《传热学复习》课件

传热学复习本次课程旨在全面回顾和深入学习传热学的基本原理和常见问题。通过对关键概念和计算方法的系统梳理,帮助同学们牢固掌握热量传递的机制,为后续课程打下坚实基础。导言：为什么要学习传热学？科学基础传热学是热量在物体内部或物体之间转移的基本规律和原理，是热力学和工程实践的基础。工程应用传热过程广泛存在于各种工程设备和系统中，掌握传热学知识对于设计、优化和控制这些系统至关重要。能源效率提高能源利用效率需要深入理解热量传递过程，因此传热学在能源领域有重要应用价值。传热学的基本概念热的定义热是能量的一种形式,它可以从高温物体流向低温物体。热量的传递是通过三种基本方式进行的:传导、对流和辐射。温度的概念温度是物体热状态的量度,用来表示物体热量的高低。温度由热量的平均动能决定,可使用温度计进行测量。传热的定义传热是指热量从高温物体流向低温物体的过程。其中包括热传导、热对流和热辐射三种基本方式。传热学的重要性传热学研究热量的产生、传输和利用,在工程技术中有广泛应用,如为工程设计提供理论依据。热传导的基本定律傅里叶定律热量沿着温度梯度方向自发地传导,传导速率与温度梯度成正比。热导率物质的热传导性由其热导率表征,热导率越高,物质传热越快。一维传热方程热量在一维方向上的传导可用微分方程描述,包括稳态和非稳态条件。边界条件热传导问题需要确定合适的边界条件,如定温、定热流或对流边界条件。一维稳态热传导1温度梯度热量沿一个方向的温度差2福里叶定律热量随温度梯度而流动3材料导热系数决定材料导热能力的参数4边界条件确定温度分布的前提条件一维稳态热传导中,热量沿一个坐标轴方向传输,温度梯度恒定不变。符合福里叶定律,热量流动速率与温度梯度成正比。材料导热系数是决定材料传热能力的关键参数。边界条件如温度或热流率的确定是分析温度分布的前提。一维非稳态热传导1初始条件与边界条件非稳态热传导需要定义合适的初始温度分布和边界条件。这决定了温度随时间和位置的变化情况。2瞬态热传导短时间内,温度分布会快速变化。这需要解非稳态热传导微分方程来预测温度变化。3稳态热传导长时间后,温度分布会趋于稳定。这时可以用一维稳态热传导方程来分析。热对流换热1对流热传递机理通过流体的运动来传递热量的过程称为对流换热。流体与固体表面产生温差时会发生对流换热。2对流换热影响因素流体速度、粘度、热导率以及表面几何形状等因素会影响对流换热过程。3对流换热分类根据流体运动形式不同可分为自然对流和强制对流。自然对流由密度差引起,强制对流由外部作用引起。4对流换热计算可用Newton冷却定律和边界层理论来计算对流换热过程中的传热量。自然对流换热自然对流的驱动力自然对流的驱动力来自于温度差导致的密度差,较热的流体上升,较冷的流体下沉,形成稳定的循环流动。自然对流的应用自然对流广泛应用于日常生活和工业中,如暖气片、太阳能热水系统、电子设备散热等。换热系数的影响因素自然对流换热的换热系数受流体性质、温差大小、几何尺寸等因素影响,需要根据具体情况进行分析和计算。强制对流换热高速流动强制对流换热通过高速流动的流体和物体表面之间的热交换来实现。高换热效率强制对流换热可以在较小的温差下实现较高的换热效率。广泛应用强制对流换热被广泛应用于汽车发动机、电子设备等工业领域。沸腾和凝结换热沸腾换热沸腾换热可以实现高效的热量传递。通过液体在固体表面的沸腾过程,可以达到很高的传热系数。这种方式广泛应用于冷凝器、蒸发器等热交换设备中。凝结换热凝结换热也是一种高效的传热方式。气体在冷却表面上发生相变凝结,可以释放大量的潜热,从而实现高效的热量传递。这在冷凝器、热泵等设备中得到广泛应用。相变换热沸腾和凝结属于相变换热的范畴。相变过程中可以吸收或释放大量的潜热,是一种高效的传热方式。