57传热学题库 哈尔滨工程大学

热量传递的基本方式热量传递有三种基本方式热量传递有三种基本方式::z热传导(heatconduction)；z热对流(heatconvection)；z热辐射(thermalradiation)。本章小结(1)导热Fourier定律：xtAΦddλ−=tAhΔ=Φ4TAσ=Φ(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：kAtΦ=Δ一维稳态传热过程中的热量传递()111fwhAttΦ=−Φ传热过程的剖析δw1t2wtf11th，f22th，()12wwAttλδΦ=−()222wfhAttΦ=−()121211ffAtthhδλ−Φ=++()12ffkAttkAtΦ=−=Δ（1）传热过程的计算：传热系数，]KmW[2传热方程式传热系数：一维稳态传热过程中的热量传递是指用来表征传热过程强烈程度的指标，不是物性参数，与过程有关。传热系数的表达式：12111khhδλ=++12111khhδλ=++1ft1wt2wt2ft11hA21hAAδλ传热过程的热阻分析需要掌握的公式•热力学第一定律。收入—支出=积累•一维、内热源、非稳态导热微分方程。•（熟练运用一维平板）（一维有内热源的圆柱体导热也要知道2-51a）•继续用电路等效热路。学会热阻的运用。•注意有内热源时电路的特点：有内热源的部分不能用电路，其他部分依然可以根据能量守恒来用电路等效。（见核反应堆的例题）1第第22章章稳态导热分析与计算稳态导热分析与计算稳态导热是指温度场不随时间变化的导热过程.主要讨论以下内容：主要讨论以下内容：平壁平壁、、圆筒壁圆筒壁、、球壁球壁及及肋壁肋壁等一维稳态导等一维稳态导热分析解法热分析解法;;2一维稳态导热一维稳态导热单层与多层平壁的稳态导热单层与多层平壁的稳态导热当平壁的两表面分别维持均匀恒定当平壁的两表面分别维持均匀恒定的温度时，平壁的导热为一维稳态导热。的温度时，平壁的导热为一维稳态导热。假设假设：：表面面积为表面面积为AA、、厚度为厚度为δδ、、λλ为为常数、无内热源，两侧表面分别维持均常数、无内热源，两侧表面分别维持均匀恒定的温度匀恒定的温度ttw1w1、、ttw2w2，，且且ttw1w1ttw2w2。。1.1.单层平壁的稳态导热单层平壁的稳态导热选取坐标轴选取坐标轴xx与壁面垂直与壁面垂直,,如图所示。如图所示。3数学模型：数学模型：220dtdx=2222220tttxyz∂∂∂∂∂∂++=x=x=0,0,t=tt=tw1w1x=x=δδ,,t=tt=tw2w2求解结果：求解结果：w1w2w1()tttxtxδ−=−可见，当可见，当λλ为常数时为常数时,,平壁内平壁内温度分布曲线为直线，温度分布曲线为直线，其斜率为其斜率为由傅立叶定律可得由傅立叶定律可得w1w2ttdtdxδ−=−w1w2ttdtqdxλλδ−=−=通过整个平壁的热流量为通过整个平壁的热流量为w1w2ttAqAΦλδ−==上式与绪论中给出的公式完全相同。上式与绪论中给出的公式完全相同。42.2.多层平壁的稳态导热多层平壁的稳态导热多层平壁由多层不同材料组成，当两表面分别维多层平壁由多层不同材料组成，当两表面分别维持均匀恒定的温度时，其导热也是一维稳态导热。持均匀恒定的温度时，其导热也是一维稳态导热。以三层平壁为例，假设以三层平壁为例，假设（（11））各层厚度分别为各层厚度分别为δδ11、、δδ22、、δδ33，，各层材料的导热系数分别为各层材料的导热系数分别为λλ11、、λλ22、、λλ33,,且分别为常数；且分别为常数；（（22））各层之间接触紧密各层之间接触紧密,,相互相互接触的表面具有相同的温度；接触的表面具有相同的温度；（（33））平壁两侧外表面分别保持平壁两侧外表面分别保持均匀恒定的温度均匀恒定的温度ttw1w1、、ttw4w4。。显然，通过此三层平壁的导热为显然，通过此三层平壁的导热为稳态导热稳态导热,,各层的热流量相同。各层的热流量相同。5三层平壁稳态导热的总导热热阻为各层导热热阻三层平壁稳态导热的总导热热阻为各层导热热阻之和，由单层平壁稳态导热的计算公式可得之和，由单层平壁稳态导热的计算公式可得w1w4123ttRRRλλλΦ−=++w1w4312123ttAAAδδδλλλ−=++三层平壁稳态导热可以由三个相互串联的热阻网络表示。