上海理工大学《传热学》考研复习10省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第十章

几个专题11/41第十章几个专题10-1太阳能利用中传热问题(371页)10-2热管及其应用(376页)10-3射流冲击换热(379页)10-4传质过程介绍(382页)10-5传热学在科学技术领域中应用(392页)22/4110-1太阳能利用中传热问题太阳是个炽热气团，它内部不停地进行着核聚变反应，由此产生巨大能量以辐射方式向宇宙空间发射出去。抵达地球大气层外缘能量，含有如图10-1中位置较高实线所表示光谱特征，近似于温度为5762K黑体辐射。33/41日地间距离在一年中是有改变。在日地平均距离处，大气层外缘与太阳射线相垂直单位表面积所接收到太阳辐射能为。此值称为太阳常数，记为Sc,它与地理位置或一天中时间无关。实际上，大气层外缘水平面上每单位面积接收到太阳辐射能为：式中：f——地日距离修正系数，f=0.97~1.03；

——太阳射线与地面法线间夹角，称天顶角。44/41在太阳能利用中会碰到许多传热问题，现以太阳能集热器为例来分析。太阳能集热器是将太阳能转换成工质(水)热能设备，经典集热器如图10-3所表示：太阳能在穿过透明盖板后投射到吸热面上。为了提升效率，在吸热面上常涂有对太阳辐射含有很高光谱吸收比涂层。所谓太阳能集热器效率

,可定义为集热器有效收益热流密度qg与投入集热器太阳辐射Gs比值，即：55/41提升太阳能集热器效率路径是，在保持最大程度采集太阳辐射同时,尽可能减小其对流和辐射热损失。办法之一是：利用对太阳光透明玻璃或塑料薄膜使吸热面不直接暴露于外界环境。如图10-4所表示，普通玻璃对

m热辐射有很高穿透比，而对>

m热辐射穿透比很小。于是大部分太阳辐射能穿过玻璃进入有吸热面腔内，而吸热面发出常温下长波辐射却被玻璃阻隔在腔内，从而产生了所谓温室效应。66/41吸热面辐射特征对集热器效率也是主要。以图10-3所表示平板型集热器为例，在热稳态情况下，集热器单位面积热平衡方程为：可采取灰体平行平板间辐射换热公式计算：代入式(10-3)化简，得：77/41太阳能利用中吸热面材料理想辐射特征应是：在0.3~3

m波长范围内光谱吸收比靠近于1，而在大于3

m波长范围内光谱吸收比靠近于零。即要求

s尽可能大，而

尽可能小。用人工方法改造表面，如对材料表面覆盖涂层是提升

s/

值有效伎俩，这种涂层称为光谱选择性涂层，如在铜材上电镀黑镍镀层，其吸收比特征如图10-5中曲线2所表示。黑镍镀层厚度对表面特征影响示于表10-1。88/41表10-1黑镍镀层厚度对辐射特征影响（镀层表面温度为50C）由表中能够看出，黑镍镀层使

s/

值可提升到10左右。99/41不但人工研制涂层表面对太阳能吸收比不等于其本身发射率，普通材料也常是如此。表10-2部分材料对太阳辐射吸收比及本身发射率1010/4110-2热管及其应用热管是20世纪60年代发展起来含有尤其高导热性能传热元件。图10-6为其工作原理示意图。工作液在热管内循环流动，把热量从加热段传递到散热段。1111/41带有吸液芯热管有突出优点——对蒸发段与冷凝段位置没有任何限制，但其制造成本较高，多用于航天事业中。地面上常采取依靠重力回流冷凝液重力热管。这时冷凝段必须位于蒸发段之上。如图10-7所表示。重力热管中应用最广是钢-水热管。钢-水热管在运行过程中会产生不凝结气体——氢气，并最终聚集到冷凝段使凝结换热恶化，以致使热管性能变坏或失效。这种现象称为钢-水不相容性。1212/41下面我们以一根钢-水重力热管为例来分析其热传递过程中各个步骤热阻大小。设热管外径do=25mm，内径di=21mm，蒸发段长度le及冷凝段长度lc均为1m，碳钢导热系数=43.2W/(m·K)。热量从热流体传到冷流体过程中各个步骤热阻以下：设蒸发段外表面总表面传热系数为ho，e，则：(1).从热流体到蒸发段外壁换热热阻R1(2).从蒸发段外壁到内壁导热热阻R21313/41(3).蒸发段换热热阻R3

