第一章 傳熱學是研究有溫差存在時熱量傳遞規律的學科 1 物體內只要存在溫差 就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分 2 物體之間存在溫差時 熱量就會自發的從高溫物體傳向低溫物體 根據物體溫度與時間的關系 熱量傳遞過程可分為兩類 穩態傳熱過程和非穩態傳熱過程 傳熱學研究的對象是熱量傳遞規律 熱流量 單位時間內通過某一給定面積的熱量稱為熱流量 記為 單位W 熱流密度 面積熱流量 單位時間內通過單位面積的熱量稱為熱流密度 記為q 單位w 熱量傳遞的三種基本方式 1 熱傳導 導熱 物體各部分之間不發生相對位移時 依靠分子 原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱熱傳導 導熱的基本規律 傅立葉定律 稱為熱導率 又稱導熱系數 表征材料導熱性能優劣的參數 是一種物性參數 單位 w mk 不同材料的導熱系數值不同 即使同一種材料導熱系數值與溫度等因素有關 金屬材料最高 良導電體 也是良導熱體 液體次之 氣體最小 2 熱對流 是指由于流體的宏觀運動 從而使流體各部分之間發生相對位移 冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程 對流僅發生在流體中 對流的同時必伴隨有導熱現象 對流換熱 指流體流經固體表面時流體與固體表面之間的熱量傳遞現象 1 根據對流換熱時是否發生相變分 相變對流換熱和單相對流換熱 2 根據引起流動的原因分 自然對流和強制對流 對流換熱的基本規律h 比例系數 表面傳熱系數 單位 h的物理意義 單位溫差作用下通過單位面積的熱流量 一般地 就介質而言 水的對流傳熱比空氣強烈 就傳熱方式而言 有相變的強于無相變的 強制對流強于自然對流 3 熱輻射 物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射 因熱的原因而發出輻射能的現象稱為熱輻射 輻射傳熱 輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞稱輻射傳熱 導熱 對流兩種熱量傳遞方式 只在有物質存在的條件下 才能實現 而熱輻射不需中間介質 可以在真空中傳遞 而且在真空中輻射能的傳遞最有效 在輻射傳熱過程中 不僅有能量的轉移 而且伴隨有能量形式的轉換 輻射傳熱是一種雙向熱流同時存在的換熱過程 即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能 而且低溫物體向高溫物體輻射熱能 把吸收率等于1的物體稱黑體 是一種假想的理想物體 實際物體輻射熱流量根據斯忒潘 玻耳茲曼定律求得 傳熱過程 熱量由壁面一側的流體通過壁面傳到另一側流體中去的過程稱傳熱過程 傳熱過程三個環節 1 從熱流體到壁面高溫側的熱量傳遞 2 從壁面高溫側到壁面低溫側的熱量傳遞 3 從壁面低溫側到冷流體的熱量傳遞 傳熱過程越強烈 傳熱系數越大 反之則越小 第二章 溫度場 溫度場是指在各個時刻物體內各點溫度所組成的集合 又稱溫度分布 穩態溫度場 是指物體各點的溫度隨空間坐標而不隨時間變化的溫度場稱穩態溫度場 非穩態溫度場 是指物體中各點的溫度分布隨空間坐標和時間而變化的溫度場稱非穩態溫度場 等溫面 同一時刻 溫度場中所有溫度相同的點連接起來所構成的面 等溫線 用一個平面與等溫面相交 平面與等溫面的交線稱為等溫線 溫度不同的等溫面或等溫線彼此不能相交 在連續的溫度場中 等溫面或等溫線不會中斷 它們或者是物體中完全封閉的曲面 曲線 或者就終止于物體的邊界上 熱量傳遞方向與溫度升高方向相反 等溫線圖的物理意義 若等溫線圖上每兩條相鄰等溫線間的溫度間隔相等時 等溫線的疏密可反映出不同區域導熱熱流密度的相對大小 熱流線 熱流線是一組與等溫線處處垂直的曲線 通過平面上任一點的熱流線與該點的熱流密度矢量相切 熱流線反應熱流密度走向 影響導熱系數的因素 物質的種類 材料成分 溫度 濕度 壓力 密度等 對于任何導熱過程 完整的數學描寫包括導熱微分方程和單值性條件 初始條件 初始時間溫度分布的初始條件 邊界條件 導熱物體邊界上溫度或換熱情況的邊界條件 非穩態導熱定解條件有兩個 穩態導熱定解條件只有邊界條件 無初始條件 導熱問題的常見邊界條件可歸納為以下三類1 規定了邊界上的溫度值 稱為第一類邊界條件 對于非穩態導熱 這類邊界條件要求給出以下關系式 2 規定了邊界上的熱流密度值 稱為第二類邊界條件 對于非穩態導熱 3 第三類邊界條件規定了邊界上物體與周圍流體間的表面傳熱系數及周圍流體的溫度 