三层平壁稳态导热可以由三个相互串联的热阻网络表示。对于对于nn层平壁的稳态导热，层平壁的稳态导热，()w1w11nniittRλΦ+=−=∑利用热阻的概念利用热阻的概念,,可以很容易求得通过多层平壁可以很容易求得通过多层平壁稳态导热的热流量稳态导热的热流量,,进而求出各层间接触面的温度进而求出各层间接触面的温度。。142.2.多层圆筒壁的稳态导热多层圆筒壁的稳态导热运用热阻的概念，很容易分析运用热阻的概念，很容易分析多层圆筒壁的稳态导热问题。多层圆筒壁的稳态导热问题。以三层圆筒壁为例，无内热源，以三层圆筒壁为例，无内热源，各层的热导率各层的热导率λλ11、、λλ22、、λλ33分别为常数，分别为常数，内、外壁面维持均匀恒定的温度内、外壁面维持均匀恒定的温度ttw1w1、、ttw2w2。。这显然也是一维稳态导热问题。这显然也是一维稳态导热问题。通过各层圆筒壁的热流量相等，总通过各层圆筒壁的热流量相等，总导热热阻等于各层导热热阻之和，导热热阻等于各层导热热阻之和，123w1w4llllttRRRλλλΦ−=++w1w4324112233111lnlnln222ttddddddπλπλπλ−=++4令令ccVhAρτ=，，ττcc称为称为时间常数时间常数。。0exphAcVhAecVτρθτθρ−⎛⎞==−⎜⎟⎝⎠当当ττ＝＝ττcc时，时，100.36836.8%eθθ−===即在即在ττcc时刻，时刻，物体的过余温度达到初始过余温度的物体的过余温度达到初始过余温度的36.8%36.8%。说明，。说明，时间常数时间常数反映物体对周围环境温度变化反映物体对周围环境温度变化响应的快慢，时间常数越小，物体的温度变化越快。响应的快慢，时间常数越小，物体的温度变化越快。影响时间常数大小的主要因素是影响时间常数大小的主要因素是由由可见，可见，ccVhAρτ=物体的热容量物体的热容量ρρcVcV和物体表面的对流换热条件和物体表面的对流换热条件hAhA。。时间常数时间常数::5几点说明：几点说明：（（11））集总参数法集总参数法中的中的毕渥数毕渥数BiBiVV与与傅里叶数傅里叶数FoFoVV以以l=V/Al=V/A为特征长度，为特征长度，不同于分析解中的不同于分析解中的BiBi与与FoFo，，无限大平壁无限大平壁无限长圆柱无限长圆柱圆圆球球分析解分析解集总参数法集总参数法hBiδλ=hRBiλ=hRBiλ=2aFoτδ=2aFoRτ=2aFoRτ=VhBiδλ=2VaFoτδ=(/2)VhRBiλ=(/3)VhRBiλ=2(/2)VaFoRτ=2(/3)VaFoRτ=（（22））对于形状如平板、柱体或球的物体，只要满足对于形状如平板、柱体或球的物体，只要满足BiBi≤≤0.10.1，，就可以使用集总参数法计算，偏差小于就可以使用集总参数法计算，偏差小于55％％。。强制对流：影响因素主要有五个方面：(1)流动起因;(2)流动状态;(3)流体有无相变;(4)换热表面的几何因素;(5)流体的热物理性质。6对流换热的分类：(1)流动起因自然对流：5对流换热的影响因素自然强制hh流体内部的密度差所引起的。由外力（如：泵、风机、水压头）作用所引起的。5-1对流换热概说(2)流动状态层流湍流hh(3)流体有无相变单相相变hh湍流Turbulentflow：单相换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等（Singlephaseheattransfer）（Phasechange）（Condensation）（Boiling）流体各部分之间发生剧烈的混合层流Laminarflow：流体微团沿着主流方向作有规则的分层流动5-1对流换热概说5-1对流换热概说(4)换热表面的几何因素：内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束5-1对流换热概说(5)流体的热物理性质：密度]mkg[3ρ比热容]C)(kgJ[o⋅c动力粘度]msN[2⋅η运动粘度]sm[2ρην=体胀系数]K1[αppTTvv⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂=ρρα11自然对流换热增强↑⇒α)(多能量单位体积流体能携带更、↑↑⇒hcρ)(热对流有碍流体流动、不利于↓↑⇒hη↑↑⇒hλ)(间导热热阻小流体内部和流体与壁面导热系数[W/(m2.K)]λ5-1对流换热概说综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：()pclufh,,,,,ληρ=计算对流换热的策略：首先求解定性温度，定性尺寸，计算各种准则数，根据准则数的关联式，计算换热系数，根据换热系数，计算换热量。定性温度定性尺寸准则数关联式换热温差传热量外掠平板t=2wmtt∞+lReulγ=hlNuλ=3121PrRe332.0==λhlNux3121PrRe664.0==λhlNuwttt∞Δ=−()wQhAtt∞=−管内流动't=2ffmtt+dReudγ=hdNuλ=0.80.40.023RePrhdNuλ==0.80.30.023RePrNu=wmtttΔ=−()wmQhdlttπ=−横掠圆管t=2wmtt∞+d试算的方法见热线风速仪的例题5-3对流换热的边界层微分方程组∞∞=======ttuuyttvuyw,,0,00δ例如：对于主流场均速、均温，并给定恒定壁温的情况下的流体纵掠平板换热，即边界条件为∞u∞t求解可得局部表面传热系数的表达式xh3121332.0⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛=∞axuxhxννλ注意：层流3121332.0⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛=∞axuxhxννλ⇒3121PrRe332.0⋅=xxNu⇓⇓⇓5-3对流换热的边界层微分方程组3121PrRe332.0⋅=xxNu特征数方程或准则方程式中：λxhNuxx=努塞尔(Nusselt)数νxux∞=Re雷诺(Reynolds)数aν=Pr普朗特数}注意：特征尺注意：特征尺度为当地坐标度为当地坐标xx一定要注意上面准则方程的适用条件：外掠等温平板、无内热源、层流内部流动强制对流换热实验关联式一.管槽内强制对流流动和换热的特征1.流动有层流和湍流之分Re23002300Re1000010000Re™层流：™过渡区：™旺盛湍流：内部流动强制对流换热实验关联式2.入口段效应层流湍流层流入口段长度:PrRe05.0≈dl湍流时:60ld≈60dl内部流动强制对流换热实验关联式二.管内湍流换热实验关联式实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：0.80.023RePrnfffNu=加热流体:0.4n=冷却流体:0.3n=此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。式中:定性温度采用流体平均温度，特征长度为管内径。ft实验验证范围：45Re10~1.210f=×Pr0.7~120f=/60ld≥5-6相似原理的应用22常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式第六章凝结与沸腾换热55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：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：qmaxqmin第六章凝结与沸腾换热6第六章凝结与沸腾换热7第六章凝结与沸腾换热81.四个理想物体：黑体，白体，透明体，灰体2.五个定律：Planck定律，Stefan-Boltzmann定律，Lambert定律，Wien位移定律，Kirchhoff定律；3.两个近似：灰表面，漫射面4.发射辐射概念：辐射力，光谱辐射力，定向辐射力，辐射强度，投射辐射5.几个系数：发射率，光谱发射率，定向发射率，吸收比，光谱吸收比，穿透比，反射比；6.其它重要概念：立体角，选择性吸收第八章小结对于有限大小表面A1,A2之间的角系数：1,222,11XAXA=以上