华科传热学20-02

1、2022-1-101主讲：刘志春主讲：刘志春能源与动力工程学院能源与动力工程学院华中科技大学华中科技大学2022-1-1022-1 基本概念基本概念2-2 一维稳态导热一维稳态导热2022-1-1032-1基本概念基本概念温度场温度场(temperature field) ：等温面与等温线等温面与等温线定义定义特征特征温度梯度温度梯度傅立叶定律及导热系数傅立叶定律及导热系数),(zyxft 2022-1-104导热微分方程导热微分方程导热过程的单值性条件导热过程的单值性条件导热问题的求解方法导热问题的求解方法)()()(ztzytyxtxtc2022-1-1052-2一维稳态导热一维稳态导热1

2、 通过平壁的导热通过平壁的导热2 通过圆筒壁的导热通过圆筒壁的导热)(12AttttqW 2)ln( 2211221Rttlrrttrlqwwww2022-1-1063 通过球壁的导热通过球壁的导热4 变截面或变导热系数问题变截面或变导热系数问题5 内热源问题内热源问题6 肋片导热肋片导热传热过程包含串联的三个环节。传热过程包含串联的三个环节。在这三个环节中，经常遇到其在这三个环节中，经常遇到其中一个对流环节热阻较大，强中一个对流环节热阻较大，强化这个环节的传热，降低其热化这个环节的传热，降低其热阻，对增加整个传热过程的传阻，对增加整个传热过程的传热量非常重要。热量非常重要。tf1 h1 tw

3、1 q tw2 h2 tf2 2022-1-107W 112121AhAAhttff为了增加传热量，可以采取哪些措施为了增加传热量，可以采取哪些措施?增加温差，但受工艺条件限制增加温差，但受工艺条件限制减小热阻：减小热阻：金属壁一般很薄金属壁一般很薄( 很小很小)、热导率很大，、热导率很大，导热热阻一般可忽略导热热阻一般可忽略增大增大h1、h2，但提高，但提高h1、h2并非任意的并非任意的增大换热面积增大换热面积 A 也能增加传热量也能增加传热量tf1 h1 tw1 q tw2 h2 tf2 2022-1-108增加换热面积是强化对流换热的有效方法增加换热面积是强化对流换热的有效方法之一。之一

4、。工程上经常采用肋片（又叫翅片）来强化工程上经常采用肋片（又叫翅片）来强化换热。换热。 肋片：依附于基础表面上的扩展表面。肋片：依附于基础表面上的扩展表面。2022-1-1092022-1-1010芯片技术的冷却芯片技术的冷却各种类型翅片管各种类型翅片管翅片管换热器翅片管换热器-1-1翅片管换热器翅片管换热器-2-2各种金属轧制管各种金属轧制管绕带管及其应用绕带管及其应用-1-12022-1-10162022-1-10172022-1-1018科学家有争论说：恐科学家有争论说：恐龙是温血的动物，其龙是温血的动物，其身上的肋片加强了过身上的肋片加强了过多运动带来的热量散多运动带来的热量散失。失。

5、2022-1-1019肋片导热的特点：肋片导热的特点：在肋片伸展的方向上有表面的对流换热及辐射在肋片伸展的方向上有表面的对流换热及辐射换热，因而热流量沿传递方向不断变化。换热，因而热流量沿传递方向不断变化。肋片表面的所传递的热量都来自（或进入）肋肋片表面的所传递的热量都来自（或进入）肋片根部，即肋片与基础表面的相交面。片根部，即肋片与基础表面的相交面。分析目的：分析目的：1)获得肋的温度分布获得肋的温度分布;2)通过肋片散通过肋片散热量热量2022-1-1020直肋直肋通过等截面直肋的导热通过等截面直肋的导热从图中取出一个肋片：设肋片与从图中取出一个肋片：设肋片与基础表面相交处（肋根）的温度基

