1、傳熱學(xué)Heat Transfer 傳熱學(xué)傳熱學(xué) (1) (1) 研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，具體來講主要有熱量傳研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，具體來講主要有熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法 (2) 熱量傳遞過程的推動(dòng)力：溫差 熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o 低溫?zé)嵩?有溫差就會(huì)有傳熱 溫差是熱量 傳遞的推動(dòng)力 3傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系(1) 熱力學(xué) + 傳熱學(xué) = 熱科學(xué) 系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過程中傳遞熱量的多少。 關(guān)心的是熱量傳遞的過程，即熱量傳遞的速率。熱力學(xué)：傳熱學(xué)：tm)(),(fzyxt水，M220oC鐵塊,

2、 M1300oC圖 傳熱學(xué)與熱力學(xué)的區(qū)別(2) 傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即 始終從高溫始終從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩簜鬟f，如果沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，那么熱源向低溫?zé)嵩簜鬟f，如果沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，那么 始終是守始終是守恒的恒的4熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式導(dǎo)熱導(dǎo)熱( (熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)) )：conductionconduction對(duì)流對(duì)流( (熱對(duì)流熱對(duì)流) )：convectionconvection熱輻射：熱輻射：radiationradiation5 導(dǎo)熱 Conduction61 導(dǎo)熱的基本定律：傅立葉定律 ：熱流量，單位

3、時(shí)間傳遞的熱量W；A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2；：導(dǎo)熱系數(shù)熱導(dǎo)率）W/( m K)? 熱流矢量與溫度梯度的關(guān)系? 成正比，方向相反 W ddxtA7導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，與材料種類和溫度關(guān)。在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中，決定物體內(nèi)溫度分布的是導(dǎo)熱系數(shù)。氣體液體非金屬固體金屬;C)(mW398純銅 C)(mW7 . 2大理石C)(mW551. 0 ;C)(mW22. 2 :0水冰CC)(mW0183. 0蒸汽8Q1wt2wtA 導(dǎo)熱熱阻的圖示 rtttqww21RtAttww21rAR 導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻如何削弱傳熱？采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料使導(dǎo)熱熱阻增加

4、9時(shí)間條件：時(shí)間條件：穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：導(dǎo)熱過程的進(jìn)行不隨時(shí)間發(fā)生變化。 （導(dǎo)熱系數(shù)）非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：導(dǎo)熱過程的進(jìn)行隨時(shí)間發(fā)生變化。 因此，應(yīng)該說明過程開始時(shí)刻物體內(nèi)的溫度分布。（導(dǎo)溫系數(shù)） 非正規(guī)狀況階段起始階段）、正規(guī)狀況階段、新的穩(wěn)態(tài)),(rft 10邊界條件邊界條件第一類邊界條件：第一類邊界條件： 已知任何時(shí)刻物體邊界面上的已知任何時(shí)刻物體邊界面上的溫度值。溫度值。第二類邊界條件：已知任何時(shí)刻物體邊界面上的熱第二類邊界條件：已知任何時(shí)刻物體邊界面上的熱流密度。流密度。第三類邊界條件：已知流體溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。第三類邊界條件：已知流體溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。wsttswqq()fsx lth ttx1

5、1對(duì)流換熱對(duì)流換熱 ConvectionConvection 定義：流體中氣體或液體溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。2 2 對(duì)流熱對(duì)流）對(duì)流熱對(duì)流）(Convection)(Convection)對(duì)流換熱中邊界層的示意圖對(duì)流換熱中邊界層的示意圖13(2) 對(duì)流換熱： 當(dāng)流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程，他與單純的對(duì)流不同，具有如下特點(diǎn)： a 導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程 b 必須有直接接觸流體與壁面和宏觀 運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差 c 壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層 1415對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式牛頓冷卻公式W )(tthAw對(duì)流換熱系數(shù)(

6、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)) 當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量)( ttAhwK)(mW2如何確定h及增強(qiáng)換熱的措施是對(duì)流換熱的核心問題16溫度梯度或溫度場(chǎng)取決于流體熱物性、流動(dòng)狀況層流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等 溫度場(chǎng)取決于流場(chǎng)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)由對(duì)流換熱微分方程組確定：速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)由對(duì)流換熱微分方程組確定：連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程xwwxyttth,對(duì)流換熱過程微分方程式hx 取決于流體熱導(dǎo)系數(shù)、溫度差和貼壁流體的溫度梯度17對(duì)流換熱的影響因素對(duì)流換熱的影響因素對(duì)流換熱是流體的導(dǎo)熱和對(duì)流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。其影響因素主要有以下五個(gè)

7、方面：(1)流動(dòng)起因; (2)流動(dòng)狀態(tài); (3)流體有無相變; (4)換熱表面的幾何因素; (5)流體的熱物理性質(zhì)18管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱1.流動(dòng)有層流和湍流之分 層流：過渡區(qū)：旺盛湍流：Re23002300Re1000010000Re192. 入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高。 層流入口段長(zhǎng)度: 湍流時(shí):/0.05 Re Prld/60ld層流層流拋物線拋物線湍流湍流對(duì)數(shù)曲線對(duì)數(shù)曲線20管內(nèi)對(duì)流換熱的流態(tài)判定：Re4Re10紊流：層流： 強(qiáng)化流體在管內(nèi)對(duì)流換熱的措施： 在管內(nèi)加內(nèi)插物加大管內(nèi)流體流速 把圓管換成橢圓管0.80.60.40.80.40.2(,)phf vcd21外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換

