传热学_复习资料

《传热学》复习2013年秋学期传热学的基本任务①求解温度分布②计算热量传递的速率系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率水，M220oC铁块,M1300oC热力学：tm,Q)();,,,(fQzyxft传热学与工程热力学的关系热力学+传热学=热科学(ThermalScience)传热学:传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即热量始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则热量始终是守恒的。热量传递的基本方式热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射导热系数（热导率）表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。气体液体非金属固体金属;)(398CmW纯铜;)(6.0CmW水）（空气CCmW20)(026.0ΦtqAxrtttq21RtAttΦ21温压热流量热阻这里有必要引入热阻的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移过程有一个共同规律，就是：过程的动力过程中的转移量过程的阻力AR导热热阻r单位导热热阻对流换热中边界层的示意图))((ttAΦhwK)(mW2表面传热系数h——当流体与壁面温度相差1℃时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量h是表征对流换热过程强弱的物理量影响h因素：流体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）、流动的形态（层流、紊流）、流动的成因（自然对流或强制对流）、物体表面的形状、尺寸，换热时有无相变（沸腾或凝结）等。⑤对流热阻ThermalresistanceforconvectionhhrthtqRthAtΦ1)(1][)(1WChARh][12WCmhrh辐射换热的定义与特点定义：物体间靠热辐射进行的热量传递辐射换热特点：a)不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量；b)在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换物体热力学能电磁波能物体热力学能c)无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量例：一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42W/(m2K),保温层外表面的发射率问：（1）此管道散热必须考虑哪些热量传递方式；（2）计算每米长度管道的总散热量。CtCtfw23,489.0解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为ql例题)(,fwclttdhthdq)/(5.156)2348(42.3583.014.3mW近似地取管道的表面温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：)(4241,TTdqrl)/(7.274])27323()27348[(9.01067.5583.014.3448mW讨论：计算结果表明，对于表面温度为几至几十摄氏度的一类表面的散热问题，自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热传热过程与传热系数1传热过程热量由热流体通过固体壁面传给冷流体的过程。导热对流辐射对流tkA传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成k为传热系数，W/(m2℃)。在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差=1oC、传热面积A＝1m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。传热系数的计算热流体tf1到tw1：)(111wfttAh111Ahttwftw1到tw2：1211/)(wwttA1121Attwwtw2到冷流体：)(222fwttAh222Ahttfw一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻111AhRh固体的导热热阻右侧对流换热热阻111AhRhAR上面传热过程中传递的热量为：2121212111)()(AhAAhttRRRttΦffhhfftAkttAkΦff)(21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。]KmW[2传热系数21211111hhrrrhhk单位热阻或面积热阻基本计算关系式(1)导热Fourier定律：(2)对流换热Newton冷却公式：(3)热辐射Stenfan-Boltzmann定律：(4)传热过程传热方程式:xtAΦddtAh4TA1212()11ffAtthh12()ffAkttAkt例：一房屋的混凝土外墙的厚度为=200mm，混凝土的热导率为=1.5W/(m·K)，冬季室外空气温度为tf2=-10℃,有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2·K)，室内空气温度为tf1=25℃,和墙壁之间的表面传热系数为h1=5W/(m2·K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。