6、础表面相交处（肋根）的温度t0已知，周围流体温度为已知，周围流体温度为t ，肋，肋片与环境之间有热交换（对流、片与环境之间有热交换（对流、辐射）复合表面传热系数为辐射）复合表面传热系数为h。严格地说，肋片中的温度场是三维、稳态、无严格地说，肋片中的温度场是三维、稳态、无内热源、常物性、第三类边条的导热问题。但内热源、常物性、第三类边条的导热问题。但由于三维问题比较复杂，故此，在忽略次要因由于三维问题比较复杂，故此，在忽略次要因素的基础上，将问题简化为一维问题。素的基础上，将问题简化为一维问题。2022-1-1021假定：假定：（1）肋片在垂直屏幕方）肋片在垂直屏幕方向很长，不考虑温度沿向很长，

7、不考虑温度沿该方向的变化；该方向的变化；（2）材料的导热系数）材料的导热系数(金属，导热系数大金属，导热系数大)及表及表面传热系数为常数；面传热系数为常数；（3） / tH，由于温度计的感温泡与套管顶部，由于温度计的感温泡与套管顶部直接接触，可以认为温度计的读数就是套管直接接触，可以认为温度计的读数就是套管顶端的壁面温度顶端的壁面温度tH。套管中每一截面上的温。套管中每一截面上的温度可以认为相等的，因而温度计套管可以看度可以认为相等的，因而温度计套管可以看成是截面为成是截面为d的一等截面直肋（的一等截面直肋（d为套管直为套管直径）。而所谓的测温误差，就是套管顶端的径）。而所谓的测温误差，就是套

8、管顶端的过余温度过余温度(由一维等截面肋片导热理论）由一维等截面肋片导热理论）2022-1-1051)cosh(0mHttttffHH此处此处tf是筒内待测流体的真实温度是筒内待测流体的真实温度,/hHmH 由双曲余弦函数由双曲余弦函数ch(mH)的性质可知：套管材的性质可知：套管材料导热系数越大，测温误差越大。料导热系数越大，测温误差越大。结论：结论：从减小测温误差的角度，套管材料用从减小测温误差的角度，套管材料用钢比铜好。钢比铜好。2022-1-1052减少测温误差的其它方法减少测温误差的其它方法:)cosh(0mHttttffHH/hHmH 增加套管长度增加套管长度 H 减小套管壁厚减小

9、套管壁厚 在储气筒外包以在储气筒外包以保温材料保温材料 强化套管和流体强化套管和流体之间的换热，即之间的换热，即增大增大 h2022-1-1053习题：习题：2-18， 2-20，2-222022-1-1054复习复习1：我们为什么把肋片的散热归入一维稳我们为什么把肋片的散热归入一维稳态导热问题？肋片效率是如何定义的，它与哪态导热问题？肋片效率是如何定义的，它与哪些因素相关？增大肋片效率有哪些措施？些因素相关？增大肋片效率有哪些措施？答：肋片是为了增强换热而安装在换热壁面上答：肋片是为了增强换热而安装在换热壁面上的扩展表面，通常是换热面与环境之间的换热的扩展表面，通常是换热面与环境之间的换热性

10、能较差，而安装的肋片导热性能较好，且厚性能较差，而安装的肋片导热性能较好，且厚度远小于肋片伸展的高度，于是可以忽略肋片度远小于肋片伸展的高度，于是可以忽略肋片厚度方向上的温度变化，也就是有厚度方向上的温度变化，也就是有Bi1 ，那，那么，肋片的散热就可以视为仅仅发生在肋片高么，肋片的散热就可以视为仅仅发生在肋片高度方向上的一维含源的稳态导热问题。度方向上的一维含源的稳态导热问题。 2022-1-1055肋片的效率定义为肋片实际的散热量与整个肋肋片的效率定义为肋片实际的散热量与整个肋片都处于肋基温度下的理想散热量之比，片都处于肋基温度下的理想散热量之比， mHmHhPHmHmhPf)tanh()

