传热学复习资料教学课件PPT.ppt

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1、传 热 学 复 习,绪 论,0-1 热量传递的三种基本方式的概念、特点及基本定律 1）导热 概念：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量传递称导热。,导热的计算：,定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。,2） 对流（热对流）,对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，与单纯的对流不同。,对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式,定义：物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。 因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。,3）热辐射,黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzman

2、n 定律,真实物体则为：,两黑体表面间的辐射换热,辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递 与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。,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。,0-2 传热过程和传热系数,传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热,2. 傅里叶定律,垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反。,第一章 导热理论基础,1. 基本概念：温度场；等温面；等温线；温度梯度,3.导热系数,单位时间，单位面积，单位负温度梯度下的导热量。 导热系数的数值表征物质导热能力大小。,影响热导率的因素：物质的种类、材

3、料成分、温度、湿度、压力、密度等,4. 导热微分方程式,若物性参数 、c 和 均为常数：,理论基础：傅里叶定律 + 热力学第一定律,热扩散率：表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向于均匀一致的能力。a 值大（即 值大或 c 值小）说明物体的某一部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散。在同样加热条件下，物体的热扩散率越大，物体内部各处的温度差别越小。,5. 导热过程的单值性条件,定解条件： 1 初始条件： = 0 时的温度分布 t = 0 =f (x,y,z) 2 边界条件：边界上的温度分布或换热条件。,（ 1） 第一类边界条件,已知任一瞬间导热体边界上温度值：,（2）第二类边界条

4、件,已知物体边界上热流密度的分布及变化规律：,（3）第三类边界条件,当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数,牛顿冷却定律：,1.通过平壁的导热,控制方程,第二章 稳态导热,热流密度,第一类边界条件：温度分布,第三类边界条件：,多层平壁、第三类边界条件,线性分布,2.通过圆筒壁的导热,单层圆筒壁，第三类边界条件，稳态导热,单层圆筒壁，第一类边界条件，稳态导热,3.通过肋片的导热,肋片效率,第三章 非稳态导热的基本概念,1、非稳态导热的定义 物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。周期性非稳态导热、瞬态非稳态导热,2、瞬态非稳态导热两个不同的阶段

5、,非正规状况阶段(右侧面不参与换热)：温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布，即：在此阶段物体温度分布受 t0 分布的影响较大,正规状况阶段(右侧面参与换热)：当右侧面参与换热以后，物体中的温度分布不受 t0 影响，主要取决于边界条件及物性，此时，非稳态导热过程进入到正规状况阶段。,3 无限大平壁的瞬态导热,当 取级数的首项，板中心温度误差小于1%,傅立叶数,毕渥数,固体内的温度趋于一致，此时可认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度下，这时需求解的温度仅是时间的一元函数，而与坐标无关， 好象该固体原来连续分布的质量与热容量汇总到一点上，而只有一个温度值那样。,忽略物

6、体内部导热阻、认为物体温度均匀一致的分析方法。,4. 集总参数法：,5.其他形状物体的瞬态导热,1）无限长圆柱体和球体,2）无限长方柱体,3）短圆柱体,4）正六面体,2.稳态导热问题的数值计算,第四章 导热问题数值解法基础,1.数值解法的实质： 把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量的场，用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求物理量的值。该方法称为数值解法。 这些离散点上被求物理量值的集合称该物理量的数值解。,数学描述 区域离散化 代数方程的建立 内节点离散方程的建立(泰勒级数展开、热平衡法) 边界节点离散方程的建立(热平衡法)

7、节点离散方程组的求解,例：针肋如右图所示，碳钢 =43.2W/(m.K)，求其温度分布。,该问题的数学描述为,网格划分如右图：,节点2：,同理得节点3：,节点4 用热力学第一定律，导入的热量应等于对流散出的热量：,节点1：,3. 节点离散方程组的求解,雅可比迭代法: （1）将三元方程变形为迭式方程：,（2）假设一组解（迭代初场），记为： 并代入迭代方程求得第一次解 ；,（3）以新的初场 重复计算，直到相邻两次迭代值之差小于允许值，则称迭代收敛，计算终止。,GaussSeidel迭代： （1）将三元方程变形为迭式方程：,（2）假设一组解（迭代初场），记为： 并代入迭代方程求得第一次解 ，每次计算

