《热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射（99页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、热量传递的三种基本方式 导热 热传导 对流 热对流 和热辐射 二 导热基本定律 Fourier s law 1822年 法国数学家傅里叶 Fourier 在实验研究基础上 发现导热基本规律 傅里叶定律 垂直导过等温面的热流密度 正比于该处的温度梯度 方向与 温度梯度相反 热导率 导热系数 直角坐标系中 注 傅里叶定律只适用于各向同性材料 各向同性材料 热导率在各个方向是相同的 Thermal conductivity 上式称为Fourier定律 号称导 热基本定律 是一个一维稳态 导热 其中 热流量 单位时间传递的热量 W q 热流密度 单 位时间通过单位面积传递的热量 A 垂直于导热方向的
2、截面积 m2 导热系数 热导率 W m K 图1 2 一维稳态平板内导热 t 0 x dx dt Q 热导率的数值 就是物体中单位温度梯度 单位时间 通过 单位面积的导热量 物质的重要热物性参数 影响热导率的因素 热导率的数值表征物质导热能力大小 实验测定 三 热导率 Thermal conductivity 表征材料导热能力的大小 是一种物性参数 与材料种类和温 度关 导热微分方程及边界条件 说明导热体边界上过程进行的特点反映过程与周 围环境相互作用的条件 边界条件一般可分为三类 第一类 第二类 第三类边界条件 Boundary conditions Q 图1 3 导热热阻的图示 t 0 x
3、 dx dt Q 导热热阻 单位导热热阻 导热热阻 平壁 圆筒壁 2 4 通过肋片的导热及传热强化 第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热 为了增加传热量 可以采取哪些措施 1 增加温差 tf1 tf2 但受工艺条件限制 2 减小热阻 a 金属壁一般很薄 很小 热导率很大 故导热热阻一般可忽略 b 增大h1 h2 但提高h1 h2并非任意的 c 增大换热面积 A 也能增加传热量 肋片强化传热的原理 对流换热分类 如习题 1 3 当流体与壁面温度相差1度时 每单位壁面面积 上 单位时间内所传递的热量 影响h因素 流动形式 物性 几何形状 对流类型等 Convection heat transfe
4、r coefficient 5 对流换热系数 表面传热系数 求解导热问题的三种基本方法 1 理论分析法 2 数值计算 法 3 实验 法 三种方法的基本求解过程 1 所谓理论分析方法 就是在理论分析的基础上 直接对微分方程在给 定的定解条件下进行积分 这样获得的解称之为分析解 或叫理论解 2 数值计算法 把原来在时间和空间连续的物理量的场 用有限个离散 点上的值的集合来代替 通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代 数方程 从而获得离散点上被求物理量的值 并称之为数值解 4 2 边界节点离散方程的建立及代数 方程的求解 对于第一类边界条件的热传导问题 处理比较简单 因为 已知边界的温度 可将其
5、以数值的形式加入到内节点的离 散方程中 组成封闭的代数方程组 直接求解 而对于第二类边界条件或第三类边界条件的热传导问题 就必须用热平衡的方法 建立边界节点的离散方程 边界 节点与内节点的离散方程一起组成封闭的代数方程组 才 能求解 为了求解方便 这里我们将第二类边界条件及第三类边界 条件合并起来考虑 用qw表示边界上的热流密度或热流 密度表达式 用 表示内热源强度 5 1 对流换热概述 1 对流换热的定义和性质 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的 热量传递现象 对流换热实例 1 暖气管道 2 电子器件冷却 3 电 风扇 对流换热与热对流不同 既有热对流 也有导热 不 是基本传热方
6、式 1 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 2 必须有直接接触 流体与壁面 和宏观运动 也必须有温差 3 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响 紧 贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层 2 对流换热的特点 3 对流换热的基本计算式 牛顿冷却式 5 对流换热的影响因素 对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的 结果 其影响因素主要有以下五个方面 1 流动起因 2 流动状态 3 流体有无相变 4 换热表面的几何因素 5 流体的热物理性质 6 对流换热的分类 1 流动起因 自然对流 流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产 生的流动 强制对流 由外力 如 泵 风机 水压头 作用所产生 的