8、熱外部流動(dòng)：換熱壁面上的流動(dòng)邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會(huì)受到鄰近壁面存在的限制。 橫掠單管：流體沿著橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方向流垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動(dòng)具有邊過管子表面。流動(dòng)具有邊界層特征，還會(huì)發(fā)生繞流界層特征，還會(huì)發(fā)生繞流脫體。脫體。22 邊界層的成長(zhǎng)和脫體決了外掠圓管換熱的特征。Pr)(Re,fNu xhNuxx努塞爾努塞爾(Nusselt)數(shù)數(shù)Rexu x雷諾雷諾(Reynolds)數(shù)數(shù)aPr普朗特?cái)?shù)普朗特?cái)?shù)23橫掠管束換熱橫掠管束換熱外掠管束在換熱器中最為常見。通常管子有叉排和順排兩種排列方式。叉排換熱強(qiáng)、阻力損失大并難于清洗。影響管束換熱的因素除Re，P

9、r 數(shù)外，還有：叉排或順排；管間距；管束排數(shù)等。24熱輻射熱輻射 RadiationRadiation25熱輻射熱輻射(1) 定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象26(2) 熱輻射特點(diǎn) a 任何物體，只要溫度高于0 K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d 具有強(qiáng)烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。(4) (4) 輻射換熱的特點(diǎn)輻射換熱的特點(diǎn)a 不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量b 在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換物體熱力學(xué)能 電磁波能 物體熱力學(xué)能(3) (3

10、) 輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣。與單純的熱輻射不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣。 28c 無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁 波能、相互輻射能量； 高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫29（5） 吸收、反射和穿透 當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透.11QQQQQQQQQQ30對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于黑體： 鏡體或白體：1111,01,0透明體：透明體：反射又分鏡反射和漫反射兩種鏡反射鏡

11、反射漫反射漫反射31黑體的定義：能吸收投入到其表黑體的定義：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長(zhǎng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)，因此，相同溫度下，黑體的因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)吸收能力最強(qiáng) 黑體輻射的黑體輻射的 Stefan-Boltzmann Stefan-Boltzmann 定律定律 ：，4TA4Tq 兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱)(4241TTA32角系數(shù)：角系數(shù)：有兩個(gè)表面，編號(hào)為1和2，其間充滿透明介質(zhì)，則表面1對(duì)表面2的角系數(shù)X1,2是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1輻射能量的百分比。即的有效輻射表面

12、的投入輻射對(duì)表面表面1212, 1X33吸收比吸收比物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用表示，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量34實(shí)際固體和液體的輻射特性真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義了發(fā)射率 (也稱為黑度) ：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:4TEEEb35漫表面漫表面( (漫射表面漫射表面) )：指發(fā)射：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)間方向無關(guān), , 輻射強(qiáng)度在空輻射強(qiáng)度在空間各個(gè)方向上都相等間各個(gè)方向上都相等. .灰表面灰表面( (灰體灰體) ) 實(shí)際實(shí)際物體的理想化物體的理想化; ;其光譜發(fā)射率其光譜發(fā)

13、射率 和和光譜光譜 吸收吸收率率 與波長(zhǎng)無關(guān)與波長(zhǎng)無關(guān)36灰體的吸收率與波長(zhǎng)有關(guān)嗎？ 灰體吸收比都是同一個(gè)常數(shù)。其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同的比例?；冶砻娴臒嶙? 與表面粗糙度，表面尺寸 ，表面材料有關(guān)W 1111111111111AJEJEAbb）（37 表面同溫度下的發(fā)射率等于其吸收率的表面為：漫灰表面 漫灰表面:38傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù)1 1 傳熱過程的定義：兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的換熱傳熱過程的定義：兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的換熱2 傳熱過程包含的傳熱方式：導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射輻射換熱、輻射換熱、對(duì)流換熱、對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)

14、熱傳導(dǎo)墻壁的散熱39增強(qiáng)換熱的主要方法：增強(qiáng)換熱的主要方法：擴(kuò)展傳熱面改變流動(dòng)狀況：增加流速、加插入物擾動(dòng)、 旋轉(zhuǎn)流動(dòng)裝置、射流方法3.使用添加劑改變流體物性：氣流中添加少量固體顆粒、蒸汽或氣體中噴入液滴4.改變表面狀況：增加粗糙度、表面涂層改變表面結(jié)構(gòu)405.改變換熱面的形狀和大小6.改變能量傳遞方式：對(duì)流輻射板7.靠外力產(chǎn)生振蕩，強(qiáng)化傳熱：使傳熱面或流體振蕩、對(duì)流體施加聲波或超聲波，增加脈動(dòng)、外加靜電場(chǎng)加強(qiáng)電介質(zhì)流體的混合41削弱換熱的主要方法：削弱換熱的主要方法：1、覆蓋熱絕緣材料：泡沫、超細(xì)粉末、真空2、改變表面狀況： 改變表面輻射特性： 附加抑制對(duì)流的元件、 在保溫材料表面或內(nèi)部添加憎水劑使其不吸濕不受潮）3.采