8、均用最新值代入。,（3）以新的初场 重复计算，直到相邻两次迭代值之差小于允许值，则称迭代收敛，计算终止。,1）时间向前差分，空间中心差分,称为显示格式,称为隐示格式,2）时间向后差分，空间中心差分,2.非稳态导热问题的数值计算,第五章 对流换热分析,(1) 流体流动的起因及流体的流动状态,1.影响对流换热系数的因素,(2) 流体的热物理性质,1.影响对流换热系数的因素（续）,(3) 流体有无相变,(4) 换热表面的几何因素,2）连续性方程(continuity equation),3）动量方程(momentum equation),4）能量守恒方程 （energy equation),2.对流

9、换热微分方程组,1）换热微分方程,边界层的提出,1）流动（速度）边界层 2）热（温度）边界层,3、边界层换热微分方程组,局部表面传热系数 的表达式,注意：层流,求解层流边界层对流换热微分方程组，可得：,离平板前缘 x 处边界层厚度,范宁局部摩擦系数,平均换热系数,流动边界层与热边界层之比,4.边界层换热积分方程,1. 动量积分方程,2. 能量积分方程,当 Pr = 1时，,5. 动量传递和热量传递的类比,实验测定平板上湍流边界层阻力系数为：,常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义,6. 相似原理及量纲分析,自然对流换热：,混合对流换热：,强制对流:,模化试验应遵循的准则数方程,

10、试验数据的整理形式：,第六章 单相流体对流换热及准则关联式,一、紊流换热,6-1 管内受迫对流换热,流体与壁面温度差不大(空气50C;液体20C) 迪图斯贝尔特公式（DittusBoelter correlations),二、过渡流换热,6-1 管内受迫对流换热（续）,三、层流换热 短管,2）若管子很长，,一、外掠单管,6-2 外掠圆管对流换热,局部换热系数,常热流条件 层流：分离点出现在=800附近，这里Nu最小。 紊流： Nu出现两次低谷。第一次出现在层流到紊流的转变区；第二次出现在=1400附近，即流动的分离点。,5. 平均换热系数,特征温度: tf 特征长度: 管外径 Pr10, m=

11、0.37； Pr10, m=0.36. C, n: 表 6-1,适用条件：,流体横掠管束的平均换热系数计算式,1）s1横向节距, m 2）s2纵向节距, m 3）系数和指数c, m, n, p，表6-2 4）cz管排修正系数， 表6-3；z20时， cz=1 5）c流体斜向冲刷管束时的修正系数，本书略 6）定性温度 7）定型尺寸：管外径 8）Re中的速度用管束中的最大流速umax,（6-14）,6-3 自然对流换热,一 、无限空间自然对流换热,格拉晓夫数,1. 准则数,瑞利数,常壁温条件,2. 准则关联式,特征温度：tm= (tw+tf)/2 C, n, 特征长度：表6-4, pp.170,常

12、热流条件,引入包含热流密度的Gr*,层流：,紊流：,注意：倾斜表面，用gcos替代g。 为表面与g的夹角。,二、 有限空间中的自然对流换热,特点：壁面上边界层的发展受到限制 形式：竖直夹层；水平夹层；倾斜夹层 总热流密度表达方式：导热；对流,经验关联式,式中常数C，m，n 取值如 表6-5,凝结：气体遇冷而变成液体。 凝结换热： 蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。,沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程。 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式。,相变换热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只

13、能助于经验公式和实验关联式。,第七章 凝结与沸腾换热,(2) 局部对流换热系数,整个竖壁的平均表面传热系数,(3) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强 化，因此，实验值比上述得理论值高20左右,修正后：,定性温度：,注意：r 按 ts 确定,1 层流膜状凝结理论解,(4) 水平圆管,努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结,式中：下标“ H ”表示水平管，“ S ”表示球；d 为水 平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同。,横管与竖管的对流换热系数之比：,3. 湍流膜状凝结换热,液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1800。横管因直径较小，实践上均在层流范围。

14、 对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强。,对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数计算式为：,式中：hl 为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度,准则关联式：,Galileo Number,4. 影响膜状凝结的因素及增强换热的措施,1） 不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力 严重性：1% 的不凝结气体能使 h降低 50%左右 措施：有效排除不凝气体，使设备正压运行，加装抽气装置（负压运行时）,2） 蒸气流速