设蒸发换热表面传热系数hi,e=5000W/(m2·K),则：(4).从蒸发段到冷凝段蒸汽流动压降所引发热阻R4

蒸汽压降造成饱和温度下降,这等价于存在一个热阻。但实际上因为压降很小，因而所引发对应温差也很小，所以R40。(5).冷凝段固体壁面导热热阻R5

R5与R2相同，为6.410-4K/W。1414/41(6).冷凝段换热热阻R6

取凝结换热表面传热系数为hi，c=6000W/(m2·K)，则(7).冷凝段外管壁与冷流体间换热热阻设冷流体总表面传热系数为ho，c，则在R1~R7中，属于热管内部热阻为R2~R6，其和为6.7810-3K/W。一根长2m、直径为25mm铜棒热阻是上述钢-水热管1500倍。热管这种尤其优良导热性能又被称为“超导热性”。1515/4110-3射流冲击换热当需要在换热表面局部地域产生强烈换热效果时，可采取冲击射流。冲击射流已广泛用于平板玻璃回火、金属薄板退火、纺织品或纸张干燥、燃气轮机叶片冷却及电子器件冷却等技术中。在这种换热方式中，气体或液体在压差作用下经过一个圆形或窄缝形喷嘴垂直（或成一定倾角）地喷射到被冷却表面上，从而使直接收到冲击区域产生很强换热效果。如图10-9、10-10所表示。射流抵达壁面前区域称为自由射流。抵达壁面后，射流向四面沿着壁面流开，形成贴壁射流区。固体表面上正对喷嘴中心处称为滞止区。这里局部换热强度尤其高。1616/41图10-11示出了一些经典情况下滞止区及其附近局部表面传热系数改变情况。*.滞止区以外射流冲击区域中平均换热特征为：1717/41函数f1、f2、f3可按以下公式计算：式(10–6)、(10–7)适用范围为：在玻璃、纸张等冷却或干燥工艺中还经常采取狭缝冲击射流，此时喷嘴出口形状为狭长长方形，普通其宽度小于长度十分之一。1818/4110-4传质过程介绍在含有两种或两种以上组分流体内部，假如有浓度梯度存在，则每一个组分都有向低浓度方向转移，以减弱这种浓度不均匀趋势。混合物组分在浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向转移过程称为传质，亦称质量传递。正如温度差是热量传递推进力那样，浓度差是质量传递推进力。衣服晾干是日常生活中碰到空气-水分二元混合物传质现象。在能源、动力、低温工程、化工及环境保护等工程领域中，存在着大量物料干燥、加湿、去湿、吸收、脱吸等传质过程。因为分子运动而引发质量传递过程称为质扩散；因为对流掺混而引发质量传递称为质对流。1919/41一.混合物浓度表示方法组分浓度通惯用质量浓度

和物质量浓度c表示，其定义为：式中：、分别为混合物容积V中组分A及B质量；、分别为混合物容积V中组分A及B物质量。2020/41二.质扩散裴克(Fick)定律及经典扩散过程如图10-12所表示，组分A及组分B被分隔在容器两侧，抽去隔板时,因为浓度梯度存在组分A、B相互扩散。单位时间内在垂直于质量扩散方向面积上所扩散组分，可用裴克定律计算：DAB为百分比系数，称为质扩散率。下角码AB表示物质A向物质B扩散;负号表示质量通量密度及物质量通量指向浓度降低方向。2121/41*.两种经典扩散过程1.等摩尔逆向扩散：如图10-13所表示，设组分A、B以相同物质量通量密度向相反方向扩散，则称这种扩散过程为等摩尔逆向扩散。计算式为：2222/41因为NA=–NB，故得：则有：在气体分离蒸馏过程中，当低沸点组分和高沸点组分潜热相近时，高沸点组分凝结释放出热量使相同物质量低沸点组分汽化，则该过程可近似地按等摩尔逆向扩散来处理。2323/412.单向扩散考虑如图10-14所表示量筒底部水层向顶部大气扩散过程。因为水面上水分蒸发，水蒸气不停地向上扩散。设在量筒口有一股极低流速气流不停地把水蒸气带走，则可建立起一个稳态扩散过程来。假设：(1).扩散过程是稳态；(2).系统是等温；(3).水面上方气空间压力p0为常数；(4).混合气体能够作为理想气体处理。2424/41由假定知：空气在水中溶解度几乎为零，因而不能向水中扩散。在这一过程中水面上水蒸气不停向空气扩散，而空气不能进入水面，因而称为单向扩散。量筒口处空气分压力要大于水面上分压力，必定有空气不停地从量筒口向量筒底扩散，会在水平面上积聚起越来越多空气。为了维持一个稳定扩散过程，构想有一股沿水面法线方向向上流动混合气流，夹带有空气，以赔偿从量筒口向水面空气扩散。在量筒任一截面上这股气流流速应使此处空气净质量交换率为零，即：2525/41该截面上水蒸气总质量交换率为：对于理想气体，有：2626/41将式(e)代入式(d)得：这是在裴克定律基础上考虑了单向扩散后得出物质量通量密度计算式，称为斯蒂芬(Stephan)定律。将式(a)代入式(10-16)得：积分得：2727/41若以水蒸气气体常数Rw来代替摩尔气体常数R，则计算得到是质量通量密度，即：式(10–17)、(10–18)称为斯蒂芬定律积分表示式。2828/41三.对流传质及表面传质系数