这在许多工程应用中得到广泛应用。热辐射基本定律普朗克定律黑体在不同温度下辐射出的能量存在一个固有的关系,这就是普朗克定律。它描述了黑体辐射的特性和规律。斯蒂芬-玻尔兹曼定律黑体单位面积单位时间内的辐射能量与温度的4次方成正比,这就是斯蒂芬-玻尔兹曼定律。它是描述热辐射规律的重要定律。普朗克位移定律黑体在不同温度下辐射出的波长和温度呈反比关系,这就是普朗克位移定律。它描述了热辐射的频谱分布特性。黑体辐射黑体辐射是一种理想化的热辐射概念。黑体是指完全吸收所有入射辐射的物体，并且以最大能量从其整个表面均匀地放出辐射。黑体辐射具有简单的理论模型，能够精确地描述物体在各种温度下的辐射能量及其随温度和波长的变化规律。这为热量转换和传热问题的研究提供了理论基础。非黑体辐射非黑体辐射指的是物体表面不是完全吸收和发射所有入射辐射的情况。这种情况下,物体会部分反射、透射和散射辐射,从而影响其辐射吸收和发射特性。非黑体的辐射特性由表面材料、结构和温度等因素决定。准黑体是一种特殊的非黑体,它的辐射特性接近于理想的黑体。一些天然界中的物体,如太阳表面、星际尘埃云等,都属于准黑体。在工程应用中,通常利用准黑体辐射特性来测量物体的温度。辐射交换1黑体辐射理想化的辐射体2灰体辐射接近黑体的实际辐射体3非黑体辐射实际的一般辐射体辐射交换主要涉及两个辐射体之间的热量交换。黑体辐射是理想情况下的辐射行为,而实际的辐射体更像是灰体或非黑体。这些不同的辐射体之间会发生复杂的热量交换过程,是传热学中一个重要的研究领域。组合传热方式热传导与热对流在很多工程实际应用中,热量的传递往往由热传导和热对流两种方式共同完成。比如热交换器中,内部流体的热量首先通过热传导方式进入换热管壁,然后再通过热对流方式传递给外界环境。热传导与热辐射热辐射也是导致热量传递的一种常见方式。在某些情况下,热量的传递需要通过热传导和热辐射的结合才能实现。例如,热水管道表面的热量既通过管壁的热传导传递,又通过辐射传递给周围环境。传热设备设计基础1热流路径分析了解热量在设备内部的传输路径和规律，有利于优化设备结构和尺寸。2传热过程建模根据热传导、对流和辐射的原理,建立数学模型模拟传热过程,预测设备性能。3热阻分析计算各种热阻,确定关键传热环节,指导优化设计以降低总热阻。4传热效率评估综合考虑能量消耗、传热速率和温度分布等指标,评估设备的热性能。热交换设备板式热交换器常见的热交换设备之一,具有结构简单、传热效率高、易清洗等优点,应用于工业制冷、能源回收等领域。壳管式热交换器通过流体在管内外的热量交换来实现加热或冷却,广泛应用于化工、石油、电力等领域的工业过程。螺旋管式热交换器具有结构紧凑、换热效率高、流阻小等优点,用于高温、高压流体的热量回收或传热过程。传热增强技术增强对流利用扰流板、涡管等方式增加流动湍动,从而提高对流传热系数。增强辐射使用辐射性能良好的材料,并对表面进行辐射改性处理,提高辐射换热效果。复合传热结合对流和辐射等多种传热方式,综合利用各种传热增强手段。相变增强利用相变潜热吸放热的特性,如沸腾和凝结,来增强传热性能。传热与能量转换1能量守恒原理能量既不会被创造也不会被破坏,只能在不同形式之间转换。传热过程中能量交换是这一规律的体现。2可再生能源利用太阳能、风能、地热能等可再生能源的利用离不开对传热过程的深入研究和有效利用。3热电转换技术利用热电效应实现热能到电能的直接转换,在发电、制冷等领域有重要应用前景。4热力循环优化提高热力循环的热效率和降低运行成本需要深入理解传热过程及其与整个系统的耦合效应。传热在工程中的应用建筑节能通过合理的建筑设计和绝热材料应用,可以大幅降低建筑物的采暖和制冷需求。