15、流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，h增大；反之使h减小。 吹气速度过大，液膜脱离避免，增强凝结， h 增大。,4） 液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替 计算公式中的r， 5） 管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。,3） 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。 计算中，将潜热改为过热蒸汽与饱和液体的焓差。,7）凝结表面的几何形状 强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。 可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的

16、液膜拉薄， 或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。 表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结，表面涂层（油脂、纳米技术等等。,a 过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾。 b 饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾。,按主体温度分：,7-2 沸腾换热,a 大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾； b 强制对流沸腾：强制对流沸腾,分类：按流动动力分为,大容器饱和沸腾曲线： 表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不同的阶段。,几点说明： 上述热流密度的峰值qm

17、ax 有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。 对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。,书中分别推荐了两个计算式 （1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海 耶夫公式，压力范围：1054106 Pa,按 ,（7-11a）,（7-11b）,5. 沸腾换热计算式,可见， ，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达100，但已知q计算 时，则可以将偏差缩小到33。这一点在辐射换热种更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。,（2）罗森诺公

18、式广泛适用的强制对流换热公式,式中， q 沸腾传热的热流密度； l 饱和液体的动力粘度； r 汽化潜热； Cpl 饱和液体的比定压热容；g 重力加速度；Cwl 取决于加热表面液体组合情况的经验常数(表7-1)；s 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7,6. 影响沸腾换热的因素,1） 不凝结气体 对膜状凝结换热的影响？,与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化。,2） 过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时， ，因此，过冷会强化换热。,3） 液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热

19、系数会明显地随液 位的降低而升高(临界液位)。,4） 沸腾表面的结构 沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。,8.1 基本概念 热辐射：是由于物体内部微观粒子的热运动状态改变，而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。,第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,2. 热辐射的特点,不依赖于物体的接触而进行热量传递。 辐射换热过程伴随能量形式的两次转化，即物体内能电磁波能物体内能。 一切物体只要其温度T0K，都会不断发射热射线。,（1）对于大多数的固体和液体： （2）对于不含颗粒的气体：,（3）黑体（全吸收）： （4）镜体或白体（全反射）： （5）

20、透明体（全透射）：,二、 吸收率、反射率、透射率,光谱辐射力E： 单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)；,三、辐射力和有效辐射 1. 辐射力：单位时间内物体的单位辐射面积向外界(半球空间)发射的全部波长的辐射能称为辐射力(或发射辐射)。E，单位为W/m2。,定向辐射力E： 单位时间内，单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。,2. 定向辐射(强)度,单位时间内，单位可见辐射面积在某一方向p的单位立体角内所发出的总辐射能(发射辐射和反射辐射)，称为该方向的定向辐射(强)度。,式中， dA1cos 给

21、定方向上的可见辐射面积，也就是垂直该方向的流通面积。,8.2 黑体辐射的基本定律,(1)Planck定律(第一个定律)：,Wien位移定律(m与T 的关系),(2) 斯蒂芬-波尔兹曼定律,黑体波段辐射力：黑体在某一特定波长范围内的辐射能。,在1-2的波长范围内黑体的波段辐射函数,（3）兰贝特余弦定律 黑体表面具有漫反射性质，且在半球空间各个方向上的定向辐射强度相等。即,物理意义 黑体的定向辐射力随方向角按余弦规律变化，法线方向的定向辐射力最大。,结论： 对于漫射表面，辐射力是任意方向辐射强度的倍。,8.3 实际物体和灰体的辐射,1. 实际物体的发射率,Wavelength,Direction

22、(angle from the surface normal),2. 实际物体的吸收率,光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。,二、灰体(Gray surface),灰体的光谱辐射力与同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化曲线相似，或它的光谱吸收率和光谱发射率不随波长变化。,灰体法，即将光谱发射率()和光谱吸收比 () 等效为常数。,此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体对黑体辐射的吸收率等与它的发射率。,三、 基尔霍夫定律,灰体的吸收率恒等于同温度下本身的发射率！,工程