11、tanh(00hAhPmh它与肋片的物性（材质）、几何形状、和环它与肋片的物性（材质）、几何形状、和环境换热情况有关。境换热情况有关。 2022-1-1056增加肋片效率包括：增加肋片效率包括：热导率增大、减小肋片高度、增加肋片厚度、热导率增大、减小肋片高度、增加肋片厚度、减小减小h。2022-1-1057复习复习2：长度为长度为L的杆，暴露在的杆，暴露在t 的环境中，杆的环境中，杆一端温度为一端温度为t0，杆内安装电热元件，沿杆方向，杆内安装电热元件，沿杆方向产生均匀发热率产生均匀发热率 。试求：。试求：1）杆内温度分布表达式）杆内温度分布表达式2）杆散给环境的散热量；）杆散给环境的散热量；

12、解：解：在杆内取一长度为在杆内取一长度为dx的微元体，设杆截面积为的微元体，设杆截面积为A，周长为，周长为P，导热系数为，导热系数为，换热系数为，换热系数为hq2022-1-1058内热源产生热量为内热源产生热量为导入的热量导入的热量导出的热量导出的热量以对流方式向周围散出的热量为以对流方式向周围散出的热量为热平衡方程为热平衡方程为化简得化简得AdxqdxdtA)(dxdxdttdxdAtthPdxtthPdxdxdxdttdxdAdxdtAqAdx)(qmdxd2222022-1-1059通解为通解为带入边界条件带入边界条件则杆内温度分布表达式为则杆内温度分布表达式为hPAqececmxmx

13、21；ttx00, 0LLxPAdxdALx,hPAqeeemhhPAqeeeemhhPAqemxmLmLLmLmxmLmLLmL00 2022-1-1060（2）杆向周围散出的热流量为）杆向周围散出的热流量为LLmLmLLmLmLLLhAALqLheeLheehPAqmhPhAdxhPQ2002022-1-106170年代的世界能源危机促进了强化传热的研年代的世界能源危机促进了强化传热的研究究发生于发生于70年代的能源危机对世界的经济发展年代的能源危机对世界的经济发展是一次大冲击。迫使人们尽力减少石油与其是一次大冲击。迫使人们尽力减少石油与其它二次能源的消耗，客观上极大地促进了强它二次能源的

14、消耗，客观上极大地促进了强化传热技术的研究化传热技术的研究其实质是探求在消耗一其实质是探求在消耗一定的能量条件下尽可能多地传递为某种过程定的能量条件下尽可能多地传递为某种过程所需的热量。所需的热量。2022-1-1062根据根据Bergles 这个时期世界范围内关于强化传这个时期世界范围内关于强化传热研究论文的数量急剧上升（图热研究论文的数量急剧上升（图1）。）。Bergles, A. E., Jensen, M. K., and Shome, B. (1995). Bibliography on Enhancement of Convective Heat and Mass Transfer

15、, Report HTL-23, Heat Transfer Laboratory, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY. 被动式强化传热技术被动式强化传热技术基于表面的：异型管、扩展表面基于表面的：异型管、扩展表面 螺旋槽纹管、横槽纹管、纵槽管、纵向涡强化管、内翅片管、螺旋槽纹管、横槽纹管、纵槽管、纵向涡强化管、内翅片管、低螺纹翅片管低螺纹翅片管基于流体的：内插物基于流体的：内插物 扭带、绕花丝、螺旋线圈、金属泡沫、添加剂扭带、绕花丝、螺旋线圈、金属泡沫、添加剂存在的问题存在的问题传热强加的同时，流体阻力也同时增加传热强加的同时，流体阻力也同

16、时增加强化传热理论强化传热理论减薄热边界层厚度、增加换热面积、增加壁面附近流减薄热边界层厚度、增加换热面积、增加壁面附近流体扰动体扰动场协同原理场协同原理Nakamura, H., and Tanaka, M. (1973). Cross-Rifled Vapor Generating Tube, U.S. patent 3,734,140.Wang L K, Sunden B. Performance comparison of some tube inserts. Int Comm Heat Mass Transfer, 2002, 29(1): 4556Wang L K, Sunden

