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文档简介

1、传热学单元3第1页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日参 考 书 教材 传热学第四版,杨世铭、陶文铨传热学要点及解题,王秋旺第2页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日考 核 方 法期末考试: 70%平时成绩: 30%(包括:作业及出勤) 有以下情况者平时成绩为0作业两次不交抽查点名三次未到第3页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日几点建议马马虎虎学十遍,不如认真学一遍;着重理解物理过程机理。学习目的 掌握知识,增强能力;而不是为了考试学习如果我们将学过的东西忘得一干二净时,最后剩下来的东西就是教育的本质了。 自学能力第4页,共53页,202

2、2年,5月20日,17点9分,星期日第一章 绪 论1-1传热学及其研究内容1-2热量传递的三种基本方式(导热2、3、4;对流5、6、7;辐射8、9)1-3传热过程和传热系数(10)1-4传热学发展简史和研究方法第5页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日1. 传热学(Heat Transfer)研究热量传递的规律以及控制和优化热量传递过程的方法。 1-1 传热学及其研究内容由于温差几乎无处不在,所以热量传递是日常生活和生产实践中普遍存在的物理现象。热量传递过程的推动力:温差第6页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日热量传递规律主要指单位时间内所传递的热量与物体

3、中相应的温度差之间的关系。反映这种规律的第一层次的关系式称为热量传递的速率方程;更深层次的研究是要找出物体中各点的温度分布第7页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日据统计,目前通过热能形式被利用的能量在我国占总能源利用的90%以上,世界其他各国平均也超过85%。热量即传递过程中的热能。第8页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日能源利用过程实际就是能量的传递与转换热 能电 能机 械 能 风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源(天然存在)二次能源 光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换直接利用利用一切热能利用过程都离不开传热。第

4、9页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日热机 高温热源 低温热源 Q1Q2W热能利用率和传热过程密切相关。第10页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日2 传热学学科的建立1784年,英国人瓦特发明蒸汽机实现了热能向机械能的能量转换,开创了热能间接利用的新纪元,导致第一次工业革命相继出现内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机从而出现了汽车、飞机、大型火力发电设备。随着热能与机械能转换理论研究的深入,各种制冷设备相继出现和完善人们对热的本质、热能与机械能转换基本规律及工质热力性质的深入研究和探讨导致了涉及热能间接利用的工程热力学的出现、发展、完善。第11页,共53页,202

5、2年,5月20日,17点9分,星期日上述问题都迫切要对热量传递的基本规律进行深入研究,以便有效利用热能和提高设备经济性、可靠性.这导致了传热学的出现和发展。在人们探讨提高热机功率和效率的研究中,发现阻碍其提高的原因之一是:传热过程引起的热损失或传热效果不良。工程技术的其他领域也广泛存在热量传递引起的问题:强化/削弱传热,对热量传递/温度进行控制。第12页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日3 传热学与热力学的关系热力学传热学热工课程热力学研究平衡状态,无温差、压差; 传热学则是温差传热。热力学研究热量在一段时间内总的交换量(J);传热学着重于单位时间的换热量(W)。热力学第一

6、第二定律是进行传热学研究的基础。第13页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日4 传热学在生产技术领域中广泛应用传统工业能源动力:发电厂冷却塔、发电机组石油化工:换热器、热力管道制冷空调:散热片、换热器高新技术航空航天:航天飞机表面材料要求绝热良好,飞机机翼防冰电子器件:电脑芯片散热医药卫生:组织与器官的冷冻保存第14页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日节能环保建筑环境:空心转、节能建筑天气环境日常生活太阳能集热器家用散热器房间/汽车内环境模拟第15页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日传热工程问题的类型:强化传热 例如:暖气片削弱传热 例

7、如:液氮、液氧低温容器温度控制 例如:电子器件冷却、航天器第16页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分析计算和实验研究方法,为后续专业课及研究生课程的学习,为今后研究、处理、解决实际的传热工 程问题奠定必要的技术理论基础。5 传热学课程学习的主要目的第17页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日6 传热学研究方法实验研究方法理论研究方法数学分析法:导热问题积分近似解法:层流对流比拟法:湍流对流数值模拟:导热、对流、辐射、总传热过程导热系数、对流换热关联式第18页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日1-2热

8、量传递的三种基本方式热传导(导热)热对流(对流)热辐射第19页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日热传导(heat conduction)1定义: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热运动而产生的热量传递。2特点:物质的属性,可以在固体、液体、气体中发生物体之间无相对位移;物体间必须相互接触;没有能量形式的转化;第20页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日傅里叶定律:热流量,单位时间通过给定面积的热量Wq:热流密度,单位时间通过单位面积的热量W/m2A:垂直于导热方向的截面积m2负号:代表热量传递方向与温度升高方向相反通过平板的