熱擴散率 越大 表示物體受熱時 其內部溫度扯平的能力越大 越大 表示物體中溫度變化傳播的越快 所以 也是材料傳播溫度變化能力大小的指標 亦稱導溫系數 典型一維穩態導熱問題 平壁導熱面積熱阻RA 單位面積的導熱熱阻稱面積熱阻 熱阻R 整個平板導熱熱阻稱熱阻 圓筒壁的導熱 球殼導熱 串聯熱阻疊加原則 在一個串聯的熱量傳遞過程中 若通過各串聯環節的熱流量相同 則串聯過程的總熱阻等于各串聯環節的分熱阻之和 肋片 指依附于基礎表面上的擴展表面 作用 增大對流換熱面積及輻射散熱面 以強化換熱 非穩態導熱的定義 物體的溫度隨時間而變化的導熱過程稱非穩態導熱 周期性非穩態導熱 物體的溫度隨時間而作周期性的變化 瞬態非穩態導熱 物體的溫度隨時間的推移逐漸趨近于恒定的值 非正規狀況階段 右側面不參與換熱 溫度分布顯現出部分為非穩態導熱規律控制區和部分為初始溫度區的混合分布 正規狀況階段 右側面參與換熱 當右側面參與換熱以后 物體中的溫度分布不受初始溫度影響 主要取決于邊界條件及物性 此時 非穩態導熱過程進入到正規狀況階段 第三章非穩態熱傳導 畢渥數 Bi物理意義 Bi的大小反映了物體在非穩態條件下內部溫度場的分布規律 特征數 準則數 表征某一物理現象或過程特征的無量綱數 特征長度 是指特征數定義式中的幾何尺度 集中參數法 忽略物體內部導熱熱阻 認為物體溫度均勻一致的分析方法 此時 溫度分布只與時間有關 即 與空間位置無關 因此 也稱為零維問題 工程上認為 4 c時導熱體已達到熱平衡狀態 研究對流傳熱的方法 分析法 實驗法 比擬法 數值法 影響表面傳熱系數的因素 流體流動的起因 流體有無相變 流體的流動狀態 換熱表面的幾何因素 流體的物理性質 第五章對流傳熱的理論基礎 在對流傳熱的流場中 邊界層區 必須考慮粘性對流動的影響 要用N S方程求解 主流區 邊界層外 流速維持不變 流動可以作為理想流體的無旋流動 用描述理想流體的運動微分方程求解 在固體表面附近流體速度發生劇烈變化的薄層稱為流動邊界層 邊界層分為層流邊界層和湍流邊界層 湍流邊界層包括湍流核心 緩沖層 層流底層 在層流底層中具有較大的速度梯度 在固體表面附近流體溫度發生劇烈變化的薄層稱為熱邊界層 斯坦頓 Stanton 數 第六章相似原理及量綱分析 同類現象 用相同形式且具有相同內容的微分方程式所描述的現象 相似的概念 對于兩個同類的物理現象 如果在相應的時刻及相應的地點與現象有關的物理量一一對應成比例 則稱此兩現象彼此相似 判別兩現象相似的條件 只有同類現象才能談相似 單值性條件相似 初始條件 邊界條件 幾何條件 物理條件 同名的已定特征數相等 獲得相似準則數的方法 相似分析法和量綱分析法 相似分析法 在已知物理現象數學描述的基礎上 建立兩現象之間的一些列比例系數 尺寸相似倍數 并導出這些相似系數之間的關系 從而獲得無量綱量 量綱分析法 在已知相關物理量的前提下 采用量綱分析獲得無量綱量 國際單位制中的7個基本物理量 長度 m 質量 kg 時間 s 電流 A 溫度 K 物質的量 mol 發光強度 cd 相似原理的重要應用 1 相似原理在傳熱學中的一個重要的應用是指導試驗的安排及試驗數據的整理 2 相似原理的另一個重要應用是指導模化試驗 自然對流亦有層流和湍流之分 自然對流傳熱可分成大空間和有限空間兩類 數是浮升力 粘滯力比值的一種量度 瑞利數 第七章相變對流傳熱 凝結傳熱現象 蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時 將汽化潛熱釋放給固體壁面 并在壁面上形成凝結液的過程 稱凝結傳熱現象 凝結換熱的分類 根據凝結液與壁面浸潤能力不同分為膜狀凝結與珠狀凝結 膜狀凝結 凝結液體能很好地濕潤壁面 并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結形式 稱膜狀凝結 特點 壁面上有一層液膜 凝結放出的相變熱 潛熱 須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上 此時液膜成為主要的換熱熱阻 珠狀凝結 凝結液體不能很好地濕潤壁面 在壁面上形成一個個小液珠的凝結形式 稱珠狀凝結 特點 凝結放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上 所以 在其它條件相同時 珠狀凝結的表面傳熱系數定大于膜狀凝結的傳熱系數 珠狀凝結好 但是難于實現 因此工業上多采用膜狀凝結 膜狀凝結分析解 豎壁的平均表面傳熱系數 傾斜壁 水平管 球表面 豎壁液膜流態 