传热学.ppt

1、5,传热学 第1章 绪论,1-1 传热学的研究内容及其在科学技术和,工程中的应用,1-2 热能传递的三种基本方式,1-3 传热过程和传热系数,1-4 传热学的发展简史和研究方法,12,传热学 第1章 绪论,1.2 热能传递的三种基本方式,1.2.1热传导,三种基本方式：热传导、热对流、热辐射,热传导物体各部分之间不发生相对位移时，,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子,的热运动而产生的热能传递称为热传导。,13,传热学 第1章 绪论,1.2.1 热传导,0,单位时间通过dx微元层的导热量为：,导热系数w/(m.k),A表面积 m2,负号表示热量传递方向与温度升高的方向相反,q热流密度 w/m2,

2、17,传热学 第1章 绪论,1.2.1 热对流,热对流由于流体的宏观运动而引起的流体各,部分之间发生相对位移，冷、热流体,相互掺混所导致的热量传递过程。,对流传热流体流过一个物体表面时流体与物,体表面间的热量传递过程。,对流传热分为自然对流和强制对流,自然对流由于流体冷、热各部分的密度不同,而引起的，如暖气片表面附近受热,1 概念,18,传热学 第1章 绪论,1.2.1 热对流,强制对流 流体的流动时由于水泵、风机或其,他压差作用所造成的。,空气向上流动.,2 对流传热的基本计算式,流体被加热,流体被冷却,热流量,h表面传热系数 w/(m2.k)(材料不同h有所不同),1,传热学 第1章 绪论

3、,1.3 传热过程和传热系数,(g),其中，,，单位为w/(m2.k).,对K取倒数得,(h),(i),1,传热学 第1章 绪论,1.3 传热过程和传热系数,氟利昂冷凝器传热过程：管内水的,对流传热表面传热系数:,h1=8700w/(m2.k),管外氟利昂蒸汽凝结表面传热系数:,h2=1800w/(m2.k),管子导热系数:,=1800w/(m2.k),管子厚度:,=1.5mm,三个环节的热阻及总传热系数？,1,传热学 第1章 绪论,1.3 传热过程和传热系数,假设：稳态过程,水侧换热单位面积热阻：,管壁导热单位面积热阻：,氟利昂蒸汽凝结单位面积热阻：,17.0%,0.6%,82.4%,1,传

4、热学 第1章 绪论,1.3 传热过程和传热系数,假设：稳态过程,冷凝器的总传热系数：,m2.k/w,1,传热学 第2章 稳态热传导,2.1.2 温度场,稳态温度场物体中各点的温度不随时间而变。,非稳态温度场温度场不仅在空间上变化，而且随着时,间的变化而变。,（2-1）,（2-2）,温度场物体中存在温度的场。,1,传热学 第2章 稳态热传导,2.1.2 温度场,等温面温度场中同一瞬间相同温度各点连成的面。,等温线某个特殊平面与等温面相截的交线。,物体上等温线,1,传热学 第2章 稳态热传导,2.2 导热问题的数学描述,根据热流密度公式,，研究热流密度,值应先知道物体内的温度场。,（2-6）,确定

5、导热体内的温度分布是导热理论的首要任务,理论基础：,傅里叶定律+能量守恒定律,1,传热学 第2章 稳态热传导,2.2 导热问题的数学描述,定义：根据能量守恒定律与傅立叶定律，建立导热物体中的温度场应满足的数学表达式，称为导热微分方程。,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qv W/m3;内热源均匀分布；qv 表示单位体积的导热体在单位时间内放出的热量,传热学 第2章 稳态导热,导热数学描述（导热微分方程+边界条件）,求解微分方程，得通解：,由边界条件，求 c1，c2：,2.3.1 通过平壁的导热,平壁内的温度分布：

