传热应用与分析-第一章 绪论

1、传热应用与分析,毛军逵 南京航空航天大学 能源与动力学院,第一章 绪 论,基 本 情 况,毛军逵，副教授，主要承担工程热力学、采暖通风 传热应用与分析等课程的教学工作 从事航空发动机热分析、红外隐身、电子散热、 高超气动热和 CFD仿真研究 明故宫校区 能源与动力学院 312房间课程考核形式与要求：,成绩评定： 平时成绩（考勤、大作业）占总成绩30%；考试占总成绩70% 考核形式：不停课、闭卷考试,引 言,传热应用与分析和传热学的联系与区别？ 传热应用与分析学习的意义？,由于在自然界以及各种工程领域中无处不存在温差，因而无处不存在热量传递现象；使得传热学与工业生产和日

2、常生活的关系特别密切。,传热学研究的成果推动了工业技术的发展,工业、科技领域的发展需求是传热学发展的根本动力,能源动力 化工冶金 机械制造 材料制备 电子技术 航空航天 .,能源动力、 化工冶金、 机械制造,火力发电厂： 锅炉、凝汽器、除氧器、加热器、冷却塔； 制冷与空调装置：蒸发器与冷凝器； 石油、化工生产：加热器、重沸器、蒸馏釜； 冶金工业：各种加热炉、热风炉。,热端部件的强化冷却技术,航 空 航 天,航 空 航 天,高超声速热防护技术,新技术赋予传热学的新使命,新能源技术 太阳能、地热能开发过程中蓄热、放热问题 环境技术 空间技术 微重力场下的传热问题 材料技术 微尺度传热学 ： ：,课

3、程教学目的,许多同学独立运用传热学的基础知识解决工程实际问题的能力显得比较欠缺。通过本课程的学习，针对一些实际的传热问题，启迪学生运用传热学基本知识进行分析问题和解决问题的能力。 巩固并加深学生对刚刚学过的传热学基本知识的理解和掌握，形成清晰的基本概念。 介绍传热学领域的研究热点、新概念和新研究手段，开拓眼界，为后续专业课的学习打下基础。,传热学中我们学习了什么？,导热 对流 辐射,傅立叶定律 导热机理 导热过程（稳态、非稳态） 肋壁的导热过程,牛顿冷却公式 边界层理论 相似原理 典型的对流换热过程,斯忒藩-玻尔兹曼定律 黑体、灰体的辐射换热 角系数,如何应用这些基本概念？,以电子设备散热为例

4、,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目、主频以及芯片功率随年份的变化迅速增加。 随着功率不断增加，电子器件的冷却成为目前IT 工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因。,电子芯片的冷却,电脑中的CPU是典型代表,486CPU的冷却,如何提高散热效果？,机箱风扇,辐射换热,586Pentium CPU的冷却,如何提高散热效果？,机箱风扇,辐射换热,CPU 的冷却,如何提高散热效果？,CPU 散热器,机箱散热,肋片,强迫对流,热量转移,强迫对流,热量转移,肋片： 形状、尺寸、排布方式 强迫对流： 方式、类型 热量转移： 方式、类型,CPU

5、散热器,1、什么是设计合理的肋片 2、如何选择强迫对流形式,机箱散热器,外部冷却介质的导入 温降100度,将CPU产生的热量直接带到机箱外部,CPU风扇和机箱风扇组合，形成空气流路,思 考,1、肋片强化换热的本质？物理过程？ 2、如何提高肋片的强化换热效果？ 3、如何提高强迫对流的换热效果？,热 管,热管1964年发明于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室（Los AlamosNational Laboratory），70年代开始在工业领域大量应用。它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量，具有极高的导热性，高达纯铜导热能力的上百倍，有“热超导体”之美称。,CPU 热管散热器,热管理论上的导热