對水平管 用代替上式中的即可 影響膜狀凝結的因素 1 不凝結氣體 減弱 2 蒸氣流速 3 過熱蒸氣 4 液膜過冷度及溫度分布的非線性 5 管子排數 6 管內冷凝 7 凝結表面的幾何形狀沸騰 指液體吸熱后在其內部產生汽泡的汽化過程 沸騰傳熱 物質由液態變為氣態時發生的換熱過程 按流動動力分 大容器沸騰 池沸騰 和強制對流沸騰 管內沸騰 從主體溫度分 a 過冷沸騰 指液體主體溫度低于相應壓力下飽和溫度 壁面溫度大于該飽和溫度所發生的沸騰 稱過冷沸騰 b 飽和沸騰 液體主體溫度達到飽和溫度 壁面溫度高于飽和溫度所發生的沸騰稱為飽和沸騰 大容器飽和沸騰的全部過程 共包括4個換熱規律不同的階段 自然對流 核態沸騰 過渡沸騰和穩定膜態沸騰 其特點 溫差小 換熱強度大 工業設計中應用核態沸騰 影響沸騰傳熱的因素 1不凝結氣體 增強 2過冷度 3液位高度 4重力加速度 5沸騰表面的結構 第八章熱輻射基本定律及輻射特性 可見光 0 38 0 76 m 0 76 1000 m為紅外線區域 工業上有實際意義的熱輻射區域一般為0 1 100 m 物體對熱輻射的吸收 反射和穿透對于大多數的固體和液體 對于不含顆粒的氣體 對于黑體 鏡體或白體 透明體 黑體 白體和透明體的定義是針對全波長而言的 由于可見光只占整個波長的一小部分 故物體對輻射能量的吸收能力的大小不能憑物體的顏色來判斷 反射又分鏡反射和漫反射兩種 輻射力 單位時間內 物體的單位表面積向半球空間發射的所有波長的能量總和 W m2 光譜輻射力 單位時間內 單位波長范圍內 包含某一給定波長 物體的單位表面積向半球空間發射的能量 W m3 立體角 球面面積除以球半徑的平方稱為立體角 單位 sr 球面度 定向輻射強度 單位時間內 物體在垂直發射方向的單位面積上 在單位立體角內發射的一切波長的能量 1 普朗克定律 第一個定律 描述了黑體輻射能按波長的分布規律 m與T的關系由維恩位移定律 2 斯忒藩波爾茲曼定律 3 蘭貝特定律 黑體的輻射力由斯忒藩 玻耳茲曼定律確定 輻射力正比于熱力學溫度的四次方 是溫度函數黑體的輻射能量按波長的分布服從普朗克定律 黑體的輻射能量按空間方向的分布服從蘭貝特定律 黑體的光譜輻射力峰值所對應的波長由維恩位移定律確定 發射率 也稱為黑度 相同溫度下 實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比 方向發射率實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比 光譜發射率實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比 漫射體 表面的方向發射率與方向無關 即定向輻射強度與方向無關的物體 灰體 光譜吸收比與波長無關的物體稱為灰體 實際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同 實際物體的輻射力并不完全與熱力學溫度的四次方成正比 實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守蘭貝特定律 等等 選擇性吸收 投入輻射本身具有光譜特性 因此 實際物體對投入輻射的吸收能力也根據其波長的不同而變化 這叫選擇性吸收 吸收比 物體對投入輻射所吸收的百分數 通常用 表示 即 Kirchhoff定律的不同表達式 第九章輻射傳熱的計算 角系數 把表面1發出的輻射能中落到表面2上的百分數稱為表面1對表面2的角系數 記為X1 2 角系數的性質 1 角系數的相對性2 角系數的完整性3 角系數的可加性角系數的計算方法 直接積分法 幾何分析法代數分析法 三個表面組成的封閉系統任意兩個非凹表面間的角系數 交叉線法 兩漫灰表面組成的封閉系統的輻射換熱計算1 投入輻射 單位時間內投射到單位面積上的總輻射能 2 有效輻射 單位時間內離開單位面積的總輻射能為該表面的有效輻射 a 由三個表面組成的封閉系統 b 三表面封閉腔的等效網絡圖 多表面系統的輻射傳熱 強化輻射傳熱的主要途徑有兩種 增加發射率 增加角系數 削弱輻射傳熱的主要途徑有三種 降低角系數 降低發射率 加入遮熱板 傳熱過程 一側的熱流體通過固體壁面把熱量傳給另一側冷流體的過程 傳熱過程分析求解的基本關系為傳熱方程式 1 通過平壁的傳熱過程計算 2 通過圓筒壁的傳熱過程計算 3 通過肋壁的傳熱 肋面總效率肋化系數傳熱系數在表面傳熱系數較小的一側采用肋壁是強化傳熱的一種行之有效的方法 第十章傳熱過程分析與換熱器計算 臨界熱絕緣直徑記1 當裸管的外徑 dcr時 保溫