6、,温度梯度：,通过平壁的热流密度：,通过平壁的总热流量：,2.3.1 通过平壁的导热,传热学 第2章 稳态导热,当= 常数时，平壁内温度分布呈线性分布， 且与无关。,通过平壁内任何一个等温面的 热流密度均相等，与坐标x无关。,导热热阻（Conductive resistance）,总热阻：,传热学 第2章 稳态导热,2.3.1 通过平壁的导热,结论：,传热学 第2章 稳态导热,课堂练习：,一砖墙的表面积为12m3，厚260mm，平均导热系数为1.5w/(m.k)，设面向室内的表面温度为25，外表面温度为-5，试确定此砖墙向外界散失的热量。,传热学 第2章 稳态导热,通过三层平壁的热流密度：,通

7、过n层平壁的热流密度:,求解：按照热阻串联相加原则。,传热学 第2章 稳态导热,2.3.1 通过平壁的导热,层间分界面上的未知温度为：,注：当导热系数是温度的线性函数，即,时， 的取值为计算区域平均温度下的 。,传热学 第2章 稳态导热,2.3.1 通过平壁的导热,1,2,3,t2,t1,三层炉墙的导热过程如右图：,参数：,壁厚：,1=115mm,t1=495,t2=60,内壁温度：,外壁温度：,2=125mm,3=70mm,导热系数：,w/(m.k),w/(m.k),w/(m.k),P 50,传热学 第2章 稳态导热,2.3.1 通过平壁的导热,1,2,3,t2,t1,求（1）单位时间每平方

8、米炉墙的热损失？,（2）耐火粘土砖与硅藻土砖分界面,上的温度？,传热学 第2章 稳态导热,2.3.1 通过平壁的导热,1,2,3,t4,t1,假设：,（1）一维问题,（2）稳态导热,（3）无接触热阻,单位时间每平方米炉墙的热损失：,w/m2,传热学 第2章 稳态导热,2.3.1 通过平壁的导热,1,2,3,t4,t1,耐火粘土砖与硅藻土分界面的温度：,传热学 第2章 稳态导热,课堂练习,一烘箱的箱门由两种保温材料A及B做成，且A=2B,已知A=0.1W/(m.k)， B=0.06W/(m.k)，烘箱内空气温度tf1=400，内壁面的总表面传热系数h1=50W/(m2.k)。为安全起见，希望烘箱

9、门的外表面温度不得高于50。设可把烘箱门导热作为一维问题处理，试决定所需保温材料的厚度。环境温度tf2=25，外表面总表面传热系数h2=9.5W/(m2.k)。,解：,2-4题,R4,R3,R2,R1,tf1,tf2,t1,tw,t2,一维稳态导热，热量密度相等,？,？,mm,即,mm,mm,传热学 第3章 非稳态导热,3.1 非稳态导热的基本概念,3.2 零维问题的分析法集中参数法,3.3 典型一维物体非稳态导热的分析解,3.4 半无穷大物体的非稳态导热,传热学 第3章 非稳态导热,3.1 非稳态导热的基本概念,1. 非稳态导热（unsteady heat conduction）： 物体的温

10、度随时间而变化的导热过程。,3.1.1 非稳态导热过程的特点及类型,2. 非稳态导热的类型,周期性导热（Periodic unsteady conduction）： 物体的温度随时间而做周期性的变化。 瞬态导热（Transient conduction）： 物体的温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值。,传热学 第3章 非稳态导热,3.1.3 第三类边界条件下Bi 数对平板中温度分布的影响,1. 毕渥（Biot）数,定义：,物理意义：,分子：物体内部的导热热阻 ；,分母：物体外部的对流换热热阻 。,Bi 数的数值范围：,2. 毕渥数 Bi 对温度分布的影响,分析：设有一块金属平板 2,，a，V=0

11、，h， 初始温度t0,突置于流体t中，且t t0。,内部导热热阻 趋于零；,集总热容系统。,外部对流换热 热阻趋于零；,内部导热热阻和 外部对流换热热 阻相当。,第一类边界条件,传热学 第3章 非稳态导热,传热学 第3章 非稳态导热,3.2 零维问题的分析法集中参数法,集中参数法 (Lumped parameter method)： Bi0.1时，物体内部的导热热阻远小于外部的 对流换热热阻，这种忽略物体内部导热热阻的简 化分析方法。,物体内部温度分布：,分析： Bi0.1,导热系数相当大； 几何尺寸相当小； 表面传热系数h很小。,3.2.3 集中参数法的适用范围及应用举例,判断是否采用集中参

