热传递的基本原理.

第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节　对流换热第三节　辐射换热第四节传热过程绪言一、什么是传热学?1、传热学：传热学是研究热量传递规律的一门学科。„热量：与过程相关的过程函数，如果不传递，在物体内不叫热量，而是热能。„热能：与物体自身温度有关的状态函数。„什么时候发生“热量传递”呢？„温差存在——-热量自发的从高温处传到低温处。„日常生活中：„烧开水，水壶底结垢后，烧水时间增长，为什么？„冬天，上午晒被子，晚上还暖和，为什么？„冬夏室内温度都是20℃，但是冬穿毛衣夏穿衬衣，为什么？„工程应用中：„设备设计、制造、运行离不开传热学绪言)电子问题：集成电路集成密度↑，发热量↑，每㎝2电路芯片的散热量，20世纪70年代，10W；20世纪80年代，20~30W；20世纪90年代以后，102W，设计制造时要考虑：运行时，这些热量如何散出去，如果这些热散不出去，势必影响其寿命及工作可靠性。)电厂中为了强化传热和节能而进行的锅炉受热面改造，锅炉保温。)热工测点怎样布置才能减小测温温差？如测壁温„2、与热力学的比较„都是以热力学第一（能量守恒）、第二定律（熵增原理）为基础，研究热现象，但侧重点不同。„传热学：一个平衡状态到另一个平衡状态热量传递规律„热力学：总的能量变化及功热能的相互转换，„如烧热的铁棒在水中冷却„热力学：整个过程铁棒的放热量„传热学：整个过程铁棒的放热量，还有任一时刻铁棒的温度。绪言二、传热问题的分类（两种类型）„1、计算传递的热流量Ф，用来增强或削弱传热量„Ф---单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量。单位：W„q---单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度或面积热流量，W/m2。„增强：汽车发动机中的散热量及人发烧需迅速退烧„削弱：热力设备管道加保温人冬天防冷„2、确定物体内各点的温度进行现象判断、温度控制、热应力计算等。„启停炉时汽包的热应力监测„癌细胞温度高绪言三、热量传递的三种基本方式„热传递是一种复杂的现象，在不同的条件下，具有不同的机理，为了便于分析，我们常把它们分成几种基本的传热方式，一般认为有三种，热传导、热对流和热辐射。在实际中，往往是这三种方式的不同组合而成的传热方式。绪言„四、求解方法1.直接测量2.数值模拟绪言第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节　对流换热第三节　辐射换热第四节传热过程第一节导热一、基本概念1、导热定义：当物体内有温度差或两个温度不同的物体相互接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒的（分子、原子、自由电子）热运动传递了热量，这种现象叫做热传导，简称导热。2、温度场：„场：某一瞬时，某一物理量的总称。矢量场（电场，磁场）和标量场（质量场）„温度场：某一瞬间物体内各点温度分布的总称，温度场是时间和空间的函数，可表示为t=f(x,y,z,τ)。一维：t=f(x,τ)→t=f(x)为一维稳态二维：t=f(x,y,τ)三维：t=f(x,y,z,τ)非稳态：t=f(x,y,z,τ)稳态：t=f(x,y,z)随空间变化可分为：温度场随时间变化可分为：„3、等温线（面）：在同一时刻，温度场中温度相同的点所连成的线或面称为等温线或等温面。„等温面：同一时刻，物体内部温度相同的点连成的面。可以是曲面、平面、或封闭的圆环面。„等温线：等温面与一平面垂直相交得到的一族线。„温度场习惯上用等温面图或等温线图来表示。„思考：等温线可以相交吗？沿等温线有热流吗？„4、温度梯度（重点理解）：等温面上法线方向上的温度变化率，换言之，就是温度变化率的昀大值。kztjytixtgradt∂∂+∂∂+∂∂=温度梯度是一个矢量，指向温度升高的方向。单位：k/m。二、导热机理材料不同，导热机理不同，从微观角度来看。