解：由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为例题212f1f11hhttq222/100)(201)(5.115.0)(51)]10(25[mWKmWKmWmKmWK根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，1w1f1tthq2f2w2tthqChqtt5111f1wChqtt15122f2w分析几个生活中的传热问题：1、冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打以后效果更加明显。为什么？2、冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感觉更冷些？3、夏季在维持20℃的室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季在保持22℃的室内穿同样的衣服却感觉到很冷，为什么？4、利用同一冰箱储存相同的物品，结霜的冰箱耗电量大还是不结霜的冰箱耗电量大？5、有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉得更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水，为什么？6、夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？)()()(ztzytyxtxtc单位时间内微元体的内能增量（非稳态项）扩散项（导热引起）源项导热微分方程理论基础：傅里叶定律+能量守恒方程确定导热体内的温度分布是导热理论的首要任务。建立导热微分方程，可以揭示连续温度场随空间坐标和时间变化的内在联系。cztytxtat)(222222caa称为热扩散率，又叫导温系数。(thermaldiffusivity))()()(ztzytyxtxtc热扩散率a反映了导热过程中材料的导热能力（）与沿途物质储热能力（c）之间的关系②导热微分方程的简化形式(a)导热系数为常数时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a越大，物体内部各处的温度差别越小。72521.510m9.4510masas铝木材，1600aa铝木材热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋于均匀一致的能力，所以a反应导热过程动态特性，研究不稳态导热的重要物理量(b)无内热源，导热系数为常数时)()()(ztzytyxtxtc)(222222ztytxtat(c)常物性、稳态、有内热源0222222ztytxt0222222ztytxt泊桑（Poisson）方程(d)常物性、稳态、无内热源拉普拉斯（Laplace）方程Φztztrrtrrrtc211(e)圆柱坐标系和球坐标系的方程zzryrx;sin;cos圆柱坐标系Φtrtrrtrrrtc22222sin1sinsin11sincos;sinsin;cosxryrzr球坐标系边界条件（Boundaryconditions）常见有三类(a)第一类边界条件:给定系统边界上的温度值，它可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值一般形式：tw=f(x,y,z,τ)tw=f(x,y,z,τ)0x1x稳态导热：tw=const；非稳态导热：tw=f()(b)第二类边界条件:该条件是给定系统边界上的温度梯度，即相当于给定边界上的热流密度，它可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值一般形式：qw=f(x,y,z,τ)0x1x),,(zyfxt特例：绝热边界面00(c)第三类边界条件:该条件是第一类和第二类边界条件的线性组合，常为给定系统边界面与流体间的换热系数和流体的温度，这两个量可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值0x1x)tthxt（)()(fwwtthnt①通过单层平壁的导热oxt1tt22122,,00ttxttxdxtdΦxtxtc)(直接积分，得：211cxctcdxdt无内热源，λ为常数，并已知平壁的壁厚为，两个表面温度分别维持均匀而恒定的温度t1和t2带入边界条件：12121tcttcoxt1tt2)(dd1212112Attttqttxttxttt带入Fourier定律线性分布AR导热热阻假设各层之间接触良好，可以近似地认为接合面上各处的温度相等②通过多层平壁的导热qttqtr211111qttr32222qttr43333t2t3t4t1qt1r1t2r2t3r3t4多层平壁：由几层不同材料组成例：房屋的墙壁—白灰内层、水泥沙浆层、红砖（青砖）主体层等组成总热阻为：332211321rrrrt2t3t4t1q334322321121ttttttq由和分比关系33221141＋＋ttqt1r1t2r2t3r3t4推广到n层壁的情况:niiinttq111212212212211)ln(;1)ln(rrrttdrtdrrrttdrdt向上凹若0:2221drtdttww向下凹若0:2221drtdttww圆筒壁内温度分布曲线的形状？，r大，面积A大，dt/dr必然小；反之，A小处，dt/dr必然大。rLdrdtQ2例：一双层玻璃窗，高2m，宽1m，玻璃厚0.3mm，玻璃的导热系数为1.05W/(mK)，双层玻璃间的空气夹层厚度为5mm，夹层中的空气完全静止，空气的导热系数为0.025W/(mK)。如果测得冬季室内外玻璃表面温度分别为15℃和5℃，试求玻璃窗的散热损失，并比较玻璃与空气夹层的导热热阻3214133221141λλλΦ例题[解]这是一个三层平壁的稳态导热问题。根据式(2-24)散热损失为：如果采用单层玻璃窗，则散热损失为是双层玻璃窗散热损失的35倍，可见采用双层玻璃窗可以大大减少散热损失，节约能源。W3.3333003.010'ΦW3.