7、流动 2 流动状态 3 流体有无相变 层流 整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流 流体质点做复杂无规则的运动 紊流 Laminar flow Turbulent flow 单相换热 相变换热 凝结 沸腾 升华 凝固 融化等 Single phase heat transfer Phase change Condensation Boiling 4 换热表面的几何因素 内部流动对流换热 管内或槽内 外部流动对流换热 外掠平板 圆管 管束 5 流体的热物理性质 热导率密度 比热容动力粘度 运动粘度体胀系数 综上所述 表面传热系数是众多因素的函数 4 物理意义 无量纲无量纲 热阻热阻 无量纲无量纲 时
8、间时间 Fo越大 热扰动就能越深入地传播到物体 内部 因而 物体各点地温度就越接近周 围介质的温度 对流换热微分方程组 常物性 无内热源 二维 不可 压缩牛顿流体 前面4个方程求出温度场之后 可以利用牛顿冷却 微分方程 计算当地对流换热系数 4个方程 4个未知量 可求得速度场 u v 和温 度场 t 以及压力场 p 既适用于层流 也适用于 紊流 瞬时值 5 5 无量纲量的获得无量纲量的获得 相似分析法和相似分析法和量纲分析法量纲分析法 1 相似分析法 在已知物理现象数学描述的基础上 建 立两现象之间的一些列比例系数 尺寸相似倍数 并 导出这些相似系数之间的关系 从而获得无量纲量 2 以左图的对
9、流换热为例 现象1 现象2 数学描述 对自然对流的微分方程进行相应的分析 可得到一个 新的无量纲数 格拉晓夫数 式中 流体的体积膨胀系数 K 1 Gr 表征流体浮生力与粘性力的比值 2 量纲分析法 在已知相关物理量的前提下 采用 量纲分析获得无量纲量 2 2 常见无量纲 准则数 数的物理意义及表达式 很重要 3 3 实验数据如何整理 整理成什么样函数关系 特征关联式的具体函数形式 定性温度 特征长度等 的确定具有一定的经验性 目的 完满表达实验数据的规律性 便于应用 特征数 关联式通常整理成已定准则的幂函数形式 式中 c n m 等需由实验数据确定 通常由图解法和 最小二乘法确定 自然对流换热
10、 混合对流换热 强制对流 常见准则数的定义 物理意义和表达式 及其各量的 物理意义 模化试验应遵循的准则数方程 试验数据的整理形式 自然对流换热 混合对流换热 强制对流 常见准则数的定义 物理意义和表达式 及其各量的 物理意义 模化试验应遵循的准则数方程 试验数据的整理形式 2 入口段的热边界层薄 表面传热系数高 层流入口段长度 湍流时 层流湍流 二 横掠管束换热实验关联式 外掠管束在换热器 中最为常见 通常管子有叉排和 顺排两种排列方式 顺叉排换热的比 较 叉排换热强 阻力损失大并难于 清洗 影响管束换热的因 素除 数外 还有 叉排或顺 排 管间距 管束 排数等 气体横掠10排以上管束的实验
11、关联式为 式中 定性温度为 特征长度为 管外径d 数中的流速采用整个管束中最窄截面处 的流速 实验验证范围 C和m的值见下表 后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影 响直到10排以上的管子才能消失 这种情况下 先给出不考虑排数影响的关联式 再采用管 束排数的因素作为修正系数 6 5 自然对流换热及实验关联式 自然对流 不依靠泵或风机等外力推动 由流体自身 温度场的不均匀所引起的流动 一般地 不均匀温度 场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内 自然对流的自模化现象 紊流时换热系数与特征尺度无 关 工程中广泛使用的是下面的关联式 式中 定性温度采用 数中的 为 与 之差 对于符合理想气体性质