6、系数优势转化到散热器设计方面，可以大幅减轻重量、更为灵活的散热区域调整。如通过热管将CPU热量传递到稍远且不在同一平面上的机箱背部散热片处，由机箱风扇负责将热量带走，成功减少整机风扇数量，使机箱内部空气更加合理顺畅。,CPU 散热器,热管换热器 （相变）,思 考,热管被称为“热超导体”的本质？ 根据热管工作原理，如何提高热管性能？ 热管的工质、受热面和冷却面如何设计？,热管设计,热管的本质利用工质的气、液相变 从热管的受热面、工质以及冷却面等入手 工质：合理的热物性（导热系数、导温系数） 导热机理 受热面：如何快速汽化沸腾机理 冷却面：如何提高凝结换热效果凝结机理,热管设计,热管工作流体涵盖从

7、低温应用的氦、氮，到高温应用的钠、钾等液态金属；较为常见的热管工作流体则有氨、水、丙酬及甲醇等）。 热管一般是由管壳、吸液芯和端盖三个部分组成。将管内抽至较高的真空度后充以适量的工作流体，使得紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。热管有两端，分别为蒸发端（加热端）和冷凝端（散热端），两端之间根据需要采取绝热措施。 当热管的一端受热时（即两端出现温差时），毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在压差之下流向另一端放出热量并凝结成液体，液体再沿多孔材料依靠毛细作用流回蒸发端。如此循环不已，热量得以沿热管迅速传递。由于蒸发冷凝的传热过程中，管内工作流体处于饱和状态，因此热管几乎是在等温下传递热量

8、。,思考上述绿色的文字，同传热应用与分析的关系？,传热分析基本概念,传热的三种基本方式及其特点 对流和对流换热概念的区别 辐射和辐射换热概念的区别,传热过程分析的难点,对于复杂的实际热量传递过程分析能力 在实际问题中，传热方式往往不是单独出现的，可能有二种或三种传热方式同时存在。 对于一个复杂的实际热量传递过程，应该明确这一过程是由哪些换热环节组成，以及在每一环节中有哪些热量传递方式起作用或主要作用，这是分析实际热量传递问题并采取针对性强化或减少传热措施的基本功。,思考题,辐射热流密度为700W/m2的太阳辐射投射在用于加热水的平板型太阳能集热器上。集热器的面积为3m2，90的太阳辐射穿过玻璃

9、盖板并被吸热板吸收，剩余的10被集热器反射出去。水在吸热板背部的管道中流过。温度由进口的T1加热到出口温度T2。工作温度为30oC的玻璃盖板发射率为0.94，与处于10oC的天空之间进行辐射换热。玻璃盖板与25oC的环境空气之间的对流换热系数为10W/（m2*K）。 1、对集热器进行能量平衡分析，确定单位集热器面积收集有 用热量的速率表达形式 2、在流量为0.01kg/s时计算水的温升T2T1。假设水的比容 为4179J/（Kg*K） 3、求集热器的效率。效率定义为收集有用热量速率同太阳能 投射到集热器上的速率之比。,假设 1、传热过程是稳态的 2、集热器的周测和背面没有损失 3、与天空相比，

10、集热器的面积很小。,具体问题中是单层 如果是双层玻璃,太阳能集热器,平板集热器 平板集热器是在17世纪后期发明的，但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。目前大量使用的是液体集热器； 按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等； 按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集热器等。目前，国内外使用比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和铜管的结合，现在国内已建成十几条铜铝复合生产线。,太阳能集热器,真空管集热器 为了减少平板集热器的热损，提高集热温度

11、，70年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能。将若干支真空集热管组装在一起，即构成真空管集热器，为了增加太阳光的采集量，有的在真空集热管的背部还加装了反光板。真空集热管大体可分为全玻璃真空集热管，玻璃-U型管真空集热管，直通式真空集热管和贮热式真空集热管。我国拥有全部知识产权的热管真空管生产基地，产品质量达到世界先进水平，生产能力居世界首位。,太阳能集热器,聚光集热器 聚光集热器主要由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。按照聚光原理区分，聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光两大类，每一类中按照聚光器的不同又可分为若干种。在本世纪研制开发的聚光集热器品