9、一维导热第21页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日“维”一根细棒,若直径很小,温度在径向基本一致,只有纵向有显著变化,这是一维导热问题一面墙,若墙内各点温度沿高宽方向变化很小,温度差只体现在厚度方向,可认为是一维导热问题只有温度在该方向上有不可忽略的变化时,该方向才成为“维”;导热问题中维的概念与几何形状是不同的;三维向一维二维简化是近似的,抓住要矛盾,降低求解难度。总结第22页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日表征材料导热性能优劣物性参数,与材料种类和温度有关。大小由实验测定。导热系数-导热系数 单位:W/( mK)例题1-1第23页,共53页,202

10、2年,5月20日,17点9分,星期日例 题 1-1已知:平板厚度,两侧壁温tw1、tw2,导热系数求:不同时热流密度解:第24页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日例 题 1-1(为常数时一维稳态导热)铜:铬砖:硅藻土砖:钢:第25页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日例 题 1-1讨论:由计算可见, 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别,导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。 因而,铜是热的良导体,而硅藻土砖则起到一定的隔热作用。第26页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日热对流(heat convectio

11、n)1 对流:由于流体的宏观运动,从而流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混而引起的热量传递过程。 对流换热:流体流过物体表面时的热量传递过程2 对流换热的特点有相对位移一定伴有流体的导热没有能量形式的转换流体和固体壁面相互接触第27页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日对流换热的分类无相变对流换热强制对流换热 流动靠泵、风机等驱动自然对流换热 流体各部分的密度不同 有相变对流换热沸腾换热 液体在热表面上沸腾凝结换热 蒸气在冷表面上凝结第28页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日对流换热的计算牛顿冷却公式h 表面传热系数A 与流体接触的壁面面积 固体壁

12、表面温度 流体温度其中:第29页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日对流换热系数(表面换热系数)h(convection heat transfer coefficient)定义式:过程量大小取决于流体的物性、cp和流速,换热表面的形状、大小、布置研究对流换热的基本任务:给出各种场合下的h。第30页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日表1-1表面传热系数的数值范围h水h空气,h强制h自然, h相变h无相变第31页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日热辐射(thermal radiation)1热辐射:由热运动产生的,以电磁波形式传递能量的现

13、象 辐射换热:自然界中各物体不停地向空间发出热辐射,同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射,其综合结果就造成了以辐射方式进行的热量传递即辐射换热(radiative heat transfer)。第32页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日2 生活中的例子: a 当你靠近火的时候,会感到面向火的一面比背面热; b 冬天的夜晚,呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服; c 北方,深秋或初冬季节清晨,树叶总是朝向天空的一侧结霜。热辐射(Thermal radiation)第33页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日辐射换热特点不需要直接接触,热辐射可在真空中传

14、递;有能量形式的转化: 热能 辐射能 热能温度高于0 K,就会不停地向周围空间发出热辐射 辐射无时无处不在发射吸收注当物体与周围环境处于热平衡时,辐射换热量为零,但这是动态平衡,辐射与吸收过程仍在进行第34页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日辐射换热的计算研究方法:假设一种黑体,它只关心热辐射的共性规律,忽略其他因素;然后,真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正,通过实验获得修正系数,从而获得真实物体的热辐射规律。黑体:能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体第35页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日辐射热的计算黑体的辐射热量:真实物体:其中:T热力学温度

15、,KA辐射表面积,m2黑体辐射常数,5.6710-8 W/(m2K4)物体的发射率,1 指的是物体向外辐射的热流量注第36页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日 例如:两块非常接近的平行黑体表面间的辐射换热辐射换热的计算收支总帐:投到物体上的辐射热量的吸收过程 及物体自身向外辐射的热量第37页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日第38页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日传热的三种方式模拟第39页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日2008-8-241?分析暖气片的热量传递方式分析白炽灯泡向环境空间散热过程管内侧强制对流换

16、热、管壁导热、外侧自然对流换热、辐射换热自然对流换热、辐射换热第40页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日2008-8-241上节内容回顾传热学热量传递的三种基本方式导热对流与对流换热辐射与辐射换热概念特点基本计算第41页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日热传导、热对流和热辐射三种热量传递基本方式往往不是单独出现的;分析传热问题时首先应该弄清有哪些传热方式在起作用,然后再按照每一种传热方式的规律进行计算;如果某一种传热方式与其他传热方式相比较作用非常小,往往可以忽略。注意:第42页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日1-3 传热过程和传热

17、系数辐射换热对流换热热传导 墙壁的散热热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程。传热过程:传热过程包括串联的三个环节:第43页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日传热过程计算:一维平壁稳态传热过程三个环节热流量相等第44页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日传热系数称为传热系数,w/m2kk是表征传热过程强烈程度的标尺,与过程有关,不是物性参数注复合换热表面传热系数第45页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日 k 越大,传热越好。若要增大 k,可增大h1、h2、或减小。h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要内容传热系数第46页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日热阻类比称为传热过程热阻称为对流换热热阻称为导热热阻第47页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日一维稳态传热过程的热阻分析左侧对流换热热阻右侧对流换热热阻固体的导热热阻热阻图第48页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日传热过程传递的热量为:传热系数为:热阻图第49页,共53页,2022年,5月20日,17点9分,星期日例 题 1-4解

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