固体导电固体金属------自由电子——电的良导体也的热的良导体非导电固体------晶格振动（沙发床），水波似的，弹性波a.固体b.气体------分子碰撞运动传递（热运动）——杂乱无章的布朗运动。类似于非导电固体------主要靠弹性波的作用。c.液体—持两种观点类似于气体：只是情况更复杂，因为液体分子间的距离比较近，分子间的作用于力对碰撞过程的影响力比气体大。三、导热基本定律„1.导热基本定律：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，与温度梯度和截面面积成正比，而方向与其相反。dxdtSQ−∝dxdtSQ••−=λWW(注：与热力学不一样，热力学中Q——总传热量，J或KJ)2/..........mWdxdtq•−=λ„2.比例系数λ——导热系数——W/(m·℃)或W/(m·K)„导热系数的大小取决于物质的种类和温度。故给出导热系数时，必须指明物质所处的温度，才有意义。即固体的导热系数昀大，气体的昀小，液体的介于两者之间。„一般我们要用λ时，可以查资料。如20摄氏度下。材料纯铜黄铜普通钢铁耐火材料保温材料水空气λ39811030-5010.120.5990.0259保温材料这些材料呈纤维或多孔结构。根据国家标准GB4272z中规定，将温度低于350℃时热导率小于0.12W/(m⋅K)的材料称为保温材料（或绝热材料），如膨胀塑料、膨胀珍珠岩、矿渣绵、玻璃棉、岩棉、中孔微珠、微孔硅酸钙等。常温下空气的热导率为0.0257W/(m⋅K)，是很好的保温材料。四、（稳态）导热计算1.大平壁导热„（1）单层大平壁导热„大平壁：是指平壁的高度和宽度远大于其厚度，这样平壁的端部散热所造成的温差可略去不计。„工程中，什么情况下，平壁才可作为大平壁？Q„当平壁两侧壁温保持均匀恒定时，就可认为导热是仅沿壁厚方向上的一维稳态导热。„变换得：dxSQdtλ−=cxSQt+−=λ„两边积分得：„代入边界条件：x=0，t=tw1和x=，t=tw2：12wwtSQt+−=δλ故温度分布与壁厚呈直线关系。„所以：)(21wwttSQ−=δλW„热流密度：)(21wwttSQq−==δλ2/mW„为了记忆：与欧姆定律相比较：RUI=λλδδλRtSttttSQΔ=−=−=2121)(λλδδλrtttttqΔ=−=−=/)()(2121tΔ——温压λr)(SRλδλ=——热阻0xttw1tw2tw1tw2λλRr或λδλλδδλRtSttttSQΔ=−=−=2121)(λλδδλrtttttqΔ=−=−=/)()(2121（2）不同导热系数多层平壁导热SttRttQ)(λδλ−=−=SttQww2232λδ−=SttQww3343λδ−=)()()(3322114132141SSSttRRRttQλδλδλδλλλ++−=++−=33221141λδλδλδ++−==wwttSQqW2/mW2.长圆筒壁导热圆管优点：具有制造简便，受力均匀和节省材料。以圆形和正方形为例：3.14*R2=3.14*22=12.56m22*3.14*R=2*3.14*2=12.56mL2=3.5440092=12.56m24L=4*3.544009=14.176m（1）单层长圆筒壁导热当圆筒壁很长时，可以忽略轴向端部的散热，且因内、外壁温均匀恒定，温度只沿径向变化，故可采用柱坐标，认为是一维稳态导热。工程中，当管外径小于管长的1/10时，就可按长圆筒壁处理。drdtSQλ−=drdtlrQπλ2−=rdrlQdtπλ2−=积分得：crlQt+−=ln2πλ代入边界条件：r=r1，t=tw1和r=r2，t=tw2得121221ln2ln2ddlQrrlQttwwπλπλ==−故：在圆筒壁内的温度分布与半径呈对数关系，在图上为一对数曲线λπλRttddlttQ−=−=12ln21ddlRπλλ=--------长单层圆筒壁的导热热阻。lλπλrttddttlQq−=−==热流密度：热流量：WmW/12ln21ddrπλλ=-------单位管长上单层圆筒壁的导热热阻。