23、应用，近似认为,角系数：表面1发出辐射能中落到表面2上的份额称为表面1对表面2的角系数，记为X1,2。 21时， X2,1,9-1 角系数的定义、性质及计算,第九章 辐射换热的计算,2. 角系数性质 根据角系数的定义和诸解析式，可导出角系数的代数性质。 (1) 相对性,(2) 完整性 对于有n个表面组成的封闭系统，据能量守恒可得:,(3) 可加性 将表面2可分为2a和2b两个面，当然也可以分为n个面， 则角系数的可加性为,3 角系数的计算方法 直接积分法,按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得角系数的方法。 工程上已将大量几何结构角系数的求解结果绘制成图线。,代数分析法是利用角系数的各种性质

24、，获得一组代数方程，通过求解获得角系数。,几个特殊位置的角系数,同一平面上的两个表面 x1.2=x2.1=0,两个无限大平板,x1.2=x2.1=1,两个互相看不见的表面 x1.2=x2.1=0, 有两个物体1和2构成得封闭系统，做任意2、2”等，恰好盖住物体2，则,9-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热,黑体表面,2 漫灰表面,1. 表面1非凹表面，X1,2=1,暖器、管道与房间,几个特例,2. 表面1、2面积几乎相等（A1/A21）；表面1非凹（或两个表面非常接近）（X1,2=1）：,例如两块无限大平行平板、保温瓶胆,3. 表面1远远小于表面2（A1/A20）；表面1非凹（X1,2

25、=1）：,例如大空间中的小物体：房间内热管道辐射散热计算；容器内热电偶测温时的辐射误差计算,由三个表面组成的封闭系统,三漫灰表面封闭腔辐射换热等效网络图,1. 画出等效网络图, 9-3 多表面系统辐射换热的计算(网络法),2. 列出节点方程,3. 解出节点的有效辐射Ji 4. 表面净辐射换热量,假设表面3为黑体，则,(3) 两个重要特例 a 有一个表面为黑体。黑体的表面热阻为零。 此时，该表面的温度一般是已知的。,b 有一个表面绝热，即该表面的净换热量为零。其网络图如图，与黑体不同的是，此时该表面的温度是未知的。同时，它仍然吸收和发射辐射，只是发出的和吸收的辐射相等。由于，热辐射具有方向性，因

26、此，他仍然影响其它表面的辐射换热。这种表面温度未定而净辐射换热量为零的表面被称为重辐射面。,表面3为绝热面,9-4 辐射换热的强化与削弱,对于两个无限大平面组成的封闭系统 现在在两面之间插入一块发射率为的遮热板，, 10-1 传热过程的分析和计算,式中：k 是传热系数(总传热系数)。 对于不同的传热过程，k 的计算公式也不同。,1 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热,2 基本计算式(传热方程式),第十章 传热过程分析与换热器热计算,10-2 换热器的型式及平均温差,换热器的定义：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置。 2 换热器的分类：,三种类型换热器简介,4

27、 简单顺流及逆流换热器的对数平均温差,传热方程的一般形式：,7 各种流动形式的比较,顺流和逆流是两种极端情况，在相同的进出口温度下，逆流的 最大，顺流则最小； 顺流时 ， 而逆流时， 则可能大于 ，可见，逆流布置时的换热最强。,(3) 那么是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好呢？不是，因为一台换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，有时需要故意设计成顺流。 (4) 对于有相变的换热器，如蒸发器和冷凝器，发生相变的流体温度不变，所以不存在顺流还是逆流的问题。,冷

28、凝,蒸发, 10-3 换热器的热计算 换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算,换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式,换热器的热计算有两种方法：平均温差法 效能-传热单元数(-NTU)法,1 平均温差法,2 效能-传热单元数法 换热器的效能 ,定义：换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。,(2)传热单元数NTU,效能-传热单元数的关系（顺流）, 10-4 传热的强化和隔热保温技术 强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全 削弱传热的目的：减少热量损失 根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，有时则需要削弱。显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热

29、的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱。 1 强化传热的原则和手段 (1) 强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。 举例：以气-水型换热器为例，其传热方程式为：,(2) 强化手段: 确定了需要强化的环节后，需要进一步分析，对该环节热阻的众多影响因素中的哪些因素采取措施，以实现强化换热的目的。 a 无源技术(被动技术) ；b 有源技术(主动式技术) 举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：,1.无源技术：涂层表面、粗糙表面、扩展表面、扩展表面、涡流发生器、螺旋管、添加物、冲击射流,2. 有源技术：对介质进行机械搅拌、 受热面振动、 流体振动、 电磁场、介质种加入异物或介质,