光集热器 （线聚焦）。前者可以获得高温，但要进行二维跟踪；后者可以获得中温，只要进行一维跟踪。 (1) 在传热学基础知识学习中，你已掌握了

8、哪些物理问题的数学建模方法？(2) 针对不同的传热问题，如何选择合理、简单的控制体？(3) 在数学建模中，控制体的能量平衡需要考虑哪些方面？ changeoutgenerateinQQQQ 建立数学模型是用数学的手段解决传热学问题的关键。具体的传热问题的质量、动量或能量守恒关系的数学模型建立与控制体的选取密不可分。针对不同传热问题，控制体的形式有所区别，可以是微元控制体、也可以是有限控制体。netvhWddUdQdQdQxdydzxTdzdyqdQxx,dydzdxxqqdzdyqdQxxdxxdxx,dxdydzzyxdQzTyTxT x2211()()22ininoutoutmhugzmh

9、ugz xdxdydzzyxdQzTyTxTh(1)xxxxpHm hudyhc uTdy2211()()22ininoutoutmhugzmhugz xininoutoutm hmh xdydxxTTdxxuucHpdxx()() ppuTvTcdxdycdydxxy dxdydzzyxdQzTyTxThdxdydzqdQVvpppTTTUmcdxdyccdxdy0netW能量守恒能量守恒最终形式最终形式 = + 内能增量内能增量 扩散项扩散项 对流项对流项 源项源项TCPzTyTxTPwvuCzTyTxT222222VqhVdQdQdQdQ忽略粘性耗散进入和离开控制体的导热热流量分别为进入

10、和离开控制体的导热热流量分别为 和和控制体周边表面的对流换热热流量为控制体周边表面的对流换热热流量为能量平衡（稳态、无内热源）能量平衡（稳态、无内热源） dxdTAQxxQdxxQSfCdATThQ)(CQ0fSTTdxdAhdxdTAdxd对于横截面不变的肋片，假设横截面的周长为对于横截面不变的肋片，假设横截面的周长为P P022vqdxTdCQ0fSTTdxdAhdxdTAdxd022fTTAPhdxTd同具有内热源一维导热方程比较同具有内热源一维导热方程比较集总热容体集总热容体 集总热容法既然忽略了物体内部的导热热阻，那么，描集总热容法既然忽略了物体内部的导热热阻，那么，描述这类物体的非

11、稳态导热的微分方程就可以根据能量守恒定述这类物体的非稳态导热的微分方程就可以根据能量守恒定律导出一种简单的形式。即物体吸收的热流量与表面的对流律导出一种简单的形式。即物体吸收的热流量与表面的对流换热热流量相平衡换热热流量相平衡)(fTThAddTcV一台输出功率为一台输出功率为750W750W用于水中工作的电阻加热器，总的暴露用于水中工作的电阻加热器，总的暴露面积为面积为0.1m0.1m2 2，在水中的表面对流换热系数为，在水中的表面对流换热系数为 ，水温为水温为3737。试确定。试确定(1)(1)在设计工况下加热器的表面温度；在设计工况下加热器的表面温度；(2)(2)如 果 放 置 在如 果

12、 放 置 在 3 7 3 7 的 空 气 中 ， 表 面 对 流 换 热 系 数 变的 空 气 中 ， 表 面 对 流 换 热 系 数 变为为 ，此时的稳态表面温度如何变化。，此时的稳态表面温度如何变化。)/(2002KmWh )/(82KmWh 解解 取整个加热器作为控制体，由于处于稳定状态，取整个加热器作为控制体，由于处于稳定状态，故控制体内储存能量的变化为零。故控制体内储存能量的变化为零。 (1) (2) 本例题得到的是一个代数方程式。运用控制体本例题得到的是一个代数方程式。运用控制体的概念来进行数学建模在以后的学习中可以进一步的概念来进行数学建模在以后的学习中可以进一步领会。领会。)(

13、7500fWTThA78.63WT35.919WT一根外径为一根外径为0.3m，壁厚为，壁厚为3mm，长为，长为10m的圆管，入口温度的圆管，入口温度为为80的水以的水以0.1m/s的平均速度在管内流动，管道外部横向的平均速度在管内流动，管道外部横向流过温度为流过温度为20的空气，实验测得管道外壁面的平均温度为的空气，实验测得管道外壁面的平均温度为7 5 ， 水 的 出 口 温 度 为， 水 的 出 口 温 度 为 7 8 。 已 知 水 的 定 压 比 热 为。 已 知 水 的 定 压 比 热 为4187J/(kgK)，密度为，密度为980kg/m3，试确定空气与管道之间的对，试确定空气与管

14、道之间的对流换热系数。流换热系数。解解 根据热量传递过程中能量守恒的定理，管内水的散热量必根据热量传递过程中能量守恒的定理，管内水的散热量必然等于管道外壁与空气之间的对流换热量然等于管道外壁与空气之间的对流换热量(1) (1) 管内水的散热量为管内水的散热量为式中式中 为管道流通截面积，为管道流通截面积， (2) (2) 管道外壁与空气之间的对流换热量为管道外壁与空气之间的对流换热量为 (3) (3)能量平衡能量平衡)(outinPcTTcuAQcA)(1 .518)2075(103 . 0)()(0WhhTTldTThAQfWfW)/(55.1072KmWh 980 0.1 0.0679 4187 (80 78)55722.27QW 热电厂中，对进入锅炉之前的水，即锅炉给水中热