对流传质是指当流体流经一个相界面时与界面之间发生质量交换。计算公式为：2929/41四.质量与热量同时传递过程以干湿球温度计为例来分析传热、传质过程中温度差及浓度差之间关系。如图10-16所表示，当一股温度为t

、水蒸气质量浓度为

气流吹过湿球时同时发生着对流传质及对流传热。*.单位水膜面积上质交换为：*.单位面积上换热量为：3030/4110-5传热学在科学技术领域中应用1.选取或发展适当换热关联式，方便有效地设计各类热交换设备：在能源、动力、化工、冶金等工程部门中大量地使用着各类热交换设备。如火力发电厂中锅炉以及火力发电厂、核电厂汽轮机系统中凝汽器、除氧器、加热器、冷却塔，制冷与空调装置中制冷介质蒸发器与冷凝器，石油、化工生产中用加热器、重沸器、蒸馏釜，冶金工业中各种加热炉、热风炉等都是热交换设备。传热学应用几乎包括到每一个技术领域。以下我们从10个方面概要介绍生产技术领域中应用传热学目标或传热学在发展一些科学技术领域中作用。3131/412.利用或开发各种强化换热伎俩，以提升传热效果、降低材料消耗、改进设备紧凑性因为在许多工艺或生产过程中换热器投资占设备总投资相当大百分比或者是工艺过程关键步骤，因而怎样强化传热、提升经济性就成为一项主要工作。近来涌现出来各种翅片管、紧凑式换热器以及强化制冷剂凝结与沸腾各种强化表面就是适应这种需要结果。3232/41大型发电机中定子线圈与转子线圈、电子器件中大规模集成电路芯片以及核反应堆中燃料棒，在运行中都会产生大量热量；燃气轮机中转子上叶片、各种车辆发动机中汽缸及重返大气层时航天器壳体，在运行过程中都受到强烈加热。必须及时把这些热量有效地传递出去，才能确保设备安全经济运行。3.开发或选择有效冷却方法，以提升发烧(受热)元件或设备冷却效果，保障设备安全、经济运行3333/414.设计绝热工程、开发绝热技术，以节约能量、保护环境几乎在全部热能利用与热量传递场所，都会碰到不一样程度绝热问题。比如各种工业炉、窑炉墙保温，工业与民用建筑采暖与保温，冷冻、冷藏食品保留，尤其是低温与极低温(4K)环境保持都需要利用绝热技术。3434/415.预测加工制造工艺中工件内部温度场，以合理地控制生产工艺过程，提升产品质量，或为热应力、热变形计算提供依据在金属材料成型过程中会碰到大量加热、冷却、金属熔化及液态金属凝固等复杂传热问题，研究与预测这些工艺过程中工件温度场改变，对于控制产品质量和生产率含有主要意义。各种热力设备，如汽轮机与锅炉汽包，起动、停车过程中在壁面中形成温差常比正常运行时大，造成较大热应力。在这种情况下，必须利用传热学知识计算温度场、预测热应力，从而制订出可靠起动、停车制度。电子设备、精密仪表在运行过程中一样存在热变形问题，所以设计时必须对不一样环境条件下机内温度工况及变形有合理计算。3535/416.开发新能源、清洁能源，合理利用现有能源传热学在开发新能源中作用能够太阳能利用作为经典。在合理利用现有能源方面，能够相变储能技术开发为例。为了处理普遍存在日间用电高峰时段供不应求，而后夜低谷时段电力富裕问题(称为峰谷差)，世界各国多采取相变储能技术，即在夜间电网低谷电价较低时,采取电动制冷机将冷量储蓄于蓄冷介质中(如将水变成冰),然后在日间用电高峰期部分或完全停顿电动机组运行，将蓄冷装置中冷量释放出来，以满足建筑物空调或生产工艺用冷要求。实现这种蓄冷关键问题之一是相变换热规律性研究。3636/417.多孔介质中传热传质是与农业、林业、食品等部门中许多操作或工艺相关基本物理过程多孔介质是组成地球生物圈最基本物质形式。土壤、岩层、植物与动物肌体都属于多孔介质。土壤与植物中水分迁移，食品、木材、药品、农产品干燥等都与多孔介质中传热传责问题相关。土壤中热质迁移规律研究对于土壤中水分保持，肥、盐、污染物处理含有主要意义。又如，食品真空冷冻干燥过程是多孔介质中含有运动相界面传热传责问题。这种方法可保留新鲜食品色、香、味及维生素，是新一代高质量食品保留方法。真空冷却方法也用来冷却经烘焙杀菌食品。3737/418.生物医学工程中存在着大量包括热量传递各种方式及非牛顿流体传热问题生物医学领域存在着大量能量传递及平衡现象。首先，人体与环境换热就包括到辐射及各种对流方式。人体向环境散热规律研究为设计舒适环境(如轿车车内环境)，提供了基础数据。在人体内部更是进行着各种常伴有化学反应传热传质过程，而且经常因为能量传递与质量传递不平衡造成人体内局部或大面积病变。正是因