（2）不同导热系数多层圆筒壁导热对于由多层不同材料紧密贴合构成的多层圆筒壁r4r3r2r1tw1tw43432321214132141ln21ln21ln21ddlddlddlttRRRttQπλπλπλλλλ++−=++−=3432321214132141ln21ln21ln21ddddddttrrrttlQqπλπλπλλλλ++−=++−==热流量：热流密度：--------长多层圆筒壁的导热热阻。lWmW/-------单位管长上多层圆筒壁的导热热阻。343232121321ln21ln21ln21ddlddlddlRRRRπλπλπλλλλλ++=++=343232121321ln21ln21ln21ddddddrrrrπλπλπλλλλλ++=++=第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节　对流换热第三节　辐射换热第四节传热过程第二节　对流换热一、基本概念1．对流换热：热对流：流体中，温度不同的各部分之间发生相对运动时所引起的热量传递过程。对流换热：流体流过固体壁面时的热量传递。它是热传导和热对流综合作用的结果。对流换热混合对流内部流动外部流动大空间有限空间凝结换热沸腾换热珠状凝结膜状凝结饱和沸腾过冷沸腾流动原因有无相变流体的流态自然对流强迫对流单相介质的对流换热有相变的对流换热层流换热紊流换热2．层流和紊流流速较小时，流体的黏性力起主导作用，为层流。当流速较大时，各流层的脉动加强，惯性力起主导作用，为紊流。进水口雷诺数（无因次综合量）判断方式：vddReωμρω==11223=•=••=•••NsmkgsmNsmkgsPmsmmkga当Re2320时为稳定层流Re1×104时为旺盛紊流2320Re1×104时则为流态不确定的过渡阶段二、换热机理层流：主要靠流体与壁面间的导热；换热机理紊流：层流底层是导热，紊流区是对流换热。比层流换热要大的多。三、对流换热量的计算（牛顿冷却公式）SttttSQfwfwαα1)(−=−=WS——固体壁的换热表面积，m2;。，ttfw约定取正值热温差体)(t温度，℃；换分别别为壁面温度和流--t、wf−α——比例系数，称为对流换热系数或放热系数，W/(m2·℃)。Sα1-----全壁面的放热热阻。四、影响对流换热系数因素——影响流动的因素和流体本身的物理性质1.流动原因：自然对流、强迫对流2.流体有无相变（汽化潜热）3.几何因素：壁面几何形状、大小；流体与固体接触的相对位置（即内流、外流）。热面向上内流外流热面向下4.流体的物理特性：),,,,,(λμρωαpcdf=普朗特数：λμPrcP=格拉晓夫数:23vtdgaGVrΔ=努塞尔数：λαdNu=5.流体有无相变五、对流换热量计算)(fwttSQ−••=α①首先判断流态（层流还是条流）25043.080)PrPr(Pr0210．．．wfffefRNu=2501.043.0330)PrPr(Pr150．．．wffffefGrRNu=②根据流体定性温度tf（流体）——进出口算术平均值tw（壁面）——壁温③根据：λαdNu=λαdNu=六、流体有相变时对流换热1．沸腾换热：沸腾换热：在固体壁面的温度超过与之相接触的液体饱和温度时发生的换热过程。过冷沸腾（局部沸腾）沸腾饱和沸腾（整体沸腾）膜态沸腾核态沸腾2.凝结换热：凝结：蒸汽释放出汽化潜热并传给固定壁，凝结后的液体附着在固体壁面上。凝结换热：在壁面温度低于与之接触的蒸汽压力下的饱和温度时发生的换热过程。按润湿壁面的能力不同，分：膜状凝结和珠状凝结。第三章热传递的基本原理绪言第一节导热第二节　对流换热第三节　辐射换热第四节传热过程第三节　辐射换热一、基本概念„⒈辐射：物体通过电磁波传递能量的方式。电磁波：波长一般用字母表示，单位m。理论波长0～∞米，本课涉及内容用m表示。„⒉热辐射：由于热的原因物体的内能转化成电磁波的能量而进行的辐射过程。λμ实际应用：云烟加工；人多屋暖；加工食物（面包）；加工农作物（东北大豆）；非典红外测温仪。波长m10-410-810-710-6