12、的气体 特征长度的选择 竖壁和竖圆柱取高度 横圆柱取外径 常数C和n的值见下表 层流时 n 1 4 湍流时 n 1 3 一 大空间自然对流换热的实验关联式 第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热 包括 强制对流换热和自然对流换热 下面我们即将遇到的是有相变的对流换热 也称之为 相变换热 目前涉及的是凝结换热和沸腾换热两种 相变换热的特点 由于有潜热释放和相变过程的复杂 性 比单相对流换热更复杂 因此 目前 工程上也 只能助于经验公式和实验关联式 7 1 凝结传热的模式 7 2 膜状凝结分析解及计算关联式 凝结换热的关键点 凝结可能以不同的形式发生 膜状凝结和珠状凝结 冷凝物相当于增加了热量进
13、一步传递的热阻 层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式 影响膜状凝结换热的因素 会分析竖壁和横管的换热过程 及Nusselt膜状凝结理论 凝结换热实例 冷凝器中的换热 寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程 1 凝结过程 膜状凝结 沿整个壁面形成一层薄膜 并且在重力 的作用下流动 凝结放出的汽化潜热必 须通过液膜 因此 液膜厚度直接影响 了热量传递 珠状凝结 当凝结液体不能很好的浸润壁面时 则在壁面 上形成许多小液珠 此时壁面的部分表面与蒸 汽直接接触 因此 换热速率远大于膜状凝结 可能大几倍 甚至一个数量级 g g 2 局部对流换热系数 整个竖壁的平均表面传热系数 3 修正 实验表明 由于
14、液膜表面波动 凝结换热得到强 化 因此 实验值比上述得理论值高20 左右 修正后 定性温度 注意 r 按 ts 确定 时 惯性力项和液膜过冷度 的影响均可忽略 对于倾斜壁 则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可 另外 除了对波动的修正外 其他假设也有人做了相关的 研究 如当 并且 4 水平圆管 努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流 膜状凝结 式中 下标 H 表示水平管 S 表示球 d 为水 平管或球的直径 定性温度与前面的公式相同 7 3 膜状凝结的影响因素及其传热强化 工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂 受各种 因素的影响 1 不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻
15、力 同时使饱和温度下 降 减小了凝结的驱动力 2 蒸气流速 流速较高时 蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时 使液膜拉薄 增大 反之使 减小 7 凝结表面的几何形状 强化凝结换热的原则是 尽量减薄粘滞在换热表 面上的液膜的厚度 可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄 或 者使已凝结的液体 尽快从换热表面上 排泄掉 7 6 沸腾换热的影响因素及其强化 沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的 影响因素也最 多 由于我们只学习了大容器沸腾换热 因此 影响因素也 只针对大容器沸腾换热 1 不凝结气体 对膜状凝结换热的影响 与膜状凝结换热不同 液体中的不凝结气
16、体会使沸腾换热 得到某种程度的强化 2 过冷度 只影响过冷沸腾 不影响饱和沸腾 因自然对流换热时 因此 过冷会强化换热 3 沸腾换热分类及沸腾曲线 详见参考书 见p 183 8 1 热辐射的基本概念 1 热辐射特点 1 定义 由热运动产生的 以电磁波形式传递的能量 2 特点 a 任何物体 只要温度高于0 K 就会不停地向周 围空间发出热辐射 b 可以在真空中传播 c 伴随能量形 式的转变 d 具有强烈的方向性 e 辐射能与温度和波长 均有关 f 发射辐射取决于温度的4次方 2 电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式 如图7 1所示 而我们所感兴趣 的 即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0 1 100 m 电磁波的传播速度 c f 式中 f 频率 s 1 波长 m 当热辐射投射到物体表面上时 一般 会发生三种现象 即吸收 反射和穿 透 如图7 2所示 3 物体对热辐射的吸收 反射和穿透 图8 2物体对热辐射 的吸收反射和穿透 1 黑体概念 黑体 是指能吸收投入到其面 上的所有热辐射能的物体 是 一种科学假想的物体 现实生 活中是不存在的 但却可以人 工制造出近似的人工黑体 图8 5 黑体模型