12、数法的依据：,是与物体几何形状 有关的无量纲常数,对厚为2的 无限大平板 对半径为R的 无限长圆柱 对半径为R的 球,传热学 第3章 非稳态导热,传热学 第3章 非稳态导热,3.2.1 集中参数法温度场的分析解,分析问题,有一任意形状物体，体积V，表面积A，物性参数 ，c为常数。初始温度t0，初始时刻突然置于 温度t（恒温）的流体中， 表面传热系数h为常数。,物体冷却过程中温度随时间的变化规律； 物体放出的热量。,求解,传热学 第3章 非稳态导热,3.2.1 集中参数法温度场的分析解,非稳态，有内热源的导热微分方程为,物体内热阻忽略，温度与空间坐标无关，故,发生热交换的边界不是计算边界，故对边

13、界上交换的热量进行折算,积分 ,其中的指数：,3.2.1 集中参数法温度场的分析解,传热学 第3章 非稳态导热,3.2.3 集中参数法的适用范围及应用举例,传热学 第3章 非稳态导热,t0,t1,参数：,钢球直径：,d1=50mm,1=35,钢球表面传热系数：,钢球初始温度：,w/(m.k),钢球的换热过程如下：,t0=450,空气温度：,t1=30,计算钢球冷却到300时所用的时间？,3.2.3 集中参数法的适用范围及应用举例,传热学 第3章 非稳态导热,t0,t1,解：,判断是否可用集中参数法,可以用集中参数法来解,3.2.3 集中参数法的适用范围及应用举例,传热学 第3章 非稳态导热,t

14、0,t1,根据公式3-6，得,课堂练习,一块厚20mm的钢板，加热到500后置于20的空气中冷却，设冷却过程中钢板两侧面的平均表面传热系数为35w/(m2.k),钢板的导热系数为45w/(m.k),热扩散率为 。试确定使钢板冷却到与空气相差10时所需要的时间。,3.4 半无限大物体的非稳态导热,传热学 第3章 非稳态导热,半无限大物体,指具有从x0界面,开始可以向正x方向及其他两个坐标,方向无限延伸特点的物体。,适合场景举例：,（1）壁温突然升高到一定值并保持不变；,（2）壁面突然受到恒定热流密度加热；,（3）与温度为,物体进行热交换。,3.4 例题,传热学 第3章 非稳态导热,假设：,半无穷

15、大物体，物性为常数,3.4 例题,传热学 第3章 非稳态导热,解：,根据附录15得,即，2h后离铸件底面80mm处的温度为705.7,第5章 对流传热的理论基础,5.1.1 对流传热的影响因素,1. 流动的起因 强迫对流，自然对流。流动的起因不同，流体内的速度分布，温度分布不同，对流换热的规律也不同。,自然对流：由于流体内部的密度差产生的流动。,强迫对流：流体在泵，风机或其他外部动力作 用下产生的流动。,5.1.1 对流传热的影响因素,2. 流动的流动状态 层流流动，湍流流动。,层流 (Laminar flow)：,流速缓慢； 沿轴线或平行于壁面作规则分层流动； 热量传递：主要靠导热（垂直于流

16、动方向）,第5章 对流传热的理论基础,湍流 (Turbulent flow)：,流体内部存在强烈脉动和旋涡运动； 各部分流体之间迅速混合； 热量传递：主要靠对流 。,湍流边界层 层流底层：导热 湍流核心区：对流,5.1.1 对流传热的影响因素,第5章 对流传热的理论基础,5.1.1 对流传热的影响因素,3. 流体有无相变,Fluid motion induced by vapour bubbles generated at the bottom of a pan of boiling water,Condensation of water vapour on the outer surface