12、种很多，但推广应用的数量远比平板集热器少，商业化程度也低。 在反射式聚光集热器中应用较多的是旋转抛物面镜聚光集热器（点聚焦）和槽形抛物面镜聚光集热器 （线聚焦）。前者可以获得高温，但要进行二维跟踪；后者可以获得中温，只要进行一维跟踪。,思 考,(1) 在传热学基础知识学习中，你已掌握了哪些物理问题的数学建模方法？ (2) 针对不同的传热问题，如何选择合理、简单的控制体？ (3) 在数学建模中，控制体的能量平衡需要考虑哪些方面？,运用能量守恒和基本传热定律建立合理的数学模型,建立数学模型是用数学的手段解决传热学问题的关键。具体的传热问题的质量、动量或能量守恒关系的数学模型建立与控制体的选取密不可

13、分。针对不同传热问题，控制体的形式有所区别，可以是微元控制体、也可以是有限控制体。,控制体形式,微元控制体,单个方向尺度微（肋片）,有限控制体（集总热容体）,微元控制体能量守恒方程,控制体是热力学中的一个开口系统,进入控制体的能量+ 控制体本身产生的能量 = 离开控制体的能量 + 控制体储存能变化,1、以导热方式进、出微元体的能量：,2、以对流方式进出微元体的净能量：,忽略流体流过微元体的位能及动能变化,流体不可压缩,一般工程问题流速低,3、单位时间内、微元体内部热源产生的能量：,4、单位时间内、微元体热力学能的增量：,5、忽略对外作的净功,控制体的形式(微元控制体),能量守恒 最终形式 =

14、+ 内能增量 扩散项 对流项 源项,忽略粘性耗散,肋片的传热分析（单个方向微）,几点假设： （1）肋片很细小，沿肋片伸展方向任意截面的温度可认为均匀，因此，其导热过程可看成是一维问题。 （2）材料的导热系数和表面对流换热系数均为常数。,控制体能量平衡分析,进入和离开控制体的导热热流量分别为 和 控制体周边表面的对流换热热流量为 能量平衡（稳态、无内热源）,控制体能量平衡分析,对于横截面不变的肋片，假设横截面的周长为P,同具有内热源一维导热方程比较,控制体的形式(有限控制体),集总热容体 集总热容法既然忽略了物体内部的导热热阻，那么，描述这类物体的非稳态导热的微分方程就可以根据能量守恒定律导出一

15、种简单的形式。即物体吸收的热流量与表面的对流换热热流量相平衡,研究方法,实验研究 + 理论分析 + 数值模拟,通过实验观察与测试，深刻认识基本现象与规律、积累第一手实验数据资料 在实验和分析的基础上，采用宏观和微细观相结合的方法，发展出能够正确反映物 理现象规律的数理模型 采用数值模拟手段进行热现象的数值模拟研究，进一步揭示物理现象本质,一台输出功率为750W用于水中工作的电阻加热器，总的暴露面积为0.1m2，在水中的表面对流换热系数为 ，水温为37。试确定(1)在设计工况下加热器的表面温度；(2)如果放置在37的空气中，表面对流换热系数变为 ，此时的稳态表面温度如何变化。,例题1-1,分析,

16、解 取整个加热器作为控制体，由于处于稳定状态，故控制体内储存能量的变化为零。 (1) (2) 本例题得到的是一个代数方程式。运用控制体的概念来进行数学建模在以后的学习中可以进一步领会。,例题1-2,一根外径为0.3m，壁厚为3mm，长为10m的圆管，入口温度为80的水以0.1m/s的平均速度在管内流动，管道外部横向流过温度为20的空气，实验测得管道外壁面的平均温度为75，水的出口温度为78。已知水的定压比热为4187J/(kgK)，密度为980kg/m3，试确定空气与管道之间的对流换热系数。,分 析,解 根据热量传递过程中能量守恒的定理，管内水的散热量必然等于管道外壁与空气之间的对流换热量 (1) 管内水的散热量为 式中 为管道流通截面