能源转换动力设备和工艺过程中的热传递是能源转换的关键,需要优化热量的利用。航空航天飞行器设计需要平衡热量的吸收和散逸,保持适宜的温度环境。电子冷却电子设备高功率密度产热,有效散热是可靠运行的关键。绝热和隔热材料绝热材料绝热材料是指能有效阻隔热量传递的材料,如矿棉、玻璃棉和聚氨酯等。它们具有低热导率,可以减少热量的损失,广泛应用于建筑物和工业设备中。隔热材料隔热材料指能够减少热量传递的材料,如陶瓷、金属箔和泡沫塑料等。它们可以隔离热量,维持目标区域的温度,广泛应用于家电、热水管道和工业炉窑等领域。温度测量原理热膨胀原理基于物质在受热时体积或长度发生变化的特性,利用膨胀量检测温度变化。热电动势原理利用两种不同金属接触产生的热电势差,通过测量热电势变化来测量温度。光学原理利用物质在不同温度下辐射出不同波长和强度的热辐射,通过测量辐射特性来检测温度。温度测量仪表基本温度计液体温度计和金属温度计是最基本的温度测量仪表。它们利用材料受温度变化而发生体积或长度变化的原理来测量温度。电子温度计热电偶、热电阻和半导体芯片是常见的电子温度计。它们将温度转换为电信号,并通过电子仪表进行测量和显示。红外测温仪红外测温仪能够远程、无接触地测量物体表面温度。它利用物体表面辐射的红外线来计算温度,非常适用于测量高温物体。其他温度计还有声波温度计、微波温度计等新型温度测量技术,可以用于特殊环境下的温度检测。热量测量方法热量表热量表是用于测量热量的仪表,它通过热能的升温作用来反映热量的大小。常见类型有水热量表、蒸汽热量表和电热量表等。卡罗里计卡罗里计是利用测量物质温度升高来间接测量热量的仪器,可用于测量熔化、沸腾等过程中的热量。焦耳热量计焦耳热量计利用电能转换为热能的原理,通过测量电路中的电流和电压来计算热量,广泛用于测量电能转化产生的热量。流量测量方法流量测量利用各种原理和装置对流体流量进行实时测量和监控,是工业过程控制和能源管理的基础。压差法通过测量流体在特定装置中的压力损失来计算流量,常用的有孔板、喷嘴、旋流管等。声波法利用流体流动对声波传播时间和频率的影响来测量流量,采用超声波传感器非常常见。电磁法通过测量流体在电磁场中产生的感应电压来间接计算流量,对导电流体测量精度高。工业中的传热问题1工厂设备冷却在工厂中,各种机械设备和工艺过程产生大量的热量,需要通过有效的冷却系统来维持设备正常运行。2工艺过程加热许多工艺过程需要进行加热,如化学反应、烘干、蒸馏等,需要合理的传热设计来提高能源利用效率。3热量回收利用许多工厂中产生的余热可以通过热量回收技术,比如热交换器,用于其他生产或供暖等用途,提高能源利用率。4废热处理与排放对于无法回收利用的工厂废热,需要采取有效的处理措施,如余热锅炉、废热回收装置等,避免对环境的污染。环境传热问题城市热岛效应城市建筑和道路吸收太阳能,导致城市温度比郊区高出几摄氏度,加剧了空调能耗。温室效应人类活动排放的温室气体阻碍地球热量散发,造成全球气温上升,引发气候变化问题。能源损失工业和生活中的热量排放造成能源浪费,给环境带来热负荷,需要采取隔热等措施。生物传热问题人体温度调节人体通过血液循环、汗液排出等方式调节体温,维持在正常范围内。但某些疾病会影响体温调节机制。动物体温调节各种动物采取不同的生理机制应对环境温度变化,如冬眠、迁徙等,以保持其体温平衡。植物对热量的利用植物通过光合作用利用阳光,并通过蒸腾作用调节体温。它们的结构和特性能够很好地应对热量变化。传热学理论发展趋势计算流体动力学的进步计算流体动力学的不断完善为传热过程的数值模拟提供了强大的工具。这使得复杂的传热问题得以更精确地分析和预测。先进传感器技术新型传感器的出现提高了传热过程的监测和测量能力,为实验研究提供了更精准的数据