17、 of a cold water pipe,有相变 沸腾换热，凝结换热。 流体发生相变时的换热规律及强度和单相流 体不同。,第5章 对流传热的理论基础,5.1.1 对流传热的影响因素,4. 流体的热物理性质,对对流换热的强弱有非常大的影响。,密度和比热容：,体积热容 ：单位体积流体热容量的大小。,导热系数：,影响流体内部的热量传递过程和温度分布； 越大，导热热阻越小，对流换热越强烈。,第5章 对流传热的理论基础,5. 换热表面的几何因素,换热表面的几何形状，尺寸，相对位置， 表面状态（光滑或粗糙）等。,对对流换热有显著影响； 影响流态，速度分布，温度分布。,特征长度,5.1.1 对流传热的影响

18、因素,第5章 对流传热的理论基础,第5章 对流传热的理论基础,5.3 边界层型对流传热问题的数学描写,边界层概念：当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的流动边界层；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度梯度很大的温度边界层（或称热边界层）,1 流动边界层（Velocity boundary layer）,1904年，德国科学家普朗特 L.Prandtl,由于粘性作用，流体流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态,第5章 对流传热的理论基础,5.3 边界层型对流传热问题的数学描写,流体外掠平板时的流动边界层,临界距离：由层流边界层开始向湍流边界层过渡的

19、距离，xc,平板：,湍流边界层：,临界雷诺数：Rec,粘性底层（层流底层）：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度,第5章 对流传热的理论基础,5.3 边界层型对流传热问题的数学描写,流动边界层的几个重要特性,(1) 边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小， L,(2) 边界层内存在较大的速度梯度,(3) 边界层流态分层流与湍流；湍流边界层紧靠壁面 处仍有层流特征，粘性底层（层流底层）,(4) 流场可以划分为边界层区与主流区,边界层区：由粘性流体运动微分方程组描述,主流区：由理想流体运动微分方程欧拉方程描述,第5章 对流传热的理论基础,5.4.

20、1 流体外掠平板传热层流分析解,2. 摩擦系数：,局部摩擦系数：,1. 流动边界层厚度：,其中：,3. 热边界层厚度：,对层流流动,4. 等壁温平板局部传热系数：,第5章 对流传热的理论基础,5.4 .1流体外掠平板传热层流分析解,平板积分,第5章 对流传热的理论基础,第5章 对流传热的理论基础,5.4.4 比拟理论的基本思想,解：,板子表面空气平均温度：,判断雷诺数大小,因为,所以，此处为层流流动状态,根据,第5章 对流传热的理论基础,5.4.4 比拟理论的基本思想,热边界层厚度,已知：,求：离开平板前缘3cm及6cm处边界层上的 (1)流动边界层厚度; (2)热边界层厚度; (3)局部切应

21、力; (4)局部表面传热系数.,第5章 对流传热的理论基础,课堂练习,、100的空气以100m/s的速度,流过一块平板，平板温度为30。,已知：,求：离开平板前缘3cm及6cm处边界层上的 (1)流动边界层厚度; (2)热边界层厚度; (3)局部切应力; (4)局部表面传热系数.,第5章 对流传热的理论基础,、100的空气以100m/s的速度,流过一块平板，平板温度为30。,答案5-12,第5章 对流传热的理论基础,答案,定性温度,解：,根据附录5查得,所以为层流,(1)当,m,m,3分,2分,2分,2分,2分,第5章 对流传热的理论基础,答案,局部摩擦系数,(2)当,m,m,w/(m2.k)

22、,2分,2分,2分,2分,2分,局部摩擦系数,局部表面传热系数,w/(m2.k),第5章 对流传热的理论基础,答案,2分,2分,1 相似原理,2 相似原理的应用,3 内部强制对流传热的实验关联式,4 外部强制对流传热流体横掠单管、,5 大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式,第6章 单相对流传热的实验关联式,球体及管束的实验关联式,努塞尔准则数：,定义：,物理意义：对流换热的强弱。,换热现象相似：,雷诺数：,定义：,物理意义：流体流动的惯性力和粘性力的 相对大小。,两运动相似现象：,动量微分方程,准则数小结,6.1 相似原理与量纲分析,普朗特准数：,定义：,物理意义：流体动量扩散能力和热量扩散 能力的相对大小