17、B. Performance comparison of some tube inserts. Int Comm Heat Mass Transfer, 2002, 29(1): 45562022-1-1070早期教材（早期教材（60年代）中几乎没有出现年代）中几乎没有出现“强化传强化传热热” 的术语，文献中提出了的术语，文献中提出了“传热的增强传热的增强”的的概念，但仅限于分析强化传热过程首先要强化概念，但仅限于分析强化传热过程首先要强化热阻大的一侧的换热过程，还未对强化传热的热阻大的一侧的换热过程，还未对强化传热的技术开展阐述。技术开展阐述。1 Miheev M A. Fundamenta

18、ls of heat transfer (In Russian) . 3rd edition. 1956. 2 杨世铭，陈大燮编，传热学，北京：中国杨世铭，陈大燮编，传热学，北京：中国工业出版社，工业出版社，19612022-1-1071中期教材（中期教材（6595年）的年）的Kreith 教材（教材（1986）已经将已经将Augmentation 列入主题索引。列入主题索引。在在1993年出版的年出版的Bejan的教材中则更加开宗明的教材中则更加开宗明义地提出研究传热学的主要任务是（义地提出研究传热学的主要任务是（1）热绝）热绝缘；（缘；（2）强化传热；（）强化传热；（3）温度控制）温度控制

19、，非常精，非常精练地道出了近代传热学的研究的基本命题。练地道出了近代传热学的研究的基本命题。在在Incropera、DeWitt 教材中的教材中的85年版本正文年版本正文中已经有这方面的阐述，但未列入主题索引。中已经有这方面的阐述，但未列入主题索引。在在2002年版本中，则已将年版本中，则已将enhancement surfaces 列入主题索引。列入主题索引。 2022-1-1072电子器件冷却技术发展为传热学提供了许多强电子器件冷却技术发展为传热学提供了许多强化换热的实例化换热的实例电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片上集成的晶体管数

20、目、主频以及术领域。芯片上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化迅速增加。由于功率不芯片功率随年份的变化迅速增加。由于功率不断增加，使电子器件的冷却成为目前断增加，使电子器件的冷却成为目前IT 工业工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因。子器件失效的主要原因。2022-1-10732022-1-1074因此从因此从20世纪世纪90年代起，电子器件冷却技术年代起，电子器件冷却技术的研究广泛受到重视，给传热学教材提供了的研究广泛受到重视，给传热学教材提供了大量具有实际意义的例题与习题。大量具有实际意义的例题与习题。执行可持续

21、发展战略和节能为主的方针，要执行可持续发展战略和节能为主的方针，要求对传热强化技术予以足够的关注，求对传热强化技术予以足够的关注，在介绍强化对流换热的技术时，必须指出，在介绍强化对流换热的技术时，必须指出，任何强化技术都会引起流动阻力的增加；只任何强化技术都会引起流动阻力的增加；只有那些按照一定的约束条件（如泵功一定，有那些按照一定的约束条件（如泵功一定，压降一定）的技术才能节能。压降一定）的技术才能节能。2022-1-1075电子器件冷却电子器件冷却2022-1-10762022-1-1077电脑散热用热管电脑散热用热管2022-1-1078自自然然对对流流冷冷却却2022-1-1079芯片

22、上的沸腾芯片上的沸腾2022-1-1080液液膜膜下下降降冷冷却却2022-1-1081液液膜膜下下降降冷冷却却测测试试2022-1-1082液液柱柱飞飞溅溅冷冷却却2022-1-1083液体飞溅冷却液体飞溅冷却2022-1-1084液滴撞击在芯片表面液滴撞击在芯片表面2022-1-1085翅片传热强化翅片传热强化2022-1-10862022-1-10872022-1-1088翅片上的沸腾翅片上的沸腾2022-1-1089随着家用空调的普及，空调系统节能程度成随着家用空调的普及，空调系统节能程度成为全世界空调厂商吸引顾客的一个重要指标，为全世界空调厂商吸引顾客的一个重要指标，使家用空调中的两器使家用空调中的两器冷凝器与蒸发器传热冷凝器与蒸发器传热强化的研究呈现常兴不衰的势头：空气侧的强化的研究呈现常兴不衰的势头：空气侧的翅片，由平片、波纹片、到开缝片；对于水翅片